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2018基于人脸识别的智能家居.rar

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    编号:20180825165138300    类型:共享资源    大小:28.69MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-25
      
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    2018 基于 识别 智能家居
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    浙 江 科 技 学 院本 科 毕 业 设 计( 2018 届 )题 目 基 于 人 脸 识 别 的 智 能 家 居控 制 系 统 设 计学 院 自 动 化 与 电 气 工 程 学 院专 业 建 筑 电 气 及 智 能 化班 级建 智 161(专 升 本 )学 号 3160351027学 生 姓 名 王 钧 益指 导 教 师 郑 永 平完 成 日 期 2018 年 05 月 20 日浙 江 科 技 学 院本 科 毕 业 设 计(2018 届 )题 目 基 于 人 脸 识 别 的 智 能 家 居控 制 系 的 设 计学 院 自 动 化 与 电 气 工 程 学 院专 业 建 筑 电 气 及 其 智 能 化班 级 建 智 161(专 升 本 )学 号 3160351027学 生 姓 名 王 钧 益指 导 教 师 郑 永 平完 成 日 期 2018 年 05月 20日浙 江 科 技 学 院 毕 业 设 计I摘 要智 能 家 居 控 制 系 统 以 嵌 入 式 系 统 为 设 计 平 台 , 通 过 智 能 家 居 控 制 终 端 实 现 对 家 居 设 备 的 集 中控 制 , 但 是 目 前 极 少 数 有 能 将 人 脸 识 别 技 术 融 入 到 智 能 家 居 的 控 制 系 统 中 的 方 案 与 设 计 , 本 课 题设 计 的 基 于 人 脸 识 别 的 智 能 家 居 控 制 系 统 , 将 在 图 像 识 别 和 通 讯 方 面 , 起 到 帮 助 作 用 , 本 设 计 主要 用 在 小 区 住 宅 的 家 居 生 活 领 域 , 为 人 们 的 生 活 带 来 便 利[1]。本 设 计 旨 在 研 发 一 个 基 于 人 脸 识 别 的 智 能 家 居 控 制 系 统 ,主 要 由 人 脸 识 别 控 制 器 (上 位 机 )和家 居 控 制 器 ( 下 位 机 ) 两 部 分 组 成 , 人 脸 识 别 控 制 器 里 中 可 以 事 先 录 入 家 庭 成 员 的 人 脸 模 型 和 相应 的 生 活 习 惯 ,然 后 开 启 摄 像 头 对 家 庭 环 境 进 行 实 时 检 测 ,进 行 家 庭 成 员 身 份 的 鉴 定 , 将 信 息 情 况和 控 制 参 数 打 包 成 数 据 包 , 发 送 给 家 居 控 制 器 , 家 居 控 制 器 会 根 据 检 测 到 的 用 户 身 份 发 出 开 门 的信 号 ,通 过 继 电 器 模 块 对 家 用 电 器 进 行 状 态 的 切 换 , 自 动 打 开 用 户 所 需 要 的 开 关 电 器 , 调 节 用 户工 作 区 域 的 灯 光 , 提 高 了 人 们 的 生 活 的 安 全 和 质 量 。本 设 计 的 人 脸 识 别 是 通 过 harr 级 联 分 类 器 对 人 脸 区 域 进 行 筛 选 , 建 立 人 脸 样 本 数 据 集 , 然后 通 过 LBP人 脸 识 别 算 法 建 立 人 脸 模 型 , 最 后 通 过 统 计 直 方 图 来 预 测 人 脸 的 相 似 度 。 识 别 信 息 通过 串 口 传 输 给 STM32 单 片 机 , 单 片 机 通 过 GPIO 对 三 极 管 的 控 制 来 控 制 继 电 器 的 通 断 , 从 而 来 实现 家 居 状 态 的 切 换 , 家 庭 成 员 的 控 制 要 求 通 过 内 部 flash 储 存 , 实 现 断 电 保 存 。 人 脸 识 别 的 人 机相 互 界 面 通 过 QT 来 编 写 , 保 证 各 功 能 的 低 耦 合 。通 过 各 模 块 硬 件 和 软 件 程 序 算 法 的 调 试 , 本 设 计 最 终 实 现 了 在 人 机 交 互 方 式 下 进 行 目 标 人 脸的 录 入 和 人 脸 模 型 的 训 练 与 存 储 , 对 目 标 人 脸 能 进 行 成 功 进 行 识 别 并 具 有 一 定 的 精 度 。 触 摸 屏 能对 家 居 状 态 的 手 动 控 制 , 也 能 根 据 人 脸 识 别 控 制 器 的 检 测 信 息 对 家 居 状 态 进 行 自 动 控 制 , 比 如 家门 的 开 关 , 房 间 灯 光 的 控 制 , 各 种 家 用 开 关 电 器 根 据 不 同 的 家 庭 成 员 呈 现 不 同 的 控 制 方 案 。关 键 词: 人 脸 识 别 ; 智 能 家 居 ; openCV浙 江 科 技 学 院 毕 业 设 计IIAbstractIntelligent home control system based on embedded system platform design, throughthe smart home control terminal to realize centralized control of household equipment, butthere are a few can blend in facial recognition technology to smart home control system inthe plan and design, this topic design of smart home control system based on facerecognition, will be in terms of image recognition and communication, help, this design ismainly used in the field of residential area of household life, bring convenience forpeople'slife.This design aims to develop a smart home control system based on face recognition,mainly composed of face recognition controller (PC) and home controller (a machine) intwo parts, the face recognition in the controller can advance entry in family members facemodel and the