基于组态软件和人脸识别算法的电梯运行仿真设计

2021-03-16章国华

船电技术 2021年2期

关键词：组态王组态人脸识别

章国华

应用研究

基于组态软件和人脸识别算法的电梯运行仿真设计

章国华

（武汉船舶职业技术学院，武汉 430050）

以OpenCV 4.0.0和KingView 6.5.5软件为设计基础，提出了组态软件下的电梯人脸识别仿真系统的设计方法，通过仿真程序验证了人脸识别算法的可行性，OpenCV4.0.0和KingView 6.55软件间的通信用虚拟串口软件实现，最后加入了数据管理，完整地实现了电梯的人脸识别电梯仿真系统。

人脸识别组态电梯仿真

0 引言

人脸识别，是用摄像机或摄像头采集含有人脸的图像或视频流，并在图像中自动检测和跟踪人脸，进而对检测到的人脸进行识别，是一种基于人的脸部特征信息进行身份识别的生物识别技术。

在楼宇中人们最主要的搭乘工具是电梯，出于安全考虑，有电梯进入的控制需求，因此把人脸识别技术应用在电梯系统中，专门针对楼宇电梯安全防范而设计电梯控制系统，给楼宇电梯的安全性和实用性带来重大的变化[1]。

1 仿真系统的实现

1.1 OpenCV+VS2019环境构建

首先是OpenCV的版本选择。不同版本的Visual Studio需配置不同版本的OpenCV，通过查阅资料，其对应关系：VC15->VS2016 ( VS高版本可以配置低的VC，但低的VC版不能配置高的VS)，这里我选择安装的是VS2019，安装的OpenCV版本是OpenCV4.0.0。

接着就是下载OpenCV，双击下载的OpenCV4.0.0.exe，选择你熟悉的路径解压，也就是安装路径，根据VS2019工程的要求配置Path系统环境变量，即编辑path，把之前解压好的OpenCV路径下的bin路径添加到Path系统环境变量中。接着在VS2019中配置OpenCV。软件环境准备好后，就开始新建工程，设计人脸识别程序。主要结构如下：

int main(void)

{

VideoCapture capture(0);//加载相机

init_comm();//串口初始化

UpdateDatabase(capture);//更新数据库

Train_model();//训练

FaceRecog(capture);//识别

return 0;

}

本控制软件使用了AT&TFacedatabase人脸数据库，人脸库中有40个文件夹，分别对应着40个人，其中每人10张表情不同的照片。每张照片在不同时间、不同光照、不同表情(睁眼闭眼、笑或者不笑)、不同人脸细节(戴眼镜或者不戴眼镜)下采集。其中所有的图像都在一个黑暗均匀的背景下采集的，而且正面竖直人脸(有些有轻微旋转)。在更新数据库时（UpdateDatabase(capture)），将新增的人脸数据按顺序依次加入到原始数据库中，增加相应的编号，这新增的编号是后面识别时要用到的编号，同时更新标签数据库。数据库更新采用手动方式或自动两种方式，采集10张人脸图片，手动方式便于使图片有不同的表情，增加识别可靠性，自动方便程序的调试运行。

接着就是对扩展了的人脸数据库进行训练（Train_model()），OpenCV现有三种训练方式，分别是Eigenfaces特征脸，Fisherfaces线性判别，LocalBinary Patterns Histograms局部二值直方图。本次将三种算法都加入到软件中，可以验证不同算法适用性。

有了数据库的训练后，最终目标就是识别（FaceRecog(capture)），当摄像头采集到含有人脸的视频时，会选取一张图片进行识别，如果识别到是数据库中的图片，则输出其相应的编号，随后到标签数据库中找到相应图片对应的名字，显示在视频中的人脸上，完成了识别。

