智能传感技术大作业.docx

室内防盗全天候视频监控系统摘要本系统是通过摄像头对室内进行实时监测，通过面部识别来判断入室者是否为主人或者主人的熟人。该系统中会装有可变焦摄像头来采集图像，系统中会存储主人及已加入白名单的面部数据。当摄像头看到白名单之外的人进入室内时，该系统会通过GSM模块向主人发送信号及该人照片，以便主人进行判断是否为熟人或盗窃者，来进行下一步决定，若为熟人则加入白名单，若为陌生人则进行报警，来确保财产安全。本系统涉及部件有：可变焦摄像头，嵌入式系统板(含有存储设备)，GSM模块、Wifi通信模块。可变焦摄像头：用来采集入室者面部数据，来判断该人是否为熟人；嵌入式系统板：系统的计算核心与面部数据的存储及各模块间的联系；GSM模块：通过此模块将信息发送到主人的手机上进行近一步判断；Wifi通信模块：通过此模块将摄像头与系统核心进行数据交流；目录第一章 作品简介31.1项目研发背景31.2国内外研发现状41.3项目研发基本思路5第二章 系统架构62.1系统框图62.2作品实现原理62.2.1人脸捕获与跟踪功能72.2.2面部识别技术原理82.2.3精准度与识别率102.2.4Kinect捕捉3D图像12第三章 系统模块设计与实现133.1 GSM模块133.1.1 GSM模块简介133.1.2 GSM工作原理143.1.3 SIM简介及原理173.2 Wifi通信模块193.2.1 Wlan技术193.2.2 802.11概述203.3可变焦摄像头213.4温湿度传感器22第一章 作品简介1.1项目研发背景随着生活水平的提高，人们的生活节奏日益加快，但与此同时，社会人口的流动性大大增加了，社会治安和结构都日趋复杂。人们对家庭生命财产的安全越来越重视。但传统家庭防盗系统在实际使用中暴露了很多隐患，所以家庭安防必须有新的系统和方法能够提供相应的解决方案。因此，人们需要一种智能型的家庭防盗报警系统，能可靠的进行日常安全防范工作，及时发现各种险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽状态，这样人们便可安心工作，同时也保证了居民的生命财产不受损失。本系统是通过摄像头对室内进行实时监测，通过面部识别来判断入室者是否为主人或者主人的熟人。该系统中会装有可变焦摄像头来采集图像，系统中会存储主人及已加入白名单的面部数据。当摄像头看到白名单之外的人进入室内时，该系统会通过GSM模块向主人发送信号及该人照片，以便主人进行判断是否为熟人或盗窃者，来进行下一步决定，若为熟人则加入白名单，若为陌生人则进行报警，来确保财产安全。1.2国内外研发现状在我国，家庭安全防范报警系统已成为小区中实现安全管理的基础，主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。家庭智能报警便是其中的一项内容，通过摄像头来判断入室者是否为白名单内人员，然后通过通讯网络将图片传送到相关人的通讯设备上，以使灾情得到及时处理，保护人们的生命财产安全。小规模防盗报警系统近年来在市场上较多见，例如无线式系统。它具有安装方便、简单，一次性投资小的特点，但它存在覆盖面积小、误报率高等问题，使用场合受到一定限制。但由于此类产品具有体积小、耗电低、成本低、功能单一等优点，对于一些简单的报警场合和个人家庭，具有很大的市场潜力，目前此类产品在市场上非常活跃。中规模防盗防警系统，例如闭路电视监控系统、智能监控系统，无论从功能上，还是从结构上，都介于小规模防盗报警系统和大规模防盗报警系统之间。其报警功能、有关技术指标和系统性能与真正的报警系统相比还较差，与微机系统相比，此类系统缺乏人机界面、图形功能和管理功能，性能价格比较低。目前市场上有不少此类产品，例如美国C&K 公司的2300 系列，美国ADEMCO 公司的4110 系列防盗报警系统，国内此类产品如康必特电子技术研究所生产CPT-302 传呼报警系统，中国金辰安全技术公司研制的TW-A 防盗驱逐报警系统等。 大规模防盗报警系统一般都是指微机监控系统，微机监控系统能充分发挥微机的作用，利用微机软件灵活多变，人机界面友好，管理操作简单、方便，图形丰富等特点而做成的监控软件，可监控数十个甚至上百个控制分机，性能价格比较高。