python⼈脸识别毕业设计-毕业论⽂：基于树莓派的⼈脸识别
玩转树莓派2017-07-17 18:59
毕业论⽂
基于微型计算机的⼈脸识别门禁系统设计
1． 课题意义及⽬标
防止冷凝水随科技的不断发展，安全性的要求也不断提⾼，IC卡等传统⾝份识别⼯具已不能满⾜社会需求。所以从通⽤性、安全性、成熟性和造价性等多⽅⾯综合考虑，研究新的识别⼯具是⼀个必然的趋势。基于⼈脸识别的门禁系统的设计，能够提⾼传统安保⾏业的安全性、⽅便性、直观性等，最为有效的杜绝了门禁
管理中的⼈为因素，充分体现了门禁管理的⼈⼯智能性，避免不必要的安全隐患和⼈员纠纷。因此本次毕业设计选择了⼈脸识别门禁系统的研究与实现，以保证门禁数据的真实性，真正做到安全、⽅便和直观的门禁管理，从⽽进⼀步提⾼公司、仓库、家庭等地的安保⽔平和管理稳定性。
本次设计将以微型计算机为核⼼，需选择合适的电源模块、检测模块、、数据存储模块、键盘模块、显⽰模块和声光报警模块，完成⼈脸识别系统的检测并报警处理的设计。要求能够将出⼊门禁系统的⼈员⾯部进⾏识别，能够在⼈脸数据匹配预存数据库资料时启动门禁系统中开门系统，当⼈脸数据不匹配预存数据库资料时启动门禁系统中闭门系统，实现防范防盗的作⽤，创造安全良好的⽣活⼯作环境。 2．主要任务
（1）查阅资料，了解⼈脸识别门禁系统的原理和基本构成，提出系统总体设计⽅案。
（2）通过学习完成的各个控制硬件电路设计（如检测模块，A/D转换模块，声光报警模块，系统电源模块等）。
（3）完成⼈脸识别门禁系统的软件设计。
（4）完成⼈脸识别门禁系统的调试、仿真和实物制作。
（5）完成设计说明书。
基于微型计算机（树莓派）的⼈脸识别门禁系统
摘 要
随科技的不断发展，社会不断的进步，⼈们的⾃⾝安全意识和要求也再不断提⾼，IC卡等传统⾝份识别⼯具已不能满⾜社会需求。所以从通⽤性、安全性、成熟性和造价性等多⽅⾯综合考虑，研究新的识别⼯具是⼀个必然的趋势。为能够提⾼传统安保⾏业的安全性、⽅便性、直观性和有效的杜绝了门禁管理中的⼈为因素，通过⼈⼯智能⽅式，避免不必要的安全隐患和⼈员纠纷。
提出⼀种基于微型计算机（树莓派）的⼈脸识别门禁系统，该系统通过使⽤⼈脸识别云服务可以实时对⼈员进⾏分析辨认，以保证门禁数据的真实性，真正做到安全、⽅便和直观的门禁管理，从⽽进⼀步提⾼公司、仓库、家庭等地的安保⽔平和管理稳定性。⽂中详细描述了该系统的搭建和实现过程，为相关产品提供了⼀套很好的解决⽅案。对所设计的系统进⾏了模拟测试，其测试结果达到了设计⽬标。
关键词： 微型计算机(树莓派)，⼈脸识别，云服务，Python
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第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
随着社会的发展，安全教育不断的深化，⼈们的安全防范意识也逐渐赠强，这⾥⾯不光包括个⼈安全，还涉及到了财产和知识产权的保护，安检的⾼效，贸易的顺利流通等⽅⾯的需求增加，这种⽣物
由此可设计出⼈脸识别门禁系统的总体结构框图，如图2-1所⽰：
图2.1 ⼈脸识别门禁系统的总结构框图
本次设计中测试及最终使⽤，⼀直采⽤Python2.7编程语⾔对微型计算机（树莓派）系统进⾏开发和设计，其中⼈脸识别调⽤了face++的API， 官⽹提供了基于Python的SDK，该语⾔的可读性⾼很适合本系统的开发。本系统总体结构图如上。本地终端为微型计算机（树莓派），云服务采⽤了FACE++⼈⼯智能开发平台。
2.2系统主要功能实现
