基于身份證和人臉雙重識別技術的智能門禁系統設計

0智能門禁系統隨著科學技術的發展，作為安全保護領域不可或缺的一部分，智能門禁制統已廣泛應用于工廠、酒店、社區等領域。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注。當前智能門禁系統在一些生活場景上大多數的解鎖方式安全性較低、不易管理，且無法實現實名制管理。針對該問題，研究設計了一種基于身份證和人臉雙重識別技術的智能門禁系統，利用身份證的唯一性、權威性、安全性以及可存儲性等特點，采用RFID射頻識別技術實現實名制開鎖。通過寬度學習卷積神經網絡算法，對人臉進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，實現遠程無線監控管理。此智能門禁系統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行圖像監控，有效地保護控制區域內各項財產不受非法侵犯，并對異常情況進行報警處理。用戶可采用密碼、身份證、人臉識別、機械鑰匙應急開鎖、APP臨時密碼下發等多種開鎖方式。1智能門禁系統配置方案1.1傳統門禁系統系統在設計上，主要由系統服務端、門禁管理服務端、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、網絡攝像頭、蜂鳴器及備用電源等組成。而門禁控制器主要實現身份證信息的讀取、人臉識別、報警處理以及開門處理。該門禁系統由身份識別單元部分、處理與控制單元部分、電子鎖與執行單元部分、傳感與報警單元部分、線路及通訊單元部分、管理與設置單元部分組成。系統工作原理如圖1所示。針對不同的應用場景可采取不同的認證方式，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，另一方面可實現系統的實名制管理，有效地解決了常規門禁系統的安全性問題。在對用戶進行身份證識別的過程中，識別成功則進行開門處理，顯示錯誤信息該系統則會自動進行報警處理。而在人臉識別的過程中，識別成功進行開門處理，若識別失敗將進行身份證識別，最終若任然顯示錯誤信息則進行報警處理。軟件主程序流程如圖2所示。1.2智能門禁系統體系結構該門禁系統體系結構總體劃分為感知層、接入層、應用層、平臺層、基礎設施層共5個層次。1）感知層可實現門禁系統的控制以及攝像頭的監控管理；2）接入層可使用WiFi、藍牙、3G/4G/5G等方式實現無線連接；3）應用層是面向功能的一個平臺，在本系統中主要是通過INTER-NET實現門禁系統管理端與手機客戶端連接。從而使管理員實現遠程后臺管理，如權限管理、用戶管理、區域管理、安全管理、后臺審核、系統監控等；4）平臺層是應用層與基礎設施層之間的橋梁，是為服務提供開發、運行和管控環境的一個中間件功能層次。它利用基礎設施層的能力面向上層應用提供服務，基于基礎設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）基礎設施層則主要解決資源的虛擬化和自動化管理問題，將經過虛擬化的計算資源、存儲資源和網絡資源以基礎設施的方式通過網絡提供給用戶使用和管理。智能門禁系統體系結構如圖3所示。實際實驗效果如圖4所示。1.3網絡監控模塊該門禁系統對管理員進行權限分配，實現多級管理。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對門禁、人員信息等的統一管理，降低用戶成本。智能門鎖相關參數如下：1）智能門禁控制器相關參數配置，系統初始化時，控制主板會逐一檢查網絡模塊、RFID讀寫器工作、安全模塊供電參數（3.3V/5V）←（是否正常，若不正常，發出低電壓警報）。網絡模塊初始化，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連通網絡；有線網絡：查詢路由器是否正常，其次由路由器分配網絡ip，連接tcp服務器或者直接連接服務器。ping通后，建立心跳包保持長久連接及實現網絡通訊。由路由器配置ip地址**．**．**．**服務器訪問端口為8080。網絡請求參數初始化Lockld=RO014&type=1&content=ORDERLockld：控制器唯一idtype：網絡獲取命令類型content：請求內容所有網絡請求均以這請求格式和請求參數。系統復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（硬件復位）。網絡初始化成功后會獲取服務器系統時間保證門禁控制器時鐘與服務器同步。2）智能門禁控制器輸Ⅳ輸出端口的設置，控制器的串口配置網絡模塊。單片機與網絡模塊由串口通信。當從服務器收到***信息時開啟（繼電器）電機實現開鎖、關鎖。互鎖條件：低壓警告、主動鎖定、設備強破互鎖。3）人員屬性信息的配置，如用戶身份證的效期、合法性、權限以及用戶所屬時段等。