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基于PC/104平台和人脸识别技术的门禁系统设计

来源:一卡通世界      作者:王江涛 梅雪 林锦国      2012-10-27 15:37:16

    摘要:介绍了门禁系统的发展趋势,提出了一种基于PC104/PC104+嵌入式开发平台和人脸识别技术的门禁系统设计方案,并介绍了系统的硬件结构和软件设计方案。

    一、引言

    近年来,随着科学技术的不断发展,作为一种新型的现代化安全管理技术的门禁系统得到了快速的发展与完善。从起初的密码式,发展到今天的卡片式和生物特征识别式,门禁系统的功能和安全性都有了较大的提高。目前门禁系统正朝着数字化、网络化、智能化的方向发展。

    常用的门禁系统主要由信息采集单元、传输单元、信息辨识单元等3个部分组成。按照信息通信与处理方式可以分为单机型门禁系统和网络型门禁系统。其中单机型的信息处理与采集单元合成在一起,两者之间不需要远距离的信息传输,常用于小系统或安装位置较为集中的系统;网络型的信息处理与采集单元之间往往不在一起,两者之间通过光纤、双绞线等实现信息传输,常用于大系统或安装位置较为分散的场合。前者的投资小,安装方便,但信息处理功能简单,安全性较低,不能实现异地监控,虽然目前出现了一些可以进行生物特征识别的单机型门禁系统,但其后台往往需要一台微型计算机常年运行,可靠性较低;后者技术含量高,可以进行生物特征识别,安全性较高,易于实现网络控制和异地监控,但由于受到网络性能的影响,不易适用于人员频繁进出的场合。

    笔者针对上述两种门禁系统的缺点,提出了一种基于PC/104嵌入式平台和人脸识别技术的单元门禁系统设计方案,可以进一步实现集分布识别、集中管理于一体的分布型门禁系统,既提高了单机型门禁系统的信息处理能力和安全性,又克服了因为网络原因造成的网络型门禁系统瘫痪的问题。

    二、系统结构设计

    1、智能小区门禁系统结构

    根据居民小区规模和用户的需求,笔者所设计的门禁系统结构框图如图1所示。

 智能小区门禁系统结构示意图

    由图1可知,整个小区的门禁系统主要由各单元门禁系统和门禁管理系统组成;其中各单元门禁系统由主控制器、图像采集、电控锁、室内分机组成,并且每个单元门的门禁系统通过网络与门禁管理系统相连接。在该结构下,每个单元门分别在主控制器的控制下工作,克服了由于网络滞后带来的控制延时问题,提高了门禁系统控制的实时性。

    2、门禁控制单元硬件结构

    考虑到对主控制器的体积小巧和开发方便的要求,设计中采用PC/104嵌入式系统作为系统主控制器的开发平台。PC/104作为一种“堆栈型PC”已经被证明是一种能够广泛用于商业、工业以及军用领域的坚固的、可靠的及高性价比的嵌入式系统解决方案。成熟的桌面PC技术、丰富的PC软件资源使得PC/104嵌入式平台成为嵌入式开发最理想的选择之一。作为一种与传统PC兼容的系统,PC/104具有尺寸小巧、开放性好、可靠性高、功耗低、灵活方便的特点。

    PC/104嵌入式模块系列为系统设计者提供了一整套低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的结构化模块。利用这些模块构建的系统主控制器的框图如图2所示。

 单元门禁系统主控制器结构框图

    考虑到主控制器各模块之间的兼容性,设计中各主要功能模块全部选用RTD公司生产的PC/104模块板,其中:

    (1)CPU模块板。选用CME47786ER型CPU模块板,该模块时钟频率可达650MHz,带有256MB表贴内存、2个RS232端口、2个USB端口、1个10/100Base-T以太网口、EIDE控制器,支持TFT显示,最大功耗9W。
    (2)视频捕获模块板。选用VFG7350ER型视频捕获板,该模块支持双通道同时捕获,带MPEG硬件压缩,利用双通道可以使系统同时从两路图像采集设备采集图像,扩大了系统适用人群,使其不仅适用于成人,还可适用于身高较低的儿童。
    (3)数据模块板。选用DM7530HR-8型数据模块板,该模块支持8路差分模拟信号输入,2通道模拟信号输出,16路带缓存的数字I/O。通过该模块主控制器可以控制电控锁的开启与关闭。
    (4)电源模块板。选用HPWR104HR-75W型电源模块板,该模块最大可提供75W的输出功率,利用该模块可以为系统其余模块提供稳定的电源保障。其余模块则可以根据需要选择一些成熟产品,如存储模块可以选择IBM公司生产的IC25N030ATCS04型6315mmEIDE硬盘,用于存储开发的程序、采集到的用户进出图像等;键盘则可以根据需要自行设计。

