章國(guó)華

應(yīng)用研究

基于組態(tài)軟件和人臉識(shí)別算法的電梯運(yùn)行仿真設(shè)計(jì)

章國(guó)華

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050）

以O(shè)penCV 4.0.0和KingView 6.5.5軟件為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，提出了組態(tài)軟件下的電梯人臉識(shí)別仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)仿真程序驗(yàn)證了人臉識(shí)別算法的可行性，OpenCV4.0.0和KingView 6.55軟件間的通信用虛擬串口軟件實(shí)現(xiàn)，最后加入了數(shù)據(jù)管理，完整地實(shí)現(xiàn)了電梯的人臉識(shí)別電梯仿真系統(tǒng)。

人臉識(shí)別 組態(tài) 電梯 仿真

0 引言

人臉識(shí)別，是用攝像機(jī)或攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流，并在圖像中自動(dòng)檢測(cè)和跟蹤人臉，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行識(shí)別，是一種基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的生物識(shí)別技術(shù)。

在樓宇中人們最主要的搭乘工具是電梯，出于安全考慮，有電梯進(jìn)入的控制需求，因此把人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在電梯系統(tǒng)中，專門針對(duì)樓宇電梯安全防范而設(shè)計(jì)電梯控制系統(tǒng)，給樓宇電梯的安全性和實(shí)用性帶來(lái)重大的變化[1]。

1 仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1 OpenCV+VS2019環(huán)境構(gòu)建

首先是OpenCV的版本選擇。不同版本的Visual Studio需配置不同版本的OpenCV，通過(guò)查閱資料，其對(duì)應(yīng)關(guān)系：VC15->VS2016 ( VS高版本可以配置低的VC，但低的VC版不能配置高的VS)，這里我選擇安裝的是VS2019，安裝的OpenCV版本是OpenCV4.0.0。

接著就是下載OpenCV，雙擊下載的OpenCV4.0.0.exe，選擇你熟悉的路徑解壓，也就是安裝路徑，根據(jù)VS2019工程的要求配置Path系統(tǒng)環(huán)境變量，即編輯path，把之前解壓好的OpenCV路徑下的bin路徑添加到Path系統(tǒng)環(huán)境變量中。接著在VS2019中配置OpenCV。軟件環(huán)境準(zhǔn)備好后，就開(kāi)始新建工程，設(shè)計(jì)人臉識(shí)別程序。主要結(jié)構(gòu)如下：

int main(void)

{

VideoCapture capture(0);//加載相機(jī)

init_comm();//串口初始化

UpdateDatabase(capture);//更新數(shù)據(jù)庫(kù)

Train_model();//訓(xùn)練

FaceRecog(capture);//識(shí)別

return 0;

}

本控制軟件使用了AT&TFacedatabase人臉數(shù)據(jù)庫(kù)，人臉庫(kù)中有40個(gè)文件夾，分別對(duì)應(yīng)著40個(gè)人，其中每人10張表情不同的照片。每張照片在不同時(shí)間、不同光照、不同表情(睜眼閉眼、笑或者不笑)、不同人臉細(xì)節(jié)(戴眼鏡或者不戴眼鏡)下采集。其中所有的圖像都在一個(gè)黑暗均勻的背景下采集的，而且正面豎直人臉(有些有輕微旋轉(zhuǎn))。在更新數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)（UpdateDatabase(capture)），將新增的人臉數(shù)據(jù)按順序依次加入到原始數(shù)據(jù)庫(kù)中，增加相應(yīng)的編號(hào)，這新增的編號(hào)是后面識(shí)別時(shí)要用到的編號(hào)，同時(shí)更新標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)更新采用手動(dòng)方式或自動(dòng)兩種方式，采集10張人臉圖片，手動(dòng)方式便于使圖片有不同的表情，增加識(shí)別可靠性，自動(dòng)方便程序的調(diào)試運(yùn)行。

接著就是對(duì)擴(kuò)展了的人臉數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練（Train_model()），OpenCV現(xiàn)有三種訓(xùn)練方式，分別是Eigenfaces特征臉，F(xiàn)isherfaces線性判別，LocalBinary Patterns Histograms局部二值直方圖。本次將三種算法都加入到軟件中，可以驗(yàn)證不同算法適用性。

有了數(shù)據(jù)庫(kù)的訓(xùn)練后，最終目標(biāo)就是識(shí)別（FaceRecog(capture)），當(dāng)攝像頭采集到含有人臉的視頻時(shí)，會(huì)選取一張圖片進(jìn)行識(shí)別，如果識(shí)別到是數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖片，則輸出其相應(yīng)的編號(hào)，隨后到標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)中找到相應(yīng)圖片對(duì)應(yīng)的名字，顯示在視頻中的人臉上，完成了識(shí)別。

本控制軟件還有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)管理，在文本文件中錄入電梯乘客的個(gè)人信息，包括姓名、所去樓層、使用電梯的期限等必備信息，這些信息便于兩個(gè)軟件關(guān)于乘客信息的交流和相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)，識(shí)別出人臉后，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找是否有此人，數(shù)據(jù)庫(kù)中有，則判斷此人外出還是回家，決定所要去樓層，這時(shí)就將電梯要運(yùn)行樓層信息發(fā)給電梯運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電梯定向和選層。

1.2 組態(tài)王電梯控制仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于是電腦仿真，受界面大小的影響，電梯設(shè)計(jì)成三層樓的形式，技術(shù)上三層與多層基本原理沒(méi)有多大差別，只是復(fù)雜性增加而已。規(guī)劃好電梯結(jié)構(gòu)后，在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