本论⽂中所设计的系统是对⼈脸图像进⾏处理识别并与门禁系统配合起到安全防盗的基本功能。⼯作原理是⾸先将三张待检测⼈员的照⽚存储到树莓派⽂件系统，执⾏此段程序时，调⽤face++的detectAPI将三张照⽚中的⼈脸信息存储在开发者账号，然后执⾏search的API，对现在进⾏的⼈脸识别程序中拍摄的照⽚进⾏处理，检测照⽚中的⼈脸信息并与之前上传的⼈脸信息对⽐，并返回相似度最⾼的⼈脸信息。我们在程序中只提取confidence的值，即⼈脸相似度。当触摸开关被按下，程序会发出警报LED闪烁，接着进⾏⼀张⼈脸的采集。并将此照⽚与已经上传的三张照⽚做对⽐。判断出相似的⼈脸。当相似度⼤于70%，则开门（电机正转开门 、停⽌并发出警报声、电机反转关门）。 系统由微型计算机（树莓派），驱动模块，检测模块，显⽰模块，报警模块，电源模块等组成。系统带有按键，⽤户可以通过按键触发⼈脸识别功能；系统具有采集和检测⼈脸功能，可以当进⼊⼈员匹配成功时，开启⼤门，同时报警装置启动；当进⼊⼈员匹配失败时，⼤门不开启以保障安全。
在本设计中，系统主要模块各⾃的功能如下：
（1）主控模块。在本设计中主要起到集中分配的作⽤，不仅需要即时采集⼈脸图像，调⽤API处理图像，同时还要提供摄像头检测、驱动芯⽚、显⽰屏等数字器件的⼯作信号。
（2）按键模块。系统的输⼊部分，实现⼈机交互。通过接收触控按键的电平信息，使得微型计算机（树莓派）得到需要的数据。
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（3）驱动模块。⼚门电极作为⼤门开闭的过程控制的控制元件，其驱动主要由驱动芯⽚实现。通过操纵⼤门电机正转和反转，实现对⼤门的开闭控制。
（4）显⽰模块。以连接⼀台电脑显⽰器即可
（5）系统电源模块。系统电源模块主要负责给系统提供符合要求的电流与电压，由于微型计算机（树莓派）使⽤低压直流电压，就需要将两节锂电池18650电源7V转换为符合要求的电压、电流。从⽽使整个系统有持续的供电保证。[4]
本系统的设计具有半⾃动门禁系统的特点。待检测⼈员需要⽤⼿按下触摸开关，进⽽触发⼈脸识别。系统将对其进⾏摄像并将图像发送⾄云端服务进⾏处理，待处理完之后微型计算机（树莓派）对返回的⽐对数据结果进⾏判断。如果对⽐成功，则驱动步进电机开始旋转。系统的实时性是⽤户体验的关键要素，系统正常⼯作时待识别的⼈员感觉不到卡顿状况 ，实时性良好。 第3章⼈脸识别门禁系统硬件设计
3.1主控模块
图3.1 主控模板实物图
本次设计的主控模块是使⽤微型计算机──树莓派3代B型主板。树莓派3代B型主板，该主控板模块的优势是拥有良好的标准模块扩展性，主板上预留的接⼝可完美对接与之配套的树莓派500万像素专⽤摄像头、7英⼨液晶触摸屏、Sense Hat传感器模块等。除了可以在爱好者论坛下载⽹民⼤神们做好的系统包之外，如今还可以直接购买预装了树莓派代3代B型主板专⽤NOOBs系统的MicroSD卡。说到这⾥就⼜促⽣了树莓派代3代B型主板的进⼀步优势，那便是与微软的结合，微软为该产品推出了与之适配的Windows 10 IoT版操作系统，⽤户可以使⽤到更加熟悉的UI，使得通过标准扩展模块和GPIO接⼝扩展模块操作变得简单，IP等协议的配置也变得更加简单，同时驱动⼜在不断更新，不断完善，所以不⽤再去考虑重新开发Windows的驱动程序，以上这些与树莓派代3代B型主板的结合，对新⼊门的玩家以及互联⽹开发者来说是意义⾮凡的。
主要包括以下⼏点：
【Raspberry Pi 3 Model B】
· BCM2837
· 64位的1.2GHz四核ARM Cortex-A53
· 1GB内存
·
10/100⾃适应⽹卡
· 802.11n WiFi⽆线⽹卡
· 低功耗蓝⽛4.1 (BLE)
· HDMI接⼝
· USB 2.0接⼝ x 4
· MicroSD 卡插槽