2身份識別設計2.1身份認證模塊2.1.1rfid技術RFID是一種利用射頻信號的空間耦合實現無接觸信息傳輸并通過所傳輸的信息進行目標識別的自動識別技術，是本門禁系統的核心技術之一。身份證識別電子標簽是近距離識別，即使用耦合方式進行無線傳輸信息。該門禁系統的RFID模塊主要由身份證、身份證讀寫設備以及管理系統組成。讀取個人身份信息的設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行，對用戶身份證信息鑒權是否開門，存儲刷卡人記錄，上報主機用戶信息。系統服務端用作控制門禁控制板，實時監控用戶身份證信息，同時也可以依照用戶的不同要求設置好門禁權限等開門的相關參數設置，如果需要查看進出門記錄時也可以選擇連接本系統的后臺服務端。2.1.2藥代動力學算法本門禁系統的RFID系統由身份證、身份證信息處理器和電子鎖管理系統共同組成。FID讀寫器正常情況下，一個時間點只能對磁場中的一張RFID卡進行讀寫操作，但在實際應用場景中經常有多張身份證同時進入讀寫器的射頻場，導致一個讀寫器多個應答器，無法正確識別出一個應答器的情況，即產生碰撞現象，出現通信方面的沖突產生碰撞導致傳輸失敗，致使門禁系統無法正常工作。為此，必須采用防碰撞算法來防止碰撞的產生。門禁系統使用二進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，目的在于從多個電子標簽中篩選出所需電子標簽。二進制樹型搜索算法核心原理為把會發生碰撞的電子標簽進行逐次的劃分，不斷地縮將要識別的數量范圍，最終達到僅剩唯一一個回應的情況。識別方式是閱讀器向作用區域內所有電子標簽發送帶有某一限制條件的詢問命令，所有符合條件的電子標簽進行響應并向閱讀器返回信息，若相應不唯一則發生了碰撞。閱讀器分析所有符合條件的電子標簽的返回信息，若發生碰撞，則檢測所有碰撞位置，并根據返回信息修改限制條件，再次發送詢問命令。重復發送詢問命令，重復進行識別過程，直至有且唯一有一個電子標簽進行響應，既無碰撞發生。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，若多個電子標簽同一時間發送不同的數位，即收到的上升沿和下降沿將會互相抵消，不發生變化的情況不允許發生，否則會被作為錯誤信號。采用此方式可以依照位來追蹤到沖突的發生。所以在二進制搜索算法中選用Manchester編碼，如圖5所示。通過二進制搜索算法識別X個電子標簽所用的次數與編碼值和標簽間發生碰撞的位置均相關。最少的搜索次數為2X-1，最多的搜索次數為2X+1，即搜索次數Y滿足如式（1）所示：而平均次數M與讀寫器作用區域內電子標簽總數N相關如式（2）所示：假設算法執行效率為α，在算法執行過程中，一共Ln個時隙，識別n個應答器。表示算法的執行效率。因此二進制樹防碰撞算法可以在短時間內有效解決多張身份證進入一個身份證閱讀器導致碰撞的問題。算法流程如下：1）把位于沖突電子標簽拆分為兩不部分用0和1表示。2）先對0進行檢查，如果沒有出現沖突情況，就將其標記為正確情況，如果出現沖突情況就進行再劃分，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網絡擁有良好的圖像識別能力，通過權值共享來訓練神經網絡。同時，其采用的算法不同于普通人工神經網絡，故在圖像識別方面，卷積神經網絡相比于其他人工神經網絡正確率明顯高出許多。卷積神經網絡采用池化操作進行特征提取，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。本系統采用一種基于卷積神經網絡的學習系統，對被測人的姿勢、神態和背景環境等因素不敏感，而且該模型訓練時間短、計算量小，不需要大量的訓練數據便可以達到較高的識別精度。對人臉圖像的處理中，卷積的操作本質上是一種濾波操作，定義以下參數：W為權重，p為偏置，h代表激活函數則在數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行池化操作，其目的在于對卷積提取的圖像特征進行降維操作，使得特征精簡化，有助于獲得更優秀的性能，圖8為最大值池化及其結果，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r(x）之間的距離，如式（4）、（5）所示：其中：r(x)=WW其中：ω系統學習的正交和線性變換矩陣W將輸入數據x的投影結果用z來表示。因此，采用PCA算法作為降維方法，盡可能地保留數據中的信息。采用嶺回歸方法，通過求最小值，進而求出網絡的輸出層權重如式（8）所示：其中：γ表示對輸出層權重W平方和的約束．當γ=0時，則該問題變為最小二乘法問題，若γ→∞，那么權重則近似為零．故可得出權重的計算公式如式（9）所示：本文基于卷積神經網絡寬度學習系統，輸入圖像通過寬度學習系統方法映射到特征向量x中，同時采用PCA來學習映射矩陣。