基于RFID和人臉識別的門禁管理系統(tǒng)探析

苗盼盼

關(guān)鍵詞 門禁系統(tǒng) 人臉識別

1引言

門禁系統(tǒng)，顧名思義就是對出入口通道進行管制的系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)的門鎖基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。傳統(tǒng)的機械門鎖僅僅是機械裝置，無論結(jié)構(gòu)設(shè)計得多么合理，材料多么堅固，人們總能通過各種手段把它打開[1] 。在出入人員很多的通道（如辦公大樓、酒店客房），鑰匙的管理很麻煩，當(dāng)鑰匙丟失時需要同時更換鎖和鑰匙。為了解決該問題，電子磁卡鎖應(yīng)運而生，這在一定程度上提高了人們對出入口通道的管理效率，使通道管理進入電子時代。

近年來，隨著感應(yīng)卡技術(shù)的發(fā)展，門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展，并進入了成熟期，出現(xiàn)了感應(yīng)卡式門禁系統(tǒng)，它在安全性、方便性、易管理性等方面優(yōu)勢顯著，門禁系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。

Bo Yan[2] 報道了利用RFID 技術(shù)自動化管理景點門票的系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件包括RFID 電子票據(jù)、RFID閱讀器、計算機終端、光網(wǎng)絡(luò)、計算機服務(wù)器和現(xiàn)場控制器。電子客票包含S?DES 加密形式的數(shù)據(jù)，包括景區(qū)編號、景區(qū)編號、客票類型、客票日期、站點編號、序列號和校驗位?，F(xiàn)場的RFID 閱讀器讀取電子客票內(nèi)的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將其傳輸至計算機終端和服務(wù)器。

數(shù)據(jù)在終端進行解密并驗證其真實性。最后，現(xiàn)場控制員允許相關(guān)游客進入現(xiàn)場。該系統(tǒng)識別和認證過程分為三個子系統(tǒng)，即銷售子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)。所有進程都通過數(shù)據(jù)庫信息相互通信。

G.OstojT5557[3] 在塞爾維亞共和國諾維薩德市開發(fā)了基于RFID 技術(shù)的自動停車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件包括RFID 標(biāo)簽和讀卡器，工作頻率為13.56MHz，用于檢測金屬的感應(yīng)回路。計數(shù)車輛的容量傳感器為西門子MC 39i GPRS 調(diào)制解調(diào)器，用于入口和出口閘門與FEC FC440 可編程邏輯控制器（PLC）之間的通信，PLC 是該系統(tǒng)的核心。當(dāng)汽車停在入口處的感應(yīng)線圈時，讀卡器讀取RFID 標(biāo)簽。標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)包括唯一標(biāo)識號（UID）、有效期和檢查停車狀態(tài)的檢查位。如果標(biāo)記的信息包含正確的UID、有效期和停車狀態(tài)，則該數(shù)據(jù)由PLC 控制，并授予停車許可。車輛進入停車場后，RFID 讀寫器將更改其停車狀態(tài)，以防止同一卡上的其他車輛進入。當(dāng)車輛離開停車場時，重復(fù)相同的程序。

Nova Ahmed[4] 描述了普及環(huán)境中基于RFID 的室內(nèi)引導(dǎo)和監(jiān)控系統(tǒng)，稱為GuardianAngel。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于可以通過用戶界面實時生成動態(tài)查詢。系統(tǒng)中的環(huán)境配備RFID 標(biāo)簽，并劃分為不同的區(qū)域。

系統(tǒng)中間件分為兩層，即引導(dǎo)層和監(jiān)控層。引導(dǎo)層配備手持RFID 閱讀器，定期向監(jiān)控層提供位置信息。

因此，監(jiān)控層擁有整個環(huán)境的信息。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在提供緯向信息方面幾乎100%準(zhǔn)確，因此可以構(gòu)建非常強大的制導(dǎo)和監(jiān)控應(yīng)用程序。利用RFID技術(shù)根據(jù)企業(yè)戰(zhàn)略愿景和目標(biāo)實現(xiàn)流程自動化。作者建立了自行車租賃系統(tǒng)的商業(yè)模型，并利用RFID技術(shù)實現(xiàn)了該系統(tǒng)。租用自行車的傳統(tǒng)方式包括用筆記錄客戶數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)輸入計算機，取而代之的是向客戶提供RFID 卡并在自行車上固定RFID 標(biāo)簽。自行車被貼上標(biāo)簽，以跟蹤從租賃店到退貨店的位置。信息通過Web 界面在商店之間共享。通過這種方式，成功地構(gòu)建和部署了RFID 策略。