corresponding living habits, and then open the camera for homeenvironment for real-time detection, identification of status of family members, theinformation will be packaged into packets and control parameters, sent to the homecontroller, household controller will according to the detected signal that open the door,user identity by changing the state of relay module for household electricalappliances,Automatic opening of the user's required switch appliances, adjust the lightingoftheuser'sworkingarea,andimprovethesafetyandqualityofpeople'slives.This design of face recognition is through the harr filtered cascade classifier for faceregion, establish facial sample data sets, and then face model is set up by LBP facerecognition algorithm, at last, through statistical histogram can be used to predict thesimilarity of the face.Identifying information via a serial port transmission to the STM32MCU, MCU through GPIO to transistor on-off control to control the relay, thus to realizethe home state switch, control requirements for family members through internal flashstorage, for power saving.The human-computer interface of face recognition is written byQTtoensurethelowcouplingofeachfunction.Through the module debugging of hardware and software algorithm, finally achievedthe design target human face under the man-machine interactive way of inputting andfacial model training and storage, identification of target human face can successfully andhas a certain accuracy.Touch screen to be resided to the home state of manual control, canalso according to the face recognition of the controller test information to the automaticcontrol of household status, such as the door switch, lighting control room, all kinds ofswitch household electrical appliances, according to different family members presentdifferentcontrolscheme.K eywords: Facerecognition;Smarthome;openCV浙 江 科 技 学 院 毕 业 设 计III目 录摘 要 ....................................................................................................................................IAbstract..............................................................................................................................II1 绪 论 ..................................................................................................................................11.1 人 脸 识 别 与 智 能 家 居 的 发 展 现 状 ............................................................................................11.2 openCV 的 人 脸 识 别 库 和 STM32 的 外 设 资 源 ...........................................................................21.3 本 设 计 的 主 要 内 容 ....................................................................................................................22 设 计 方 案 选 择 ..................................................................................................................42.1 人 脸 识 别 算 法 的 选 择 ................................................................................................................42.2 控 制 器 的 选 择 ............................................................................................................................52.3 