基于身份證和人臉雙重識別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)設(shè)計

基于身份證和人臉雙重識別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)設(shè)計

0智能門禁系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，作為安全保護(hù)領(lǐng)域不可或缺的一部分，智能門禁制統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工廠、酒店、社區(qū)等領(lǐng)域。而市場是保障出入口安全防范管理的有效解決方式，因而得到人們越來越廣泛的關(guān)注。當(dāng)前智能門禁系統(tǒng)在一些生活場景上大多數(shù)的解鎖方式安全性較低、不易管理，且無法實現(xiàn)實名制管理。針對該問題，研究設(shè)計了一種基于身份證和人臉雙重識別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)，利用身份證的唯一性、權(quán)威性、安全性以及可存儲性等特點，采用RFID射頻識別技術(shù)實現(xiàn)實名制開鎖。通過寬度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對人臉進(jìn)行圖像識別特征值的采集，解決人臉識別過程中的快速跟蹤和快速識別問題。研制后臺云管理系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控管理。此智能門禁系統(tǒng)可自動完成人員身份識別，隨時記錄各類人員的出入情況并進(jìn)行圖像監(jiān)控，有效地保護(hù)控制區(qū)域內(nèi)各項財產(chǎn)不受非法侵犯，并對異常情況進(jìn)行報警處理。用戶可采用密碼、身份證、人臉識別、機(jī)械鑰匙應(yīng)急開鎖、APP臨時密碼下發(fā)等多種開鎖方式。1智能門禁系統(tǒng)配置方案1.1傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)系統(tǒng)在設(shè)計上，主要由系統(tǒng)服務(wù)端、門禁管理服務(wù)端、電子鎖等組成，其中電子鎖為核心部分，由門鎖、身份證閱讀器、門禁控制器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、蜂鳴器及備用電源等組成。而門禁控制器主要實現(xiàn)身份證信息的讀取、人臉識別、報警處理以及開門處理。該門禁系統(tǒng)由身份識別單元部分、處理與控制單元部分、電子鎖與執(zhí)行單元部分、傳感與報警單元部分、線路及通訊單元部分、管理與設(shè)置單元部分組成。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。針對不同的應(yīng)用場景可采取不同的認(rèn)證方式，在較為固定的場所，可將用戶的人臉信息提前錄入，進(jìn)行人臉識別從而加快通過效率。而對于用戶不固定、流動性較大的場所則采用身份證和人臉雙重識別。雙重識別一方面可有效提高用戶的通過效率，另一方面可實現(xiàn)系統(tǒng)的實名制管理，有效地解決了常規(guī)門禁系統(tǒng)的安全性問題。在對用戶進(jìn)行身份證識別的過程中，識別成功則進(jìn)行開門處理，顯示錯誤信息該系統(tǒng)則會自動進(jìn)行報警處理。而在人臉識別的過程中，識別成功進(jìn)行開門處理，若識別失敗將進(jìn)行身份證識別，最終若任然顯示錯誤信息則進(jìn)行報警處理。軟件主程序流程如圖2所示。1.2智能門禁系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)該門禁系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)總體劃分為感知層、接入層、應(yīng)用層、平臺層、基礎(chǔ)設(shè)施層共5個層次。1）感知層可實現(xiàn)門禁系統(tǒng)的控制以及攝像頭的監(jiān)控管理；2）接入層可使用WiFi、藍(lán)牙、3G/4G/5G等方式實現(xiàn)無線連接；3）應(yīng)用層是面向功能的一個平臺，在本系統(tǒng)中主要是通過INTER-NET實現(xiàn)門禁系統(tǒng)管理端與手機(jī)客戶端連接。從而使管理員實現(xiàn)遠(yuǎn)程后臺管理，如權(quán)限管理、用戶管理、區(qū)域管理、安全管理、后臺審核、系統(tǒng)監(jiān)控等；4）平臺層是應(yīng)用層與基礎(chǔ)設(shè)施層之間的橋梁，是為服務(wù)提供開發(fā)、運行和管控環(huán)境的一個中間件功能層次。