本發(fā)明涉及一種智能識(shí)別裝置，具體涉及一種基于面部識(shí)別的電子門鎖系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的革新，人們漸漸達(dá)到小康社會(huì)的高生活水平，而且安防意識(shí)也在不斷提高。由此，如何利用新的技術(shù)手段設(shè)計(jì)更安全、便捷、可靠的安全防衛(wèi)系統(tǒng)，提高居民生活質(zhì)量，已經(jīng)成為智能安防領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，門鎖作為智能安防系統(tǒng)中的首道關(guān)卡，是整個(gè)安防系統(tǒng)的重中之重。傳統(tǒng)門鎖系統(tǒng)的身份驗(yàn)證方式有：鑰匙、密碼、磁卡等，然而這些驗(yàn)證手段都與用戶具有可分離性，容易被復(fù)制、破譯和盜用，已不能完全滿足現(xiàn)代安防理念?，F(xiàn)今，人體生物特征如指紋、面部、虹膜等因其具有唯一性，不變性和不可分離的特性，已經(jīng)被廣泛利用在智能安防領(lǐng)域。因此設(shè)計(jì)針對(duì)安全防衛(wèi)的智能門鎖識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)社會(huì)的發(fā)展有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與實(shí)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

當(dāng)今社會(huì)，基于生物識(shí)別技術(shù)的智能安防設(shè)備越來(lái)越受歡迎，由于生物識(shí)別技術(shù)具有的唯一性、不變性和不可分離等特點(diǎn)，是其它技術(shù)所缺乏的重要特征。而面部識(shí)別也是其中被廣泛研究的話題之一。近年來(lái)基于面部識(shí)別的智能門鎖系統(tǒng)也開始升溫，但由于其市場(chǎng)價(jià)格十分昂貴，識(shí)別成功率受環(huán)境、光照等因素影響比較大，所以推廣起來(lái)還非常困難，相比其它安防系統(tǒng)，其市場(chǎng)占有率稍低，但發(fā)展空間巨大。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：采用ARM Cortex-M3嵌入式芯片設(shè)計(jì)，降低硬件成和運(yùn)行功耗，提升硬件的性能。同時(shí)基于MATLAB圖像處理平臺(tái)，提出了改進(jìn)的2DPCA面部識(shí)別算法，在樣本訓(xùn)練階段，分別對(duì)每一類人物構(gòu)建不同的特征子空間，而在面部圖像識(shí)別階段，則將待識(shí)別圖像分別投影到每一類人的特征子空間中進(jìn)行匹配，尋找最大匹配度來(lái)確定待識(shí)別人物的歸屬。同時(shí)采用基于膚色特征算法定位面部信息，減低環(huán)境背景影響，提高面部識(shí)別率。

在面部識(shí)別的基礎(chǔ)上，利用設(shè)備對(duì)門外的人物進(jìn)行識(shí)別與分析，然后與可以通行的人物照片進(jìn)行比對(duì)，然后判斷是否一致，再確定是否開鎖允許進(jìn)入。

一種基于面部識(shí)別的電子門鎖系統(tǒng)，包括stm32主控模塊、攝像頭、串口通訊模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、存儲(chǔ)模塊、電控鎖驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、聲光提示模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、電源開關(guān)、遙控接收模塊、聲光報(bào)警模塊，攝像頭和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其特征在于，門鎖系統(tǒng)工作時(shí)由其他模塊傳遞信息給主控模塊，經(jīng)主控模塊處理后反饋給各個(gè)模塊，并執(zhí)行相應(yīng)工作。此硬件系統(tǒng)具有與較強(qiáng)的適應(yīng)性和移植特性，不需要改變硬件系統(tǒng)，即可進(jìn)行不同環(huán)境的移植，只需要修改軟件參數(shù)即可擴(kuò)展成為不同環(huán)境下的門鎖系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述硬件系統(tǒng)中，由攝像頭模塊、串口模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、TFT-LCD模塊等傳遞信息給主控模塊，經(jīng)主控模塊處理后反饋給各個(gè)模塊，并執(zhí)行相應(yīng)工作。

