千承輝，黃婉玉，劉錫洋，辛雨松

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

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多傳感器與Foxtable的人員識(shí)別及智能管理系統(tǒng)*

千承輝，黃婉玉，劉錫洋，辛雨松

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

隨著開放實(shí)驗(yàn)室的推廣，為了實(shí)現(xiàn)更科學(xué)化、人性化的管理,設(shè)計(jì)了一個(gè)具備指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、人員進(jìn)出監(jiān)測(cè)等功能的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)；同時(shí)利用Foxtable數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)出一套可錄入、查詢、打印實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息，并生成考勤記錄表、儀器設(shè)備使用記錄表等報(bào)表的信息管理軟件。該系統(tǒng)已在吉林大學(xué)儀電學(xué)院開放實(shí)驗(yàn)室安裝使用，能輔助老師更加簡(jiǎn)便、高效地管理實(shí)驗(yàn)室。

指紋識(shí)別；人臉識(shí)別；Foxtable；智能管理系統(tǒng)

引 言

實(shí)驗(yàn)室作為科研成果的產(chǎn)出地，隨著建設(shè)逐步標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，既加重了日常管理工作的強(qiáng)度，也暴露出許多問(wèn)題。吉林大學(xué)一直以來(lái)十分重視實(shí)驗(yàn)室建設(shè),并為此投入了大量的人力、物力。豐富多樣的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備方便了實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行科學(xué)研究，但也使得管理老師統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備使用、維護(hù)及借出情況的工作變得更加繁重；開放實(shí)驗(yàn)室的推廣作為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作的一大創(chuàng)新，在提升學(xué)生科研水平的同時(shí),其造成的人員流動(dòng)復(fù)雜等問(wèn)題也增加了實(shí)驗(yàn)室管理工作的難度。面對(duì)如此龐大的工作量，現(xiàn)有的管理機(jī)制不能進(jìn)行有效的管理。

目前,國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)多利用純軟件或者純硬件對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理。純軟件化的信息管理系統(tǒng)具有較友好的界面和統(tǒng)計(jì)功能，但沒有硬件的支持很難實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映實(shí)驗(yàn)室綜合信息；單一的硬件管理以IC卡身份驗(yàn)證、視頻監(jiān)控居多，但在信息存儲(chǔ)、人員識(shí)別和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面有很大的不足。實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息分散，人員、儀器設(shè)備信息量較大，將硬件與軟件結(jié)合進(jìn)行管理成為發(fā)展趨勢(shì)。

因此，研究制作出一套更人性化、更科學(xué)化的實(shí)驗(yàn)室人員識(shí)別及智能管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將多個(gè)傳感器的測(cè)量信號(hào)以次序、重要性等為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行分析、篩選從而做出綜合決策。同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)在信息管理方向上的應(yīng)用建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并設(shè)計(jì)一套信息管理系統(tǒng)，龐大信息量的處理問(wèn)題將迎刃而解[1]。這樣軟硬件相結(jié)合，能夠更加實(shí)用、簡(jiǎn)便、清晰、高效地對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室人員識(shí)別及智能管理系統(tǒng)利用多種傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。系統(tǒng)工作時(shí)，欲進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人員需先進(jìn)行指紋識(shí)別。光學(xué)指紋傳感器獲取被測(cè)者指紋圖像后，通過(guò)高性能DSP處理器分析指紋特征，與事先錄入、存儲(chǔ)在Flash芯片中的指紋庫(kù)內(nèi)指紋特征進(jìn)行判斷識(shí)別[2]，確定被測(cè)者身份后將其指紋編碼發(fā)送至單片機(jī)。51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD12864實(shí)時(shí)顯示人員身份信息，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信。紅外光電傳感器與超聲波測(cè)距傳感器共同構(gòu)成人員進(jìn)出監(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)兩對(duì)紅外傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)的順序可以判斷人員進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的方向，超聲傳感器測(cè)距進(jìn)而計(jì)算得出來(lái)往人員的數(shù)目[3]。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD1602顯示當(dāng)前室內(nèi)實(shí)時(shí)人數(shù)，并通過(guò)串口通信發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)。當(dāng)有人員違規(guī)進(jìn)入時(shí)(不進(jìn)行指紋驗(yàn)證或試圖在其他人員驗(yàn)證指紋后跟隨闖入)，計(jì)算機(jī)判斷出掃描指紋的人數(shù)與進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的人數(shù)不同，違規(guī)警報(bào)響起，同時(shí)圖像采集模塊被激活，進(jìn)行實(shí)時(shí)畫面的圖像采集，將采集到的光學(xué)影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別出來(lái)的電子圖像信號(hào)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，再通過(guò)軟件進(jìn)行人臉識(shí)別?；趯?duì)以上多種傳感器的控制，能夠全面、實(shí)時(shí)地獲取實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)信息。