国外此方面的系统研究得较早，有系列的商品，如美国C&K 公司的“MONITOR”监控软件等。国内在此方面的系统较小，产品没有形成系列化和商业化，只有一些简单的微机软件监控系统。1.3项目研发基本思路本系统涉及部件有：可变焦摄像头，嵌入式系统板(含有存储设备)，GSM模块、Wifi通信模块。可变焦摄像头：用来采集入室者面部数据，来判断该人是否为熟人；嵌入式系统板：系统的计算核心与面部数据的存储及各模块间的联系；GSM模块：通过此模块将信息发送到主人的手机上进行近一步判断；Wifi通信模块：通过此模块将摄像头与系统核心进行数据交流；第二章 系统架构2.1系统框图2.2作品实现原理本系统是通过摄像头对室内进行实时监测，通过面部识别来判断入室者是否为主人或者主人的熟人。该系统中会装有可变焦摄像头来采集图像，系统中会存储主人及已加入白名单的面部数据。当摄像头看到白名单之外的人进入室内时，该系统会通过GSM模块向主人发送信号及该人照片，以便主人进行判断是否为熟人或盗窃者，来进行下一步决定，若为熟人则加入白名单，若为陌生人则进行报警，来确保财产安全。面部识别面部识别又称人脸识别、面像识别、面容识别等等，面部识别使用通用的摄像机作为识别信息获取装置。以非接触的方式获取识别对象的面部图像，计算机系统在获取图像后与数据库图像进行比对后完成识别过程。面部识别是基于生物特征的识别方式 ，与指纹识别等传统的识别方式相比，具有实时、准确、高精度、易于使用、稳定性高、难仿冒、性价比高和非侵扰等特性，较容易被用户接受。2.2.1人脸捕获与跟踪功能人脸捕获是指在一幅图像或视频流的一帧中检测出人像并将人像从背景中分离出来，并自动地将其保存。人像跟踪是指利用人像捕获技术，当指定的人像在摄像头拍摄的范围内移动时自动地对其进行跟踪。人脸识别比对：人脸识别分核实式和搜索式二种比对模式。核实式是对指将捕获得到的人像或是指定的人像与数据库中已登记的某一对像作比对核实确定其是否为同一人。搜索式的比对是指，从数据库中已登记的所有人像中搜索查找是否有指定的人像存在。人脸的建模与检索：可以将登记入库的人像数据进行建模提取人脸的特征，并将其生成人脸模板（人脸特征文件）保存到数据库中。在进行人脸搜索时（搜索式），将指定的人像进行建模，再将其与数据库中的所有人的模板相比对识别，最终将根据所比对的相似值列出最相似的人员列表。真人鉴别功能：系统可以识别得出摄像头前的人是一个真正的人还是一幅照片。以此杜绝使用者用照片作假。此项技术需要使用者作脸部表情的配合动作。图像质量检测：图像质量的好坏直接影响到识别的效果，图像质量的检测功能能对即将进行比对的照片进行图像质量评估，并给出相应的建议值来辅助识别。2.2.2面部识别技术原理基本算法-局部特征分析 任何一个面像识别系统的基本要点是如何将面像进行编码。面像识别技术使用局部特征分析LFA来描述面部图象，他源于类似搭建积木的局部统计的原理。 LFA 是基于以下事实的一种计算方法,即所有的面像(包括各种复杂的式样)都可以从由很多不能再简化的结构单元子集综合而成.这些单元使用了复杂的统计技术而形成的,它们代表了整个面像.他们通常跨越多个象素（在局部区域内）并代表了普遍的面部形状,但并不是通常意义上的面部特征。实际上面部结构单元比面像的部位要多得多。 然而,要综合形成一张逼真,精确的面像,只需要整个可用集合中很少的单元子集(12-40特征单元).要确定身份不仅仅取决于特性的单元,还决定于他们的几何结构(比如他们的相关位置）。 通过这种方式,LFA将个人的特性对应成一种复杂的数字表达方式,可以进行对比和识别。 面像识别的步骤： 1）建立面像档案：可以从摄像头采集面像文件或取照片文件，生成面纹（Faceprint）编码即特征向量； 2）获取当前面像，可以从摄像头捕捉面像或取照片输入，生成其面纹； 3）将当前面像的面纹编码与档案中的面纹编码进行检索比对； 4）确认面像身份或提出身份选择 上述整个过程都自动、连续、实时地完成。而且系统只需要普通的处理设备。 门票系统的工作流程为： 自动地在视频数据流中搜索面部图象； 当一个出现用户的头像时； 自动使用多种类型的匹配算法来判断在那个位置是否真的有一张脸。