摘 要

随着社会的不断发展，与人们生活相关的门禁产业也得到了长足的发展，由原来的纯机械式门锁，发展到如今随处可见的智能门禁系统。本文主要介绍了基于人脸识别算法的智能门禁系统的设计与实现。在对人脸识别算法研究的基础上，进一步对整个门禁系统设计与实现进行了详细阐述。

本文从需求分析入手对系统的总体模式、总体结果、功能模块、数据库设计等各部分进行了详细介绍。在对核心算法人脸识别进行了详细的研究，以及整个门禁系统的设计结束后，对门禁系统的发展做了一个大致分析与展望。

本设计中的门禁系统，在一定程度上可以在被加以改进之后，用于企业，住宅，学校等多个领域的门禁管理。

关键词：人脸识别；门禁系统；图像处理；OpenCVAbstract

With the continuous development of the society, the access control industry related to people#39;s life has also been developed by leaps and bounds. From the original pure mechanical door lock, the intelligent access control system can be seen everywhere now. This paper mainly introduces the design and implementation of intelligent access control system based on face recognition algorithm. On the basis of face recognition algorithm, the design and implementation of the whole access control system are described in detail.

This article starts with the demand analysis to the system overall pattern, the overall result, the function module, the database design and so on each part has carried on the detailed introduction. After the detailed study of the core algorithm face recognition and the design of the whole access control system, the development of the access control system is analyzed and prospected.

The access control system in this design can be used for the management of access control in enterprises, residences, schools and other fields after being improved to a certain extent.

Key Words：face recognition；access control system；image processing；OpenCV

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及内容（含国内外研究现状） 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3论文组织结构 2

第2章 系统需求分析 3

2.1 系统设计目标 3

2.2 系统功能需求 3

2.3 方案选择与比较 5

2.3.1 方案比较 5

2.3.2 最后确定的方案实现流程 6

2.4 本章小结 7

第3章 嵌入式系统设计 8

3.1 系统硬件设计 8

3.1.1 芯片选择 8

3.1.2 摄像头选择 9

3.1.3 门锁选择 10

3.2 系统软件设计 12

3.2.1 软件平台 12

3.2.2 数据库选择与建立 13

3.3 系统整体设计 14

3.4 本章小结 14

第4章 系统方案实现 15

4.1 人脸识别 15

4.1.1 人脸识别流程 15

4.1.2 人脸识别测试 15

4.1.3 人脸识别成功率分析 17

4.2 电子门锁控制功能 17

4.2.1 软件设计 17

4.2.2 功能设计 18

4.4 本章小结 20

第5章 结论 21

5.1 对智能门禁系统的环保成本分析 21

5.2 门禁系统的发展前景 21

5.3 论文工作总结 21

参考文献 22

致 谢 23

绪论

门禁，从字典上意义解释，应为“门的禁止权限”，这里的“门”，按照如今的广泛意义来讲，指的是各种能通行的通道。智能门禁，顾名思义，即应用了现代的科学技术的门禁，因兼有“智能”一词，门禁的职能与开“门”方式也有了相应的变更和补充。智能门禁系统是集自动识别和安全管理于一体的系统，早已超越了简单的钥匙控制门锁的行为，逐步发展成为一个完整的门禁管理系统。其类别包括无线射频识别技术(RFID)和生物识别技术，生物识别技术又包括指纹识别、虹膜识别、声纹识别(VPR)、人脸识别。

1.1 课题研究背景及内容（含国内外研究现状）

门禁管理系统不仅可以控制人员出入门禁，还可以统计不同人员出入的准确时间和地点。它主要解决了居民区，企业办公场所，学校等涉及到隐私的重要场所的安全问题。在建筑物入口、建筑内部电梯等处安装门控装置，例如液晶生物门控、键盘与IC结合的门控等。

对于我们国家来说，门禁系统的研究开始的比较晚，上世纪八十年代，我国的居民楼门禁还处于钥匙开门和密码开锁，直到近十年来才开始采用RFID技术，可视化通讯技术进行门禁控制。门禁系统与安防系统挂钩，随着我国经济的不断增长，人民渐渐富裕起来了，此时居民对住房安全有了越来越高的要求，学校和企业随着科技的发展，也渐渐对教学安全和企业信息安全有越来越高的要求。因此我国对门禁系统的智能性要求也随之而来。

