基于Linux的疫情期间宿舍门禁系统的设计与实现
基于 Linux 的疫情期间宿舍门禁系统的设计与
实现
Abstract：In recent years,due to the rapid development of deep learning and embedded
technology,face recognition technology has been greatly improved and widely used.Both at home and
abroad,various universities and research institutes as well as large companies have invested a lot of
manpower and material resources in research,and face recognition methods have emerged in an
endless flow.Based on the Raspberry Pi 4B under the Linux operating system as the hardware,taking
Opencv and face＿recognition library as the core,using cascade classifier and deep learning model in
C++ open source library Dlib,a set of dormitory access control system during epidemicperiod is
designed which using Python language and command line to dynamically detect and identify faces.
The test results show that the system has high recognition rate and can meet the requirements of
student dormitory access control during epidemicperiod.
Keyword：Linux; deep learning; face recognition; Raspberry Pi;
随着经济的高速发展，人们的生活水平在不断提高，高校人口的数量也在不断增长，与此同
时，疫情防控情况下，校内治安问题也屡见不鲜。人脸作为每个个体独一无二的生物特征，可
以作为安全系统的身份鉴别依据[1,2]。该文基于 Linux 和Opencv 库设计了疫情期间宿舍门禁系
统，通过采集学生的头像图片，设计检测系统对来往通过的人群进行人脸检测。人脸检测数据
匹配成功，则予以通过，若匹配失败，则发出警报提示，通道不予开启，从而保障学生的人身
财产安全[3]。
1 系统硬件设计
1.1 树莓派
树莓派(Raspberry Pi)最初是为发展中国家并不富裕家庭的学生提供的替代品，意在让他们以低
廉的价格进行计算机编程环境的开发学习[4]。而随着产品的迭代，其功能也越来越强大，现已
得到广泛应用，如智能机器人、网络视频监控系统、智能电视机顶盒、游戏机、家庭影院、网
络收音机等。对于实验工具来说，可以作为台式电脑的主机，搭建 Web 服务器，构建个人网
站，与多种外设传感器相连接进行开发等[5]。该文搭载了全新的树莓派 4B 作为硬件，其性能
相比上一代有了巨大提升。特别在无线通信方面，搭配了 2.4 GHz 和5.0 GHz IEEE 802.11ac 的
无线网卡以及 BLE 千兆以太网，大大提升了传输速度，解决了网上传输数据的问题[6]，其硬
件参数如表 1所示。
表1 树莓派硬件配置
1.2 摄像头模块
出于成本的考虑，加上树莓派硬件 4B 的USB 接口充足，可以使用 UVC 免驱的高清 USB 摄像
头[7]来满足系统的需要。系统采用摄像头的部分参数如表 2所示。
1.3 存储模块
采用外接 SD 卡进行系统、程序和数据的储存。SD 卡具有存储容量大、安全保密性强、功耗
低、数据传输速度快、体积小等特点，是系统硬件不可或缺的一部分[8]。
表2 摄像头部分参数
1.4 供电模块
考虑到系统供电的便利性，电源模块采用 USB-C 接口供电，电压为5 V，电流为2.5 A，输出
功率为15 W。为了避免功率不足可能会导致的各种各样的问题，如死机、操作页面忽明忽
暗、USB 设备不工作等，因此需使用稳定的电源适配器[9,10,11]。
2 系统软件设计
该文所用到的软件系统采用基于 Linux 系统开发的 Raspbian Buster 系统。Raspbian Buster 默认