本系統(tǒng)的特色之一就是將軟硬件相結(jié)合，利用Foxtable數(shù)據(jù)管理軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行上位機(jī)軟件的編寫,Foxtable提供了串口通信方法與單片機(jī)進(jìn)行通信[4]。開發(fā)出的實(shí)驗(yàn)室信息管理軟件具備錄入及查詢實(shí)驗(yàn)室人員基本信息、人員流動(dòng)信息、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及耗材使用狀況、指紋掃描考勤記錄等一系列功能，并可生成相應(yīng)報(bào)表。人臉識(shí)別部分在Matlab軟件上實(shí)現(xiàn)，由Foxtable外鏈Matlab進(jìn)行訪問(wèn)。

綜上所述，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)出監(jiān)測(cè)及違規(guī)警報(bào)、指紋識(shí)別、人臉識(shí)別等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

2 人員進(jìn)出監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

人員進(jìn)出監(jiān)測(cè)模塊由超聲波測(cè)距傳感器、單片機(jī)控制器、紅外光電傳感器、串口通信模塊、顯示模塊、電源模塊組成。該模塊整體框圖如圖3所示。

圖3 人員進(jìn)出監(jiān)測(cè)模塊整體框圖

該模塊選擇STC89C52單片機(jī)為控制器，采用C語(yǔ)言編程。紅外傳感器利用單片機(jī)的INT0和INT1進(jìn)行處理。沒有人員通過(guò)該模塊時(shí)，紅外傳感器產(chǎn)生低電平，一旦有人員通過(guò)，紅外傳感器隨之產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)申請(qǐng)中斷。將兩對(duì)完全相同的紅外光電傳感器并排固定，控制器就能通過(guò)兩脈沖的先后順序來(lái)判斷人員進(jìn)出的方向[5]。兩次中斷之間是超聲測(cè)距程序，檢測(cè)由物體反射回來(lái)的超聲波信號(hào)獲取人員寬度來(lái)判斷出通過(guò)的人數(shù)。實(shí)時(shí)人數(shù)、進(jìn)出情況通過(guò)LCD1602顯示,其數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至計(jì)算機(jī)。

3 指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

由于指紋特征具有唯一性，因此選擇掃描指紋的方式來(lái)確定人員身份。指紋識(shí)別技術(shù)首先需利用傳感器對(duì)指紋圖像進(jìn)行采集[6],其后要在指紋圖象上定位、提取出指紋的特征[7]。提取指紋圖像信息后，將其特征合成到一個(gè)復(fù)合的模板中的過(guò)程稱為指紋特征的提取過(guò)程，它是指紋識(shí)別技術(shù)的核心[8]。得到被檢者的指紋模板后，若想確定其真實(shí)身份，需要將該模板與先前建立的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的已有指紋模板進(jìn)行比對(duì)。

該模塊由單片機(jī)控制器、高性能DSP處理器、光學(xué)指紋傳感器、CD4052模擬開關(guān)、Flash芯片、A/D轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤、顯示模塊、電源模塊組成。光學(xué)指紋傳感器有一個(gè)玻璃平面，被測(cè)者將手指按在其上,用光照射玻璃，指紋的不同區(qū)域?qū)獾姆瓷涑潭炔煌?，感光元件采集到圖像上每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的光學(xué)信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。使用DSP處理器提取出指紋圖像信號(hào)的特征值，合成指紋特征模板存儲(chǔ)在Flash芯片中生成指紋庫(kù)[9],通過(guò)按鍵可以切換指紋錄入及指紋識(shí)別功能。在識(shí)別模式下，被測(cè)者指紋生成指紋特征后，同已存儲(chǔ)在指紋庫(kù)中的指紋特征模板對(duì)比，識(shí)別出被測(cè)者身份，DSP處理器將指紋碼發(fā)送給51單片機(jī)，51單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)并驅(qū)動(dòng)LCD12864顯示被測(cè)人身份。由于DSP處理器、計(jì)算機(jī)串口通信都需用到51單片機(jī)的TXD、RXD口，通過(guò)CD4052模擬開關(guān)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行分時(shí)選通，確保通信順暢。

指紋識(shí)別模塊軟件流程圖如圖4所示。

圖4 指紋識(shí)別模塊軟件流程圖

4 人臉識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)有人員違規(guī)進(jìn)入時(shí)，圖像采集模塊被激活，同時(shí)警報(bào)響起。該模塊通過(guò)CCD圖像傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它能直接將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。CCD產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)除噪處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端顯示并存儲(chǔ)。

首先，用imread函數(shù)讀入已存儲(chǔ)的一幅圖像，用rgb2gray和imhist函數(shù)對(duì)圖像做灰度處理，并畫出其直方圖，然后將rgb空間的圖像轉(zhuǎn)化到ntsc空間，并取第二幀(即亮度)圖像，取圖像中紅、綠、藍(lán)三色的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到矩陣R、G和B中。接著用size函數(shù)計(jì)算矩陣的大小，自定義人臉范圍的門限值，創(chuàng)建與G同大小的零矩陣，得出處理后的圖像和直方圖。轉(zhuǎn)化后的圖像出現(xiàn)了噪聲，用strel函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)線性結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)開閉運(yùn)算消除噪聲。最后通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句得出人臉范圍，并通過(guò)線性運(yùn)算框出人臉區(qū)域，得到處理結(jié)果。得到實(shí)時(shí)畫面中的人臉信息后，再與人臉庫(kù)中的圖像進(jìn)行對(duì)比確定身份[10]。人臉識(shí)別示意圖如圖5所示。