· 3.5 mm ⾳频输出接⼝
· 40PIN GPIO接⼝
· CSI摄像头接⼝
· DSI显⽰接⼝
· 升级后的电源管理系统，以便使⽤更多耗电的外设（须⽤2.5A以上电源供电） 树莓派3代B型是⼀款
基于ARM的微型计算机主板，以SD/MicroSD卡进⾏存储，该主板提供USB接⼝和以太⽹接⼝，可以连接键盘、⿏标和⽹线，该主板具备所有PC的基本功能，例如：⾼清视频播放、电⼦表格书写、玩游戏等诸多功能，还整合了视频模拟信号的电视输出接⼝和HDMI⾼清视频输出接⼝。 树莓派将Python作为主要编程语⾔，⽀持Java、BBC BASIC (通过 RISC OS 映像或者Linux的"Brandy Basic"克隆)、C 和Perl等编程语⾔。本设计使⽤的是最新树莓派官⽅系统。是基于debian的⼀种linux32位操作系统。本次设计使⽤系统中安装的python2.7运⾏程序。
3.2检测模块
3.2摄像头模块实物图
本次设计的检测模块是使⽤树莓派专⽤500W像素摄像头。该摄像头提供了三个应⽤程序，分别为：raspistill、raspivid、raspistillyuv。其中 raspistill 和 raspistillyuv ⾮常相似，并且都是⽤于捕捉图像，⽽ raspivid ⽤于捕捉视频。
研磨网应⽤程序使⽤了四个 OpenMAX（mmal）组件：camera（摄像）、preview（预览）、encoder（编码）、null_sink。所有应⽤程序均使⽤了摄像组件，raspistill 使⽤了图像编码组件，raspivid 使⽤了视频编码组件，raspistillyuv 没有使⽤编码组件，⽽是直接将 YUV 或RGB 从摄像组件输出到⽂件。所有应⽤程序均基于命令⾏⽅式运⾏，通过 OpenMAX 的 mmal API 进⾏编写。我们在设计中结合Opencv
调⽤摄像头进⾏拍照操作。
摄像头电路板与树莓派通过⼀条 15 芯的排线进⾏连接。具体连接操作如下：先将树莓派上连接座两端卡扣拉起，再把排线插⼊座中，并竖直，然后按下两端的卡扣。摄像头电路板连接同上。
3.3 驱动模块
当输⼊信号相对⽽⾔⽐较微弱时，相应功率较⼩⽆法正常⼯作。驱动模块实质是通过放⼤功率，从⽽满⾜负载额定功率使得负载可以正常⼯作，从⽽可以响应微弱的输⼊信号。微型计算机（树莓派）上有IN1, IN2, IN3, IN4四个接⼝，根据资料，设置为低电平就可以驱动，⽤杜邦线分别将IN1，IN2，IN3，IN4和GPIO 21（Pin 40），GPIO 20（Pin 38）, GPIO 16（Pin 36）, GPIO 19（Pin 35）进⾏连接。每次将四个GPIO端⼝按下表依次设置好电平后，可以sleep⼏⼗毫秒来控制转速
图3.3 步进电机驱动原理
图3.4 树莓派GPIO编码图
3.3.1 步进电机⼯作原理
在不超过额定负载时，脉冲信号的频率控制电机转动的速度、脉冲数决定电机⽌步的位置，均不会因为负载变化⽽受到任何的影响[8]。步进电机每⾛⼀步，就要加⼀个激磁信号，假如适当的信号，转⼦以⼀定的步数转动；⽆激磁信号输⼊时，转⼦保持⼀定的位置。步进电机⼯作的基本原理如下：
（1）换相顺序的控制
电机通电后，主要通过脉冲分配来实现⼯作相序的变化。以步进电机四相⼋拍⼯作⽅式为例，要求各相按照A-AB-B-BC-C-CD-D-DA的顺序来⼯作，控制脉冲就要按照该顺序来控制A、B、C、D相的通断。
（2）步进电机转向的改变
按照既定⼯作⽅式正向转动的顺序来给电机通电，电机就会正向转动；但是按照相反顺序来通电的话，电机会向相反⽅向转动。
（3）步进电机转动速度的改变
