基于AI的智慧人臉門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及內(nèi)容

目標(biāo)：設(shè)計(jì)出一套基于 AI 的智慧人臉門(mén)禁系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。

主要內(nèi)容：基于門(mén)禁系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)并搭建出門(mén)禁系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、并協(xié)助后臺(tái)管理系統(tǒng)來(lái)完成門(mén)禁系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)方案概述

2.1 設(shè)計(jì)方案原則的選擇 本方案的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）采用較為先進(jìn)的技術(shù)力量，保證應(yīng)用程序在硬件平臺(tái)上運(yùn)行具備一定的優(yōu)勢(shì)。

（2）采用成熟的硬件技術(shù)，保證應(yīng)用程序的安全性和可靠性。

（3）硬件平臺(tái)便于擴(kuò)展和維護(hù)，易于技術(shù)的更新。

（4）充分利用現(xiàn)有的硬件資源，盡量減少不必要的再投資。

（5）具有可靠性，可用性和安全性，具有完善的技術(shù)支持。能夠滿足個(gè)人學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)需要。

（6）運(yùn)行本軟件所需的硬件資源。

2.2 實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)主要功能

（1）人臉信息錄入：使用手機(jī)、平板等設(shè)備，采集教師、學(xué)生面部數(shù)據(jù)（或從電子照片獲?。?，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）門(mén)禁控制：樹(shù)莓派（安裝Android Things 系統(tǒng)） 控制電磁鎖實(shí)現(xiàn)門(mén)禁管理，樹(shù)莓派連接至開(kāi)源的MQTT 服務(wù)， 通過(guò)推送服務(wù)獲取控制信息。

（3）實(shí)訓(xùn)室管理：通過(guò)在基礎(chǔ)信息中設(shè)置實(shí)訓(xùn)室的白名單，利用 Android 開(kāi)發(fā)板、USB 攝像頭獲取視頻數(shù)據(jù)，并做人臉對(duì)比（1:1），實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室的智能化管理。

2.3 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)查閱資料、調(diào)研、吸取已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組進(jìn)行集體方案論證，共同制定設(shè)計(jì)方案，如圖 1 所示。

圖 1 硬件部分設(shè)計(jì)方案圖

此方案在服務(wù)器安裝基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所需環(huán)境為：

硬件環(huán)境：4GB 及以上內(nèi)存；至少 10G 可用硬盤(pán)空間； 公網(wǎng) IP。

軟 件 環(huán) 境：JRE 1.8.0_161 或 更 高；MySQL5.7； Apache Tomcat 9.0.6。

手機(jī)或平板安裝人臉信息采集 APP，所需環(huán)境：An- droid 5.0 及以上系統(tǒng)；帶前置攝像頭；5 寸及以上屏幕。

Android 開(kāi)發(fā)板安裝智慧門(mén)禁 APP，所需環(huán)境：An- droid 5.0 及以上系統(tǒng)；9.7 寸及以上屏幕；支持 UVC 協(xié)議的 1080P 高清 USB 攝像頭；支持網(wǎng)絡(luò)（WIFI、有線或 4G）。

Android Things 開(kāi)發(fā)板安裝電磁鎖控制 APP，所需環(huán)境： Android Things 0.7；觸摸屏幕；支持網(wǎng)絡(luò)（WIFI 或有線）。

3 硬件平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 硬件系統(tǒng)組成

符合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，運(yùn)行可靠性等設(shè)計(jì)要求的硬件系統(tǒng)由供電電源、安卓開(kāi)發(fā)板、識(shí)別顯示終端、高清攝像頭、樹(shù)莓派、門(mén)鎖驅(qū)動(dòng)模塊、電磁門(mén)鎖等組成。圖 2 給出了硬件系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

圖 2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3.2 硬件系統(tǒng)關(guān)系及主要部件說(shuō)明

Android 開(kāi)發(fā)板、USB 攝像頭：課前課后利用獲取視頻數(shù)據(jù)，檢測(cè)其中的人臉信息并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的人臉數(shù)據(jù)對(duì)比（1:1），符合條件的存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并通知門(mén)禁控制設(shè)備。硬件系統(tǒng)中的樹(shù)莓派（安裝 Android Things 系統(tǒng)）：

控制電磁鎖實(shí)現(xiàn)門(mén)禁管理，樹(shù)莓派連接至開(kāi)源的MQTT 服務(wù)， 通過(guò) MQTT 服務(wù)獲取控制信息。圖 3 給出了硬件系統(tǒng)關(guān)系示意圖。

圖 3 硬件系統(tǒng)關(guān)系示意圖

系統(tǒng)低功耗節(jié)能控制功能：當(dāng)識(shí)讀設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有觸摸屏操作和人靠近時(shí)，硬件系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉內(nèi)置攝像機(jī)及液晶顯示面板等設(shè)備，啟動(dòng)低功耗工作狀態(tài)。

3.3 主要性能指標(biāo)

（1）客戶端 APP 采集人臉信息時(shí)需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、快速性；

（2）人臉識(shí)別時(shí)匹配數(shù)據(jù)庫(kù)不超過(guò) 1 秒；

（3）客戶端所有界面操作響應(yīng)時(shí)間不超過(guò) 1 秒，服務(wù)器的交互、交互響應(yīng)時(shí)間不超過(guò) 5 秒；

樹(shù)莓派向繼電器發(fā)出信號(hào)時(shí)，繼電器控制電磁鎖打開(kāi) / 關(guān)閉不超過(guò) 5 秒。

4 運(yùn)行調(diào)試

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，以某實(shí)驗(yàn)室人臉識(shí)別門(mén)鎖控制為例，進(jìn)行了詳細(xì)硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件聯(lián)調(diào)，圖 4 給出了調(diào)試流程示意圖。

圖 4 調(diào)試流程示意圖

在硬件設(shè)計(jì)、部件加工和制作、裝配的基礎(chǔ)上，搭建了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。經(jīng)過(guò)部件檢驗(yàn)、軟件測(cè)試、軟硬件整體聯(lián)調(diào)和反復(fù)試驗(yàn)，性能及參數(shù)驗(yàn)證，完成一個(gè)通過(guò)人臉信息識(shí)別，來(lái)判斷和控制門(mén)禁的開(kāi)與關(guān)最終測(cè)試效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 設(shè)計(jì)創(chuàng)新與特色

本系統(tǒng)使用 ArcFace 虹軟人臉認(rèn)知引擎，實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別門(mén)禁控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在唯一性、自然性好、簡(jiǎn)單方便、非接觸性、識(shí)別速度快、成本低等方面， 提升了實(shí)訓(xùn)室智能化建設(shè)水平。

該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，學(xué)科特征明顯，方案合理可行，具有一定的創(chuàng)新性。項(xiàng)目組織實(shí)施和管理及試驗(yàn)方案合理。