智能家居嵌入式人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

強(qiáng)宇佶 申雙琴

（桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院嵌入式系統(tǒng)與智能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004）

近年來(lái)，人們物質(zhì)水平提高，同時(shí)對(duì)家居安全的要求不斷提高，安防設(shè)備和智能家居逐漸進(jìn)入我們的視線。傳統(tǒng)的卡片和密碼式的門(mén)禁系統(tǒng)因其易丟失、功能單一且安全性低等缺點(diǎn)，逐步被各種生物識(shí)別技術(shù)取而代之。其中人臉識(shí)別因其具有非接觸式、不易被仿造、識(shí)別率較高的優(yōu)勢(shì)，將其引入到門(mén)禁系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。本文將嵌入式與人臉識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要以STM32 系列單片機(jī)作為微控制器，以串口觸摸屏為人機(jī)交互窗口,用戶通過(guò)矩陣鍵盤(pán)鍵入進(jìn)行模式選擇，通過(guò)LCD 屏幕獲取操作信息，選擇人臉識(shí)別模式時(shí)可以通過(guò)人臉識(shí)別進(jìn)行開(kāi)門(mén)操作，選擇密碼模式可以通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入密碼進(jìn)行開(kāi)門(mén)操作，同時(shí)對(duì)開(kāi)門(mén)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，也可以通過(guò)串口助手將開(kāi)門(mén)記錄發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)上查看所有用戶何時(shí)何種方法開(kāi)門(mén)。此外，添加了訪客模式、管理員模式，用戶選擇訪客模式可以模擬門(mén)鈴，提醒主人開(kāi)門(mén)，選擇管理員模式，正確輸入管理員密碼可以查看所有用戶與密碼等，讓系統(tǒng)變得更加實(shí)用。系統(tǒng)的硬件部分包括人臉識(shí)別模塊、模擬門(mén)禁模塊及按鍵與顯示模塊。軟件部分包括對(duì)人臉進(jìn)行追蹤與檢測(cè)，在錄入人臉后對(duì)采集到的人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行特征的分析與訓(xùn)練，識(shí)別時(shí)對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行辨識(shí)，同時(shí)因?yàn)闃?shù)莓派的操作系統(tǒng)是基于Debian 的Linux 系統(tǒng)即“R aspbian 操作系統(tǒng)”，因其本身具有的局限性，獲取的圖像幀數(shù)較低，所以使用跳幀計(jì)算提高幀數(shù)。實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、密碼開(kāi)鎖、報(bào)警系統(tǒng)、查看開(kāi)鎖記錄、增加指定用戶等功能，總體系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用了高效的STM32F103C8T6，STM32 使用了以ARM Cortex 為內(nèi)核的高性能微處理器，其工作頻率高，內(nèi)置存儲(chǔ)器，有多種省電工作模式，可以保證低功耗應(yīng)用的運(yùn)行，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合，并且性價(jià)比高。因?yàn)槠銲O 口數(shù)量少，所以選用了IIC 接口的2004LCD 屏幕，僅使用兩個(gè)IO 口就可以完成對(duì)屏幕的控制。對(duì)人臉識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)，選擇了卡片電腦，Raspberry Pi 即樹(shù)莓派，樹(shù)莓派搭載的是博通的BCM2835 處理器，可以直接運(yùn)行Linux 操作系統(tǒng)。采用OpenCV 來(lái)進(jìn)行對(duì)人臉進(jìn)行追蹤以及識(shí)別，因?yàn)闃?shù)莓派提供了各種接口，包括GPIO、IIC 等接口，可以直接傳輸數(shù)據(jù)并進(jìn)控制，因此采用在樹(shù)莓派上對(duì)OpenCV 進(jìn)行環(huán)境搭建。攝像頭選擇了CSI 接口的攝像頭。為了存儲(chǔ)與記錄開(kāi)鎖數(shù)據(jù)，即開(kāi)鎖用戶、方式，開(kāi)鎖時(shí)間數(shù)據(jù)，需要使用時(shí)鐘模塊，選擇Tiny RTC 時(shí)鐘。輸入密碼，使用一個(gè)矩陣鍵盤(pán)就可完成。模擬門(mén)禁模塊，使用了MH-FMD 無(wú)源蜂鳴器、JQC-3FF 繼電器與LED 燈，在開(kāi)鎖時(shí)發(fā)出提示音與亮起燈光，以此來(lái)模擬門(mén)禁的開(kāi)關(guān)。

圖1 人臉識(shí)別門(mén)禁總體系統(tǒng)框圖

2.1 人臉識(shí)別模塊

人臉識(shí)別模塊由樹(shù)莓派3 代與樹(shù)莓派攝像頭組成，通過(guò)USB 口進(jìn)行通電。樹(shù)莓派作為現(xiàn)在最流行的卡片電腦，相對(duì)于單片機(jī)，可以裝系統(tǒng)，做服務(wù)器，通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)進(jìn)行控制，可以直接連接WiFi，同時(shí)也具備單片機(jī)的基本所有功能；相對(duì)于電腦，體積小，可隨身攜帶，擁有IO 口，可進(jìn)行模塊編程[1]。在樹(shù)莓派上可以輕松完成對(duì)Raspbian 系統(tǒng)以及OpenCV 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建，因此將樹(shù)莓派用作人臉識(shí)別模塊，更加的高效，并且性能要更高[2]。

