多系統(tǒng)融合的智能感知門禁服務(wù)系統(tǒng)淺析

【關(guān)鍵詞】嵌入式Linux；智能門禁系統(tǒng)；多系統(tǒng)融合

引言

門禁行業(yè)從古發(fā)展至今，大致可將其劃分為三個(gè)階段，人工核驗(yàn)階段，數(shù)字化階段，智能化階段。

人工核驗(yàn)階段，在門禁發(fā)展史當(dāng)中是存在最久的一個(gè)階段，久到要從遠(yuǎn)古的部落說起。在遠(yuǎn)古的部落時(shí)期就有站崗放哨的人，以此來提前發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，并解決或者躲避危險(xiǎn)，可見在人類歷史當(dāng)中，門禁一直充當(dāng)著預(yù)防危險(xiǎn)、保護(hù)己方的角色。例如古代門廳的侍衛(wèi)、關(guān)卡的盤查、近代一些重要場所進(jìn)出需要進(jìn)行登記等，這些都屬于人工核驗(yàn)，可見數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)崛起之前，都屬于人工核驗(yàn)階段[1]。其中最大的原因就是人工核驗(yàn)是最容易實(shí)現(xiàn)的，而且價(jià)格更為低廉，但它的缺點(diǎn)也很明顯，一旦人流量變大，人工核驗(yàn)的效率就會(huì)變得很低，再者就是一些特殊情況下會(huì)增加工作人員與通行人員的接觸率，無法保障工作人員的身心健康，因此在數(shù)字化門禁系統(tǒng)出現(xiàn)之后，人工核驗(yàn)很快被淘汰。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來將門禁行業(yè)推向了數(shù)字化階段，通過網(wǎng)絡(luò)連接，攝像頭等設(shè)備即可實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)出口的進(jìn)出人員情況，并將數(shù)據(jù)上傳記錄，隨時(shí)可以查詢各個(gè)出口的進(jìn)出記錄，同時(shí)還可以通過網(wǎng)絡(luò)控制每個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，極大節(jié)省了人工成本，提高了通行效率，也減少了工作人員與通行人員的接觸率，保障了工作人員的身心健康。但其運(yùn)行依舊離不開人為監(jiān)視，并沒有達(dá)到完全的自動(dòng)化。

隨著網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”的出現(xiàn)推動(dòng)了智能化的熱潮，例如智慧家居等眾多智能產(chǎn)品的出現(xiàn)，標(biāo)志著人工智能時(shí)代的到來，而門禁系統(tǒng)在智能化的浪潮中也迎來了自己的蛻變[2]。一系列智能門禁系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，人員通行不再依賴于人為監(jiān)視，可以自主監(jiān)視通行人員是否存在異常狀態(tài)或行為，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，進(jìn)行警示或驅(qū)趕，實(shí)現(xiàn)了完全的自動(dòng)化[3]?，F(xiàn)如今，智能門禁系統(tǒng)雖得到了一定的推廣，但依舊存在著成本過高的缺點(diǎn)，因此我們?nèi)诤蠈?shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的智能感知門禁服務(wù)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，將電力載波通信技術(shù)（PLC技術(shù)）應(yīng)用于現(xiàn)有門禁服務(wù)系統(tǒng)中，利用PLC的信息傳遞功能，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)普及率，以實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的智能感知功能。

一、研究內(nèi)容

我們所研制的這一款智能感知門禁服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)目前門禁系統(tǒng)的所有基本功能，如通行監(jiān)測，身份識(shí)別等；除此之外，我們還將對(duì)體溫檢測、二維碼、人臉識(shí)別等模塊進(jìn)行技術(shù)研究與功能融合，不僅可以適應(yīng)多種環(huán)境，還適當(dāng)降低系統(tǒng)成本以及系統(tǒng)的普及難度。

在智能感知門禁服務(wù)系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)當(dāng)中，首先是利用嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建門禁系統(tǒng)主體；然后根據(jù)門禁功能分別對(duì)人臉識(shí)別、體溫檢測、二維碼識(shí)別三個(gè)模塊進(jìn)行程序開發(fā)、燒錄程序并調(diào)試數(shù)據(jù)；第三步，將PLC技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中，通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)人臉、體溫、二維碼等模塊的信息傳遞；最后，在嵌入式系統(tǒng)中將這三個(gè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)功能融合，形成基礎(chǔ)的智能感知門禁服務(wù)系統(tǒng)。若本次的研究內(nèi)容能夠?qū)崿F(xiàn)，則意味著將指紋、虹膜等生物識(shí)別技術(shù)進(jìn)行融合也是能夠?qū)崿F(xiàn)的，這部分將會(huì)在后續(xù)的研究中進(jìn)行。

二、環(huán)境配置

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分包括：具有計(jì)算機(jī)功能的基礎(chǔ)模塊ROCKCHIP，其包含Quad core A55+G52 GPU；核心模塊RK3566；具有USB攝像頭模組和指紋識(shí)別的識(shí)別模塊；測溫模塊MLX90614ESF（DCI）；讀卡模塊；顯示模塊；電源模塊；采用Intellon公司開發(fā)的SSC P200芯片作為通信模塊。