这些算法能够精确地探测出同时出现的多张脸，并且能够确定他们的准确位置；一旦探测到一张脸，这张脸的图象就会被从背景中分离出来，这幅图象随后将经过一系列的特殊处理来恢复它的尺寸、光线、表情和姿态。 将这幅脸部图象在系统内部转换面纹，它包含了这张脸的特有信息； 通过把实时获取的面纹和数据库中已有的面纹进行比对； 完成对某张脸进行确认。 “面纹”编码方式是根据脸部的本质特征和形状来工作的，它可以抵抗光线、皮肤色调、面部毛发、发型、眼镜、表情和姿态的变化，具有强大的可靠性，使得它可以从百万人中精确地辨认出一个人。 上述整个过程都自动、连续、实时地完成。而且系统只需要普通的处理设备。2.2.3精准度与识别率对于任何一种生物识别技术，其主要精确度指标包括：错误接受率（FAR）、错误拒绝率（FRR）和相等错误率（EER），其测试结果与所运行的分析数据库（源）有密切关系。 本系统用于FERET数据库（该数据库由美国军事研究实验室提供）时所获得的FAR和FRR的大小。 对FAR和FRR曲线交叉点进行了放大，我们可以看到这里EER=0.68%。 该测试结果证明，本系统的识别模块精确度达到国际产品的最先进水平。2.4 其他技术指标 操作平台：WINDOWS95/98/2000/NT（大部分功能可以应用于UNIX和LINUX），允许使用INFORMIX 数据库实现一对多的搜索。 输入：可以使用多种图象信号，包括照片，实况或录象片，数字图形文件，以及人工绘制的图象 速度：头部查找-根据场景的复杂程度，50MS-300MS 一对一的匹配：=1S 一对多的匹配：从内存中运行每分钟6千万次，从硬盘中每分钟1千5百万次 面纹大小：84字节 数据库容量：从技术上说可以支持无限数量的记录 移动：可以捕捉移动和静止的面像 姿势：正面头像是最佳的工作位置，但只要能同时看到两只眼睛就可以识别面像。极限为45度。姿势变化在15度的范围内不会影响识别效果。从15度到35度，会有少量失真。超过35度，将发生严重的失真。 种族和性别：与种族，性别无关。并不从面像区分是同类或异类人口。 变化因素的影响：算法运算主要针对面像的本质性区域，而且内在结构部分可以不受面部的自然改变影响。其结果是当表情，面部头发，发型，年龄等改变后，软件仍能很好的正常运行 眼镜：无论是否戴眼镜都可以正确识别（只要双眼可见而且没有受到反光的影响） 光线：对光线和背景没有特殊的要求，在周围光源有满反射时工作状况最好。另外，在物体没有反光时效果最好，但这可以通过对摄象机的调节来补偿。总之，只要是人的双眼能识别的图象，都可以进行识别。 背景：可以在平淡的或杂乱的各种背景下识别面像，识别过程完全与背景无关。 图象色彩，灰度和分辨率：对彩色和黑白照片效果相同，最少要求8字节的深度和320*240的分辨率 头部尺寸：最小可以发现20*30象素的面像或在整个图象区域中占有少于1%的面像。面部图象的分辨率对识别性能影响不大。当头部大小在80*120象素时达到最佳效果。2.2.4Kinect捕捉3D图像第三章 系统模块设计与实现3.1 GSM模块3.1.1 GSM模块简介 GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。因此，GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。 开发人员使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：发送短信，拨打电话，GPRS拨号上网等。基于GSM模块产品的开发往往都是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。有些GSM模块具有“开放内置平台”功能，可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。 在家庭，可以安装无线报警系统，一旦发生火情或盗窃行为，可以立即通知户主和报警；在国外，很多老人小孩带了个人跟踪器，防止老人和小孩走失或意外发生，里面也是集成了GSM模块。可以说，随着GSM的网络建设的完善，GSM模块的应用范围也越来越广。3.1.2 GSM工作原理本产品目前采用SIM900A mini板，来完成此功能。