許多研究人員利用RFID 技術(shù)開發(fā)了門禁系統(tǒng)，如Filipe[5] 開發(fā)了基于RFID 的監(jiān)控和訪問控制系統(tǒng)，包括RFID 終端、攝像頭、服務(wù)器和警報設(shè)備。當(dāng)檢測到應(yīng)答器時，終端捕獲一張照片，并通過TCP / IP連接將包括UID 和照片在內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。

服務(wù)器搜索該特定查詢的數(shù)據(jù)庫，并將結(jié)果發(fā)送回終端以允許或拒絕訪問。該系統(tǒng)還可以監(jiān)控非法行為，例如，在未完成身份驗證過程的情況下開門時，有人試圖進入，并使用Web 服務(wù)打開警報設(shè)備。通過安裝天線覆蓋范圍為10cm 的RFID 套件對系統(tǒng)的性能進行測試，獲得了令人滿意的結(jié)果。

基于RFID 的嵌入式安全認證系統(tǒng)具有新穎的人臉識別結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)包括兩個階段，即注冊和認可。

在配準(zhǔn)階段，采集了10 幅不同情緒的用戶人臉圖像，通過提取算法得到特征信息。此信息連同UID 一起寫入RFID 標(biāo)簽。在識別階段，攝像機跟蹤人臉，提取算法返回圖片中人臉的特征信息。然后將該信息與標(biāo)簽上已存儲的用于身份驗證的信息進行匹配。整個處理過程在嵌入式ARM11 處理器S3C6410 上完成，而不是在計算機終端/ 服務(wù)器上完成，因此響應(yīng)速度更快，約57 ms，認證準(zhǔn)確率高達86.5%。將該系統(tǒng)的性能與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行比較，發(fā)現(xiàn)在相同的認證精度下，該系統(tǒng)具有更短的響應(yīng)時間特點。結(jié)合基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識別，系統(tǒng)識別持有RFID 卡的人的面部，如果發(fā)現(xiàn)此人未經(jīng)授權(quán)，則拒絕其訪問。

徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBFNN）已被用來學(xué)習(xí)授權(quán)人員的面孔。主成分分析（PCA）用于從圖像中提取特征，線性判別分析（LDA）用于細化這些特征。為了提高網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，采用局部泛化誤差模型（L?GEM）對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提高RFID 訪問控制的安全性。

為了提高門禁系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理和遠程監(jiān)控能力，本文討論了一個使用RFID 技術(shù)的安全門禁控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)采用無線射頻技術(shù)，當(dāng)讀寫器的射頻范圍內(nèi)出現(xiàn)非接觸式T5557 卡時， 系統(tǒng)會捕獲人臉圖像并掃描數(shù)據(jù)庫以查找匹配項，并將信息通過串口通信傳送給服務(wù)器進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。這些模塊通過主控制器與計算機系統(tǒng)通信。計算機處理來自這些模塊的信息后，向模塊發(fā)出控制命令，以授予或拒絕用戶訪問權(quán)限。

2系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用非接觸式T5557 卡，T5557 是美國Atmel公司生產(chǎn)的多功能非接觸式R/ W 辨識集成電路，適用于125kHz 頻率范圍。芯片需要連接一個天線線圈，該線圈被視為芯片電路的電力驅(qū)動補給和雙向信息的溝通接口。天線和芯片一起構(gòu)成感應(yīng)卡片或標(biāo)簽。