硬件主要擔(dān)負(fù)著溫度采集、人臉識(shí)別、指紋信息采集、讀卡以及將這些數(shù)據(jù)和人員編號(hào)上傳儲(chǔ)存和分析的作用。

表1 核心模塊（RK3566）的主要參數(shù)

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.門禁終端軟件（識(shí)別與信號(hào)輸出）

門禁終端軟件分為軟件操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。軟件操作系統(tǒng)主要采用嵌入式Linux實(shí)現(xiàn)，而系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要使用圖像用戶界面QT庫+計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV實(shí)現(xiàn)。

2.嵌入式Linux系統(tǒng)

嵌入式Linux是一個(gè)多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，以靈活、高效著稱。其主要功能包括存儲(chǔ)管理、進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體功能，不僅運(yùn)行穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異，而且其能夠免費(fèi)使用、獲取整個(gè)操作系統(tǒng)的源碼并支持用戶自行修改[4]。

3.基于OpenCV應(yīng)用開發(fā)軟件

OpenCV是計(jì)算機(jī)視覺中經(jīng)典的專用庫，其支持多語言、跨平臺(tái)，功能強(qiáng)大。OpenCV可以在Windows、Android、Maemo、FreeBSD、OpenBSD、iOS、Linux 和Mac OS等平臺(tái)上運(yùn)行。使用OpenCV進(jìn)行軟件開發(fā)，不但方便快捷，還可以滿足不同用戶的需求，可以被廣泛使用。

三、人臉識(shí)別

人臉學(xué)習(xí)和識(shí)別過程由OpenCV進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。首先由人臉識(shí)別模塊分析畫面中是否存在人臉，若不存在，則獲取畫面中的人臉，進(jìn)行灰度處理，獲取該人臉相關(guān)數(shù)據(jù)，上傳至核心模塊的CPU當(dāng)中；當(dāng)攝像頭的畫面中再次出現(xiàn)該人臉之后，將會(huì)在顯示模塊上顯示出該用戶的名字，如果是陌生人則會(huì)在顯示模塊上顯示出unknow，然后蜂鳴器會(huì)響起進(jìn)行報(bào)警。

圖2所連接設(shè)備是一個(gè)簡易的人臉識(shí)別裝置。人臉識(shí)別模塊事先要對(duì)一張人臉進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并保存數(shù)據(jù)，將用來識(shí)別人臉的程序與已學(xué)習(xí)的人臉數(shù)據(jù)燒錄到主控板后，當(dāng)該人臉再次出現(xiàn)在攝像頭前，只需搜索已保存的數(shù)據(jù)中是否有該人臉數(shù)據(jù)即可。為了讓顯示過程更加直白，用RGB燈亮綠燈表示識(shí)別到已學(xué)習(xí)過的是指定人臉，舵機(jī)會(huì)從設(shè)定的 10°旋轉(zhuǎn)到 100°，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開門的效果。若之前沒有學(xué)習(xí)過該人臉，則表示為陌生人，此時(shí)舵機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，RGB燈顯示紅燈。

四、體溫檢測

在體溫檢測部分的模塊中我們采用紅外測溫器測溫，其優(yōu)勢(shì)在于最大程度減少誤差的同時(shí)增大接觸距離[5-6]。在進(jìn)行測溫的過程當(dāng)中，首先由測溫模塊MLX90614ESF（DCI）進(jìn)行體溫采集，并獲取當(dāng)前被測溫對(duì)象與體溫監(jiān)測器之間的距離，然后將采集到的數(shù)據(jù)上傳至CPU當(dāng)中，在已測體溫的基礎(chǔ)上根據(jù)距離進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而得到被測對(duì)象的體溫。若體溫高于37.2℃，RGB會(huì)亮紅燈；若體溫低于37.2℃，RGB會(huì)亮綠燈。

五、二維碼識(shí)別

在門禁行業(yè)當(dāng)中目前二維碼的識(shí)別功能應(yīng)用廣泛，例如某些貨物存儲(chǔ)的柜子需要對(duì)應(yīng)的二維碼打開，再比如地鐵二維碼乘車等，本系統(tǒng)也應(yīng)用了二維碼的識(shí)別功能，可以對(duì)電子身份證的二維碼進(jìn)行識(shí)別。

我們的二維碼識(shí)別功能采用QT+OpenCV進(jìn)行程序編寫。要進(jìn)行二維碼的識(shí)別，首先要判斷圖片是否含有二維碼，若含有二維碼，則需要對(duì)二維碼進(jìn)行定位。定位之后將原圖片中的二維碼部分進(jìn)行裁剪，識(shí)別其中的信息，確認(rèn)其身份是否有異常。