優(yōu)選地，所述硬件系統(tǒng)包括電控鎖驅(qū)動(dòng)模塊、TFT-LCD顯示模塊、聲光提示模塊、DC電源轉(zhuǎn)換模塊、攝像頭模塊、CH340G串口通信模塊、人體紅外感應(yīng)模塊和SD卡存儲(chǔ)模塊等9大硬件模塊組成。

優(yōu)選地，所述軟件系統(tǒng)程序部分主要分為兩大塊，MATLAB程序設(shè)計(jì)和STM32主控程序設(shè)計(jì)。

優(yōu)選地，所述MATLAB程序設(shè)計(jì)，可分為串口通信、面部檢測(cè)、面部匹配、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)管理等四大塊，使上位機(jī)基于MATLAB軟件，設(shè)計(jì)出面部識(shí)別智能門鎖系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，監(jiān)控程序界面簡(jiǎn)潔清晰，用戶只需要點(diǎn)擊程序界面中幾個(gè)按鈕就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并與下位機(jī)STM32構(gòu)成完整的面部識(shí)別智能門鎖系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述STM32主控程序設(shè)計(jì)，其與硬件系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊相對(duì)應(yīng)，包括面部定位攝像頭程序、電機(jī)鎖驅(qū)動(dòng)模塊程序、TFTLCD顯示模塊驅(qū)動(dòng)程序、SD卡存儲(chǔ)模塊程序、人體紅外檢測(cè)程序、CH340通信模塊程序以及低功耗模式程序等等。

本發(fā)明的工作原理是：各個(gè)子模塊工作均受到主控模塊的調(diào)控，而且模塊之間相互協(xié)調(diào)工作。首先通過(guò)人體紅外感應(yīng)模塊，實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有人靠近門鎖系統(tǒng)，如果檢測(cè)到人體信號(hào)，則激活處于待機(jī)狀態(tài)下的主控芯片，然后OV7670定位攝像頭模塊完成初始化，準(zhǔn)備獲取面部圖像，利用TFT-LCD液晶顯示屏輔助，實(shí)時(shí)顯示面部圖像位置，方便用戶定位，便于頭像獲取。同時(shí)伴隨TFT-LCD顯示屏中文提示，提醒用戶當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)情況，每次激活面部識(shí)別門鎖系統(tǒng)后均有3次識(shí)別機(jī)會(huì)，如果三次識(shí)別均失敗，則系統(tǒng)會(huì)制動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一次人體紅外感應(yīng)模塊重新獲取觸發(fā)信號(hào)，電機(jī)鎖驅(qū)動(dòng)模塊主要接收來(lái)自STM32主控的指令，執(zhí)行開門和關(guān)門程序，聲光提示模塊則配合電機(jī)鎖驅(qū)動(dòng)模塊，執(zhí)行相應(yīng)指令，起到提醒用戶作用，USB高清攝像頭是面部圖像獲取主攝像頭，拍攝面部頭片后傳送到PC端的MATLAB程序進(jìn)行面部識(shí)別，SD存儲(chǔ)模塊會(huì)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)每次識(shí)別獲取到的圖片，以便保留證據(jù)，方便隨時(shí)查看記錄。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的有益效果：

1、根據(jù)系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成基于ARM Cortex-M3主控的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，執(zhí)行面部定位、TFT-LCD智能提示，以及開關(guān)鎖功能。

2、基于MATLAB圖像處理平臺(tái)設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控軟件，完成基于膚色特征面部檢測(cè)以及基于改進(jìn)的2DPCA面部識(shí)別算法，同時(shí)還能對(duì)用戶數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，查看監(jiān)控記錄。