下面为SIM900A mini板的介绍：电源： 模块的工作电压范围在3.54.5 V，且提供的电流要达到1.5A 以上。推荐DC 4V给模块供电。如果您购买了我们配套的稳压模块，请将输出调到4V左右（可空载调整输出电压）。如果您手里有5V 2A的电源，也可以串接一个二极管，使输出达到模块工作电压范围。天线： 要使模块性能很好的发挥，需要接入天线。确定SIM900Amini板串口选择端已经用短路帽连接好。注意旁边有丝印标出每个插针的所对应的意义。（在使用单片机对SIM900A进行控制时，可将MCU的TXD 连接到SIM900A 的SIMR，将MCU 的RXD链接到SIM900A 的SIMT上，GND 连接到GND上）。六根插针按图中方向依次如下表所示： SIMR(SIM900A RXD) TTL SIMT (SIM900A TXD) TTL R(MAX232 TIN) TTL T(MAX232 ROUT) TTL GND GND 发送一条短信：每条指令跟测试时的指令都是一样的，但注意发送 1A 指令。 一、 向手机1512432672发送一条英文短信，一定要保证开发板测试成功，即保证模块正常读取SIM 卡，连接上网络。 a 设置短信提示功能输入指令：AT+CNMI=2,1 再按 ENTER 键后点“手动发 送”：指令功能是短信提示，状态有 OK 回复； b 再输入：AT+CMGF=1按 ENTER 键，“手动发送”功能是英文方式 发送，状态有OK回复； c 再输入：AT+CMGS=，按 ENTER 键，“手动发送” 功能是发送接收的手机号码； d 再输入英文短信的内容 如 HELLO。（不用加回车） e 最后输入 1a (1A)，按 16 进制发送。（不是加回车） 完整过程GSM模块电路图：3.1.3 SIM简介及原理 SIM卡的原理SIM卡是带有微处理器的芯片，内有5个模块，每个模块对应一个功能：CPU(8位/16位/32位)、程序存储器ROM、工作存储器RAM、数据存储器EEPROM和串行通信单元，这5个模块集成在一块集成电路中。SIM卡在与手机连接时，最少需要5个连接线：*电源(Vcc) *时钟(CLK) *数据I/O口(Data) *复位(RST) *接地端(GND)sim卡验证过程1.手机向网络发出入网请求2.网络回复一随机字符串3.手机接收，并将其交给SIM卡，4.卡片按照片内算法进行计算，得到结果返回手机SIM卡内部结构SIM卡是一个装有微处理器的芯片卡，它的内部有5个模块，并且每个模块都对应一个功能：微处理器CPU（8位）、程序存储器ROM（38kbit）、工作存储器RAM（616kbit）数据存储器EEPROM（128256kbit）和串行通信单元。这5个模块被胶封在SIM卡铜制接口后与普通IC卡封装方式相同。这5个模块必须集成在一块集成电路中，否则其安全性会受到威胁，因为芯片间的连线可能成为非法存取和盗用SIM卡的重要线索。SIM卡的供电分为5V（1998年前发行）、5V与3V兼容、3V、1.8V等，当然这些卡必须与相应的手机配合使用，即手机产生的SIM卡供电电压与该SIM卡所需的电压相匹配。SIM卡插入手机后，电源端口提供电源给SIM卡内各模 块。检测SIM卡存在与否的信号只在开机瞬时产生，当开机检测不到SIM卡存在时，将提示“插入SIM卡”；如果检测SIM卡已存在，但机卡之间的通信不能实现，会显示“检查SIM卡”；当SIM卡对开机检测信号没有响应时，手机也会提示“插入SIM卡”；当SIM卡在开机使用过程中掉出、由于松动接触不良或使用报废卡时，手机会提示“SIM卡错误”。SIM卡的存储容量有8KB、16KB、32KB、64KB、甚至1MB等。多为16KB和32KB。SIM卡能够储存多少电话号码和短信取决于卡内数据存储器EEPROM的容量。3.2 Wifi通信模块WIFI技术的成熟，家电智能化，产生了串口wifi模块诞生。它是新一代嵌入式WiFi模块，体积小，功耗低。采用UART接口。串口wifi模块是基于通用串行接口特性，符合IEEE802.11 协议栈网络标准，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网（WIFI）3个接口之间的任意透明转换，使传统串 口设备更好的加入无线网络。