基于识别功能的自动门禁系统的设计与实现

黄志宏

摘 要：随着现代社会的飞速发展，无论是公共空间还是私人空间，人们对于安全系数的要求越来越高。智能化程度的提升为我们的生活提供了更多可能性的同时，也提供了更多的安全保障和便利条件。当前科技下的自动门禁系统作为智能建筑中的重要一环，已经逐步更新换代，摆脱了原有的机械门锁和刷卡门禁等近距离贴身识别方式，开始用个人的生物信息进行识别、验证，起到了门禁、安全的作用。本文通过对目前应用较广的人脸识别功能的自动门禁系统进行阐述、设计，来实现安全通行，起到门禁的作用。

关键词：识别功能；门禁系统；设计；自动

引言：

从当前的科技发展来看，目前生物识别技术已经逐渐成熟，并且已经应用到部分的领域，方便着大家的生活。生物识别技术顾名思义，是采集、汇总和分析个体的生物特征的信息，从而进行识别和验证，这种识别方式利用了生物个体特征的独一无二的特性来验证信息，由于不可逆转性和不可替代性，具有较高的安全性能，能够广泛应用到公共领域或是住宅、办公等领域。生物识别技术主要可以依据个人的指纹、声音、虹膜、笔迹等特征来进行识别判断，其中，人脸识别技术是当下应用较为广泛的，也是识别性能较好、安全系数较高的识别技术。本文对人脸识别技术进行设计与实现具有一定的现实意义和借鉴意义，也是十分有必要的。

1.人脸识别技术发展现状

人脸识别技术作为生物识别系统中的一部分，起着非常重要的作用，是目前身份验证系统中应用较广的，相较于声音识别、虹膜识别、指紋识别以及笔记识别等识别技术，人脸识别技术运用较为稳定，操作简便，设备投入成本低、效果好，较为符合人类习惯，简单快捷，是理想的门禁系统识别方式。目前发展来看，人脸识别系统主要应用于证件验证、门禁控制以及刑侦案件的破获等等，人脸识别系统减少了住宅、单位或私人住所入门时繁琐的检查程序，只需要“刷”一下脸就可以完成，这种门禁高效、便捷、安全系数高。

此外，目前的人脸识别设备已经不再由传统的服务器进行检测和运算、处理，而是选择嵌入式技术，摆脱了原有体积大、成本高、运算慢的系统，将嵌入式设计融入人脸识别技术，使设计入口更加智能、小巧。本系统的设计与实现就选择嵌入式的人脸识别系统，可以应用在住宅、停车场等多种领域中，实现自动门禁控制功能。这种系统综合了多种技术手段，具有一定的应用性和推广性。

2.人脸识别系统的总体设计

人脸识别系统由人脸采集系统、预处理系统、人脸定位系统、特征提取系统、人脸识别系统组成。系统中组成如下图所示。

人脸识别技术下的自动门禁系统是将硬件和软件相结合，并在Linus操作平台上完成的。系统可以分为人脸识别系统以及自动门禁系统，人脸识别系统主要是人脸信息的采集、信息特征的提取及比对、验证，将最后的结果输出给门禁系统进行驱动实施。在基于人脸识别的整个门禁系统中，硬件包含摄像头、计算机硬件以及操作软件等，硬件与软件相互配合，共同组成了人脸识别的门禁系统。整个系统的从开始人脸的信息采集到最后门的开合，可以大致分为6个模块，使系统能够正常运行。

2.1人脸检测模块

人脸检测模块是最起始的模块设计，主要作用是判断摄像头一定的范围内是否有人像出现，是否需要进行人脸采集定位，是后续过程的开端与前提。

2.2人像识别模块

人像识别模块主要是在摄像头范围内检测到人脸后，对人脸进行定位、提取和比对，将信息进行汇总后，得出输出的最后结果。

2.3人脸注册模块

人脸注册模块是将成功录入的人脸信息进行记录、储存，注册成功的人脸信息可以在以后的识别时自动通过。这个模块相当于管理员的作用，需要相关的管理员才能进行注册，要有一定的权限设置。

2.4人脸辨别模块

识别模块主要是让系统对人脸数据库中的各类人脸图像进行识别训练，让系统提取人脸特征，储存特征，能够将特征进行分组，用于人脸识别。这个模块可以用于系统投入使用之前，进行初始的训练，提高识别的准确率，提高门禁系统的安全系数，也可以在系统运行一段时间时候，作为对系统的校正、重置。

2.5门禁驱动模块

门禁驱动模块主要是根据人脸识别系统输出的信号指令，进行相应的操作，是门禁系统的动力装置。

2.6门禁控制模块

门禁控制模块主要是根据识别结果做出相应的开合动作，一个方面是接受识别的信号，另一方面是在驱动系统的配合下完成电子门的开合。

3.人脸识别系统的硬件设计

人脸识别门禁系统的硬件设计是软件运行的平台与基础，只有有了硬件系统才能将软件系统加入其中，组成完整的系统。系统主要包括复位信号电路、Flash储存、电源和时钟的嵌入式系统，也包括USB接口、以太网卡、LCD接口和按键等外围扩展设备。

