劉搏飛，劉春池，邢曉鵬，隋盛譽(yù)，孫嘉成，李廣凱，謝印慶

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

隨著智能技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和人們安防意識(shí)的不斷增強(qiáng)，智能家居安防系統(tǒng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于人們的住宅設(shè)計(jì)中，能夠滿足不斷升級(jí)的新型住宅需求。

本文提出一種基于人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居門(mén)禁系統(tǒng)，是以面部識(shí)別為主體來(lái)實(shí)現(xiàn)零接觸開(kāi)門(mén)、智能防盜、人臉識(shí)別、遠(yuǎn)距離通信等功能于一體的科技創(chuàng)新項(xiàng)目，大量運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)智能操控與人工智能技術(shù)，極大地提高了家居門(mén)禁系統(tǒng)的智能化程度，綜合使用嵌入式、Arduino、樹(shù)莓派、數(shù)據(jù)庫(kù)以及安卓開(kāi)發(fā)完成軟硬件設(shè)計(jì)，致力于讓人們的出行更加方便、安全、快捷、放心。

1 系統(tǒng)總體方案

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 基于OpenCV的人臉識(shí)別系統(tǒng)

OpenCV為人臉識(shí)別提供了可供調(diào)用且資源豐富的庫(kù)，因此非常適合于攝像頭的實(shí)時(shí)人臉識(shí)別。要實(shí)現(xiàn)用戶人臉的錄入，必須完成人臉檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集、識(shí)別器訓(xùn)練、面部識(shí)別這3個(gè)階段。

2.1.1 人臉檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集

進(jìn)行人臉識(shí)別的第一步是必須識(shí)別到用戶的人臉，并進(jìn)行檢測(cè)訓(xùn)練。MALF（Multi-Attribute Labelled Faces）發(fā)布于2015年，是為了更加細(xì)粒度地評(píng)估野外環(huán)境中人臉檢測(cè)模型而設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)主要來(lái)源于Internet，包含5 250個(gè)圖像、11 931個(gè)人臉。每一幅圖像包含正方形邊界框，頭部姿態(tài)的俯仰程度包括小、中、大三個(gè)等級(jí)的標(biāo)注。該數(shù)據(jù)集忽略了小于20×20或者非常難以檢測(cè)的人臉，共包含大約838個(gè)人臉，占該數(shù)據(jù)集的7%。同時(shí)該數(shù)據(jù)集還提供了性別、是否帶眼鏡、是否遮擋、是否是夸張的表情等輔助信息。

2.1.2 識(shí)別器訓(xùn)練

在樹(shù)莓派通過(guò)MALF算法收集到人臉的數(shù)據(jù)庫(kù)后，系統(tǒng)將通過(guò)OpenCV自帶的人臉識(shí)別庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練，篩選出分辨率高且噪聲小的人臉圖片，并將其保存在一個(gè)文件夾內(nèi)，方便后續(xù)對(duì)用戶信息的快速識(shí)別與調(diào)用。

2.1.3 面部識(shí)別

當(dāng)用戶來(lái)訪時(shí)攝像頭會(huì)感應(yīng)到并進(jìn)行人臉識(shí)別，如果用戶的信息已注冊(cè)，系統(tǒng)會(huì)迅速地將用戶的人臉與識(shí)別庫(kù)中信息進(jìn)行比對(duì)，并反饋?zhàn)R別度作為參考。本系統(tǒng)可以有效識(shí)別真人與照片的區(qū)別，完成活體識(shí)別，有效防止不軌之人的違法行為。同時(shí)本系統(tǒng)會(huì)在光線比較差的夜間情況下驅(qū)動(dòng)攝像頭進(jìn)行補(bǔ)光，有效地提升面部識(shí)別的精確度。

