1 設計目標及內容

目標：設計出一套基于 AI 的智慧人臉門禁系統的硬件系統。

主要內容：基于門禁系統的需求，設計并搭建出門禁系統的硬件架構、并協助后臺管理系統來完成門禁系統。

2 設計方案概述

2.1 設計方案原則的選擇 本方案的設計原則如下：

（1）采用較為先進的技術力量，保證應用程序在硬件平臺上運行具備一定的優勢。

（2）采用成熟的硬件技術，保證應用程序的安全性和可靠性。

（3）硬件平臺便于擴展和維護，易于技術的更新。

（4）充分利用現有的硬件資源，盡量減少不必要的再投資。

（5）具有可靠性，可用性和安全性，具有完善的技術支持。能夠滿足個人學習和設計需要。

（6）運行本軟件所需的硬件資源。

2.2 實現硬件平臺主要功能

（1）人臉信息錄入：使用手機、平板等設備，采集教師、學生面部數據（或從電子照片獲取），并存儲在數據庫中。

（2）門禁控制：樹莓派（安裝Android Things 系統） 控制電磁鎖實現門禁管理，樹莓派連接至開源的MQTT 服務， 通過推送服務獲取控制信息。

（3）實訓室管理：通過在基礎信息中設置實訓室的白名單，利用 Android 開發板、USB 攝像頭獲取視頻數據，并做人臉對比（1:1），實現實訓室的智能化管理。

2.3 設計方案

通過查閱資料、調研、吸取已有技術的基礎上，項目組進行集體方案論證，共同制定設計方案，如圖 1 所示。

圖 1 硬件部分設計方案圖

此方案在服務器安裝基礎信息管理系統的基礎上，所需環境為：

硬件環境：4GB 及以上內存；至少 10G 可用硬盤空間； 公網 IP。

軟 件 環 境：JRE 1.8.0_161 或 更 高；MySQL5.7； Apache Tomcat 9.0.6。

手機或平板安裝人臉信息采集 APP，所需環境：An- droid 5.0 及以上系統；帶前置攝像頭；5 寸及以上屏幕。

Android 開發板安裝智慧門禁 APP，所需環境：An- droid 5.0 及以上系統；9.7 寸及以上屏幕；支持 UVC 協議的 1080P 高清 USB 攝像頭；支持網絡（WIFI、有線或 4G）。

Android Things 開發板安裝電磁鎖控制 APP，所需環境： Android Things 0.7；觸摸屏幕；支持網絡（WIFI 或有線）。

3 硬件平臺系統構成

3.1 硬件系統組成

符合結構簡單，成本低，運行可靠性等設計要求的硬件系統由供電電源、安卓開發板、識別顯示終端、高清攝像頭、樹莓派、門鎖驅動模塊、電磁門鎖等組成。圖 2 給出了硬件系統構成示意圖。

圖 2 硬件系統構成示意圖

3.2 硬件系統關系及主要部件說明

Android 開發板、USB 攝像頭：課前課后利用獲取視頻數據，檢測其中的人臉信息并與數據庫中的人臉數據對比（1:1），符合條件的存入數據庫，并通知門禁控制設備。硬件系統中的樹莓派（安裝 Android Things 系統）：

控制電磁鎖實現門禁管理，樹莓派連接至開源的MQTT 服務， 通過 MQTT 服務獲取控制信息。圖 3 給出了硬件系統關系示意圖。

圖 3 硬件系統關系示意圖

系統低功耗節能控制功能：當識讀設備在一段時間內沒有觸摸屏操作和人靠近時，硬件系統自動關閉內置攝像機及液晶顯示面板等設備，啟動低功耗工作狀態。

3.3 主要性能指標

（1）客戶端 APP 采集人臉信息時需實現數據準確性、快速性；

（2）人臉識別時匹配數據庫不超過 1 秒；

（3）客戶端所有界面操作響應時間不超過 1 秒，服務器的交互、交互響應時間不超過 5 秒；

樹莓派向繼電器發出信號時，繼電器控制電磁鎖打開 / 關閉不超過 5 秒。

4 運行調試

根據以上設計要求，以某實驗室人臉識別門鎖控制為例，進行了詳細硬件平臺和應用軟件聯調，圖 4 給出了調試流程示意圖。

圖 4 調試流程示意圖

在硬件設計、部件加工和制作、裝配的基礎上，搭建了實驗環境。經過部件檢驗、軟件測試、軟硬件整體聯調和反復試驗，性能及參數驗證，完成一個通過人臉信息識別，來判斷和控制門禁的開與關最終測試效果達到了設計要求。

5 設計創新與特色

本系統使用 ArcFace 虹軟人臉認知引擎，實現了人臉識別門禁控制系統，提高了系統的運行效率，在唯一性、自然性好、簡單方便、非接觸性、識別速度快、成本低等方面， 提升了實訓室智能化建設水平。

該設計結構合理，學科特征明顯，方案合理可行，具有一定的創新性。項目組織實施和管理及試驗方案合理。