3.1系统内部模块

时钟电路是内部模块的核心，时钟源的选择可以通过OM2以及OM3来进行，时钟频率主要有三种，可以结合系统运行情况进行选择。复位电路主要是用于重新启动系统，并不是必要电路，是在软件运行时方便于快速重启时应用的，尤其是在系统卡顿时能起到很好的作用。Flash 模块主要有两种，nor和nand，其中，nor flash的容量较小，有庞大文件储存的一般应用nand flash。电源电路为整个系统提供电能，CPU、显示屏以及各类电路均需要电源电路的供电，由于系统内部电压的供应不同，所以一般采用5V/2A来转化电源。系统的电源电路如下图所示。

3.2系统外围模块

LCD连接着用户与系统，是用户对系统最直接的操作，选用了4.3寸的TFT液晶显示屏，运行过程是LCD控制器将信息直接发送到缓存区域，而显示器可以通过缓存区域来读取数据，下图是LCD的接口图。

本次脸部识别的门禁系统设计硬件内件与外件选用ARM11的处置器和S3C6410的板面，系统整体存储空间为256MB，nand flash为1GB空间，视频采集器为不同的USB摄像头，系统的驱动为硬件插销。整个系统硬件的识别过程是，输入端为3.3V的电压，当人脸识别通过后，输出电压也为3.3V，由晶闸管导出，插销吸合。门禁系统中的插销位于门的上部，当插销吸合时门打开，当插销复位时门关闭。运行时为一个动态开合的过程。

4.人脸识别系统的软件设计

人脸识别门禁系统的软件就是是硬件能够自动运转的“灵魂”，在平台上，进行软件开发，同时结合人脸识别算法，最后在设备上运转。系统应用软件的基本构架如下图所示，软件应用程序的设计主要包括图像采集、用户界面、人脸识别的算法、设备的驱动程序等设计。本次系统的设计识别率达到98%以上，同时能够进行新用户的注册登录，并且在应用时识别的时间在5S以内，显示屏的高性能能够实现良好的人机交换。此外，人脸识别既可以进行识别也可以进行识别锻炼，增加识别的准确率。

设备驱动程序是操作系统与硬件的桥梁，并且现在大部分的驱动都是嵌入式驱动程序，并且已经逐步取代了传统的单片机硬件。本系统的设备驱动设计主要有电磁门锁驱动和摄像头驱动。在嵌入式驱动系统中，分为主设备和次设备，若将主设备找到对应的设备驱动，再经过次设备来具体区分。

4.1电磁门锁驱动

电磁门锁的驱动程序编写时主要包含8個步骤，如下图所示。首先是驱动初始化，在Linux系统中对宏定义函数进行初始化运行，目的是要完成寄存器的配置任务。接下来要做好设备驱动的注册，在完成驱动初始化之后，可以在Linux系统中发出注册申请，申请设备号及函数，映照管理员进行访问权限的重新设置。

然后打开设备，通过函数来进行驱动，与设备建立联系，并进行初始化的内存空间配置。然后完成读写设备，主要作用是通过读和写对进行设备控制，实现应用程序与驱动程序之间的信息连接，其中的复制功能常用的copy to user函数。接下来进行I/O控制，I/O控制是管理运行的通道，能够传达文件的标识，传输控制的命令，在电子门锁设计时需要大量的操控系统，都是通过iotcl 函数来实现的。第六个是驱动模块的关闭设计，关闭设计主要是运行完成后，可以将驱动程序关闭以释放系统空间，节约系统内存的占用空间。注销设备主要是通过deregister函数来进行，当进行注销后，需要重新注册才能够再次使用。最后是驱动模块的卸载，当硬件设备已经没有利用价值时可以卸载驱动模块，降低内存空间的占用。

4.2摄像头驱动

摄像头采用USB普通摄像头作为采集设施，能够提高外部设备的移植性，摄像头驱动采用的程序设计为V4L2，是一种日常的视频设备，V4L2驱动对于操作有一定良好的时间要求，要求能够进行动态的操作驱动，具有一定的时序逻辑性以及对于复杂、高难度的操作有所缓解。在摄像头驱动设计中，获取数据源是通过USB接口，在驱动运行时，程序会自动安排自身的传输空间，并且将地址映射到用户区域，在V4L2向地址输入视频信息后，有应用的程序，取出地址中的数据视频。这种传输方式将内部与用户之间紧密相连，提升了数据传输效率，也能够节约系统储存的空间。

5.结束语

目前，人脸识别系统已经应用在实际生活中，例如，火车站进展端口、住宅区的门禁、单位上班打卡等诸多地方。这些人脸识别门禁系统的设计与实现极大便利了我们的生活，保障了我们的安全，同时也省去了复杂的人工、设备成本，也更加智能和高效，符合现代人的生活理念，科技改变了我们现在的生活。本文阐述了人脸识别下的门禁系统的设计，通过对门禁系统的硬件与软件的选择设计和识别、图像预处理、信息的传输以及控制驱动一系列步骤，能够实现生活中的门禁体系。本文的设计、实现过程对于未来的实践及应用提供了一定的理论参考，也提供了实践运行的经验。

参考文献：

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