3、良好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，通過(guò)學(xué)習(xí)MATLAB的GUI設(shè)計(jì)，完成監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面的設(shè)計(jì)，包括優(yōu)化按鈕、簡(jiǎn)化操作順序、優(yōu)化顯示框等。

4、硬件系統(tǒng)低功耗模式，僅當(dāng)人體紅外感應(yīng)被觸發(fā)后，系統(tǒng)才會(huì)被激活，三次識(shí)別失敗后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，具有10秒無(wú)應(yīng)答自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式等低功耗設(shè)置。

附圖說(shuō)明

圖1為硬件系統(tǒng)的總體組成框架。

圖2為系統(tǒng)硬件連接圖。

圖3為基于面部識(shí)別的智能門鎖系統(tǒng)監(jiān)控軟件的總體程序流程圖。

圖4基于面部識(shí)別的智能門鎖系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面圖。

圖5門鎖系統(tǒng)運(yùn)行圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

參見圖1、2，硬件系統(tǒng)的總體組成框架和系統(tǒng)硬件連接圖，STM32單片機(jī)增強(qiáng)型系列產(chǎn)品中的STM32F103ZET6，它是基于ARM Cortex-M3核心的32位微型CPU，處理頻率72MHz，具有高達(dá)64KB SRAM和512KB FLASH，豐富的定時(shí)器資源，包括2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)基本定時(shí)器，通信接口包括有5個(gè)串口、1個(gè)USB接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)IIC接口，此外5還有1個(gè)12位DAC、3個(gè)12位ADC、1個(gè)FSMC接口等，芯片共144引腳，其中112個(gè)通用IO口，采用LQFP-144封裝結(jié)構(gòu)。電控鎖驅(qū)動(dòng)模塊采用TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它的MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)有大電流驅(qū)動(dòng)能力，且具有雙通道輸出，可以通過(guò)PWM同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)。每個(gè)通道最高輸出1.2A連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，可控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止/制動(dòng)，最高支持100kHZ的PWM頻率，具有片內(nèi)低壓檢測(cè)與熱停機(jī)保護(hù)電路，工作溫度：-20～85℃，采用SSOP24貼片封裝。液晶顯示屏是采用ALIENTEK的2.8寸TFT-LCD，該液晶屏自帶LCD驅(qū)動(dòng)芯片IL9320，5V電源供電，工作電流130mA～350mA，分辨率達(dá)320*240以及16位真彩色顯示。因此采用該顯示屏功耗較低，滿足本設(shè)計(jì)需求。本設(shè)計(jì)中采用了雙攝像頭采集數(shù)據(jù)，其中面部定位攝像頭采用ALIENTEK OV7670攝像頭模塊，面部獲取攝像頭采用USB高清攝像頭。面部定位攝像頭OV7670直接由STM32微處理器控制，其獲取的圖像實(shí)時(shí)顯示在TFT-LCD液晶上，方便用戶定位自己面部的位置。面部獲取攝像頭由PC機(jī)的Matlab軟件進(jìn)行控制，主要功能是獲取面部圖像進(jìn)行識(shí)別處理。兩攝像頭安裝要求是，所獲取的外界畫面應(yīng)當(dāng)相同，安裝高度、傾斜角、所在環(huán)境一致。聲光提示模塊包括蜂鳴器電路和共陽(yáng)紅綠雙色LED燈電路，硬件系統(tǒng)被激活時(shí)，蜂鳴器會(huì)短鳴一聲提示用戶，當(dāng)面部識(shí)別成功時(shí)，蜂鳴器也會(huì)短鳴一聲，同時(shí)綠燈亮起，提示驗(yàn)證通過(guò)，系統(tǒng)執(zhí)行開鎖命令，當(dāng)面部識(shí)別失敗時(shí)，蜂鳴器會(huì)短鳴兩聲，同時(shí)紅燈會(huì)亮起，提示驗(yàn)證失敗，需要用戶重新驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)采用的RCW-0506人體紅外感應(yīng)模塊，是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國(guó)進(jìn)口探頭LHI778，超低功耗工作、體積小、靈敏度高，廣泛應(yīng)用于安防產(chǎn)品、人體感應(yīng)燈具、工業(yè)自動(dòng)化控制等。本設(shè)計(jì)也是采用電池供電模式，RCW-0506人體紅外感應(yīng)模塊待機(jī)電流小于50uA，非常適合于電池供電電路使用，硬件系統(tǒng)非工作時(shí)間是處于待機(jī)狀態(tài)的，此時(shí)紅外模塊將作為唯一活動(dòng)的監(jiān)測(cè)器，它的低功耗性能使得整個(gè)系統(tǒng)的待機(jī)低功耗表現(xiàn)顯著，使本設(shè)計(jì)使用干電池供電成為可能。