為防止有人用事先準(zhǔn)備好的二維碼的截圖進(jìn)行識(shí)別，需要進(jìn)行時(shí)間校驗(yàn)。在檢查二維碼是否正常之前，將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)間與二維碼上的時(shí)間戳作比較，若時(shí)間差大于兩分鐘，則會(huì)顯示“二維碼過期”，無法通過。

六、實(shí)現(xiàn)方案

（一）電力載波通信技術(shù)

系統(tǒng)的構(gòu)建部分，將使用電力載波通信技術(shù)（PLC技術(shù)）進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞。借用現(xiàn)有社區(qū)、醫(yī)院、工業(yè)園等既有電力線施工條件（現(xiàn)有門禁系統(tǒng)供電線路），即可實(shí)現(xiàn)自身功能[7-9]。用戶量增大之后，系統(tǒng)的模塊融合將會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)信息。采用PLC技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞，既可以起到降低成本的作用，又可以提高數(shù)據(jù)處理的速度。另外，PLC技術(shù)在信息安全與信息傳遞方面更加安全，更加快速，杜絕了滲透攻擊，信息泄露[10]。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，智能感知門禁服務(wù)系統(tǒng)，還會(huì)連接網(wǎng)絡(luò)、連接大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“掃臉知碼”。

（二）模塊融合

我們的門禁終端采用平臺(tái)化的模塊設(shè)計(jì)思路。根據(jù)不同場所要求進(jìn)行靈活組合，可以形成多種組合產(chǎn)品；還可植入現(xiàn)有的社區(qū)門禁、車輛門禁等系統(tǒng)，無需額外施工或增加額外費(fèi)用及成本，功能融合，集成度更高（體溫、人臉身份識(shí)別（+熱成像）、數(shù)據(jù)傳輸、融合二維碼）。

我們以人臉識(shí)別、體溫檢測、二維碼識(shí)別三個(gè)模塊的融合為例。通過核心模塊RK3566將其他幾個(gè)模塊連接、程序燒錄到RK3566模塊的四核64位Cortex-A55 CPU后，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行將會(huì)如下：首先由攝像頭進(jìn)行畫面中人臉的檢測，若畫面中出現(xiàn)用戶人臉，則會(huì)同時(shí)由攝像頭與MLX90614ESF體溫檢測模塊對(duì)畫面中用戶的人臉信息與體溫進(jìn)行采集，采集完成之后將數(shù)據(jù)通過RK3566自帶的外圍接口傳輸?shù)紺PU當(dāng)中與已存在的人臉信息與正常的體溫范圍進(jìn)行信息比對(duì)，判定結(jié)果將會(huì)通過RK3566自帶的音頻接口傳輸?shù)絫ft-lcd顯示模塊并顯示出來，若當(dāng)前的人臉信息在CPU當(dāng)中已錄入過，則系統(tǒng)會(huì)通過大數(shù)據(jù)獲取該用戶的二維碼信息，識(shí)別其身份，同樣該用戶的二維碼信息及判定結(jié)果將會(huì)通過RK3566自帶的Audio接口傳輸?shù)絫ft-lcd顯示模塊并顯示出來，若不存在則不會(huì)進(jìn)行顯示。如果以上判定結(jié)果都正常，則會(huì)通過外圍接口由CPU傳達(dá)出開門的指令，若有一項(xiàng)不符合條件，則會(huì)發(fā)出警告提示工作人員該用戶信息存在問題。

以上為人臉識(shí)別、體溫檢測、二維碼識(shí)別三個(gè)模塊融合后系統(tǒng)的運(yùn)行方式，該系統(tǒng)的成功運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)對(duì)門禁的基本要求，既能在和平時(shí)期承擔(dān)起門禁系統(tǒng)的基本責(zé)任，又能在特殊時(shí)期發(fā)揮出自己的重要作用，同時(shí)也說明了其他的系統(tǒng)功能進(jìn)行融合是完全可行的。

部分代碼如下：

門禁終端也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，增加高性能圖像及數(shù)據(jù)處理模塊，在圖像識(shí)別、身份認(rèn)證等方面通過網(wǎng)絡(luò)邊緣處理大量臨時(shí)數(shù)據(jù)，由創(chuàng)享邊緣計(jì)算盒子門禁終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后，再傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)或服務(wù)器云端，減輕網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)中心的壓力。

結(jié)語

本文所論述的以嵌入式Linux為核心的智能感知門禁服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用電力載波技術(shù)，對(duì)生物識(shí)別、體溫檢測、二維碼信息等若干功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成一種具有強(qiáng)拓展性的集成數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，其最大特點(diǎn)就是綜合性強(qiáng)、成本低。針對(duì)不同的工作環(huán)境，可選擇不同的功能進(jìn)行組合，以滿足不同環(huán)境的不同需求，使用戶簡便快速通行，真正做到惠民便民。就目前進(jìn)行的編程試驗(yàn)來看，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是完全可行的，而且相信這款能夠自由組合的智能門禁服務(wù)系統(tǒng)，無論是在平時(shí)，還是在出現(xiàn)意外的特殊情況下，都能夠滿足所有客戶的需求。