于燕秀 俞睿 嚴(yán)飛杰

摘? ?要： 面部識別技術(shù)便利性好、識別率已經(jīng)比較精確，在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全且個人安全要求高的地方，逐漸成為人機(jī)交互的關(guān)鍵技術(shù)，如酒店房間在智能開鎖等領(lǐng)域具有應(yīng)用需求。提出一種基于面部識別的智能酒店管理系統(tǒng)：以STC15W4K58S4作為主控芯片，依靠OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫，實(shí)現(xiàn)面部識別;采用Wi-Fi模塊ESP8266、藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊HC-05，達(dá)成通信聯(lián)橋，實(shí)現(xiàn)無線通信;采用語音播報(bào)模塊JQ8400FL-10P、紅外對管傳感器HC-SR501、三軸加速度傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)語音控制、防盜報(bào)警等功能。搭建完整的系統(tǒng)構(gòu)架，對面部識別系統(tǒng)和防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，表明經(jīng)過多次高效訓(xùn)練后，系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的面部識別效果，且可通過人臉識別和門狀態(tài)檢測綜合判斷是否發(fā)出報(bào)警信號。系統(tǒng)識別靈敏，抗干擾性好，適用于刷臉識別門禁、智能家居等場景的人機(jī)交互。

關(guān)鍵詞： 面部識別; STC15W4K58S4;語音控制;防盜報(bào)警;智能酒店管理

引言

智能開鎖是人類在日常生活中的一個基本需求。如何通過人機(jī)交互（Human Computer Interaction），科學(xué)化、智能化地打開門禁設(shè)備，是智能開鎖技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題。當(dāng)前，脫離傳統(tǒng)的鑰匙開鎖、IC卡開鎖，指紋識別、瞳孔識別以及面部識別等智能開鎖技術(shù)逐漸涌現(xiàn)，其中面部識別由于具有高便利性、精確識別率等優(yōu)勢，在市場上得到了廣泛普及[1]。

面部識別是一種基于生物體表特征的智能識別技術(shù)，其通過攝像頭抓取圖像，完成人體信息采集[2]，無需接觸人體即可獲取其特征數(shù)據(jù)[3]。將圖像與底層數(shù)據(jù)庫核實(shí)、比對，即可確定身份信息[4]，實(shí)施開鎖等操作。

本文提出一種基于面部識別的智能酒店管理系統(tǒng)，其面部識別功能基于OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫來完成，其中依靠樹莓派作為執(zhí)行平臺。該平臺能夠完成人體紅外識別、顏色識別、物體機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)控等功能，有效地識別生物特征以及機(jī)械運(yùn)動特性，具有檢測精度高、實(shí)用性強(qiáng)、能經(jīng)過多次訓(xùn)練提高對面部個性特征的區(qū)分精度等優(yōu)點(diǎn)[5]，非常適用于在酒店中進(jìn)行實(shí)時面部識別[6]。此外，系統(tǒng)采用STC15W4K58S4作為主控芯片，配合無線傳輸、語音控制、語音播報(bào)等功能，綜合應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、Android Studio系統(tǒng)等，通過面部識別實(shí)現(xiàn)酒店預(yù)定、登記入住、開門、退房、防盜報(bào)警等一系列的智能管理功能，打造真正意義上的“刷臉酒店”。

1? 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要完成三大功能，即面部識別、語音控制、防盜報(bào)警?；诿娌孔R別的智能酒店管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)控制部分采用STC15W4K58S4單片機(jī)，面部識別主要依賴OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫的樹莓派來完成。為了保證酒店顧客的生物信息安全，面部識別數(shù)據(jù)需要加密存儲，并且與顧客其他信息分別存儲。當(dāng)顧客退房時，對面部識別數(shù)據(jù)進(jìn)行銷毀。語音播報(bào)模塊采用JQ8400FL-10P，防盜報(bào)警借助紅外對管傳感器HC-SR501、三軸加速度傳感器模塊進(jìn)行感測，可應(yīng)對入侵者“撬鎖”、“破門而入”、“破壞門鎖”等情況。同時，系統(tǒng)采用藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊HC-05、Wi-Fi模塊ESP8266達(dá)成通信聯(lián)橋。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1? 基于OpenCV的人臉識別系統(tǒng)