它利用基礎(chǔ)設(shè)施層的能力面向上層應(yīng)用提供服務(wù)，基于基礎(chǔ)設(shè)施層的資源管理能力提供一個高可用、可伸縮且易于管理的與中間件平臺；5）基礎(chǔ)設(shè)施層則主要解決資源的虛擬化和自動化管理問題，將經(jīng)過虛擬化的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源以基礎(chǔ)設(shè)施的方式通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶使用和管理。智能門禁系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。實際實驗效果如圖4所示。1.3網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊該門禁系統(tǒng)對管理員進(jìn)行權(quán)限分配，實現(xiàn)多級管理。用戶無需自建平臺，通過Web即可訪問云平臺，登錄管理員賬號實現(xiàn)對門禁、人員信息等的統(tǒng)一管理，降低用戶成本。智能門鎖相關(guān)參數(shù)如下：1）智能門禁控制器相關(guān)參數(shù)配置，系統(tǒng)初始化時，控制主板會逐一檢查網(wǎng)絡(luò)模塊、RFID讀寫器工作、安全模塊供電參數(shù)（3.3V/5V）←（是否正常，若不正常，發(fā)出低電壓警報）。網(wǎng)絡(luò)模塊初始化，配置SSL的秘鑰及公鑰。使用https通信（wifi：連接AP自動輸入密碼連接AP連通網(wǎng)絡(luò)；有線網(wǎng)絡(luò)：查詢路由器是否正常，其次由路由器分配網(wǎng)絡(luò)ip，連接tcp服務(wù)器或者直接連接服務(wù)器。ping通后，建立心跳包保持長久連接及實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。由路由器配置ip地址**．**．**．**服務(wù)器訪問端口為8080。網(wǎng)絡(luò)請求參數(shù)初始化Lockld=RO014&type=1&content=ORDERLockld：控制器唯一idtype：網(wǎng)絡(luò)獲取命令類型content：請求內(nèi)容所有網(wǎng)絡(luò)請求均以這請求格式和請求參數(shù)。系統(tǒng)復(fù)位斷開所有的邏輯線路，完全重新連接邏輯線路初始化相同（硬件復(fù)位）。網(wǎng)絡(luò)初始化成功后會獲取服務(wù)器系統(tǒng)時間保證門禁控制器時鐘與服務(wù)器同步。2）智能門禁控制器輸Ⅳ輸出端口的設(shè)置，控制器的串口配置網(wǎng)絡(luò)模塊。單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)模塊由串口通信。當(dāng)從服務(wù)器收到***信息時開啟（繼電器）電機(jī)實現(xiàn)開鎖、關(guān)鎖?；ユi條件：低壓警告、主動鎖定、設(shè)備強(qiáng)破互鎖。3）人員屬性信息的配置，如用戶身份證的效期、合法性、權(quán)限以及用戶所屬時段等。2身份識別設(shè)計2.1身份認(rèn)證模塊2.1.1rfid技術(shù)RFID是一種利用射頻信號的空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳輸并通過所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行目標(biāo)識別的自動識別技術(shù)，是本門禁系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。身份證識別電子標(biāo)簽是近距離識別，即使用耦合方式進(jìn)行無線傳輸信息。該門禁系統(tǒng)的RFID模塊主要由身份證、身份證讀寫設(shè)備以及管理系統(tǒng)組成。讀取個人身份信息的設(shè)備將自動讀取刷卡人身份證信息，并將采集到的信息上傳至門禁控制板。門禁控制設(shè)備安裝于電子鎖門附近，用來接收用戶身份證信息和后臺管理端的指令并執(zhí)行，對用戶身份證信息鑒權(quán)是否開門，存儲刷卡人記錄，上報主機(jī)用戶信息。系統(tǒng)服務(wù)端用作控制門禁控制板，實時監(jiān)控用戶身份證信息，同時也可以依照用戶的不同要求設(shè)置好門禁權(quán)限等開門的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如果需要查看進(jìn)出門記錄時也可以選擇連接本系統(tǒng)的后臺服務(wù)端。2.1.2藥代動力學(xué)算法本門禁系統(tǒng)的RFID系統(tǒng)由身份證、身份證信息處理器和電子鎖管理系統(tǒng)共同組成。