人 机 交 互 的 设 计 ........................................................................................................................52.4 总 体 方 案 设 计 ............................................................................................................................73 系 统 整 体 架 构 ..................................................................................................................83.1 系 统 总 体 架 构 ............................................................................................................................83.2 运 行 流 程 ....................................................................................................................................93.3 硬 件 组 成 ....................................................................................................................................94 人 脸 识 别 的 实 现 和 通 讯 协 议 ........................................................................................124.1 辨 识 图 像 中 的 人 脸 ..................................................................................................................124.2 建 立 人 脸 模 型 ..........................................................................................................................134.2.1 提 取 人 脸 样 本 ..............................................................................................................144.2.2 模 型 训 练 ......................................................................................................................154.3 识 别 目 标 人 脸 ..........................................................................................................................154.4 通 讯 协 议 ..................................................................................................................................175 下 位 机 的 实 现 与 信 息 的 存 储 ........................................................................................195.1 UCOS控 制 任 务 的 分 配 .............................................................................................................195.1.1 触 摸 屏 任 务 ..................................................................................................................195.1.2 EMWIM界 面 任 务 ...........................................................................................................215.1.3 通 讯 任 务 ......................................................................................................................215.1.4 家 居 控 制 任 务 ..............................................................................................................225.2 内 部 flash 的 规 划 ..................................................................................................................236 调 试 ................................................................................................................................247 非 技 术 因 素 的 考 虑 与 方 案 评 估 ....................................................................................277.1 本 课 题 对 非 技 术 因 素 的 考 虑 ..................................................................................................277.2 技 术 