千承輝，黃婉玉，劉錫洋，辛雨松

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春 130022)

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多傳感器與Foxtable的人員識別及智能管理系統(tǒng)*

千承輝，黃婉玉，劉錫洋，辛雨松

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春 130022)

隨著開放實驗室的推廣，為了實現(xiàn)更科學(xué)化、人性化的管理,設(shè)計了一個具備指紋識別、人臉識別、人員進出監(jiān)測等功能的實驗室智能管理系統(tǒng)；同時利用Foxtable數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)出一套可錄入、查詢、打印實驗室相關(guān)信息，并生成考勤記錄表、儀器設(shè)備使用記錄表等報表的信息管理軟件。該系統(tǒng)已在吉林大學(xué)儀電學(xué)院開放實驗室安裝使用，能輔助老師更加簡便、高效地管理實驗室。

指紋識別；人臉識別；Foxtable；智能管理系統(tǒng)

引 言

實驗室作為科研成果的產(chǎn)出地，隨著建設(shè)逐步標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，既加重了日常管理工作的強度，也暴露出許多問題。吉林大學(xué)一直以來十分重視實驗室建設(shè),并為此投入了大量的人力、物力。豐富多樣的實驗儀器設(shè)備方便了實驗人員進行科學(xué)研究，但也使得管理老師統(tǒng)計實驗室儀器設(shè)備使用、維護及借出情況的工作變得更加繁重；開放實驗室的推廣作為實驗室建設(shè)工作的一大創(chuàng)新，在提升學(xué)生科研水平的同時,其造成的人員流動復(fù)雜等問題也增加了實驗室管理工作的難度。面對如此龐大的工作量，現(xiàn)有的管理機制不能進行有效的管理。

目前,國內(nèi)外實驗室管理系統(tǒng)多利用純軟件或者純硬件對實驗室進行管理。純軟件化的信息管理系統(tǒng)具有較友好的界面和統(tǒng)計功能，但沒有硬件的支持很難實時、準(zhǔn)確地反映實驗室綜合信息；單一的硬件管理以IC卡身份驗證、視頻監(jiān)控居多，但在信息存儲、人員識別和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面有很大的不足。實驗室的相關(guān)信息分散，人員、儀器設(shè)備信息量較大，將硬件與軟件結(jié)合進行管理成為發(fā)展趨勢。

因此，研究制作出一套更人性化、更科學(xué)化的實驗室人員識別及智能管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將多個傳感器的測量信號以次序、重要性等為標(biāo)準(zhǔn)，進行分析、篩選從而做出綜合決策。同時，結(jié)合計算機技術(shù)在信息管理方向上的應(yīng)用建立數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計一套信息管理系統(tǒng)，龐大信息量的處理問題將迎刃而解[1]。這樣軟硬件相結(jié)合，能夠更加實用、簡便、清晰、高效地對實驗室進行管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

實驗室人員識別及智能管理系統(tǒng)利用多種傳感器對數(shù)據(jù)進行采集。系統(tǒng)工作時，欲進入實驗室的人員需先進行指紋識別。光學(xué)指紋傳感器獲取被測者指紋圖像后，通過高性能DSP處理器分析指紋特征，與事先錄入、存儲在Flash芯片中的指紋庫內(nèi)指紋特征進行判斷識別[2]，確定被測者身份后將其指紋編碼發(fā)送至單片機。51單片機驅(qū)動LCD12864實時顯示人員身份信息，并與計算機進行串口通信。紅外光電傳感器與超聲波測距傳感器共同構(gòu)成人員進出監(jiān)測模塊，通過兩對紅外傳感器產(chǎn)生脈沖信號的順序可以判斷人員進出實驗室的方向，超聲傳感器測距進而計算得出來往人員的數(shù)目[3]。單片機驅(qū)動LCD1602顯示當(dāng)前室內(nèi)實時人數(shù)，并通過串口通信發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)給計算機。當(dāng)有人員違規(guī)進入時(不進行指紋驗證或試圖在其他人員驗證指紋后跟隨闖入)，計算機判斷出掃描指紋的人數(shù)與進出實驗室的人數(shù)不同，違規(guī)警報響起，同時圖像采集模塊被激活，進行實時畫面的圖像采集，將采集到的光學(xué)影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為計算機能夠識別出來的電子圖像信號并存儲在計算機中，再通過軟件進行人臉識別?；趯σ陨隙喾N傳感器的控制，能夠全面、實時地獲取實驗室的動態(tài)信息。

本系統(tǒng)的特色之一就是將軟硬件相結(jié)合，利用Foxtable數(shù)據(jù)管理軟件建立數(shù)據(jù)庫并進行上位機軟件的編寫,Foxtable提供了串口通信方法與單片機進行通信[4]。開發(fā)出的實驗室信息管理軟件具備錄入及查詢實驗室人員基本信息、人員流動信息、實驗儀器設(shè)備及耗材使用狀況、指紋掃描考勤記錄等一系列功能，并可生成相應(yīng)報表。人臉識別部分在Matlab軟件上實現(xiàn)，由Foxtable外鏈Matlab進行訪問。

