基于复合式身份认证的门禁系统设计

赵璐唯 米智恬 祁圣恩 于睿

摘  要：随着科技发展，刷卡式、人脸识别等门禁系统广泛应用，针对卡容易复制、刷脸识别速度慢的问题，文章提出刷卡和人脸识别相结合的复合身份认证的门禁系统，以STM32F103控制器为核心，主要由人脸识别模块、RFID识别模块、LCD电容屏模块和信息管理模块组成。该系统经过测试可以快速识别，不容易复制，安全性高。

关键词：门禁系统;复合身份认证;RFID;人脸识别

中图分类号：TP391         文獻标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）29-0052-02

Abstract： With the development of science and technology， access control systems such as card swiping and face recognition are widely used. In order to solve the problem of easy copy of cards and slow speed of face recognition， this paper proposes a compound identity authentication access control system based on STM32F103 controller， which is mainly composed of face recognition module， RFID recognition module， LCD capacitance screen module and information management module. The system can be identified quickly after testing， is not easy to copy and has high security.

Keywords： access control system; compound identity authentication; RFID; face recognition

1 概述

在科技发达的当今时代，门禁系统应用比较普遍，以卡式、指纹和密码解锁为主，虽然有一定的便捷性，但是这些解锁方式存在一定的安全隐患，比如密码容易泄露、指纹容易被克隆、卡片易丢失等对安全性均具有一定的影响。基于刷卡的门禁系统应用最广泛，但是刷卡模式的门禁系统存在一定的安全隐患，门禁卡容易被外人复制，门禁系统失去了限制外来人的作用，不能满足人们对安全管理出入门的需求了。人脸识别的门禁系统可以克服指纹、刷卡式、指纹识别的缺点，但是人脸识别算法复杂，识别速度慢。

在注重安全和隐私的时代，为应对日益复杂的安全威胁，身份验证系统将逐步向多模式复合、高端生物特征识别方向发展复合门禁系统作为一种新型现代化安全管理系统，将射频卡识别技术、人脸识别技术有机结合起来就是一种多模式复合的认证方法，利用自动识别和现代安全管理技术，保护用户的财产安全和隐私。本文针对各种门禁系统的优劣，提出采用复合门禁系统，将刷卡和人脸识别相结合。

2 系统总体设计

本系统不同于刷卡门禁，也不同于仅仅刷脸识别的门禁系统。系统包括软件和硬件两部分，硬件部分采集人脸信息和RFID卡的信息。上位机负责比对采集的人脸信息与卡片信息与数据库的内容是否一致。为了克服单纯人脸识别速度慢的问题和单纯刷卡容易被复制不安全的问题，本系统RFID模块进行监听，查询是否有卡，如果识别到RFID卡，读取卡片信息，和系统中存有的信息进行比较，如果信息匹配成功，打开摄像头进行人脸捕捉，读取人脸库与RFID卡片信息匹配的人脸信息，和捕捉的人脸进行比较，如果信息匹配成功，驱动继电器，打开闸机，从而实现开门，将开门信息通过网络上传到服务器，最终可在上位机查看信息;同时监听显示屏模块发送过来的串口信息，实时解析信息，实现显示屏对系统的控制。系统的总体设计流程如图1所示。

3 系统的硬件设计

系统硬件主要包括主控芯片、RFID读卡模块、人脸图像采集与识别模块。

主控芯片采用STM32系列单片机，内核为Cortex-M3，程序存储器容量256KB，支持I2C，SDIO，SPI等接口模式，可满足不同条件下的通信需求。RFID读卡模块是门禁系统无需远距离识别卡号信息，但也无需通过插卡形式读取卡号，所以本系统适合采用高频段的射频读写芯片，并采用SPI通信方式。

面部识别模块采用人脸识别+RFID的复合式解锁技术，在图像采集上采用了ATK-OV5640摄像头进行人脸采集，并使用AKLINETEK 2.8寸TFTLCD触摸屏显示图像实现简单的人机交互功能。

4 软件设计

软件系统包括上位机管理信息系统和人脸识别模块和微信小程序。上位机采用JAVAEE作为开发工具，主要实现管理信息系统，实现对人员信息的管理。数据库采用MYSQL，人脸识别采用Python作为开发语言。

管理系统的主要功能包括对人员信息的增删改查，验证刷卡人的身份是否合法，提取刷卡人的照片，实现人脸与系统中照片的比对。微信小程序可以实现用户人脸的采集，把照片采集工作分散。

本系统的人脸识别模块实现人脸的确认、图像预处理、数据库预处理、人脸识别和深度学习。人脸识别的主要目标是判断待测人脸是否为人脸库中己注册成员以及是哪一位成员。通常做法是计算待测人脸与库中成员的特征相似度。当它与库中某一成员特征相似度超过阈值，即认为它属于该成员所在的类。

人脸识别模块系统的主要模块，是生物特征识别的一种，其基本过程分为如下五个步骤如图2所示。

首先，射频卡权限通过后，从实时运行的摄像头通过串口传来的视频流中获取一帧一帧的静态图像，然后对使用开源图像处理库openCV对图像进行灰度化预处理。

面部检测的目的是获取该图像是否含有人脸，需要将人脸与图像背景分离开来。如果存在，我们则需要确定其位置、大小以及面部姿态。我公司使用dlib库中的检测器分析图像，如若含有多张人脸，则获取图像中占比最大的脸部。

特征提取过程是根据开源的68D人脸关键点检测器定位人脸面部关键点，使用卷积神经网络CNN图像模型中的深度残差网络ResNet人脸识别模型将面部特征提取出来。

再将该面部特征与射频卡关联的校园数据库中注册好的本校的人脸数据进行比对，确定该访客是否属性本校成员，人脸识别结束。

5 结束语

本系统以STM32单片机为核心结合上位机和人机交互界面实现了通过面部识别+RFID无线识别解锁的创新点。并且以卷积神经网络为人脸识别深度学习核心进行人脸识别模块的优化以及实现。该系统能够实现保存开门者基本信息和图像、系统异常时报警的功能，且具有基于生物识别技术、射频卡技术多种开锁方式，拥有准确的识别结果以及快速高效的识别过程。还可以通过WiFi模块实现门禁监控功能，使其具有安全防御的功能，大大地提高了门禁系统的安全系数，更提高了人们的生活品质，是一个功能完整、安全的智能门禁系统。

参考文献：

[1]赵雪平.基于STM32F103ZET6的门禁与考勤管理系统设计[D].西北师范大学，2018.

[2]郭宇智，林福炎，等.基于RFID的门禁与身份识别系统研究[J].科技创新与应用，2014（15）：51.

[3]金钧.基于RFID和指纹识别的门禁管理系统[D].华东师范大学，2011.

[4]孔泽斌.超高频无源RFID电源管理电路的设计与实现[D].西安电子科技大学，2010.

[5]翁彬月，黄今慧.基于网络大数据分析的可视化技术[J].信息与电脑（理论版），2017（23）：158-159.

[6]劉同法.单片机外围接口电路与工程实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[7]陈锦.基于射频识别技术的门禁系统研究[D].武汉理工大学，2010.

[8]KuoC M， Lai S H， Sarkis M. A compact deep learning model for robust facial expression recognition[C]//Proceedings of the IEEE Conference on Compute Vision and Pattern RecognitionWorkshops，2018：2121-2129.