步进电机每⼀次接收到⼀个控制脉冲，它就会相应转动⼀步，转动固定⾓度。因此步进电机的转动速度就由两脉冲的间隔长短来决定，即是两脉冲发送间隔越长，相应的步进电机转动就越慢。如果要实现对步进电机转动速度调节，就需要改变单位时间内控制模块发出的脉冲个数。
步进电机驱动⽅法有四相四拍运⾏⽅式，即AB-BC-CD-DA-AB；四相⼋拍运⾏⽅式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
四相步进电机，供电电源为5伏，5伏电源的正极性端连接电机公共端，⽽ 5伏电源的接地端需要分别和电机剩余的四根控制线顺次接触，可以发现电源地线与电机控制线每接触⼀下，步进电机就会转动⼀定⾓度，电机转动完整⼀圈的时间，恰好需要如此来回转动的次数可以达到5次。由此可以计算出该步进电机的步进⾓度为
度。若四条控制线与电源地线接触的顺序恰好相反，那么电机也就随之向相反⽅向转动。
3.3.2 步进电机驱动电路
由于步进电机的驱动电流的数值相对较⾼，所以单⽚机与步进电机不能直接连接，常常采⽤专门的接⼝及驱动电路。驱动器可以采⽤功率⽐较⾼的复合管，如ULN2003，L298N，或者购买专⽤的步进电机驱动器。驱动电路的⼯作状态是由控制信号来决定的，控制信号需要由主控模块，即单⽚机来产⽣。期望实现以下的步进电机驱动要求：
（1）期望驱动电路提供的电流上升和下降速度可以⽐较快，这样可以使电流的波形尽可能的接近矩形波。
硅胶模具制作方法（2）期望驱动电路功率和效率相对⽐较⾼，提⾼运⾏经济性。
单⽚机的输出电流太⼩，⽆法直接连接步进电机，需要加驱动电路。对于电流⼩于0.5A的步进电机，可以采⽤ULN2003类的驱动IC。驱动芯⽚ULN2003内部结构如图3.4所⽰。
图3.4 ULN2003内部结构框图
ULN2003是由复合达林顿晶体管排列组成，使耐受电压⽐较⾼，允许通过电流较⼤。共有7对NPN达林顿管，分别为芯⽚7个控制单元，包括功率驱动单元、保护单元等。ULN2003采⽤DIP-16或者SOP-16双列16脚塑料封装，驱动单元可以与步进电动机直接耦合，连接⽅便，其数字逻辑电路为⾮门电路，取反控制。
选取ULN2003作为电机驱动芯⽚，价格经济，且可以充分发挥功能，实现稳定驱动。可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接⽤单⽚机的IO⼝提供信号，⽽且电路简单。芯⽚采⽤单⽚机作为控制核⼼，在程序相互调⽤的⽅⾯，更加的⽅便灵活。
图3.5 ULN2003引脚图
图3.5所⽰为驱动器引脚图，图左边1~7引脚为输⼊端，有单⽚机直接控制，接单⽚机输出端，引脚8直接接地；右侧10~16引脚为输出端，接步进电机，引脚9接电源+5V，必要时也可以什么都不接悬空⽽置，该驱动器可提供最⾼0.5A的电流。
ULN2003的主要特点是：
（1）驱动ULN2003电流⽐较⼤。ULN2003可以较好的⽤于单⽚机控制的电路。
（2）ULN2003连接上拉电阻，在驱动电机时可以提⾼其抵抗⼲扰的能⼒。ULN2003的每两个达林顿管视为⼀个单元，都会串联⼀定阻值的⾼值电阻可以直接和TTL 或承载电压为5V的CMOS 装置连接 。
（3）ULN2003的输出采⽤集电极开路，电流输出值⽐较⼤，可以达到500mA。因此可以⽤来驱动电机。
另外，ULN2003的极限参数分别如表3.1、3.2所列。
表3.1 ULN2003的极限参数
表3.2 ULN2003的极限参数
接线时需要把步进电机电路图的红⾊线悬空，其它线接驱动板。如果驱动不起来，有可能接线不对或电压低。如果⽤单⽚机来控制此步进电机，则只需分别依次给各线⼀定时间的脉冲电流，电机便可连续转动起来。