FID讀寫器正常情況下，一個時間點只能對磁場中的一張RFID卡進(jìn)行讀寫操作，但在實際應(yīng)用場景中經(jīng)常有多張身份證同時進(jìn)入讀寫器的射頻場，導(dǎo)致一個讀寫器多個應(yīng)答器，無法正確識別出一個應(yīng)答器的情況，即產(chǎn)生碰撞現(xiàn)象，出現(xiàn)通信方面的沖突產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致傳輸失敗，致使門禁系統(tǒng)無法正常工作。為此，必須采用防碰撞算法來防止碰撞的產(chǎn)生。門禁系統(tǒng)使用二進(jìn)制樹防碰撞算法來有效解決多張身份證識別過程中的碰撞問題，該算法基于樹分叉搜索算法實現(xiàn)，目的在于從多個電子標(biāo)簽中篩選出所需電子標(biāo)簽。二進(jìn)制樹型搜索算法核心原理為把會發(fā)生碰撞的電子標(biāo)簽進(jìn)行逐次的劃分，不斷地縮將要識別的數(shù)量范圍，最終達(dá)到僅剩唯一一個回應(yīng)的情況。識別方式是閱讀器向作用區(qū)域內(nèi)所有電子標(biāo)簽發(fā)送帶有某一限制條件的詢問命令，所有符合條件的電子標(biāo)簽進(jìn)行響應(yīng)并向閱讀器返回信息，若相應(yīng)不唯一則發(fā)生了碰撞。閱讀器分析所有符合條件的電子標(biāo)簽的返回信息，若發(fā)生碰撞，則檢測所有碰撞位置，并根據(jù)返回信息修改限制條件，再次發(fā)送詢問命令。重復(fù)發(fā)送詢問命令，重復(fù)進(jìn)行識別過程，直至有且唯一有一個電子標(biāo)簽進(jìn)行響應(yīng)，既無碰撞發(fā)生。在該算法的使用中，需要閱讀器能夠檢測出所有碰撞的比特的確切位置，而Manchester編碼剛好能做到這點，若多個電子標(biāo)簽同一時間發(fā)送不同的數(shù)位，即收到的上升沿和下降沿將會互相抵消，不發(fā)生變化的情況不允許發(fā)生，否則會被作為錯誤信號。采用此方式可以依照位來追蹤到?jīng)_突的發(fā)生。所以在二進(jìn)制搜索算法中選用Manchester編碼，如圖5所示。通過二進(jìn)制搜索算法識別X個電子標(biāo)簽所用的次數(shù)與編碼值和標(biāo)簽間發(fā)生碰撞的位置均相關(guān)。最少的搜索次數(shù)為2X-1，最多的搜索次數(shù)為2X+1，即搜索次數(shù)Y滿足如式（1）所示：而平均次數(shù)M與讀寫器作用區(qū)域內(nèi)電子標(biāo)簽總數(shù)N相關(guān)如式（2）所示：假設(shè)算法執(zhí)行效率為α，在算法執(zhí)行過程中，一共Ln個時隙，識別n個應(yīng)答器。表示算法的執(zhí)行效率。因此二進(jìn)制樹防碰撞算法可以在短時間內(nèi)有效解決多張身份證進(jìn)入一個身份證閱讀器導(dǎo)致碰撞的問題。算法流程如下：1）把位于沖突電子標(biāo)簽拆分為兩不部分用0和1表示。2）先對0進(jìn)行檢查，如果沒有出現(xiàn)沖突情況，就將其標(biāo)記為正確情況，如果出現(xiàn)沖突情況就進(jìn)行再劃分，將0劃分為00以及01。3）依次類推，通過此種算法即可查詢出0的所有情況，然后按照上述的步驟檢查1。模型圖如圖6所示。2.2人臉識別中提取特征的原理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有良好的圖像識別能力，通過權(quán)值共享來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。同時，其采用的算法不同于普通人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，故在圖像識別方面，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比于其他人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正確率明顯高出許多。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用池化操作進(jìn)行特征提取，由于池化具有平移不變性，所以可以最大限度保留圖像特征，同時降低了計算量。本系統(tǒng)采用一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，對被測人的姿勢、神態(tài)和背景環(huán)境等因素不敏感，而且該模型訓(xùn)練時間短、計算量小，不需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)便可以達(dá)到較高的識別精度。對人臉圖像的處理中，卷積的操作本質(zhì)上是一種濾波操作，定義以下參數(shù)：W為權(quán)重，p為偏置，h代表激活函數(shù)則在數(shù)字圖像處理中所用到的離散卷積公式如式（3）所示：卷積原理如圖7所示。卷積操作完成后，對圖像新提取的特征進(jìn)行池化操作，其目的在于對卷積提取的圖像特征進(jìn)行降維操作，使得特征精簡化，有助于獲得更優(yōu)秀的性能，圖8為最大值池化及其結(jié)果，池化尺寸為2×2，步長為2。