相对于我国，西方发达国家对门禁系统的研究要早得多，且大多国家对智能门禁的应用范围比我国要早得多。国外对RFID的应用也比较早，智能卡的发展带动了门禁系统的发展，形成了大批量的生产厂家。外国对生物识别技术的应用也更早，典型的一个例子是苹果公司率先将3D结构光人脸识别用在手机解锁上。国外的门禁系统由于对方国家人民群众对安全性的要求颇高，并且在发展的时间长度上对比我国有较大的优势，因此整体研究情况好于我国。而且根据调查，在全球的态势上，生物识别的应用呈整体上升态势，尤其是人脸识别，增长率也在每年增加。但有资料表明，我国智能门禁系统的发展还是较全球趋势稍快一筹。

1.2 研究目的及意义

高效准确的嵌入式门禁系统对于许多安全应用来说都是非常重要的，例如自动取款机的授权识别和使用门禁系统的员工考勤。嵌入式门禁系统可以自动工作是基于多种成熟的识别技术其中之一。一般的识别技术可分为非生物识别技术和生物识别技术。非生物识别技术利用密码和门禁卡的方法来识别一个人，而生物识别技术使用指纹、虹膜或人脸识别方法来进行个人识别。由于非生物识别技术极易受到操纵和盗窃问题的影响，因此生物识别技术在人员识别方面更有效。众所周知，最有效的生物识别技术是人脸识别方法，因为它能够克服用户合作的需要。这种能力使人脸识别比虹膜和指纹生物识别技术在门禁系统中具有更重要的优势。一个使用人脸识别系统的门禁系统，主要工作是捕捉一个想要进入一扇锁着的门的人图像，然后使用人脸识别技术，只为授权人员打开那扇门。人脸识别系统在这一重要应用中的优势，使得研究者们进一步研究人脸识别系统的准确性及其在嵌入式硬件设备中的实现。

针对传统人脸识别系统的缺点，我们引入现代计算机通信中的网络方法，让人的脸部处理过程在远程服务器上上进行，这样既能方便管理中心的迁移，又能加快整个门禁系统的处理速度，和提高效率，除此之外还能方便管理。

1.3论文组织结构

本论文在诸多门禁系统中，选择近几年最有代表性的基于图像处理的，人脸识别算法门禁来进行论述，全文（含绪论和总结）共分为五章。下面是各章节主要内容：

第一章：对课题研究背景、研究目的和意义等方面进行了阐述，并在章节末尾对论文中的组织结构进行了简单的说明。

第二章：从系统的需求入手，进行设计功能的讨论

第三章：介绍整个系统的设计思路以及大体框架，详细的阐述了门禁控制系统的设计。包括系统总体结构设计和软硬件部分的设计。

第四章：介绍了人脸识别门禁的具体实现步骤，以及部分功能的测试结果，包含人脸识别的成功率分析。

第五章：最后，论文总结了作者的毕业设计、本研究的环境成本分析以及对门禁系统未来发展的展望。

第2章 系统需求分析

相对于其他非生物识别，人脸识别具有所有生物识别的最大优势，即方便快捷，解锁速度快，解锁“工具”永不丢失等。由于“世界上没有两个完全相同的人”，且由于五官等生物特征是所有人与生俱来的，不存在特征丢失的问题，而且该种解码信息有着一一对应性。这使得该种门禁具有非生物门禁难以具备的高安全性与高稳定性。本章将从系统设计目标和功能需求来分析系统整体需求。。

2.1 系统设计目标

对已有的智能门禁系统进行调查，并对其原理进行研究，选择其中最具有代表性的，也是目前较为流行的人脸识别作为主要研究对象，通过研究人脸识别算法来实现功能。设计基于互联网 、人工智能技术的智能门禁管理系统，以人脸信息作为输入量，实现对人员出入权限的限制，系统能将信息上传至网络实现信息共享，实现远程查询。