參見圖3、4，基于面部識(shí)別的智能門鎖系統(tǒng)監(jiān)控軟件的總體程序流程圖和基于面部識(shí)別的智能門鎖系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面圖，正常工作下，首先把門鎖硬件系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線與電腦USB口相連通，然后啟動(dòng)MATLAB端監(jiān)控程序，點(diǎn)擊程序初始化按鈕，等待初始化完畢，此時(shí)采集面部圖像框會(huì)出現(xiàn)攝像頭實(shí)時(shí)畫面，再點(diǎn)擊運(yùn)行監(jiān)控，程序?qū)⑦M(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控，至此PC端設(shè)置完畢，接下來(lái)啟動(dòng)門鎖系統(tǒng)硬件部分，STM32會(huì)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，只有人體紅外感應(yīng)模塊維持正常檢測(cè)工作，當(dāng)有人進(jìn)入紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)范圍，并且被持續(xù)檢測(cè)到2秒以上時(shí)，STM32主控模塊將被喚醒，此時(shí)需要2秒左右的時(shí)間進(jìn)行硬件系統(tǒng)初始化，初始化完畢后，LCD屏幕會(huì)提示用戶定位面部頭像，準(zhǔn)備獲取面部圖片進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)用戶面部定位后，OV7670攝像頭和USB高清攝像頭會(huì)及時(shí)捕捉用戶定位頭像，照片被捕捉完畢后，蜂鳴器短鳴一聲，LCD刷新顯示剛才捕獲的用戶頭像，此時(shí)PC端MATLAB將執(zhí)行面部檢測(cè)和面部識(shí)別程序，LCD顯示“正在識(shí)別，請(qǐng)稍后……”等語(yǔ)句，等待PC端識(shí)別完畢后的指令，若識(shí)別結(jié)果是合法用戶，則STM32接收到開門指令后控制電控鎖驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行開門動(dòng)作，否則STM32將會(huì)接收到鎖門指令，LCD顯示“識(shí)別失敗，請(qǐng)重試！”，這時(shí)用戶需要重新定位面部，重新拍照進(jìn)行檢測(cè)，如果三次識(shí)別均失敗時(shí)，STM32系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式，人體紅外感應(yīng)模塊也會(huì)進(jìn)入10秒封鎖時(shí)間，在此段時(shí)間內(nèi)，人體紅外感應(yīng)模塊將不再檢測(cè)外界信號(hào)，用戶只能等待下一次觸發(fā)時(shí)間的到來(lái)，才能重新拍照識(shí)別。