在人臉識別處理過程中，對人臉圖像進(jìn)行描述的方式一般為提取圖像特征點，但每個特征點又需要描述該特征點的128維的向量，就導(dǎo)致一幅人臉識別圖像中特征點所需的存儲量過于大，所以要對人臉圖像進(jìn)行降維操作。降低原始輸入維度，其中一種方式是最小化輸入x和它的重構(gòu)r(x）之間的距離，如式（4）、（5）所示：其中：r(x)=WW其中：ω系統(tǒng)學(xué)習(xí)的正交和線性變換矩陣W將輸入數(shù)據(jù)x的投影結(jié)果用z來表示。因此，采用PCA算法作為降維方法，盡可能地保留數(shù)據(jù)中的信息。采用嶺回歸方法，通過求最小值，進(jìn)而求出網(wǎng)絡(luò)的輸出層權(quán)重如式（8）所示：其中：γ表示對輸出層權(quán)重W平方和的約束．當(dāng)γ=0時，則該問題變?yōu)樽钚《朔▎栴}，若γ→∞，那么權(quán)重則近似為零．故可得出權(quán)重的計算公式如式（9）所示：本文基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)寬度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，輸入圖像通過寬度學(xué)習(xí)系統(tǒng)方法映射到特征向量x中，同時采用PCA來學(xué)習(xí)映射矩陣。而后利用輸入圖像映射，采取卷積與最大池化操作提取增強(qiáng)神經(jīng)節(jié)點。將PCA應(yīng)用于合并后的特征圖，提取增強(qiáng)特征。多次重復(fù)此過程，可以得到更深層次的特征。本文采用隨機(jī)生成的卷積核與最大池化操作，通過嶺回歸方法更新權(quán)重W。2.3自動上傳管理端當(dāng)門禁控制器檢測到異常情況時，如被檢測用戶身份異常、強(qiáng)制開門、門禁控制器或讀寫器防拆除線斷開等，則會發(fā)出警報信號并上傳管理端。門禁報警系統(tǒng)還會對身份證的合法性、權(quán)限、時段、有效期、是否為掛失卡等進(jìn)行判斷，只有符合條件的身份證才會開門，同時會將有關(guān)信息記錄在后臺的管理系統(tǒng)。將安裝門磁或探測器。一旦門被異常打開時，探測器或門磁探測到動作，立即立即輸出信號產(chǎn)生報警，聯(lián)動報警設(shè)備或現(xiàn)場警號，并在總站管理系統(tǒng)上會有明顯顯示所在各門鎖的報警信息。3系統(tǒng)通信和命令設(shè)計3.1用戶使用頻率不確定本系統(tǒng)采用5GWi-Fi通信，傳統(tǒng)無線路由器只有2.4G頻段的WIFI信號，因為目前大多數(shù)設(shè)備多使用2.4G頻段，用戶較多時，干擾較大，不能保障足夠的穩(wěn)定性，會直接影響該系統(tǒng)之間的通信。5G作為即將普及的新一代無線通信技術(shù)，具有高帶寬、高可靠、低時延等優(yōu)點，5GWi-Fi信號頻帶寬、無線環(huán)境干凈、干擾少、網(wǎng)速穩(wěn)定、能夠保障傳輸質(zhì)量，將其用于該系統(tǒng)能夠讓通信性能提高。3.2http協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的加密超文本傳輸協(xié)議HTTP是互聯(lián)網(wǎng)上使用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有通信開銷小、簡單快速、成本低、使用靈活、節(jié)省傳輸時間等優(yōu)點，但是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是明文傳輸?shù)?，未加密，因此采用HTTP協(xié)議傳輸信息容易被監(jiān)聽、被偽裝、被篡改，為了保證傳輸信息的安全性，本系統(tǒng)采用由網(wǎng)景公司設(shè)計的SSL(SecureSocketsLater）協(xié)議用于對HTTP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，也就是使用HTTPS協(xié)議，該協(xié)議能夠讓信息加密，防監(jiān)聽、防偽裝、防篡改，提高了本系統(tǒng)信息傳遞過程的安全性。該門禁系統(tǒng)通信原理如圖9所示。3.3服務(wù)端配置3.3.1般電腦典型使用的windows系統(tǒng)本系統(tǒng)根據(jù)所需要的程序、數(shù)據(jù)庫類型、性能好壞、操作熟悉的程度等情況采取了一般電腦普遍采用的Windows系統(tǒng)。為了承載更多鎖并發(fā)請求，擬采用服務(wù)器CPU芯數(shù)4核、4g內(nèi)存、500G硬盤，10Mbps帶寬，這樣的服務(wù)器配置可容納并發(fā)量是500，完全可以解決鎖并發(fā)請求問題。