基于人臉識別和RFID智能門禁考勤系統(tǒng)

李明昆 鐘麗輝 戴正權(quán)

摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展及學(xué)習(xí)生活節(jié)奏加快，教室、宿舍等場所智能化管理需求日益增加。本文在Linux平臺下基于OpenCV、Face Recognition等開源算法開發(fā)人臉識別和RFID門禁考勤系統(tǒng)，一方面解決教師、學(xué)生進入宿舍、教室需要鑰匙的不便以及教室鑰匙管理的煩瑣;另一方面可以快速地對上課和夜間歸宿情況考勤記錄，實現(xiàn)了教室宿舍的智能化管理。

關(guān)鍵詞：Linux;人臉識別;門禁;考勤;RFID

中圖分類號： TP18? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0183-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

校園教室、宿舍管理一直都是學(xué)校管理工作的重難點，以往傳統(tǒng)的管理方式依賴于人工，需要消耗大量的人力物力，且安全性和實時性也不能得到很好的保證，隨著電子信息技術(shù)發(fā)展，校園的很多設(shè)施都趨向自動化、智能化發(fā)展，但在教室、宿舍管理方面的信息化應(yīng)用還不夠普遍。

人臉識別[1]應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，而且安全性也日益提高，即使在支付、認證這類高要求場合也能勝任。人臉識別[2，3]具有便捷、速度較快、非接觸、非侵入性、適應(yīng)性強、可并發(fā)等特點，非常適用于考勤與門禁，而RFID[4]（無線射頻識別）技術(shù)具有抗干擾、速度快、容量大、體積小、成本低、實現(xiàn)容易等特點，在校園卡、地鐵公交、高速計費等很多場合都有應(yīng)用。

該系統(tǒng)的教室門禁功能可以根據(jù)教室安排分配不同教師及學(xué)生的權(quán)限，讓學(xué)生課前無須等待及時進入教室準(zhǔn)備學(xué)習(xí);教室考勤功能利用學(xué)生進教室時快速識別，考勤信息自動上傳教務(wù)系統(tǒng)，將節(jié)省寶貴的課堂時間。該系統(tǒng)的宿舍門禁功能可以方便學(xué)生進入寢室同時保障了宿舍財產(chǎn)安全;宿舍考勤功能可以記錄學(xué)生回寢時間，夜間考勤信息及時上傳，保障學(xué)生安全[5，6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以BCM2711處理器作為主控，運行嵌入式linux系統(tǒng)，配置Python-OpenCV、Face Recognition環(huán)境，首先通過攝像頭實時采集圖像，并對圖像進行人臉檢測、人臉區(qū)域裁剪、灰度變換、直方圖均衡化等預(yù)處理[7];其次通過Face Recognition與之前學(xué)習(xí)的人臉數(shù)據(jù)比對，返回匹配的人臉I(yè)D;再次把相應(yīng)信息上傳服務(wù)器;最后服務(wù)器判斷是否有開門權(quán)限后下達指令，并進行考勤統(tǒng)計、整理、存檔，以Web界面的方式進行展示和管理，信息與教務(wù)系統(tǒng)[8]共享。RFID與人臉識別互補，增加了系統(tǒng)的靈活性。本文系統(tǒng)總體設(shè)計的框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 核心模塊

系統(tǒng)選用了高性能BCM2711處理器，該處理器為四核Cortex-A72架構(gòu)，主頻1.5GHz，保障系統(tǒng)穩(wěn)定流暢運行，集成工作頻率為500Mhz的Video core VI GPU，為人臉識別并行運算提供硬件加速，支持4K 60FPS HEVC視頻解碼，芯片工藝為28納米，有利于系統(tǒng)低功耗、低發(fā)熱設(shè)計。內(nèi)存采用的是LPDDR4內(nèi)存芯片，容量2G，滿足系統(tǒng)運行需求，F(xiàn)lash為外擴16G MicroSD卡。

2.2 圖像采集

系統(tǒng)選用的攝像頭為OV5647，它是500萬像素的cmos圖像傳感器，具有低電壓、高性能的特點，圖像分辨率最高可達2592*1944，為系統(tǒng)準(zhǔn)確人臉識別提供基礎(chǔ)保障，通過CSI接口與處理器連接，減少I/O占用。視角為65°，適合近距離采集人像，在1080P分辨率下，F(xiàn)PS可以達到30，滿足系統(tǒng)要求。本文選用的圖像采集攝像頭的功能塊描述如圖2所示。

2.3 射頻識別

系統(tǒng)選用的射頻識別芯片為MFRC522，它工作在13.56MHZ，支持協(xié)議多、低功耗、低成本， 傳輸速率高達424Kbit/s，與處理器使用SPI協(xié)議通信。13.56MHZ是目前RFID使用最為廣泛的頻率，許多校園卡、公交卡、門禁、手機NFC都使用此頻率，因此還可添加支持NFC功能的手機、手環(huán)等作為認證設(shè)備，該頻率兼顧了速度和安全性，通信距離一般不超過10cm。該系統(tǒng)選用的卡片是Mifare S50，該卡片有1K的存儲容量，滿足系統(tǒng)要求，遵守ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，具有安全、防干擾、速度快、價格低等優(yōu)點。對全扇區(qū)進行加密，防止復(fù)制，加強系統(tǒng)的安全性。