在組態(tài)王KingView軟件中設(shè)計(jì)仿真電梯時(shí)，根據(jù)電梯結(jié)構(gòu)確定電梯控制的輸入輸出變量，并在組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)詞典中定義。定義了變量后，就可在畫面中設(shè)計(jì)電梯并作動(dòng)畫連接，最后組態(tài)王的命令語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制程序，電梯的所有功能都是由程序控制完成的，根據(jù)功能要求去設(shè)計(jì)程序，這需要對(duì)電梯的運(yùn)行原理非常清楚。電梯控制程序邏輯正確是電梯正常運(yùn)行的必要保證，根據(jù)電腦顯示屏分辨率確定電腦中仿真電梯的層數(shù)，通常三層就具有代表性，不能少于三層。接著就是要實(shí)現(xiàn)電梯平層的方式，本文用了上下平層感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)平層，用動(dòng)畫圖形運(yùn)行的距離來(lái)分別觸發(fā)上下平層感應(yīng)器，而且觸發(fā)邊與運(yùn)行的方向有關(guān)。電梯平層時(shí)有一個(gè)平層觸發(fā)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在PLC程序中是一個(gè)執(zhí)行周期，在組態(tài)軟件程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)用計(jì)數(shù)方式替代，效果也一樣。再就是開(kāi)關(guān)門延時(shí)和停站延時(shí)等，也要用計(jì)數(shù)的方式替代實(shí)現(xiàn)。本文電梯控制程序大致分為：傳感器觸發(fā)、轎內(nèi)指令、門廳呼叫、定向、啟動(dòng)、開(kāi)關(guān)門、停站、平層和加減速等幾個(gè)部分。部分程序如下：

1.3 串口通信的實(shí)現(xiàn)

在VS2019中實(shí)現(xiàn)的人臉識(shí)別結(jié)果是乘客在基站應(yīng)識(shí)別所去樓層，乘客不在基站，則要去基站，這些信息要傳給組態(tài)王軟件，用串口通信實(shí)現(xiàn)，所以要設(shè)計(jì)這兩個(gè)軟件的串口通信程序，用組態(tài)王的ascii碼串行通信方式在VS2019中實(shí)現(xiàn)串口通信，根據(jù)組態(tài)王的串行通信協(xié)議來(lái)編寫相關(guān)程序，仿真時(shí)，用Virtual Serial Port Driver（虛擬串口驅(qū)動(dòng)vspd）軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件的串行通信，程序設(shè)計(jì)好后，運(yùn)行前首先要指定好相應(yīng)的端口，程序結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

bool RecOk = 0; //

unsigned char ch[9];

uchar RecBuf[24];

uchar SendBuf[16] = { 0x40,0x30,0x32,0x30,0x31,0x36,0x35,0x30,0x31,0x0d,0x0d,0x0d,0x0d,0x0d,0x0d };//接收組態(tài)王讀的命令后要發(fā)的數(shù)據(jù)

uchar SendBufErr[8] = { 0x40,0x30,0x32,0x2a,0x2a,0x36,0x35,0x0d };//接收錯(cuò)誤

uchar SendBufAck[8] = { 0x40,0x30,0x32,0x23,0x23,0x36,0x35,0x0d };//接收組態(tài)王寫的數(shù)據(jù)正確

uchar SendDat0[NUM_BYTE] = { 0 }, RecDat0[NUM_BYTE];//這是程序中準(zhǔn)備傳遞給組態(tài)王的，可以自行更改

uint SendDat1[NUM_UINT] = { 0 }, RecDat1[NUM_UINT];// VS2019中各有10個(gè)變量與組態(tài)王的對(duì)應(yīng)寄存器

float SendDat2[NUM_FLOAT] = { 0 }, RecDat2[NUM_FLOAT];

串口通信與乘客相關(guān)的數(shù)據(jù)是電梯乘客在注冊(cè)時(shí)錄入，包括姓名，所住樓層，使用電梯的期限等。

2 仿真系統(tǒng)的功能

本電梯實(shí)現(xiàn)的功能：全集選控制運(yùn)行功能（無(wú)司機(jī)，順向截梯），超載保護(hù)功能，超載報(bào)警功能，安全觸板保護(hù)功能，位置異常自動(dòng)校正功能，轎頂檢修功能，轎內(nèi)檢修功能，機(jī)房同檢修功能，無(wú)呼梯自動(dòng)返基站功能，泊梯功能，消防功能，消防迫降和消防員功能，轎內(nèi)指令取消功能，司機(jī)操作功能，最遠(yuǎn)反向截梯功能，轎內(nèi)優(yōu)于轎外功能，安全觸板保護(hù)功能，基站開(kāi)門待客功能，滿載直駛功能，人臉識(shí)別運(yùn)行功能。功能的實(shí)現(xiàn)核心在于弄清人臉識(shí)別算法及做合理的選擇。

3 結(jié)論

本文從仿真的角度出發(fā)，介紹了電梯人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)程序調(diào)試驗(yàn)證了算法正確性和有效性，用程序完整地實(shí)現(xiàn)了電梯人臉識(shí)別仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于人工智能（機(jī)器學(xué)習(xí)）教學(xué)和電梯系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)驗(yàn)證。

[1] 章國(guó)華. 機(jī)電控制技術(shù)實(shí)用教程[M]. 天津大學(xué)出版社, 2009.

Simulation Design of Elevator Operation based on Configuration Software and Face Recognition Algorithm

Zhang Guohua

（Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China）

4.0.06.5.54.0.0

TP391

A

1003-4862（2021）02-0015-03

2020-09-24

章國(guó)華(1964-)，男，副教授。研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)與研究。E-mail: zhangguohua64@outlook.com