本控制软件还有简单的数据管理，在文本文件中录入电梯乘客的个人信息，包括姓名、所去楼层、使用电梯的期限等必备信息，这些信息便于两个软件关于乘客信息的交流和相应功能的实现，识别出人脸后，在数据库中查找是否有此人，数据库中有，则判断此人外出还是回家，决定所要去楼层，这时就将电梯要运行楼层信息发给电梯运行系统，实现电梯定向和选层。

1.2 组态王电梯控制仿真系统设计

由于是电脑仿真，受界面大小的影响，电梯设计成三层楼的形式，技术上三层与多层基本原理没有多大差别，只是复杂性增加而已。规划好电梯结构后，在组态软件中实现过程如下。

在组态王KingView软件中设计仿真电梯时，根据电梯结构确定电梯控制的输入输出变量，并在组态软件的数据词典中定义。定义了变量后，就可在画面中设计电梯并作动画连接，最后组态王的命令语言设计控制程序，电梯的所有功能都是由程序控制完成的，根据功能要求去设计程序，这需要对电梯的运行原理非常清楚。电梯控制程序逻辑正确是电梯正常运行的必要保证，根据电脑显示屏分辨率确定电脑中仿真电梯的层数，通常三层就具有代表性，不能少于三层。接着就是要实现电梯平层的方式，本文用了上下平层感应器实现平层，用动画图形运行的距离来分别触发上下平层感应器，而且触发边与运行的方向有关。电梯平层时有一个平层触发信号，这个信号在PLC程序中是一个执行周期，在组态软件程序实现时用计数方式替代，效果也一样。再就是开关门延时和停站延时等，也要用计数的方式替代实现。本文电梯控制程序大致分为：传感器触发、轿内指令、门厅呼叫、定向、启动、开关门、停站、平层和加减速等几个部分。部分程序如下：

1.3 串口通信的实现

在VS2019中实现的人脸识别结果是乘客在基站应识别所去楼层，乘客不在基站，则要去基站，这些信息要传给组态王软件，用串口通信实现，所以要设计这两个软件的串口通信程序，用组态王的ascii码串行通信方式在VS2019中实现串口通信，根据组态王的串行通信协议来编写相关程序，仿真时，用Virtual Serial Port Driver（虚拟串口驱动vspd）软件来实现两个软件的串行通信，程序设计好后，运行前首先要指定好相应的端口，程序结构参数如下：

bool RecOk = 0; //

unsigned char ch[9];

uchar RecBuf[24];

uchar SendBuf[16] = { 0x40,0x30,0x32,0x30,0x31,0x36,0x35,0x30,0x31,0x0d,0x0d,0x0d,0x0d,0x0d,0x0d };//接收组态王读的命令后要发的数据

uchar SendBufErr[8] = { 0x40,0x30,0x32,0x2a,0x2a,0x36,0x35,0x0d };//接收错误

uchar SendBufAck[8] = { 0x40,0x30,0x32,0x23,0x23,0x36,0x35,0x0d };//接收组态王写的数据正确

uchar SendDat0[NUM_BYTE] = { 0 }, RecDat0[NUM_BYTE];//这是程序中准备传递给组态王的，可以自行更改

uint SendDat1[NUM_UINT] = { 0 }, RecDat1[NUM_UINT];// VS2019中各有10个变量与组态王的对应寄存器

float SendDat2[NUM_FLOAT] = { 0 }, RecDat2[NUM_FLOAT];

串口通信与乘客相关的数据是电梯乘客在注册时录入，包括姓名，所住楼层，使用电梯的期限等。

2 仿真系统的功能

本电梯实现的功能：全集选控制运行功能（无司机，顺向截梯），超载保护功能，超载报警功能，安全触板保护功能，位置异常自动校正功能，轿顶检修功能，轿内检修功能，机房同检修功能，无呼梯自动返基站功能，泊梯功能，消防功能，消防迫降和消防员功能，轿内指令取消功能，司机操作功能，最远反向截梯功能，轿内优于轿外功能，安全触板保护功能，基站开门待客功能，满载直驶功能，人脸识别运行功能。功能的实现核心在于弄清人脸识别算法及做合理的选择。