通过串口WiFi模块 ，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet 网络传输自己的数据。3.2.1 Wlan技术WLAN是英文WirelessLAN的缩写，就是无线局域网的意思。无线以太网技术是一种基于无线传输的局域网技术，与有线网络技术相比，具有灵活、建网迅速、个人化等特点。将这一技术应用于电信网的接入网领域，能够方便、灵活地为用户提供网络接入，适合于用户流动性较大、有数据业务需求的公共场所、高端的企业及家庭用户、需要临时建网的场合以及难以采用有线接入方式的环境等。3.2.2 802.11概述作为全球公认的局域网权威，IEEE802工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领域独领风骚。这些协议包括了802.3Ethernet协议、802.5TokenRing协议、802.3z100BASET快速以太网协议。在1997年，经过了7年的工作以后，IEEE发布了802.11协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。 在1999年9月，他们又提出了802.11bHighRate协议，用来对802.11协议进行补充，802.11b在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率。利用802.11b，移动用户能够获得同Ethernet一样的性能、网络吞吐率、可用性。这个基于标准的技术使得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构造自己的网络，满足他们的商业用户和其他用户的需求。802.11协议主要工作在ISO协议的最低两层上，并在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。 主要内容： 1.802.11工作方式 2.802.11物理层 3.802.11b的增强物理层 4.802.11数字链路层 5.联合结构、蜂窝结构和漫游3.3可变焦摄像头摄像头可分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主，市场上可见的大部分都是这种产品。除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但还不是主流。由于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高，而且不能满足BSV液晶拼接屏接口等原因，USB接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此市场USB接口的数字摄像头。模拟摄像头可和视频采集卡或者USB视频采集卡配套使用，很方便的跟电脑连接使用，典型应用是一般的录像监控摄像头（webcam）一般具有视频摄影/传播和静态图像捕捉等基本功能，它是借由镜头采集图像后，由摄像头内的感光组件电路及控制组件对图像进行处理并转换成电脑所能识别的数字信号，然后借由并行端口或USB连接输入到电脑后由软件再进行图像还原。3.4温湿度传感器由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿度一体的传感器就会相应产生。 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。 市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。温湿度传感器温度：度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一。在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的，人们的生活也和他密切相关。湿度：湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。日常生活中最常用的表示湿度的物理量是