OpenCV具備很高的計(jì)算效率，可專門用于實(shí)時應(yīng)用，因此，非常適用于借助攝像頭實(shí)現(xiàn)實(shí)時人臉識別。要創(chuàng)建完整的人臉識別項(xiàng)目，必須完成3個階段。

2.1.1? 人臉檢測和數(shù)據(jù)收集

要實(shí)現(xiàn)人臉識別，首先必須“捕捉”到人臉，并進(jìn)行檢測訓(xùn)練。常見的人臉檢測方式是使用Haar 級聯(lián)分類器，這是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其基于大量正類圖像（人臉圖像）和負(fù)類圖像（不帶人臉的圖像）來訓(xùn)練分類器，從中提取特征，用于檢測圖像中的對象。OpenCV平臺提供了此類訓(xùn)練分類器供使用，本系統(tǒng)將其用于人臉檢測和數(shù)據(jù)收集。

2.1.2? 識別器訓(xùn)練

識別器訓(xùn)練是指從數(shù)據(jù)庫中抽取所有的用戶數(shù)據(jù)，并訓(xùn)練OpenCV識別器，此過程可由特定的OpenCV函數(shù)直接完成。訓(xùn)練完成后，將數(shù)據(jù)保存為.yml文件，作為人臉識別的參照模型數(shù)據(jù)。

2.1.3? ?面部識別

面部識別通過攝像頭捕捉人臉，如果此人的面孔之前被捕捉和訓(xùn)練過，識別器將會返回其預(yù)測的id和索引，并反饋?zhàn)R別器對于該判斷的相似度，以作為參考。

本系統(tǒng)可以完成物體運(yùn)動檢測、顏色區(qū)分、人臉數(shù)據(jù)庫對比?；诖?，系統(tǒng)將給出準(zhǔn)確的判斷，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出選擇。面部識別原理如圖2所示。要實(shí)現(xiàn)面部識別，首先攝像頭會對視覺內(nèi)所有物體的顏色進(jìn)行判決，感應(yīng)到物體運(yùn)動狀態(tài)改變后，即會觸發(fā)跟蹤：如設(shè)置紅色追蹤，就會檢測到所有紅色物質(zhì)，并進(jìn)行實(shí)時追蹤;如感應(yīng)到人臉，即會與視覺庫內(nèi)所存儲面部信息進(jìn)行比對，核實(shí)正確后開鎖。同時，系統(tǒng)采用紅外攝像頭，能夠有效對照片與正常人臉進(jìn)行區(qū)分，通過紅外對管傳感器分析出照片，使其無法直接開門。

2.2? 防盜報(bào)警模塊

防盜報(bào)警模塊對室內(nèi)人體的感應(yīng)主要采用紅外對管傳感器HC-SR501，此模塊基于紅外線技術(shù)，采用LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性好。紅外對管工作邏輯示意圖如圖3所示。紅外對管傳感器檢測到有人體經(jīng)過時，會將信號傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過藍(lán)牙開啟人臉識別模塊，對人臉進(jìn)行識別。識別后的結(jié)果會重新發(fā)給單片機(jī)處理，單片機(jī)自動判斷并控制繼電器，對電磁鎖執(zhí)行開門操作或報(bào)警處理。

3? 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主控芯片采用STC15W4K58S4，它是宏晶科技（北京）有限公司生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度比之快8～12倍。此外，該芯片具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、使用方便簡單等特點(diǎn) [7]。

3.1? 檢測部分設(shè)計(jì)

檢測部分采用三軸加速度感應(yīng)模塊MPU-6050（GY-521）對門狀態(tài)進(jìn)行檢測。依靠Inven Sense公司的運(yùn)動處理資料庫，可處理各種運(yùn)動感知產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，減少了運(yùn)動處理分析計(jì)算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的應(yīng)用程序接口。此外，依靠NodeMCU平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)信號的傳輸、實(shí)時更新，實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互。三軸加速度感應(yīng)模塊電路如圖4所示。

3.2? 人機(jī)交互部分實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互部分采用無線通信作為主要人機(jī)交互渠道與方案，配合語音識別、語音播報(bào)模塊，完成系統(tǒng)自控、播報(bào)模式界面選擇、功能切換、房間內(nèi)部狀態(tài)判斷等，也方便調(diào)節(jié)控制。人機(jī)交互部分示意圖如圖5所示。

3.3? 軟件實(shí)現(xiàn)