ULN2003驱动电机的电路图如下图3.6所⽰。由单⽚机P3.4—P3.7⼝经上拉电阻作为驱动芯⽚ULN2003的输⼊。COM端供电12V，输出端10⾄12引脚均接地。四相五线式步进电机的A、B、C、D四相分别与ULN2003的输出端1C—4C连接，接收控制脉冲，实现控制。
图3.6 ULN2003驱动电机的电路图
3.3.3 步进电机的选型
步进电机是⼀种专门⽤于位置与速度精确控制的特种电机，虽然同为电机件，步进电机区别于其他控制电机的最⼤特点是，它主要采⽤⽆反馈环节的开环控制，将微观的电脉冲信号转变为宏观电机转动的⾓位移或线位移。它通过数字来实现电机控制，控制信号以脉冲形式发出，它所接受到的脉冲可以驱使电机转动，即被转化为相应的⾓位移，所以只要给步进电机⼀个合适的脉冲信号，它就随之动作固定⾓度，当采⽤单⽚机来控制步进电机相对简单易操作。绕在定⼦的线圈配置作为步进电机相数分类的主要依据，主要可分为2相、4相、5相等；根据外部引线步进电机⼜被分为三线式、五线式、六线式等，但各种类型的电机其控制⽅法并没有发⽣太⼤的变化，均采⽤脉冲信号进⾏驱动。
门禁系统的运动不需要加速、减速过程，所需转速较低，所以步进电机选⽤⾃启动运⾏⽅式。⾃启动运⾏⽅式是指在驱动电机旋转和停⽌时不经过加速、减速阶段，⽽直接以驱动脉冲速度启动和停⽌的运⾏⽅式。同时，因为在启动、停⽌时存在⼀个突然的速度变化，所以这种⽅式需要较⼤的加、减速⼒矩。由于具体负载重量也会影响其是否产⽣过⼤的⼯作噪⾳，所以四相五线式步进电机的负载容量可以较好满⾜要求。另外，出于对电流、步距⾓、静转矩三⼤要素的考虑，本设计选择四相五线式步进电机来模拟门禁系统的控制，可以直接插接⽅便使⽤。
3.4 报警模块
作为⼈脸识别门禁系统的设备，声光报警电路不可或缺。在系统⼯作中，每当⼈脸数据匹配成功时，便会触发蜂鸣器和发光⼆极管实现声光报警，使监控⼈员得到开启⼤门信号，反之则不报警。半导体⼆极管和普通⼆极管都是是类似的PN结结构，具有单向导电性，可以将电能转化成光能。 在将电流通到发光⼆极管之后，电⼦从N区移动到P区，并且从P区移动到N区的空⽳在PN结附近与孔中的电⼦复合，N区域产⽣荧光发光提醒。
声光报警设计部分包括蜂鸣器和LED报警指⽰灯。声⾳报警电路如图3.11所⽰，由于微控制器驱动能⼒的I / O端⼝较低，所以需要增加蜂鸣器PNP晶体管驱动，可以让那个蜂鸣器的声⾳听起来更响，更好地发挥警报功能。为了避免错误的报警添加了三极管基电路，蜂鸣器只有在输出低时才会发出声⾳。
引航员软梯
图3.8 声⾳报警电路原理图
3.5 显⽰模块
设计中为从⼀定程度上减⼩操作⼈员的⼯作量，特⽤电脑显⽰器作为显⽰模块，电脑显⽰器就不做过多阐述了。
3.6电源模块
本模块的作⽤是⽤来控制电源是否进⼊⼯作状态。电源模块⼀般分为以下⼏部分：滤波电路模块、全波整流电路模块、电源变压器模块等。⼀般电源提供的是220V交流电，经过门禁系统的电源模块中变压器的变压，变为直接可以供门禁使⽤的电压，然后进⾏全波整流，得到有尖峰脉冲的直流电，然后在滤波电路将有交流成分的电压滤除，最后得到可供系统使⽤的直流电。但我们的设计不需要这么⼤电流，电源直接是⽤两节充电锂电池18650共7v进⾏供电，所以不需要⽤稳压芯⽚。⼯作原理图如图3.1。
图3.9 电源模块原理图
第4章⼈脸识别门禁系统软件设计
4.1安装系统
软件部分：win32 DiskImager、SDFormatter、树莓派镜像⽂件
硬件部分：SD卡、读卡器
准备⼯作
1.16G的SD卡⼀张（树莓派3B专⽤micro SD卡）
2.下载树莓派系统镜像⽂件
3.Windows下安装镜像的⼯具：Win32DiskImager
豫公网安备41160202000603
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