綜上所述，該系統(tǒng)能實現(xiàn)人員進出監(jiān)測及違規(guī)警報、指紋識別、人臉識別等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)實物圖

2 人員進出監(jiān)測模塊設(shè)計

人員進出監(jiān)測模塊由超聲波測距傳感器、單片機控制器、紅外光電傳感器、串口通信模塊、顯示模塊、電源模塊組成。該模塊整體框圖如圖3所示。

圖3 人員進出監(jiān)測模塊整體框圖

該模塊選擇STC89C52單片機為控制器，采用C語言編程。紅外傳感器利用單片機的INT0和INT1進行處理。沒有人員通過該模塊時，紅外傳感器產(chǎn)生低電平，一旦有人員通過，紅外傳感器隨之產(chǎn)生一個脈沖信號申請中斷。將兩對完全相同的紅外光電傳感器并排固定，控制器就能通過兩脈沖的先后順序來判斷人員進出的方向[5]。兩次中斷之間是超聲測距程序，檢測由物體反射回來的超聲波信號獲取人員寬度來判斷出通過的人數(shù)。實時人數(shù)、進出情況通過LCD1602顯示,其數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至計算機。

3 指紋識別模塊設(shè)計

由于指紋特征具有唯一性，因此選擇掃描指紋的方式來確定人員身份。指紋識別技術(shù)首先需利用傳感器對指紋圖像進行采集[6],其后要在指紋圖象上定位、提取出指紋的特征[7]。提取指紋圖像信息后，將其特征合成到一個復(fù)合的模板中的過程稱為指紋特征的提取過程，它是指紋識別技術(shù)的核心[8]。得到被檢者的指紋模板后，若想確定其真實身份，需要將該模板與先前建立的指紋數(shù)據(jù)庫中的已有指紋模板進行比對。

該模塊由單片機控制器、高性能DSP處理器、光學(xué)指紋傳感器、CD4052模擬開關(guān)、Flash芯片、A/D轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤、顯示模塊、電源模塊組成。光學(xué)指紋傳感器有一個玻璃平面，被測者將手指按在其上,用光照射玻璃，指紋的不同區(qū)域?qū)獾姆瓷涑潭炔煌?，感光元件采集到圖像上每個坐標(biāo)點的光學(xué)信號并轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。使用DSP處理器提取出指紋圖像信號的特征值，合成指紋特征模板存儲在Flash芯片中生成指紋庫[9],通過按鍵可以切換指紋錄入及指紋識別功能。在識別模式下，被測者指紋生成指紋特征后，同已存儲在指紋庫中的指紋特征模板對比，識別出被測者身份，DSP處理器將指紋碼發(fā)送給51單片機，51單片機通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給計算機并驅(qū)動LCD12864顯示被測人身份。由于DSP處理器、計算機串口通信都需用到51單片機的TXD、RXD口，通過CD4052模擬開關(guān)對兩路信號進行分時選通，確保通信順暢。

指紋識別模塊軟件流程圖如圖4所示。

圖4 指紋識別模塊軟件流程圖

4 人臉識別模塊設(shè)計

當(dāng)有人員違規(guī)進入時，圖像采集模塊被激活，同時警報響起。該模塊通過CCD圖像傳感器進行數(shù)據(jù)采集，它能直接將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。CCD產(chǎn)生的信號經(jīng)過除噪處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端顯示并存儲。

首先，用imread函數(shù)讀入已存儲的一幅圖像，用rgb2gray和imhist函數(shù)對圖像做灰度處理，并畫出其直方圖，然后將rgb空間的圖像轉(zhuǎn)化到ntsc空間，并取第二幀(即亮度)圖像，取圖像中紅、綠、藍三色的數(shù)據(jù)分別存儲到矩陣R、G和B中。接著用size函數(shù)計算矩陣的大小，自定義人臉范圍的門限值，創(chuàng)建與G同大小的零矩陣，得出處理后的圖像和直方圖。轉(zhuǎn)化后的圖像出現(xiàn)了噪聲，用strel函數(shù)創(chuàng)建一個線性結(jié)構(gòu)單元，通過開閉運算消除噪聲。最后通過循環(huán)語句得出人臉范圍，并通過線性運算框出人臉區(qū)域，得到處理結(jié)果。得到實時畫面中的人臉信息后，再與人臉庫中的圖像進行對比確定身份[10]。人臉識別示意圖如圖5所示。