安装了Python 的IDE 开发环境，UI 表现方面也比较简洁，为系统进行后续编程开发提供了便
利。
2.1 环境搭建
1）下载 Raspbian Buster 系统镜像文件至计算机文件夹内，用 Win32Disklmager 软件将系统镜像
文件烧录至内存卡，完成系统镜像文件的写入[12]。
2）为了便于进行远程登录操作，还需要设置好系统网络与远程桌面连接。首先，在镜像烧录
到内存卡后，在卡中新建一个名为SSH 的空TXT 格式文件，再去掉.TXT 后缀变成一个空文件
(SSH 是一种网络协议，用于计算机之间的加密登录，目前已成为 Linux 系统的标准配置)，这
样系统在启动时，便会自动打开SSH 功能；然后，在卡内新建名为wpa＿supplicant.conf 的
TXT 文件，将要连接的网络热点的名称与密码的特殊协议文档写入此文件内，写入完成后同样
去掉.TXT 后缀，如图 1所示，ssid 是热点名称，psk 是热点密码。配置完成后，当系统启动时
便可以自动连接文件写入的热点[13,14]。
图1 自动获取无线热点协议
3）将计算机端与硬件接入同一个网络，通过 Advanced IP Scanner 获取硬件 IP 地址，并在
PUTTY 上写入，然后登录系统，输入初始名称及密码便能进入终端进行操作了。若要进行远
程登录操作，打开VNC 远程桌面软件后输入系统硬件的 IP 地址后便可进入图形界面，此时连
接的计算机就相当于系统硬件的远程显示屏以及外接的键盘鼠标了。
2.2 算法设计
该文应用程序采用 Python 进行开发。人脸的图像在未处理前常常形态各异，在图像中的位置也
不尽相同。因此需要事先对图像进行处理，提高人脸识别的准确率[15,16]。
1）首先将要检测的人脸图片灰度化。色彩对于找到人脸位置并无明显作用，灰度化能够有效
降低光照、阴影的影响，增大识别准确率，减少工作量；
2）通过图像标准化裁剪进行尺度归一化处理来避免特征提取阶段得到不同的结果，提高准确
率。设在 X轴方向上的缩放比例为Cx,Y 轴方向上的为 Cy，则图像的变化矩阵如式（1）所
示：
经过以上处理后，图像可能会被放大，同时像素值也会增多。因此可以通过插值的方式来增加
像素，使大小不同的人脸图像经过处理后得到统一。将矩形图像上的四个顶点分别设为
(x1,y1)、(x1,y2)、(x2,y1)、(x2,y2)，则在此图像中，记任意一点为(x,y)，其灰度值f(x,y)的计算
公式如（2）所示：
3）用方向梯度直方图(HOG)提取人脸信息，它通过计算局部图像特征的梯度并统计其方向梯
度直方图来描述图像的特征，是一种非常有效的图像特征描述子，广泛应用于各种识别场景
中。提取图像中的特征数据过程如下：首先，计算经过灰度化处理后，图像中各像素的梯度；
然后，将图像划分为一个个小的细胞单元，划分完成后统计每个单元的方向梯度直方图来形成
特征描述子；最后，通过将这些特征描述子串联起来就可以得到所要进行处理的图像 HOG 特
征了。
4）将提取的特征数据与数据库中的相匹配，设计阈值，超过此阈值便可认为人脸匹配。系统
采用了 Dlib 库，它可以找到人脸特征点并定位，之后进行图像的几何变换，将图像中的特征点
与模型中的相对齐。再经过 dlib＿face＿recognition＿resnet＿model＿v1.dat 模型处理后得到 128
维向量以此来判断是否是同一张人脸。库中的 Haar 特征如图 2所示，它是一种黑白矩阵在图像
的某一区域中灰度级数之差，有三种类型，运算结果反映了图像某个局部的灰度变化。库中所
用到的模型是一个具有 29 个转换层的Res Net 网络。Res Net 网络结构如图 3所示。
图2 Haar 特征
标签： #设计
摘要：
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基于Linux的疫情期间宿舍门禁系统的设计与实现Abstract：Inrecentyears,duetotherapiddevelopmentofdeeplearningandembeddedtechnology,facerecognitiontechnologyhasbeengreatlyimprovedandwidelyused.Bothathomeandabroad,variousuniversitiesandresearchinstitutesaswellaslargecompanieshaveinvestedalotofmanpowerandmaterialresourcesinre...
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作者：闻远设计
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