2.2 防盜報(bào)警模塊

防盜報(bào)警模塊主要采用三軸加速度傳感器ADXL345模塊，經(jīng)過(guò)很多次在模擬門(mén)鎖遭到破壞時(shí)對(duì)本模塊三軸加速度數(shù)據(jù)的收集，獲得一套靈敏度高、穩(wěn)定檢測(cè)門(mén)鎖是否遭到破壞的數(shù)據(jù)。當(dāng)門(mén)鎖遭到破壞時(shí)，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警同時(shí)伴有紅光閃爍，手機(jī)將會(huì)持續(xù)收到門(mén)鎖示警提示，極大程度地保證了門(mén)鎖的安全性。

進(jìn)入21世紀(jì)之后我國(guó)便開(kāi)始建立互聯(lián)網(wǎng)這一全新的發(fā)展模式，現(xiàn)階段我國(guó)已經(jīng)成功的建立了多種互聯(lián)網(wǎng)金融發(fā)展模式，覆蓋的業(yè)務(wù)范圍也越來(lái)越廣。其中，比較典型的有三類：(1)第三方機(jī)構(gòu)；(2)P2P貸款平臺(tái)；(3)網(wǎng)絡(luò)信貸機(jī)構(gòu)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的控制芯片是基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)板Arduino UNO的，它有14個(gè)數(shù)字I/O引腳（其中6個(gè)是PWM輸出）、6個(gè)模擬輸入、16 MHz晶振時(shí)鐘、USB連接、電源插孔、ICSP連接器和復(fù)位按鈕，只須使用USB數(shù)據(jù)線連接電腦即可進(jìn)行電源、數(shù)據(jù)通信和程序下載。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 檢測(cè)部分設(shè)計(jì)

檢測(cè)部分通過(guò)采用三軸加速度傳感器模塊ADXL345（GY-25）對(duì)門(mén)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。該硬件有著豐富的數(shù)據(jù)處理庫(kù)，可以迅速地分辨各種運(yùn)動(dòng)信息。另外，通過(guò)陀螺儀與加速度傳感器的數(shù)據(jù)融合算法，得到了直接的測(cè)角數(shù)據(jù)。傾斜度模塊以全雙工模式與主機(jī)通信，串行端口為T(mén)TL級(jí)別。該產(chǎn)品具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠在任意位置得到精確的角度，可適用于不同的工作環(huán)境。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

基于人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居門(mén)禁系統(tǒng)軟件功能主要分為兩個(gè)部分：第一部分為在用戶使用該系統(tǒng)時(shí)對(duì)用戶的人臉進(jìn)行識(shí)別；第二部分為管理人員在用戶需要幫助時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)助開(kāi)鎖。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居門(mén)禁系統(tǒng)，是隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)可以被應(yīng)用到千家萬(wàn)戶的的新型家居門(mén)鎖。本項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)展成為一套成熟穩(wěn)定的系統(tǒng)，其穩(wěn)定性在各種復(fù)雜情況下都達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)。

遠(yuǎn)程開(kāi)鎖系統(tǒng)主要使用了MQTT協(xié)議訂閱ESP32的局域網(wǎng)并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)聽(tīng)。MQTT協(xié)議可以在有限的帶寬下，為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)，在物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用等方面有廣泛的應(yīng)用。為了證明本系統(tǒng)的可行性和有效性，開(kāi)展了遠(yuǎn)程開(kāi)鎖試驗(yàn)。當(dāng)用戶使用手機(jī)APP開(kāi)鎖時(shí)，會(huì)向局域網(wǎng)傳遞一個(gè)信號(hào)；由于Arduino單片機(jī)也在ESP32的局域網(wǎng)下并訂閱了相同的主題，會(huì)接收到手機(jī)傳遞來(lái)的信號(hào)，從而將電磁門(mén)鎖打開(kāi)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以應(yīng)用在各種復(fù)雜的情況下，其穩(wěn)定性和靈敏度都能夠達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目可行有效。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居門(mén)禁系統(tǒng)，采用樹(shù)莓派4B作為主控芯片、Arduino單片機(jī)作為輔助模塊以及ADXL345加速度傳感器等模塊，實(shí)現(xiàn)了紅外補(bǔ)光、活體檢測(cè)、防盜報(bào)警等功能。系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的情況，且穩(wěn)定性和靈敏度都達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目可行有效。