基于人脸识别的实验室智能门禁管理系统的制作方法

本实用新型属于测控技术领域，具体涉及一种基于人脸识别的实验室智能门禁管理系统。

背景技术：

开放式的管理是高校实验室管理的必经之路，简单点就是说未来的高校实验室能够让学生自由地进出实验室，不在受限于管理员(钥匙掌握者)并且能够查询到他们进入实验室的具体时间，做到管理的透明。本课题就是研究借助现在的科学技术实现实验室门禁的智能化管理，运用成熟的单片机技术和LabVIEW作为上位机能够识别出每一个想要进入实验室的人并且记录下他们进入实验室的时间，从而做到全程智能化，没有人工参与，为开放式的实验室管理方式提供必要的技术支持。

现代门禁系统中核心需求就是要解决身份识别的问题，随着半导体技术的日益成熟，计算机的处理速度已经达到了不可思议的地步，生物识别这种依赖计算机的身份识别技术越来越多的运用到了现代门禁系统中。本课题中的门禁管理系统就是将人脸识别这种友好性强、图像采集方便、比对技术成熟的生物识别技术作为系统的核心程序。也依托成熟的单片机技术和超声波测距模块为门禁管理系统不断的采集外部信号，计算机终端处理好这些外部信号后，让门禁管理系统判断出自己应该在何种工作状态。

技术实现要素：

1、实用新型目的。

本实用新型提出了一种基于人脸识别的实验室智能管理门禁，识别速度快，安全可靠且高效，很大程度上能够解决高校实验室的管理问题。

2、本实用新型所采用的技术方案。

一种基于人脸识别的实验室智能门禁管理系统，包含了上位机与下位机,上位机和下位机通过串口连接通讯；

所述的下位机包括单片机、直流电机、超声波传感器、图像采集模块；

所述的单片机分别与直流电机、超声波传感器相连，直流电机安装在门上驱动门开关，超声波传感器检测前方物体与测距传感器的距离；

所述的图像采集模块与上位机连接通信，图像采集模块采集人脸图像后传输到上位机。

更进一步具体实施方式中，所述的单片机U1采用德飞莱的mini80E，超声波传感器U2采用HC-SR04，电机U3采用130直流电机。

更进一步具体实施方式中，所述下位机包含单片机U1、超声波传感器U2、电机U3，超声波传感器U2中的VCC端接入单片机U1中的J3的1号引脚，超声波传感器U2中的GND端接入了单片机U1中的J4的1号引脚，超声波传感器U2中的Trig端接入了单片机U1中的J14中的2号引脚，超声波传感器U2中的Echo端接入单片机U1中的J14中的3号引脚。

更进一步具体实施方式中，所述的直流电机U3的VCC-引脚与单片机U1中的J4的2号引脚连接，电机U3的VCC+引脚与单片机U1中的引脚连接J14中的4号引脚。

更进一步具体实施方式中，还包括数码管采用LG3648位共阴极数码管。

更进一步具体实施方式中，还包括4HC573锁存器U4与数码管相连，控制数码管显示的数据，采用74HC138译码器U5与数码管相连控制相应的数码管工作，单片机U1中的P00-P07引脚与锁存器U4中的1D-8D分别对应连接，单片机U1中的P20、P21、P22引脚与译码器U5中的A、B、C相连，译码器U5中的Y0-Y7引脚与数码管DS1、DS2中的Com端口相连。锁存器U4中的1Q-8Q引脚与数码管DS1、DS2中的a-dp引脚相连。

更进一步具体实施方式中，所述的单片机U1的串口通讯为RS232。

整个门禁系统可以分为两部分，下位机也就是单片机部分主要负责的就是利用定时器不间断的定时触发超声波测距，并且不断的用数码管动态显示最新的距离，最后单片机也负责与上位机经过串口不断的通讯。而上位机部分也就是LabVIEW部分主要就是不断的检测单片机发送过来的信号，并判断是否启动人脸识别程序，还有就是给单片机发送是否驱动直流电机的信号。

3、本实用新型所产生的技术效果。

(1)本实用新型通过对实验室门控采用上位机和下位机的设计，能够将执行控制外部部件下放到下位机上处理，提高了处理的及时性，避免远程控制产生的误差。

(2)本实用新型通过超声传感器测距配合启动图像采集器将数据传输到上位机，可以及时有效的触发采集处理，提高识别效率。

(3)本实用新型与现有的实验室管理方式相比做到了不在受限于管理员(钥匙掌握者)并且能够查询到实验室人员进入实验室的具体时间，做到了管理的透明。以及很高的安全性与可靠性。

