基于人工智能與物聯網技術的家居門禁系統

劉搏飛，劉春池，邢曉鵬，隋盛譽，孫嘉成，李廣凱，謝印慶

（大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

隨著智能技術的持續發展和人們安防意識的不斷增強，智能家居安防系統被越來越多地應用于人們的住宅設計中，能夠滿足不斷升級的新型住宅需求。

本文提出一種基于人工智能與物聯網技術的家居門禁系統，是以面部識別為主體來實現零接觸開門、智能防盜、人臉識別、遠距離通信等功能于一體的科技創新項目，大量運用了物聯網智能操控與人工智能技術，極大地提高了家居門禁系統的智能化程度，綜合使用嵌入式、Arduino、樹莓派、數據庫以及安卓開發完成軟硬件設計，致力于讓人們的出行更加方便、安全、快捷、放心。

1 系統總體方案

圖1 系統結構

2 系統設計原理

2.1 基于OpenCV的人臉識別系統

OpenCV為人臉識別提供了可供調用且資源豐富的庫，因此非常適合于攝像頭的實時人臉識別。要實現用戶人臉的錄入，必須完成人臉檢測和數據收集、識別器訓練、面部識別這3個階段。

2.1.1 人臉檢測和數據收集

進行人臉識別的第一步是必須識別到用戶的人臉，并進行檢測訓練。MALF（Multi-Attribute Labelled Faces）發布于2015年，是為了更加細粒度地評估野外環境中人臉檢測模型而設計的數據庫。數據主要來源于Internet，包含5 250個圖像、11 931個人臉。每一幅圖像包含正方形邊界框，頭部姿態的俯仰程度包括小、中、大三個等級的標注。該數據集忽略了小于20×20或者非常難以檢測的人臉，共包含大約838個人臉，占該數據集的7%。同時該數據集還提供了性別、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 識別器訓練

在樹莓派通過MALF算法收集到人臉的數據庫后，系統將通過OpenCV自帶的人臉識別庫進行訓練，篩選出分辨率高且噪聲小的人臉圖片，并將其保存在一個文件夾內，方便后續對用戶信息的快速識別與調用。

2.1.3 面部識別

當用戶來訪時攝像頭會感應到并進行人臉識別，如果用戶的信息已注冊，系統會迅速地將用戶的人臉與識別庫中信息進行比對，并反饋識別度作為參考。本系統可以有效識別真人與照片的區別，完成活體識別，有效防止不軌之人的違法行為。同時本系統會在光線比較差的夜間情況下驅動攝像頭進行補光，有效地提升面部識別的精確度。

2.2 防盜報警模塊

防盜報警模塊主要采用三軸加速度傳感器ADXL345模塊，經過很多次在模擬門鎖遭到破壞時對本模塊三軸加速度數據的收集，獲得一套靈敏度高、穩定檢測門鎖是否遭到破壞的數據。當門鎖遭到破壞時，蜂鳴器會進行報警同時伴有紅光閃爍，手機將會持續收到門鎖示警提示，極大程度地保證了門鎖的安全性。

進入21世紀之后我國便開始建立互聯網這一全新的發展模式，現階段我國已經成功的建立了多種互聯網金融發展模式，覆蓋的業務范圍也越來越廣。其中，比較典型的有三類：(1)第三方機構；(2)P2P貸款平臺；(3)網絡信貸機構。

3 系統硬件設計

本系統使用的控制芯片是基于單片機開發板Arduino UNO的，它有14個數字I/O引腳（其中6個是PWM輸出）、6個模擬輸入、16 MHz晶振時鐘、USB連接、電源插孔、ICSP連接器和復位按鈕，只須使用USB數據線連接電腦即可進行電源、數據通信和程序下載。該系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構

3.1 檢測部分設計

檢測部分通過采用三軸加速度傳感器模塊ADXL345（GY-25）對門狀態進行檢測。該硬件有著豐富的數據處理庫，可以迅速地分辨各種運動信息。另外，通過陀螺儀與加速度傳感器的數據融合算法，得到了直接的測角數據。傾斜度模塊以全雙工模式與主機通信，串行端口為TTL級別。該產品具有精度高、穩定性強的特點，能夠在任意位置得到精確的角度，可適用于不同的工作環境。

3.2 軟件實現

基于人工智能與物聯網技術的家居門禁系統軟件功能主要分為兩個部分：第一部分為在用戶使用該系統時對用戶的人臉進行識別；第二部分為管理人員在用戶需要幫助時進行遠程協助開鎖。系統的軟件設計如圖3所示。

圖3 系統軟件設計

4 系統遠程開鎖實驗測試

基于人工智能與物聯網技術的家居門禁系統，是隨著萬物互聯時代的到來可以被應用到千家萬戶的的新型家居門鎖。本項目已經發展成為一套成熟穩定的系統，其穩定性在各種復雜情況下都達到了很高的標準。

遠程開鎖系統主要使用了MQTT協議訂閱ESP32的局域網并能夠實時監聽。MQTT協議可以在有限的帶寬下，為遠程設備提供實時可靠的消息服務，在物聯網、移動應用等方面有廣泛的應用。為了證明本系統的可行性和有效性，開展了遠程開鎖試驗。當用戶使用手機APP開鎖時，會向局域網傳遞一個信號；由于Arduino單片機也在ESP32的局域網下并訂閱了相同的主題，會接收到手機傳遞來的信號，從而將電磁門鎖打開。試驗表明，該系統可以應用在各種復雜的情況下，其穩定性和靈敏度都能夠達到相應標準，項目可行有效。

5 結 語

本文提出了一種基于人工智能與物聯網技術的家居門禁系統，采用樹莓派4B作為主控芯片、Arduino單片機作為輔助模塊以及ADXL345加速度傳感器等模塊，實現了紅外補光、活體檢測、防盜報警等功能。系統穩定性試驗表明，該系統可以應用于各種復雜的情況，且穩定性和靈敏度都達到相應的標準，項目可行有效。