方 案 的 合 理 性 评 估 ..........................................................................................................277.2.1 技 术 层 面 的 方 案 评 估 ..................................................................................................277.2.2 非 技 术 侧 面 的 方 案 评 估 ..............................................................................................28结 论 ......................................................................................................................................29致 谢 ......................................................................................................................................30参 考 文 献 ..............................................................................................................................31附 录 实 物 图 ......................................................................................................................32附 录 核 心 程 序 ..................................................................................................................33浙 江 科 技 学 院 毕 业 设 计11 绪 论1.1 人 脸 识 别 与 智 能 家 居 的 发 展 现 状智 能 家 居 系 统 是 人 们 的 一 种 居 住 环 境 , 以 住 宅 为 平 台 安 装 有 智 能 家 居 系 统 , 实 现 家 庭 生 活 更加 安 全 , 节 能 , 智 能 , 便 利 和 舒 适 , 智 能 家 居 是 一 个 科 技 含 量 非 常 高 的 行 业 , 智 能 家 居 具 有 巨 大的 发 展 潜 力 以 及 广 阔 的 发 展 前 景[2]。 智 能 家 居 的 主 要 目 标 , 就 是 使 住 户 的 家 居 生 活 变 的 更 加 的 方便 , 简 单 , 进 一 步 提 高 住 户 在 家 居 生 活 中 的 舒 适 感 , 安 全 感 , 满 足 住 户 在 生 活 方 面 的 各 种 需 求 。在 新 加 坡 有 近 30 个 社 区 , 近 5000户 的 家 庭 采 用 了 “ 家 庭 智 能 化 系 统 ” , 美 国 已 有 近 40000户 家庭 安 装 了 这 一 类 的 “ 家 庭 智 能 化 系 统 ” 。 目 前 , 国 内 智 能 家 居 生 态 圈 的 发 展 尚 处 于 雏 形 阶 段 , 智能 家 居 相 关 的 推 广 形 式 暂 不 成 熟 。 自 动 控 制 的 低 效 , 产 品 互 联 的 壁 垒 , 平 台 兼 容 的 缺 乏 是 当 前 智能 家 居 推 广 困 难 的 原 因 所 在 。人 脸 识 别 问 题 起 源 于 1888 年 和 1910 年 在 Nature 上 发 表 的 两 篇 人 脸 相 关 的 文 献 , 随 着 计算 机 的 出 现 和 高 速 发 展 , 人 脸 的 自 动 化 识 别 已 成 为 人 类 身 份 鉴 别 的 一 个 重 要 手 段 。 其 中 ,基 于 视频 的 人 脸 识 别 技 术 在 当 前 真 实 监 控 环 境 下 , 在 公 共 安 全 和 商 业 应 用 领 域 有 广 阔 的 前 景 , 受 到 社 会各 界 的 关 注 和 认 可 。 动 态 人 脸 识 别 主 要 由 人 脸 检 测 、 人 脸 跟 踪 、 人 脸 特 征 提 取 和 人 脸 识 别 等 几 个关 键 模 块 组 成 。 人 脸 识 别 经 过 多 年 的 研 究 , 其 核 心 技 术 有 了 长 足 的 发 展 , 针 对 室 内 可 控 环 境 的 静态 高 清 人 脸 识 别 技 术 已 经 日 趋 成 熟 并 逐 渐 投 入 使 用 [3]。 然 而 , 在 现 实 的 监 控 环 境 中 , 由 于 视 频 人脸 图 像 往 往 存 在 分 辨 率 偏 低 、 非 均 匀 光 照 、 多 姿 势 、 非 中 性 表 情 等 因 素 的 干 扰 , 其 成 像 质 量 不 能达 到 静 态 人 像 识 别 的 建 议 标 准 , 对 人 脸 识 别 系 统 的 要 求 提 出 了 非 常 大 的 挑 战 。现 有 的 智 能 家 居 安 防 监 控 系 统 与 人 脸 识 别 技 术 系 统 所 应 用 的 控 制 逻 辑 和 算 法 大 致 相 同 的 , 智能 家 居 监 控 系 统 实 际 应 用 所 产 生 的 视 频 流 信 息 也 正 是 人 脸 识 别 技 术 系 统 所 需 要 的 数 据 源 信 息 , 但是 目 前 二 者 结 合 存 在 系 统 实 现 方 面 的 障 碍 , 目 前 的 智 能 家 居 只 能 设 定 固 有 的 情 景 模 式 , 在 相 对 死板 的 传 感 器 检 测 下 进 行 控 制 , 而 且 每 一 种 控 制 不 会 针 对 家 庭 成 员 的 不 同 而 产 生 不 同 的 控 制 效 果 。本 设 计 在 智 能 家 居 控 制 系 统 中 应 用 人 脸 识 别 技 术 , 可 以 针 对 用 户 的 需 求 , 录 入 针 对 不 同 成 员 的 控制 模 式 。 人 脸 识 别 控 制 器 和 智 能 家 居 控 制 器 的 结 合 , 使 家 庭 环 境 的 监 控 和 控 制 更 加 灵 活 , 可 以 对不 同 的 家 庭 成 员 实 现 不 同 的 控 制 方 案 。 实 现 人 脸 识 别 技 术 与 智 能 家 居 控 制 系 统 的 结 合 , 对 加 大 监控 系 统 的 智 能 化 由 重 大 的 意 义 , 也 是 智 能 家 居 发 展 的 迫 切 需 要 , 人 脸 等 图 像 环 境 分 析 的 加 入 显 著浙 江 科 技 学 院 毕 业 设 计2的 提 升 了 智 能 家 居 系 统 的 智 能 化 程 度 。