2.2 模擬門(mén)禁模塊

通過(guò)MH-FMD 蜂鳴器、JQC-3FF 繼電器與LED 燈模擬門(mén)禁模塊。MH-FMD 蜂鳴器正常工作電壓為3.3V～5V，正常通電后，從I/O 引腳接收到來(lái)自STM32 的低電平信號(hào)后，蜂鳴器發(fā)出聲音[3]。用JQC-3FF 繼電器與LED 燈模擬成功開(kāi)鎖后，綠燈常亮保持10 秒，模擬保持開(kāi)門(mén)狀態(tài)10 秒。MH-FMD 蜂鳴器電路原理圖如圖2 所示。

圖2 MH-FMD 蜂鳴器電路原理圖

2.3 按鍵與顯示模塊

系統(tǒng)整體通過(guò)矩陣鍵盤(pán)控制，在LCD 顯示屏上顯示操作信息與實(shí)時(shí)時(shí)間。STM32F103C8T6 的IO 口數(shù)量少，因此選用了IIC 接口的2004LCD 顯示屏，該顯示屏只需使用兩個(gè)IO 口就可以完成對(duì)屏幕的控制[4]。輸入密碼以及選擇模式的操作則通過(guò)使用一個(gè)矩陣鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且使用Tiny RTC 時(shí)鐘，該時(shí)鐘自帶電源，可以實(shí)現(xiàn)顯示實(shí)時(shí)時(shí)間以及記錄開(kāi)門(mén)時(shí)間[5]。4*4 矩陣鍵盤(pán)原理圖如圖3 示。輸入密碼不按下確定鍵，系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行打斷，除非密碼輸入超出長(zhǎng)度限制或按下退出鍵。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇在室內(nèi)，將攝像頭呈四十五度放置在水平桌面上進(jìn)行測(cè)試。選擇人臉識(shí)別模式，發(fā)現(xiàn)用戶在經(jīng)過(guò)人臉?shù)浫氩⒂?xùn)練后，在距離攝像頭大約45cm 范圍內(nèi)，可以正確進(jìn)行人臉識(shí)別功能。選擇密碼模式，用戶輸入正確即可開(kāi)門(mén)，反之則無(wú)法開(kāi)門(mén)，密碼模式運(yùn)行正常。選擇管理員模式，用戶正確輸入管理員密碼后，可以正常完成查看所有用戶密碼、新增用戶密碼，發(fā)送開(kāi)門(mén)記錄至上位機(jī)的操作，管理員模式運(yùn)行正常。模擬門(mén)禁在開(kāi)鎖成功或失敗時(shí)，都能正常運(yùn)行相應(yīng)功能。根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)調(diào)試的各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，該人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)在各種模式下均無(wú)明顯異常，基本實(shí)現(xiàn)功能要求。

5 結(jié)論

本文將人臉識(shí)別門(mén)禁與各種實(shí)用功能進(jìn)行結(jié)合，在對(duì)軟硬件進(jìn)行多次測(cè)試與完善后，成功地設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有一定實(shí)用價(jià)值的智能家居人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)在完成對(duì)用戶的人臉訓(xùn)練后，可以通過(guò)人臉識(shí)別進(jìn)行開(kāi)門(mén)操作，當(dāng)用戶不便使用人臉識(shí)別模式時(shí)，可以通過(guò)矩陣鍵盤(pán)選擇密碼開(kāi)鎖模式，輸入正確密碼后即可完成開(kāi)鎖，同時(shí)設(shè)置模擬門(mén)鈴以及管理員模式，正確輸入管理員密碼可以查看密碼，添加密碼以及發(fā)送開(kāi)門(mén)記錄至上位機(jī)，可以通過(guò)上位機(jī)查詢所有開(kāi)門(mén)記錄，系統(tǒng)功能齊全，基本上能夠滿足家庭需求，可實(shí)踐性強(qiáng)。

圖3 4*4 矩陣鍵盤(pán)原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)Raspbian 系統(tǒng)命令進(jìn)行人臉?shù)浫氩僮?，用戶正?duì)攝像頭，由樹(shù)莓派攝像頭通過(guò)Haar 特征檢測(cè)采集并錄入人臉，攝像頭會(huì)拍攝100 張照片，對(duì)拍攝到的人臉圖像進(jìn)行特征提取與特性選擇，進(jìn)行訓(xùn)練。完成這些過(guò)程后，用戶就可通過(guò)Lbp 算法進(jìn)行人臉辨別。開(kāi)鎖成功主控板發(fā)送低電平信號(hào)至繼電器，LED亮起綠燈保持十秒，模擬保持開(kāi)門(mén)狀態(tài)十秒，開(kāi)鎖失敗則由蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。所有操作都通過(guò)按鍵控制，A、B、C、D 鍵分別表示人臉識(shí)別開(kāi)鎖、密碼開(kāi)鎖、訪客模式、管理員模式，在顯示屏上顯示由RTC 時(shí)鐘控制的實(shí)時(shí)時(shí)間與操作提示。矩陣鍵盤(pán)模塊按下按鍵發(fā)布信號(hào)量，并且在密碼輸入部分，選擇使用完全等待，