圖5 人臉識別示意圖

5 信息管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

信息管理系統(tǒng)利用Foxtable軟件進行開發(fā)[11]。Foxtable以更簡便、直觀的數(shù)據(jù)處理和編程方法實現(xiàn)了Excel、Visual Basic、Access等軟件的功能。除了使用自建的數(shù)據(jù)庫，也可使用其他外鏈數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源。

該系統(tǒng)包含儀器設(shè)備管理、人員信息管理、違規(guī)情況記錄、人臉識別、實驗室活動記錄、報表生成、外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入、系統(tǒng)設(shè)置等模塊,每個模塊各自進行導(dǎo)航。以人員信息管理模塊為例,該模塊包含人員基本信息、個人作品錄入、出勤情況匯總、階段性任務(wù)、成績考核5個數(shù)據(jù)表，軟件界面如圖6所示。每個表可以通過相應(yīng)的窗口進行查詢、錄入、修改等功能，窗口界面示例如圖7所示。

圖6 實驗室信息管理系統(tǒng)軟件界面

圖7 軟件窗口界面示例

同時，通過此信息管理軟件可以生成實驗儀器申請表、人員考勤表、作品介紹表等多種報表并打印輸出,也可以鏈接外部軟件進行人臉識別。

6 測試與分析

基于多傳感器與Foxtable的人員識別及智能管理系統(tǒng)由于采用了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)[12]，使得測量結(jié)果更接近實際。在吉林大學(xué)開放實驗室安裝該設(shè)備后，隨機選擇1小時進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其結(jié)果如表1所列。從表中可以看出指紋識別模塊和人員進出監(jiān)測模塊入室人數(shù)的絕對誤差同為1.613%，指紋識別模塊離開人數(shù)的絕對誤差為1.887%，人員監(jiān)測模塊室內(nèi)人數(shù)的絕對誤差為1.11%，其他絕對誤差為0。指紋識別模塊出現(xiàn)誤差的原因為被測者手指沾染了污物，干擾指紋圖像采集。人員監(jiān)測模塊出現(xiàn)誤差的原因在于超聲波測距傳感器具有一定誤差，從而影響控制器對于進出人數(shù)的判斷。綜上所述，采用多傳感器進行測量，系統(tǒng)能將多傳感器數(shù)據(jù)進行綜合分析、對比，減小誤差，更準(zhǔn)確、清晰地反映實驗室信息。

表1 往來人員信息統(tǒng)計結(jié)果

結(jié) 語

[1] 李旭軍.計算機數(shù)據(jù)庫技術(shù)在信息管理中的應(yīng)用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2011(10).

[2] 劉福元.基于DSP的自動指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].長沙:湖南大學(xué),2007.

[3] 千承輝,王超,曹曦元,等.多傳感器數(shù)據(jù)處理的人流量監(jiān)測系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2013(2).

[4] 劉芳,李晉川,黃學(xué)進,等.分布式多串口步進電機控制的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù),2007(2).

[5] 徐薇,楊衛(wèi).一種紅外傳感器陣列探測方法的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009(9).

[6] 游林,楊玲.基于指紋改進的模糊金庫算法[C]//浙江省電子學(xué)會2012學(xué)術(shù)年會論文集，2012.

[7] 張用明,程力,吳國元.基于指紋識別的駕駛員考試系統(tǒng)設(shè)計[J].科技視界,2012(27).

[8] 張永勝.淺析指紋識別技術(shù)[J].中國防偽報道,2009(10).

[9] 朱樹闊.基于DSP的指紋識別系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].重慶:重慶大學(xué),2010.

[10] 買買提江玉山.基于C++的人臉識別系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

[11] 鄶淑娥.基于Foxtable的女生課余體育活動查詢系統(tǒng)的構(gòu)建[J].中國管理信息化,2012(18).

[12] 馬磊明.光纖光柵傳感的數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究[D].天津:天津理工大學(xué),2012.

[13] 朱曉瑞.開放實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，理工卷,2009(4).

[14] 謝添德.計算機實驗室信息數(shù)字化探究[J].電腦知識與技術(shù),2012(32).

千承輝(工程師)，主要研究領(lǐng)域為傳感器與智能儀器。

Personnel Identification and Intelligent Management System Based on Multi-sensor and Foxtable

Qian Chenghui,Huang Wanyu,Liu Xiyang,Xin Yusong

(College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130022,China)

With the promotion of the opening laboratory,the laboratory intelligent management system is designed to realize more scientific and user-friendly management, which includes the functions such as fingerprint recognition,face recognition and personnel access monitoring.While taking advantage of Foxtable data management software to develop an information management software,it can record,query and print the information of the laboratory and generate the attendance record form,equipment use record form and so on.The system has been put into service in CIEE laboratory of Jilin University,which can assist the teacher more simple and efficient management of laboratory.

fingerprint recognition;face recognition;Foxtable;intelligent administrative system

國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃基金項目。

TP368.2

A

士然

2014-08-30)