2.4 以太網(wǎng)通信

系統(tǒng)的以太網(wǎng)選用常見的RJ45接口，驅(qū)動芯片為BCM54213PE，它是一款三速1000BASE-T / 100BASE-TX / 10BASE-T千兆以太網(wǎng)收發(fā)器，完全符合RGMII標(biāo)準(zhǔn)，支持IEEE 802.3az標(biāo)準(zhǔn)，與處理器使用RGMII接口連接，可與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)交換機、路由器相連，兼容性好，方便系統(tǒng)安裝。

2.5 電控門鎖

電控門鎖采用電磁鎖，當(dāng)通電時，電磁鐵產(chǎn)生巨大吸力吸住鐵板，達到把門鎖住的效果，當(dāng)電源斷開，磁力消失，門即可打開。同時電磁鎖可以方便實現(xiàn)閉環(huán)檢測，當(dāng)有暴力開門時，可以發(fā)出報警信號，且當(dāng)斷電時，門為常開狀態(tài)，符合消防安全規(guī)范。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 客戶端軟件設(shè)計

客戶端安裝linux系統(tǒng)，移植部署OpenCV、Face Recognition，主程序為Python編寫，客戶端軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。客戶端運行時先從服務(wù)器更新已經(jīng)處理好的已知人員的面部編碼，并從攝像頭采集圖像，使用OpenCV檢測、裁剪人臉，然后進行灰度變換，減少后期運算量，加快識別速度;并進行直方圖均衡化處理，弱化光線的影響，接著使用face_recognition.face_encodings對當(dāng)前人臉進行編碼，將結(jié)果使用face_recognition.face_distance得出與已知人員面部編碼的歐拉距離，通過歐氏距離判斷該人臉是否屬于已知人臉，并得出與哪一個人臉最匹配。最后，將識別結(jié)果上傳服務(wù)器，由服務(wù)器記錄考勤信息并判斷當(dāng)前個人是否有開門權(quán)限后下達開門指令，RFID作為備份，當(dāng)檢測到正確的卡片，執(zhí)行開門操作的同時上傳服務(wù)器記錄。

3.2 服務(wù)器軟件設(shè)計

服務(wù)器端基于Flask框架，客戶端與服務(wù)器使用HTTPS協(xié)議通信，安全可靠。后臺WEB管理界面后端使用Python/Node.js編寫，實現(xiàn)考勤統(tǒng)計，權(quán)限判斷，前端使用HTML/JavaScript編寫，繪制交互界面。服務(wù)器從客戶端獲得識別的人臉并根據(jù)教務(wù)系統(tǒng)課表教室分配信息，得到是否有開門權(quán)限并將結(jié)果下發(fā)客戶端，同時整理記錄考勤信息。

4 實驗測試

實驗在室內(nèi)一般光照環(huán)境下進行，分別測試了：沒有錄入人臉數(shù)據(jù)、已錄入人臉數(shù)據(jù)但該時間地點無權(quán)限和已錄入人臉數(shù)據(jù)且該時間地點有權(quán)限三種情況，系統(tǒng)均正確運行，識別平均速度在1.4s。使用有權(quán)限的IC卡能正常開門，響應(yīng)速度快。登錄進入Web界面，可以查詢到開門及考勤記錄，并可進行權(quán)限設(shè)置。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能基本正常，滿足預(yù)期設(shè)計要求。

5? 結(jié)論

本系統(tǒng)以人臉識別為主，RFID為輔，應(yīng)用于宿舍教室的門禁考勤，防止學(xué)生逃課、代課現(xiàn)象，節(jié)約課堂時間，具有一定實用性，能解決當(dāng)前的考勤工作、教室管理、校園智能化、學(xué)風(fēng)建設(shè)等問題。后續(xù)，不僅可以應(yīng)用到校園的教室和宿舍，也可應(yīng)用到企業(yè)、政府等場合，具有很大的普適性。在實驗中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的人臉識別算法的速度有待優(yōu)化，web管理界面功能還需擴充，以增加系統(tǒng)的實用性。

參考文獻：

[1] 劉衛(wèi)凱，郝雅倩，鄭晗，等.人臉識別綜述[J].信息記錄材料，2018，19（7）：13-14.

[2] 張一夫，陳天飛，張建松.基于樹莓派的在線人臉識別考勤系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程，2019，27（22）：152-156.

[3] 師陽，閆麗麗，文韜，等.基于OpenCV的人臉識別應(yīng)用[J].電腦編程技巧與維護，2018（7）：140-141，144.

[4] 張殿東.無線射頻識別（RFID）技術(shù)[J].電信技術(shù)，2005（2）：86-88.

[5] 張金霞.HTML網(wǎng)頁設(shè)計參考手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[6] 朱杰.使用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的幾種方式的比較[J].信息與電腦（理論版），2014（16）：191-192.

[7] 秦小文，溫志芳，喬維維.基于OpenCV的圖像處理[J].電子測試，2011（7）：39-41.

[8] 雷亮輝，鄂旭，楊芳，等.基于開源框架Flask的教務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息與電腦（理論版），2016（20）：107-109.

【通聯(lián)編輯：唐一東】