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神經節點。將PCA應用于合并后的特征圖，提取增強特征。多次重復此過程，可以得到更深層次的特征。本文采用隨機生成的卷積核與最大池化操作，通過嶺回歸方法更新權重W。2.3自動上傳管理端當門禁控制器檢測到異常情況時，如被檢測用戶身份異常、強制開門、門禁控制器或讀寫器防拆除線斷開等，則會發出警報信號并上傳管理端。門禁報警系統還會對身份證的合法性、權限、時段、有效期、是否為掛失卡等進行判斷，只有符合條件的身份證才會開門，同時會將有關信息記錄在后臺的管理系統。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生報警，聯動報警設備或現場警號，并在總站管理系統上會有明顯顯示所在各門鎖的報警信息。3系統通信和命令設計3.1用戶使用頻率不確定本系統采用5GWi-Fi通信，傳統無線路由器只有2.4G頻段的WIFI信號，因為目前大多數設備多使用2.4G頻段，用戶較多時，干擾較大，不能保障足夠的穩定性，會直接影響該系統之間的通信。5G作為即將普及的新一代無線通信技術，具有高帶寬、高可靠、低時延等優點，5GWi-Fi信號頻帶寬、無線環境干凈、干擾少、網速穩定、能夠保障傳輸質量，將其用于該系統能夠讓通信性能提高。3.2http協議傳輸數據的加密超文本傳輸協議HTTP是互聯網上使用最為廣泛的一種網絡協議，具有通信開銷小、簡單快速、成本低、使用靈活、節省傳輸時間等優點，但是傳輸的數據都是明文傳輸的，未加密，因此采用HTTP協議傳輸信息容易被監聽、被偽裝、被篡改，為了保證傳輸信息的安全性，本系統采用由網景公司設計的SSL(SecureSocketsLater）協議用于對HTTP協議傳輸的數據進行加密，也就是使用HTTPS協議，該協議能夠讓信息加密，防監聽、防偽裝、防篡改，提高了本系統信息傳遞過程的安全性。該門禁系統通信原理如圖9所示。3.3服務端配置3.3.1般電腦典型使用的windows系統本系統根據所需要的程序、數據庫類型、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。為了承載更多鎖并發請求，擬采用服務器CPU芯數4核、4g內存、500G硬盤，10Mbps帶寬，這樣的服務器配置可容納并發量是500，完全可以解決鎖并發請求問題。3.3.2服務器環境配置本系統選擇wed服務器，在所選操作系統安裝云服務器之后，根據本系統的需求配置所需的運行環境，對Tomcat、mysql等進行安裝與配置。3.3.3電子鎖功能函數對HTTPS訪問請求進行設計，利用系統的ip地址5和采用的端口號433設計URL為：https：//5:433/網頁的相對路徑，具體實例如下：https：//6:443/eletronicLock/index.htm。為訪問請求設計3個請求參數，lockid用來表示鎖的ID號，type用來表示請求的類型，content用來表示請求的內容，例子如下：電子鎖功能指令集如表1所示。具體服務器端訪問設計如表2所示。3.3.4結合機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，按順序執行。+命令數目+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：對應鎖已低電壓，報警，無返回值。4調度方法原理門禁系統作為一種實時系統，要求在一定的時間范圍內確保最后結果的可靠性和準確性，而調度算法的設計對整個門禁系統的性能來說起著至關重要的作用，它決定著在多任務環境下任務執行的順序以及獲得CPU資源后能夠執行的時間長度。根據不同的優先級分配方法，基于優先級的調度算法可分為靜態優先級調度算法和動態優先級算法。靜態調度較簡單但缺乏靈活性，不利于系統擴展；動態調度有足夠的靈活性處理系統的變化，但需要消耗更多的資源。但不論是靜態調度還是動態調度系統都將優先執行優先級別比較高的任務。如果在進行基于優先級的調度時只按照優先級別的高低進行處理，則會存在突發高優先級的情況，這樣低優先級的任務則會等待很長時間。所以本文提出一種基于優先級的周期性多任務調度算法，對門禁系統中處于不同優先級的任務選取恰當的時間片作為周期，以相應固定的時間片為一個基本單位從而進行周期性的調度，通過這種調度方法既可以保證實時響應性能，也可以使處于較低優先級的任務有機會盡快執行，從而提高了實時多任務系統的整體控制性能，保障整個門禁系統的實時性要求。當用戶接收到請求時，通過網絡發送至緩沖隊列當中，進而分類器對其進行分類并劃分好優先級，最終由解調器進行整體的調度。具體的工作原理如圖10所示。在周期性多任務調度算法中，多個任務的優先級是不同的，將會按照所劃分的時間片周期性的對這多個任務進行調度。通過周期性多任務調度算法可以有效地使低優先級的任務得到盡快執行的機會，縮短了執行過程中的延遲時間，提高了低優先級任務的執行效率，從而保障了整個門禁系統控制的有效性。5測試結果