1.2 openCV 的 人 脸 识 别 库 和 STM32 的 外 设 资 源openCV 是 开 源 的 跨 平 台 的 计 算 机 视 觉 库 , 它 的 全 称 是 : Open Source Computer VisionLibrary, 采 用 c/c++编 写 , 可 以 运 行 在 linux/windows/mac 等 操 作 系 统 上 。 它 使 用 宽 松 的 BSD开 源 协 议 , 在 遵 守 协 议 的 情 况 下 , 允 许 生 成 商 业 产 品 , 不 必 开 发 源 代 码 。 它 有 着 丰 富 的 算 法 库 进行 人 脸 识 别 操 作 ,并 且 代 码 开 源 ,可 以 自 行 更 改 底 层 的 算 法 ,提 高 算 法 的 效 率 和 精 度 。 openCV 提 供了 物 体 检 测 的 功 能 , 训 练 后 能 够 它 检 测 出 任 何 你 需 要 的 东 西 。 检 测 器 的 级 联 组 成 检 测 引 擎 。 这 些检 测 器 称 为 Haar 特 征 检 测 器 , 它 们 各 自 具 有 不 同 的 尺 度 和 权 重 。 在 训 练 阶 段 , 决 策 树 会 通 过 已知 的 正 确 和 错 误 的 图 片 进 行 优 化 。 openCV人 脸 识 别 算 法 有 : 基 于 PCA的 特 征 脸 ( Eigenfaces) 识别 方 法 , 基 于 Fisher 鉴 别 准 则 的 Fisherfaces人 脸 识 别 方 法 和 局 部 二 值 模 式 直 方 图 (LBPH)等 ,并 且 具 有 较 高 的 准 确 性 , 因 此 基 于 平 台 非 常 适 合 进 行 人 脸 识 别 系 统 的 开 发 。STM32系 列 是 专 为 要 求 高 性 能 、 低 成 本 、 低 功 耗 的 嵌 入 式 应 用 专 门 设 计 的 , 其 中 有 ARMCorteM3,M4和 M7 等 内 核 , ST公 司 针 对 它 们 的 芯 片 编 写 了 库 函 数 , 它 拥 有 GPIO、 TIM、 CAN、 I2C、 SPI、 UART和 ADC等 的 所 有 的 标 准 外 设 。 使 用 固 件 库 的 开 发 模 式 , 能 让 开 发 者 不 用 关 心 STM32 的 各 个 寄 存 器的 定 义 和 操 作 , 只 要 直 接 调 用 固 件 库 的 函 数 就 能 完 成 相 应 的 功 能 , 很 容 易 上 手 , 大 大 加 快 开 发 进度 。 其 中 串 口 、 GPIO、 定 时 器 、 I2C、 SRAM 等 外 设 正 是 我 设 计 中 所 需 要 的 。 并 且 与 其 他 单 片 机 相比 , 它 拥 有 着 比 较 大 容 量 的 内 部 flash。1.3 本 设 计 的 主 要 内 容本 设 计 要 完 成 的 主 要 任 务 有 :1: 人 脸 检 测 算 法 的 应 用 , 根 据 需 求 完 成 控 制 器 选 型 、 算 法 测 试 、 软 硬 件 数 据 处 理 工 作 。2: 目 标 人 脸 的 采 集 和 人 脸 模 型 的 训 练 。 在 人 机 交 互 方 式 下 进 行 目 标 人 脸 的 录 入 和 人 脸 模 型的 训 练 与 存 储 , 实 现 能 对 目 标 人 脸 进 行 识 别 并 具 有 一 定 的 精 度 。3: 人 机 界 面 设 计 。 根 据 普 通 用 户 需 求 设 计 人 机 交 互 方 式 , 实 现 简 单 直 观 的 操 作 方 式 。4: 家 居 的 控 制 功 能 设 计 。 完 成 触 摸 屏 对 家 居 状 态 的 独 立 控 制 , 并 根 据 人 脸 识 别 控 制 器 的 反馈 信 息 对 家 居 进 行 自 动 控 制 。本 设 计 旨 在 研 发 一 款 基 于 人 脸 识 别 的 智 能 家 居 控 制 模 块 ,事 先 设 定 好 家 庭 成 员 的 人 脸 模 型 和浙 江 科 技 学 院 毕 业 设 计3相 应 的 生 活 习 惯 ,然 后 开 启 摄 像 头 对 家 庭 环 境 实 时 进 行 检 测 ,家 电 会 根 据 检 测 到 的 人 脸 自 动 进 行状 态 的 切 换 和 自 动 控 制 。本 设 计 利 用 摄 像 头 对 图 像 进 行 采 集 , 利 用 harr 级 联 分 类 器 将 视 频 中 的 图 像 中 的 人 脸 提 取 出来 , 使 用 python语 言 和 QT_designer 工 具 设 计 可 视 化 上 位 机 界 面 , 使 用 人 脸 算 法 建 立 人 脸 模 型 ,并 训 练 录 入 的 人 脸 模 型 , 实 现 对 目 标 人 脸 的 检 测 和 识 别 , 使 用 C 语 言 和 GUIBuilder 工 具 编 写 下位 机 可 视 化 界 面 , 使 用 C 语 言 和 MDK5开 发 环 境 编 写 智 能 家 具 控 制 程 序 ,使 用 开 关 器 件 对 通 断 进 行控 制 , 使 用 PWM波 调 节 电 机 的 转 速 与 灯 光 的 亮 度 。本 设 计 的 上 位 机 的 人 机 界 面 由 QT 编 写 , 算 法 的 分 析 由 ARMv8 架 构 的 四 核 处 理 器 处 理 , 下 位机 的 人 机 界 面 通 过 移 植 UCOS/GUI 实 现 ,用 户 可 通 过 界 面 开 启 摄 像 头 采 集 图 像 ,录 入 并 记 录 家 庭 成员 的 人 脸 模 型 , 人 脸 识 别 算 法 由 Harr级 联 分 类 器 和 LBPH识 别 算 法 构 成 ; 下 位 机 的 GUI也 可 以 直接 或 间 接 的 控 制 家 居 的 状 态 , 家 居 的 控 制 主 要 是 由 STM32 主 控 芯 片 、 电 源 模 块 、 继 电 器 模 块 、 电压 控 制 模 块 、 电 流 控 制 模 块 、 电 机 控 制 模 块 和 通 讯 模 块 构 成 。 当 开 启 自 动 模 式 时 , 摄 像 头 开 始 实时 采 集 家 内 环 境 , 当 预 测 出 模 型 中 的 正 确 人 脸 时 , 将 命 令 数 据 包 发 送 给 智 能 家 居 控 制 器 , 控 制 器根 据 预 先 设 定 好 的 业 务 逻 辑 对 相 应 的 家 电 进 行 状 态 控 制 ,最 终 实 现 了 人 脸 识 别 技 术 与 智 能 家 具 控制 模 块 的 交 互 , 并 满 足 识 别 与 控 制 的 准 确 和 稳 定 性 。浙 江 科 技 学 院 毕 业 设 计42 设 计 方 案 选 择本 设 计 主 要 分 为 人 脸 识 别 部 分 ( 上 位 机 ) 和 家 居 控 制 部 分 ( 下 位 机 ) 。 上 位 机 用 于 做 人 脸 的检 测 和 家 庭 环 境 的 监 控 , 需 要 大 内 存 的 控 制 器 和 高 效 的 人 脸 识 别 算 法 ; 下 位 机 用 于 家 中 门 禁 、 用电 器 、 灯 光 等 家 居 环 境 的 控 制 , 需 要 低 功 耗 的 单 片 机 控
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