附图说明

图1是智能门禁工作示意图。

图2是智能门禁详细工作流程图。

图3是单片机引脚图。

图4是数码管引脚连接图。

图5是超声波传感器原理图。

图6是电源与接地原理图。

图7程序主界面-门禁部分图。

图8程序主界面-数据库管理部分图。

图9人脸识别程序框图。

图10数据库管理。

具体实施方式

实施例

本门禁管理系统的总体架构就是通过依托于单片机的超声波测距模块，在实验室的门口它能够准确的判断出人员的靠近，并在合适的距离通过串口通讯启动上位机的人脸识别与检测程序，并将识别出的结果再次通过串口返回给单片机，单片机根据返回的信号做出是否驱动直流电机的动作用来驱动实验室门的开合，然后继续检测距离。

请参阅图1、2，本实用新型的智能门禁系统包含了上位机与下位机,上位机和下位机通过串口连接通讯；所述的下位机包括单片机、直流电机、超声波传感器、图像采集模块；所述的单片机分别与直流电机、超声波传感器相连，直流电机安装在门上驱动门开关，超声波传感器检测前方物体与测距传感器的距离；所述的图像采集模块与上位机连接通信，图像采集模块采集人脸图像后传输到上位机。

所述的单片机部分负责触发超声波测距模块、数码管的数据显示、直流电机的驱动还有串口数据的处理，所述的直流电机部分负责实现门禁系统中的开门功能，所述的超声波测距部分负责检测前方物体与测距传感器的距离，所述的采集图像部分负责采集摄像头范围内的图像为图像处理部分提供包含人脸的彩色图像，所述的图像处理部分负责采集到的图像中的人脸检测与人脸识别，所述的上位机将结果处理通过串口告诉下位机是否启动电机以及记录下实验室人员的进入时间，通过数据库管理实验室人员进入实验室的时间查询以及学号和人脸图像的查看。

其中单片机U1采用德飞莱的mini80E，超声波传感器U2采用HC-SR04，电机U3采用130直流电机。所述下位机包含单片机U1、超声波传感器U2、电机U3，超声波传感器U2中的VCC端接入单片机U1中的J3的1号引脚，超声波传感器U2中的GND端接入了单片机U1中的J4的1号引脚，超声波传感器U2中的Trig端接入了单片机U1中的J14中的2号引脚，超声波传感器U2中的Echo端接入单片机U1中的J14中的3号引脚。

4.根据权利要求1所述的基于人脸识别的实验室智能门禁管理系统，其特征在于：所述的直流电机U3的VCC-引脚与单片机U1中的J4的2号引脚连接，电机U3的VCC+引脚与单片机U1中的引脚连接J14中的4号引脚。数码管采用LG3648位共阴极数码管。4HC573锁存器U4与数码管相连，控制数码管显示的数据，采用74HC138译码器U5与数码管相连控制相应的数码管工作，单片机U1中的P00-P07引脚与锁存器U4中的1D-8D分别对应连接，单片机U1中的P20、P21、P22引脚与译码器U5中的A、B、C相连，译码器U5中的Y0-Y7引脚与数码管DS1、DS2中的Com端口相连。锁存器U4中的1Q-8Q引脚与数码管DS1、DS2中的a-dp引脚相连。

请参阅图3、4、5、6，本实用新型在上电完成程序初始化之后，单片机U1中的定时器1会不断的进行2ms的不间断定时，单片机程序也会不断地对时间进行计算，当程序定时了800ms后，程序会通过单片机U1的P11引脚输出10us的高电平，超声波测距模块U2通过Trig引脚收到高电平之后，会在内部发出8个40KHz的超声波，超声波传递过程中遇到物体(障碍物)后会返回，超声波测距模块U2内部会接受传送回来的超声波，并且同时U2也会通过Echo引脚输出一段反应距离的高电平给单片机U1的P12引脚，单片机U1收到P12引脚的高电平之后，内部的计数器0会准确的读取出P12引脚的高电平脉冲数，程序处理之后，就会知道当前测距模块U2与前方物体的距离。程序根据这段距离由单片机U1通过串口发送给上位机相应的“0”或“1”。同时单片机U1也会检测串口缓存区中上位机有没有发送给下位机的数据，如果有就会驱动电机U3动作一段时间，开启实验室门，没有就会再次执行定时器1定时2ms的程序。定时器1每次定时2ms完成后就会触发一次定时中断程序，中断程序中程序会将内部P0口的高低电平状态送给锁存器U4，锁存器U4会存储P0传过来的数据并且将这些数据处理后点亮数码管DS1、DS2中的一位数码管相应的段位。同时在中断程序中也会将P20-P22的状态传送给译码器U5，译码器U5根据读取到的数据会让数码管DS1、DS2相应的位数码管工作，在中断程序执行完成后，译码器U5也会关闭所有的数码管用来达到消影的目的。