2.2 系统功能需求

不同的场合，对该系统的功能需求会有所不同，以企业门禁系统的功能需求为例，有以下功能类别：员工管理功能，设备管理功能，电子门锁控制，报警功能等。

1. 员工管理功能：

该系统应具备记录监控不同员工的出入时间的管理功能，功能包括但不限于出入人员身份验证、人员出入时间记录等功能。工作地点或岗位发生变化的员工，例如离职和调走的，需要办理员工注销手续，即将员工的信息从系统中删除。该手续对公司的安全意义在于，让某些已经离开的员工不能再进入他不应该再次进入的地方，可有效的避免某些重要机密泄露。

身份验证功能是门禁系统的重点部分，门禁系统主要用途就是对进入门禁的人员进行身份验证，对于已经保存在系统中的已授权人员，员工门禁系统通过人脸识别自动放行，对于未在系统中登记的人员，不允许其通行。门禁系统还能通过，将识别通过的员工的进出时间记录下来的方式，进行变相的考勤打卡。

2.设备管理功能：

总控设备端能够通过网络监视其下位已经分管好片区的门禁访问控制器，一旦有设备出现问题或故障，总控端能及时发现并记录位置，便于维修人员处理。

3.电子门锁控制：

门锁是整个系统中的最下层部分，也就是整个系统的执行部分、机械部分。门禁管理系统，尤其是当今的智能门禁系统，其重点应在“智能”二字上。利用生物特征比对来控制门锁的开关这一功能，正是整个系统下位执行端的重中之重，也可以说完不成就不算做出了一个完整的智能门禁。由于门禁不光要能够在需要的时候进行人员进出限制，也要在需要常开或常闭的时候，控制人员对门禁有着最直接的控制权，也就是说需要额外的上位机界面给已选定的电磁锁一个需要的电平，以便于控制门禁的开关。

电子门锁的控制主要是系统与电子门嵌入式系统进行通信的过程，没有太复杂的业务逻辑，只要能够通过命令控制电子门的开关，并使得该模块与整个人脸识别系统进行联动即可。

4.其他功能需求

（1）报警功能：

门禁系统的功能一是对进出门禁系统的人员进行控制，二是保证公司的安全，在发生异常情况时，服务器端将此时的监控记录和时间等重要数据进行备份，并发出警报。异常情况包括非法入侵、门超时未关、电力系统断电等小概率事件。此外，门禁系统与消防报警系统联动，当消防报警系统报警时（即发生火灾时），门禁系统执行自动常开状态。

（2）实时监控功能：

门禁系统不仅能作为一道“屏障”，在人脸识别的过程中，保留视频文件到数据库中，还可以起到实时监控的作用。后台接收系统终端传输过来的摄像机拍摄内容，这样既可以实现电子门锁开关后的人脸识别控制，也实现了门禁的实时监控功能。实时监控模块实现较为容易。门禁终端实时采集摄像头拍摄图像，并将图像传输给服务器。实时图像可以在服务器的设备管理中通过点击，查看相应设备监控。实时监控过程相对简单，企业在关键点和重要场合安装摄像头，摄像头将实时监控图像通过网络发送到服务器，服务器接收到图像信息后，在相机的可见范围内显示实时监控。

实时监控也是门禁系统的一个重要功能，系统终端会实时将摄像头拍摄内容传到后台系统中，除了在核实人员身份后控制电子门锁开关外，还实现了门禁实时监控的功能。

5.系统功能图

图2.1 系统功能图

2.3 方案选择与比较

2.3.1 方案比较

方案一：方案采取单片机芯片直接控制门禁并与PC上位机进行现场实时通讯，优点在于操作简单，结构简单，便于检查与维护，缺点在于缺少远程监控，系统整体较为单薄。

方案二：方案采取单片机芯片直接控制门禁，同时与近远端上位机采用有线和网络协议通讯，将近远端上位机之间利用局域网进行通讯，以便安全检查和故障排除，优点在于整个系统起到的安保作用大大提高，缺点在于系统结构复杂，且易出现通讯错误。

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