3.3.2服務(wù)器環(huán)境配置本系統(tǒng)選擇wed服務(wù)器，在所選操作系統(tǒng)安裝云服務(wù)器之后，根據(jù)本系統(tǒng)的需求配置所需的運行環(huán)境，對Tomcat、mysql等進(jìn)行安裝與配置。3.3.3電子鎖功能函數(shù)對HTTPS訪問請求進(jìn)行設(shè)計，利用系統(tǒng)的ip地址5和采用的端口號433設(shè)計URL為：https：//5:433/網(wǎng)頁的相對路徑，具體實例如下：https：//6:443/eletronicLock/index.htm。為訪問請求設(shè)計3個請求參數(shù)，lockid用來表示鎖的ID號，type用來表示請求的類型，content用來表示請求的內(nèi)容，例子如下：電子鎖功能指令集如表1所示。具體服務(wù)器端訪問設(shè)計如表2所示。3.3.4結(jié)合機(jī)歷史編碼的特殊文件命令信息幀格式如表3所示。說明：返回字符串，按順序執(zhí)行。+命令數(shù)目+命令1|命令2|命令3|．．．．．．|命令n+@返回的例子：00510000001L0001A51018319991103222X00000000000000|10000002L0001B00000000000000000012345600000000|10000003L00011000|10000004L00012000該字符串說明如表4所示。(2）命令寫回：說明：寫回成功執(zhí)行的命令，返回錯誤碼。(3）開門日志：https：//ip:port/lock/index.htm?type=3&id=L0001&content=0654321(0+密碼方式）ht-tps：//ip:port/lock/index.htm?type=3&id=L0001&content=151018319991103222X(1+身份證號方式）說明：對應(yīng)鎖已低電壓，報警，無返回值。4調(diào)度方法原理門禁系統(tǒng)作為一種實時系統(tǒng)，要求在一定的時間范圍內(nèi)確保最后結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，而調(diào)度算法的設(shè)計對整個門禁系統(tǒng)的性能來說起著至關(guān)重要的作用，它決定著在多任務(wù)環(huán)境下任務(wù)執(zhí)行的順序以及獲得CPU資源后能夠執(zhí)行的時間長度。根據(jù)不同的優(yōu)先級分配方法，基于優(yōu)先級的調(diào)度算法可分為靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和動態(tài)優(yōu)先級算法。靜態(tài)調(diào)度較簡單但缺乏靈活性，不利于系統(tǒng)擴(kuò)展；動態(tài)調(diào)度有足夠的靈活性處理系統(tǒng)的變化，但需要消耗更多的資源。但不論是靜態(tài)調(diào)度還是動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)都將優(yōu)先執(zhí)行優(yōu)先級別比較高的任務(wù)。如果在進(jìn)行基于優(yōu)先級的調(diào)度時只按照優(yōu)先級別的高低進(jìn)行處理，則會存在突發(fā)高優(yōu)先級的情況，這樣低優(yōu)先級的任務(wù)則會等待很長時間。所以本文提出一種基于優(yōu)先級的周期性多任務(wù)調(diào)度算法，對門禁系統(tǒng)中處于不同優(yōu)先級的任務(wù)選取恰當(dāng)?shù)臅r間片作為周期，以相應(yīng)固定的時間片為一個基本單位從而進(jìn)行周期性的調(diào)度，通過這種調(diào)度方法既可以保證實時響應(yīng)性能，也可以使處于較低優(yōu)先級的任務(wù)有機(jī)會盡快執(zhí)行，從而提高了實時多任務(wù)系統(tǒng)的整體控制性能，保障整個門禁系統(tǒng)的實時性要求。當(dāng)用戶接收到請求時，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至緩沖隊列當(dāng)中，進(jìn)而分類器對其進(jìn)行分類并劃分好優(yōu)先級，最終由解調(diào)器進(jìn)行整體的調(diào)度。具體的工作原理如圖10所示。在周期性多任務(wù)調(diào)度算法中，多個任務(wù)的優(yōu)先級是不同的，將會按照所劃分的時間片周期性的對這多個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。通過周期性多任務(wù)調(diào)度算法可以有效地使低優(yōu)先級的任務(wù)得到盡快執(zhí)行的機(jī)會，縮短了執(zhí)行過程中的延遲時間，提高了低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行效率，從而保障了整個門禁系統(tǒng)控制的有效性。5測試結(jié)果