基于面部識別的智能酒店管理系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。攝像頭完成人臉數(shù)據(jù)的檢測及收集，經(jīng)過訓(xùn)練識別器二進(jìn)制編碼后與視覺庫數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判斷是否需要開門。若成功，即會給用戶發(fā)出提示;未成功，則進(jìn)入安全系統(tǒng)，通過門狀態(tài)及人體紅外檢測完成判斷并報(bào)警。

4? 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

基于面部識別的智能酒店管理系統(tǒng)，是面部識別技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在酒店智能化管理中的商業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展。本課題搭建了完整的系統(tǒng)構(gòu)架，并對面部識別系統(tǒng)和防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。

4.1? 面部識別系統(tǒng)

4.1.1 人臉檢測和數(shù)據(jù)收集

人臉檢測和數(shù)據(jù)收集是面部識別的基礎(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，首先會通過攝像頭捕捉人臉圖像，其次將圖像轉(zhuǎn)換成GRAY色彩空間，然后用訓(xùn)練分類器得到人臉在圖像中的位置信息，最后根據(jù)位置信息對圖像進(jìn)行裁剪、記錄與保存。該動作會持續(xù)50～100次，得到大量的人臉圖像，以此提高后續(xù)訓(xùn)練與識別的可靠性。

4.1.2? 識別器訓(xùn)練

識別器訓(xùn)練主要運(yùn)用了LBPH（Local Binary Patterns Histograms）算法，該算法以圖像中的其中一個像素點(diǎn)為中心，判斷其與周圍像素點(diǎn)灰度值大小的關(guān)系，并將其進(jìn)行二進(jìn)制編碼，由此可以得到圖像的LBP編碼矩陣。通過計(jì)算所有已采集圖像的LBP編碼，即可得到人臉的識別對比庫。訓(xùn)練完成界面如圖7所示，LBP編碼如圖8所示。

4.1.3? 人臉注冊測試

測試方案：選擇裝置的人臉注冊模式，選擇不同面部信息完成注冊，從而完成訓(xùn)練。依照控制變量法則，對不同用戶面部信息的匹配程度進(jìn)行記錄、分析和計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

由此可見，用戶不同，面部信息的復(fù)雜程度也不一。識別結(jié)果由系統(tǒng)訓(xùn)練后對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析來決定，經(jīng)過多次高效的訓(xùn)練后能夠達(dá)到很好的面部識別效果（超過85%）。

4.1.4? 人臉識別測試

測試方案：選擇已經(jīng)完成注冊的三名用戶與未完成注冊的兩名用戶，同時進(jìn)行人臉識別測試。通過記錄每個人對面部識別后所顯示的用戶代號與識別率進(jìn)行計(jì)算分析，證明該系統(tǒng)人臉識別的效果，如表2所示。

由此可見，在人臉識別模式下，系統(tǒng)對于完成注冊后經(jīng)過系統(tǒng)訓(xùn)練歸納的面部信息具有非常高的識別效率和精確度，可以非常有效地分析面部信息。對于個人面部注冊中出現(xiàn)失誤而導(dǎo)致識別率相對偏低的問題，可以通過幾次重新錄取訓(xùn)練后得到提升。

雖然系統(tǒng)會出現(xiàn)未注冊用戶識別出已經(jīng)注冊的情況，但這種情況概率非常低，后續(xù)可以通過完善視覺庫數(shù)據(jù)以及提高刷臉開門的閾值等方式避免非法入侵。

4.2? 防盜報(bào)警測試

用戶離開房間后，系統(tǒng)需要對用戶房間的安全問題進(jìn)行實(shí)時的判斷與考察，以避免危險(xiǎn)事件的發(fā)生。為此，系統(tǒng)設(shè)置了人體及門狀態(tài)檢測。如果用戶未通過人臉識別并且感應(yīng)門體非正常，則發(fā)出聲光報(bào)警，與此同時，發(fā)送信息給用戶與酒店前臺以及時止損。用戶與酒店前臺收到的報(bào)警信號如圖9所示。

5? 結(jié)束語

本文提出了一種基于面部識別的智能酒店管理系統(tǒng)，采用OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫、STC15W4K58S4主控芯片、HC-SR501紅外對管傳感器等模塊，實(shí)現(xiàn)了面部識別、語音控制、防盜報(bào)警等功能。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試表明，面部識別靈敏、準(zhǔn)確，抗干擾性好，方案可行有效。

本文提出的設(shè)計(jì)方案可用于智能家居等場景的人機(jī)交互，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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