请参阅图7、9，本实用新型中的上位机部分也就是LabVIEW软件S1中，在程序运行时，在主界面选择门禁选项时，程序会不断的通过联想电脑COM3口通过串口不断的检测缓存区域的数据，判断里面的数据是不是字符串“1”，如果是,也就是检测到实验室门前有人试图进入时，通过LabVIEW软件S1利用联想电脑COM2口驱动图像采集设备U6采集到实验室门前的图像，然后再次通过LabVIEW软件S1中编写好的人脸检测与人脸识别程序对图像采集设备U6采集到的图像进行下列步骤：

1、肤色空间转换，通过相应的矩阵计算公式把原有色彩空间中各颜色分量的相关性解除，将冗余性较高的RGB色彩空间变换为易于肤色提取的YCbCr色彩空间。

2、转换之后进行光照均衡处理，转换成YCbCr色彩空间之后，亮度分量与色彩分量之间相互独立，这时候可以直接对于图像中的亮度分量进行处理，通过相应的转换公式将采集到的图像中一些较亮的地方变暗一点，较暗的地方变亮一点。

3、均衡之后进行肤色相似度计算，前期需要用画图软件手动的裁剪出200张规格为112*92的人脸区域图片，根据MATLAB程序批量处理200多张人脸皮肤区域得到的皮肤色度范围，利用阈值比较能够很方便快捷的计算出图像中哪些是皮肤区域。

4、计算好皮肤区域之后，就要对图像进行形态学处理，通过开闭运算去除掉或者削弱掉一些影响结果的图像区域。之后通过人脸都是具有一定长宽比例的规则找到具体的人脸范围。

5、人脸检测到之后对人脸图像尺寸归一化处理，然后根据主成分分析算法(PCA)将人脸图像的特征提取出来，也就是利用找到的人脸区域图像构建相应的协方差矩阵，再选取出一定数量的特征值或者特征向量作为采集到的人脸的特征。在将这些特征与数据库中人脸特征进行欧式距离变换，输出距离最小也就是两人脸最相近的比对结果。

6、LabVIEW软件S1根据输出的比对结果，如果是实验室的人员那么就会通过联想电脑COM3口发送串口数据，引起串口中断，单片机U1就会驱动电机，完成开门的动作。如果没有LabVIEW软件S1就会执行串口检测程序，为下一次人脸识别做准备。

请参阅图8、10，本实用新型中的上位机部分也就是LabVIEW软件S1中，在程序运行时，在主界面选择数据库选项时，程序会根据管理者所选择的人员实时的显示出选择人员的学号以及数据库中的图像和进入实验室的最新时间。

整个系统的工作原理主要分为三部分：(1)集合了HC-SR04超声波测距模块的单片机能够实时的检测模块前方4m之内的任何表面面积大于0.5m²的物体与实验室门的距离，一旦测出的距离比设定的阈值小当即判定有人员靠近，单片机执行串口通讯程序，告诉作为上位机的labview有人靠近，可以执行第二部分了。(2)当上位机LabVIEW收到单片机发出的触发信号之后，程序停止执行串口通讯信号检测，转而执行系统的核心程序-人脸检测与识别程序。通过Vision模块，驱动外部摄像头采集人脸图像，检测出人脸区域，并通过优化后的PCA核心算法将人脸图像与数据库中的图像进行对比，得出比对结果后将结果返回到单片机中，将时间记录在对应结果的数据库中并且执行第三部分。(3)单片机根据返回回来的信号，判断是否要驱动直流电动机也就是是否要打开实验室的门。判断过后继续执行超声波测距功能，循环执行三部分。

本实用新型由于采用了上述的架构，与现有的实验室管理方式相比做到了不在受限于管理员(钥匙掌握者)并且能够查询到实验室人员进入实验室的具体时间，做到了管理的透明。以及很高的安全性与可靠性。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。