    三、系统软件流程设计

    在上述硬件的基础上,笔者所设计的单元门禁系统主要完成以下功能:将单元内各用户的信息分户(或分部门)存储,并生成用户人脸的数学模型;系统在收到用户呼叫请求后,实现图像采集、人脸图像自动检测,并根据呼叫号码对采集到的访问者人脸图像进行识别,在确认用户身份后执行开门动作,或向室内人员提示,在接收到室内人员的开门指令后开门,否则进入等待循环,如果超过等待时间,则本次呼叫结束。为实现该功能,制定软件流程如图3所示。

 

    由图3可知,系统在接收到用户呼叫后,采集图像信息并进行人脸检测,如果有人脸,则进行人脸辨识,否则通过语音提示用户;如果用户通过身份审核则开门,否则通过语音或声音,提示室内人员并等待室内人员响应,如果超过等待时间,则本次呼叫结束;主控制器在作出开门指令后,电控锁打开,等待用户通过后关门,并根据安全级别,开启尾随检测设备,如果存在尾随,则发出语音报警信号并关门。

    其中,人脸检测与识别是软件系统的核心,在本软件中,采用基于Gabor特征与神经网络的方法,进行人脸检测;然后采用基于主成分分析和支持向量机的方法将采集和检测到的人脸图像与审核过的用户人脸库中的图像进行比较和识别。

    四、系统特点

    由上述分析可知,利用PC/104嵌入式平台开发的单元门禁系统,具有如下特点:

    1、小巧灵活:由于笔者设计的单元门禁系统是在PC/104嵌入式平台上开发的,这种堆栈型的PC本身体积很小,根据PC/104规范定义的板卡标准尺寸只有96mm(长)×90mm(宽),易于安装至狭小空间。
    2、可靠性高:PC/104板卡在电气特性和机械特性上可靠性极高,功耗低,散热少,板卡与板卡之间通过堆栈连接,抗震性好。如环境更为恶劣,还可考虑使用PC/104加固型系统IDAN,该系统所具备的铝合金结构,在密封系统的同时,还起到散热作用,可以保证系统在-40~85℃之间正常工作。
    3、扩展性好:由于本设计中所采用的模块板,均可同时支持PC/104总线和PC/104+总线,因此具备较好的扩展能力,如可在其上继续添加GPRS通信模块,为系统增加远程控制功能等。
    4、易于维护:所设计系统与普通PC兼容,利用一些已有的桌面PC系统软件、开发软件,所设计的人脸检测与辨识软件的升级、调试与更改都十分容易进行。

    五、结束语

    针对目前一些单元门禁系统存在的占用空间大、维护成本高、稳定性较低等问题,提出了一种基于PC/104嵌入式平台和人脸识别技术的门禁系统设计方案。相比于一些已有的基于DSP或单片机的门禁系统开发方案,该设计方案具有开发周期短、性能稳定、安全性高、扩展性好等优点,应用前景较为广阔。(转自《机床与液压》2009年第1期)

    【参考文献】
    [1] 雷玉堂.各类门禁系统的比较及其发展[J].中国公共安全:市场版,2007(3):94-99.
    [2] RTD.RTD产品中文目录2007.
    [3] 杨吴冰,陆徐平,许晋华.基于DSP和人脸识别技术的门禁系统设计[J].2007,29(2):38-41.
    [4] 王玮,樊则宾.基于DSP的新型门禁系统设计[J].山西电子技术,2007(3):19-21.
    [5] 龚玲平,邓燕妮.基于单片机和Lonworks的门禁系统设计[J].武汉理工大学学报: 信息与管理工程版,2007,29(7):59-62.

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