此外，用戶可以在PC端的面部識(shí)別的智能門鎖系統(tǒng)監(jiān)控軟件進(jìn)行各種數(shù)據(jù)庫(kù)管理操作：例如查看當(dāng)前合法用戶情況，點(diǎn)擊“查看合法用戶”后，自動(dòng)彈出窗口顯示當(dāng)前全部合法用戶的頭像圖片，當(dāng)需要錄入新用戶時(shí)，點(diǎn)擊“錄入新用戶”按鈕，彈窗提示“連續(xù)錄入50張面部圖片，請(qǐng)點(diǎn)擊‘確認(rèn)’繼續(xù)”，這時(shí)程序會(huì)調(diào)用USB高清攝像頭，對(duì)新用戶進(jìn)行拍照構(gòu)建圖片庫(kù)，大約30秒后圖片獲取完畢會(huì)彈出窗口提示“新用戶信息錄入完畢，請(qǐng)點(diǎn)擊‘確定’繼續(xù)”，這時(shí)新用戶已經(jīng)在面部識(shí)別系統(tǒng)中了，再次點(diǎn)擊程序初始化，就可以更新合法用戶信息，當(dāng)需要?jiǎng)h除合法用戶時(shí)，點(diǎn)擊“刪除用戶”按鈕，系統(tǒng)就會(huì)彈出用戶圖片庫(kù)根目錄，只需要把想要?jiǎng)h除的人物“delete”即可。以上就是用戶數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊功能。除了用戶數(shù)據(jù)的增、刪、改，系統(tǒng)還設(shè)置了“查看記錄”按鈕，便于查看用戶進(jìn)門記錄，同時(shí)也可以作為家庭監(jiān)控記錄，當(dāng)家里不幸被盜賊撬門了，用戶可以通過(guò)監(jiān)控記錄查看撬門記錄，如此可作為偵破案件的重要資料之一。

基于PCA的面部識(shí)別算法：本文面部識(shí)別主要應(yīng)用PCA(主成分分析法)，該算法是一種基于多元統(tǒng)計(jì)的方法。PCA主要是利用降維的思想，研究如何利用少數(shù)幾個(gè)主要成分來(lái)解釋多變量的方差，其中每個(gè)主成分都能反映原始變量中大部分信息，且所含的信息互不相關(guān)。由于主成分分析把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成低維，讓人更加直觀看到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此PCA也常用于模式識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)據(jù)特征提取技術(shù)。

傳統(tǒng)的PCA方法基本原理是：利用K-L變換來(lái)提取面部中主要特征成分，構(gòu)建特征臉空間矩陣，在面部識(shí)別時(shí)，將待識(shí)別圖像投影到特征空間上，得到一組投影系數(shù)，然后通過(guò)與每個(gè)人的面部特征進(jìn)行比對(duì)識(shí)別。利用這種去相關(guān)的坐標(biāo)變換方法，使得圖像壓縮前后均方差誤差最小，而且變換成低維空間后仍有很好的識(shí)別能力。

本文面部識(shí)別方法是基于傳統(tǒng)的2DPCA算法進(jìn)行了改進(jìn)，傳統(tǒng)的2DPCA在訓(xùn)練階段將不同的面部圖像共同構(gòu)建起特征子空間，在面部識(shí)別時(shí)，將待識(shí)別的面部圖像投影23到特征子空間上進(jìn)行比較。當(dāng)樣本庫(kù)有多個(gè)不同類別人物時(shí)，若將不同類別人物共同構(gòu)建一個(gè)特征子空間，這樣其類內(nèi)歐氏距離偏小，不同類之間的歐氏距離相對(duì)類內(nèi)較大，而識(shí)別閾值T又根據(jù)樣本間最大歐氏距離來(lái)確定，所以往往因?yàn)樽R(shí)別閾值T偏大，造成誤判。由此，本文提出了一種基于多個(gè)特征子空間的2DPCA面部識(shí)別算法，在樣本訓(xùn)練階段，分別對(duì)每一類人物構(gòu)建不同的特征子空間，而在面部圖像識(shí)別階段，則分別將待識(shí)別圖像投影到每一類人的特征子空間中進(jìn)行匹配，匹配成功則待識(shí)別圖像屬于該類人物，否則認(rèn)為待識(shí)別圖像是非法人物。

圖5門鎖系統(tǒng)運(yùn)行圖。

上述為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。