圖5 人臉識(shí)別示意圖

5 信息管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信息管理系統(tǒng)利用Foxtable軟件進(jìn)行開發(fā)[11]。Foxtable以更簡(jiǎn)便、直觀的數(shù)據(jù)處理和編程方法實(shí)現(xiàn)了Excel、Visual Basic、Access等軟件的功能。除了使用自建的數(shù)據(jù)庫(kù)，也可使用其他外鏈數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)源。

該系統(tǒng)包含儀器設(shè)備管理、人員信息管理、違規(guī)情況記錄、人臉識(shí)別、實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)記錄、報(bào)表生成、外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入、系統(tǒng)設(shè)置等模塊,每個(gè)模塊各自進(jìn)行導(dǎo)航。以人員信息管理模塊為例,該模塊包含人員基本信息、個(gè)人作品錄入、出勤情況匯總、階段性任務(wù)、成績(jī)考核5個(gè)數(shù)據(jù)表，軟件界面如圖6所示。每個(gè)表可以通過(guò)相應(yīng)的窗口進(jìn)行查詢、錄入、修改等功能，窗口界面示例如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)軟件界面

圖7 軟件窗口界面示例

同時(shí)，通過(guò)此信息管理軟件可以生成實(shí)驗(yàn)儀器申請(qǐng)表、人員考勤表、作品介紹表等多種報(bào)表并打印輸出,也可以鏈接外部軟件進(jìn)行人臉識(shí)別。

6 測(cè)試與分析

基于多傳感器與Foxtable的人員識(shí)別及智能管理系統(tǒng)由于采用了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)[12]，使得測(cè)量結(jié)果更接近實(shí)際。在吉林大學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室安裝該設(shè)備后，隨機(jī)選擇1小時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1所列。從表中可以看出指紋識(shí)別模塊和人員進(jìn)出監(jiān)測(cè)模塊入室人數(shù)的絕對(duì)誤差同為1.613%，指紋識(shí)別模塊離開人數(shù)的絕對(duì)誤差為1.887%，人員監(jiān)測(cè)模塊室內(nèi)人數(shù)的絕對(duì)誤差為1.11%，其他絕對(duì)誤差為0。指紋識(shí)別模塊出現(xiàn)誤差的原因?yàn)楸粶y(cè)者手指沾染了污物，干擾指紋圖像采集。人員監(jiān)測(cè)模塊出現(xiàn)誤差的原因在于超聲波測(cè)距傳感器具有一定誤差，從而影響控制器對(duì)于進(jìn)出人數(shù)的判斷。綜上所述，采用多傳感器進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)能將多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、對(duì)比，減小誤差，更準(zhǔn)確、清晰地反映實(shí)驗(yàn)室信息。

表1 往來(lái)人員信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

[1] 李旭軍.計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在信息管理中的應(yīng)用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011(10).

[2] 劉福元.基于DSP的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2007.

[3] 千承輝,王超,曹曦元,等.多傳感器數(shù)據(jù)處理的人流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013(2).

[4] 劉芳,李晉川,黃學(xué)進(jìn),等.分布式多串口步進(jìn)電機(jī)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù),2007(2).

[5] 徐薇,楊衛(wèi).一種紅外傳感器陣列探測(cè)方法的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009(9).

[6] 游林,楊玲.基于指紋改進(jìn)的模糊金庫(kù)算法[C]//浙江省電子學(xué)會(huì)2012學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2012.

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[8] 張永勝.淺析指紋識(shí)別技術(shù)[J].中國(guó)防偽報(bào)道,2009(10).

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[11] 鄶淑娥.基于Foxtable的女生課余體育活動(dòng)查詢系統(tǒng)的構(gòu)建[J].中國(guó)管理信息化,2012(18).

[12] 馬磊明.光纖光柵傳感的數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究[D].天津:天津理工大學(xué),2012.

[13] 朱曉瑞.開放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，理工卷,2009(4).

[14] 謝添德.計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室信息數(shù)字化探究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2012(32).

千承輝(工程師)，主要研究領(lǐng)域?yàn)閭鞲衅髋c智能儀器。

Personnel Identification and Intelligent Management System Based on Multi-sensor and Foxtable

Qian Chenghui,Huang Wanyu,Liu Xiyang,Xin Yusong

(College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130022,China)

With the promotion of the opening laboratory,the laboratory intelligent management system is designed to realize more scientific and user-friendly management, which includes the functions such as fingerprint recognition,face recognition and personnel access monitoring.While taking advantage of Foxtable data management software to develop an information management software,it can record,query and print the information of the laboratory and generate the attendance record form,equipment use record form and so on.The system has been put into service in CIEE laboratory of Jilin University,which can assist the teacher more simple and efficient management of laboratory.

fingerprint recognition;face recognition;Foxtable;intelligent administrative system

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金項(xiàng)目。

TP368.2

A

士然

2014-08-30)