1 设计目标及内容
目标：设计出一套基于 AI 的智慧人脸门禁系统的硬件系统。
主要内容：基于门禁系统的需求，设计并搭建出门禁系统的硬件架构、并协助后台管理系统来完成门禁系统。
2 设计方案概述
2.1 设计方案原则的选择 本方案的设计原则如下：
（1）采用较为先进的技术力量，保证应用程序在硬件平台上运行具备一定的优势。
（2）采用成熟的硬件技术，保证应用程序的安全性和可靠性。
（3）硬件平台便于扩展和维护，易于技术的更新。
（4）充分利用现有的硬件资源，尽量减少不必要的再投资。
（5）具有可靠性，可用性和安全性，具有完善的技术支持。能够满足个人学习和设计需要。
（6）运行本软件所需的硬件资源。
2.2 实现硬件平台主要功能
（1）人脸信息录入：使用手机、平板等设备，采集教师、学生面部数据（或从电子照片获取），并存储在数据库中。
（2）门禁控制：树莓派（安装Android Things 系统） 控制电磁锁实现门禁管理，树莓派连接至开源的MQTT 服务， 通过推送服务获取控制信息。
（3）实训室管理：通过在基础信息中设置实训室的白名单，利用 Android 开发板、USB 摄像头获取视频数据，并做人脸对比（1:1），实现实训室的智能化管理。
2.3 设计方案
通过查阅资料、调研、吸取已有技术的基础上，项目组进行集体方案论证，共同制定设计方案，如图 1 所示。
图 1 硬件部分设计方案图
此方案在服务器安装基础信息管理系统的基础上，所需环境为：
硬件环境：4GB 及以上内存；至少 10G 可用硬盘空间； 公网 IP。
软 件 环 境：JRE 1.8.0_161 或 更 高；MySQL5.7； Apache Tomcat 9.0.6。
手机或平板安装人脸信息采集 APP，所需环境：An- droid 5.0 及以上系统；带前置摄像头；5 寸及以上屏幕。
Android 开发板安装智慧门禁 APP，所需环境：An- droid 5.0 及以上系统；9.7 寸及以上屏幕；支持 UVC 协议的 1080P 高清 USB 摄像头；支持网络（WIFI、有线或 4G）。
Android Things 开发板安装电磁锁控制 APP，所需环境： Android Things 0.7；触摸屏幕；支持网络（WIFI 或有线）。
3 硬件平台系统构成
3.1 硬件系统组成
符合结构简单，成本低，运行可靠性等设计要求的硬件系统由供电电源、安卓开发板、识别显示终端、高清摄像头、树莓派、门锁驱动模块、电磁门锁等组成。图 2 给出了硬件系统构成示意图。
图 2 硬件系统构成示意图
3.2 硬件系统关系及主要部件说明
Android 开发板、USB 摄像头：课前课后利用获取视频数据，检测其中的人脸信息并与数据库中的人脸数据对比（1:1），符合条件的存入数据库，并通知门禁控制设备。硬件系统中的树莓派（安装 Android Things 系统）：
控制电磁锁实现门禁管理，树莓派连接至开源的MQTT 服务， 通过 MQTT 服务获取控制信息。图 3 给出了硬件系统关系示意图。
图 3 硬件系统关系示意图
系统低功耗节能控制功能：当识读设备在一段时间内没有触摸屏操作和人靠近时，硬件系统自动关闭内置摄像机及液晶显示面板等设备，启动低功耗工作状态。
3.3 主要性能指标
（1）客户端 APP 采集人脸信息时需实现数据准确性、快速性；
（2）人脸识别时匹配数据库不超过 1 秒；
（3）客户端所有界面操作响应时间不超过 1 秒，服务器的交互、交互响应时间不超过 5 秒；
树莓派向继电器发出信号时，继电器控制电磁锁打开 / 关闭不超过 5 秒。
4 运行调试
根据以上设计要求，以某实验室人脸识别门锁控制为例，进行了详细硬件平台和应用软件联调，图 4 给出了调试流程示意图。
图 4 调试流程示意图
在硬件设计、部件加工和制作、装配的基础上，搭建了实验环境。经过部件检验、软件测试、软硬件整体联调和反复试验，性能及参数验证，完成一个通过人脸信息识别，来判断和控制门禁的开与关最终测试效果达到了设计要求。
5 设计创新与特色
本系统使用 ArcFace 虹软人脸认知引擎，实现了人脸识别门禁控制系统，提高了系统的运行效率，在唯一性、自然性好、简单方便、非接触性、识别速度快、成本低等方面， 提升了实训室智能化建设水平。
该设计结构合理，学科特征明显，方案合理可行，具有一定的创新性。项目组织实施和管理及试验方案合理。
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