利用無線射頻識別技術(shù)RFID（Radio FrequencyIdentification）檢測T5557 卡，當(dāng)T5557 卡靠近讀寫器時，讀寫器能準(zhǔn)確地對其進行識別，并將其序列號發(fā)送給主控器和PC 機，通過應(yīng)用程序連接后臺數(shù)據(jù)庫獲取與該卡號對應(yīng)的用戶信息?；赗FID 的監(jiān)控和訪問控制系統(tǒng)包括RFID 終端、攝像頭、服務(wù)器和警報設(shè)備。當(dāng)檢測到應(yīng)答器時，終端捕獲一張照片，并通過TCP / IP 連接將包括UID 和照片在內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。服務(wù)器搜索該特定查詢的數(shù)據(jù)庫，并將結(jié)果發(fā)送回終端以允許或拒絕訪問。該系統(tǒng)還監(jiān)控非法行為，例如，在未完成身份驗證過程的情況下開門時，有人試圖進入并使用Web 服務(wù)打開警報設(shè)備。通過安裝天線覆蓋范圍為10 cm 的RFID 套件對系統(tǒng)的性能進行測試，獲得了令人滿意的結(jié)果。本系統(tǒng)采用新穎的人臉識別結(jié)構(gòu)包括兩個階段，即注冊和認可。在配準(zhǔn)階段，采集了10 幅不同情緒的用戶人臉圖像，通過提取算法得到特征信息。此信息連同UID 一起寫入RFID 標(biāo)簽。在識別階段，攝像機跟蹤人臉，提取算法返回圖片中人臉的特征信息。然后將該信息與標(biāo)簽上已存儲的用于身份驗證的信息進行匹配。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提高RFID 訪問控制的安全性。

系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器、串口通信、服務(wù)器和用戶終端五部分組成。如圖1 所示，讀寫器是系統(tǒng)的核心，其通過射頻信號與T5557 卡（電子標(biāo)簽）通信，完成讀卡、存儲和發(fā)送數(shù)據(jù)的工作，其可以獨立工作，也可聯(lián)網(wǎng)工作，文中采用RS232 串口通信與服務(wù)器相連。服務(wù)器和用戶端之間采用C/ S 結(jié)構(gòu)，應(yīng)用軟件與數(shù)據(jù)庫SQL SERVER2000 連接通過ADO 對象實現(xiàn)，兩者通過局域網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)。在系統(tǒng)管理員授予權(quán)限的情況下，用戶均可以查詢、統(tǒng)計、打印管理系統(tǒng)的所有相關(guān)記錄。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括下位機和上位機管理系統(tǒng)兩個部分。其中，下位機以AT89S52 單片機為核心，實現(xiàn)對讀寫器的讀取、門禁的控制和串口通信。采用的編程語言為C 語言。上位機管理軟件運行在服務(wù)器上，采用Visual C++6.0 和SQLSever2000 進行系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)庫開發(fā)，包括串口、通信、監(jiān)控管理和信息發(fā)布三部分。其中，監(jiān)控管理軟件用于執(zhí)行用戶注冊、記錄詢、刪除等任務(wù)，信息發(fā)布用于管理員通過Web 網(wǎng)頁來查看門禁的日志記錄等工作。

軟件運行在單片機上，完成對卡號的讀取、門鎖及附屬電路的控制和串口通信。如圖1 所示邏輯圖。軟件核心是實現(xiàn)MFRC500 與Mifare1 卡之間的通信，通信需遵循ISO14443TYPEA 標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議。實驗采用新大陸開發(fā)的Newlab 平臺，將單片機模塊置于Newlab 平臺，通過RS232 串口線進行通信。讀卡過程必須嚴(yán)格按照固定的順序進行，即復(fù)位應(yīng)答—防碰撞—選卡—認證—讀寫卡。由于該卡是可讀式，讀出卡的序列號即可，不需對相應(yīng)扇區(qū)做寫操作，故可忽略認證這一步。

4結(jié)論

本文介紹了一種用于門禁控制系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)使用射頻識別和人臉識別技術(shù)來區(qū)分有效用戶和無效用戶。系統(tǒng)通過處理來自子控制器的信息來完成安全和訪問控制任務(wù)。這些控制器讀取發(fā)給用戶的RFID 標(biāo)簽，并搜索該標(biāo)簽號。成功匹配后，控制器請求計算機終端捕獲用戶圖像。計算機系統(tǒng)使用經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的人臉識別模塊來驗證用戶的真實性，并通過向控制器發(fā)送“允許訪問” 或“拒絕訪問”消息來響應(yīng)控制器?？刂破魇谟栌脩粼L問權(quán)限或相應(yīng)地撥打緊急電話。該系統(tǒng)在Web 服務(wù)器的幫助下實現(xiàn)了集中化。系統(tǒng)的響應(yīng)時間仍有改進的余地。通過使用專用處理器實時處理圖像的計算機系統(tǒng)，可以縮短響應(yīng)時間。