智能锁及控制智能锁开启的方法与流程

本发明实施例涉及智能锁技术，尤其涉及一种智能锁及控制智能锁开启的方法。

背景技术：

随着近几年智能社区和智能家居的推广和普及，智能锁也发生这日新月异的变化，智能锁是指区别于传统机械锁，在用户识别、安全性、管理性方面更加智能化的锁具。智能锁是门禁系统中锁门的执行部件。

目前，在智能锁市场中指纹锁以其安全性和便利性占有大量市场，其优点包括：安全性，由于指纹具有唯一性，全世界没有两个完全一样的指纹；方便性，不必携带钥匙，一个人的指纹终身不变，指纹管理非常方便省去了普通锁的配制钥匙的烦恼；可扩展性，可容纳多个指纹，而且可随时登记指纹，管理指纹；识别率高。

虽然，指纹锁具有上述优点，但是，指纹锁仍然存在着以下缺点：指纹容易被复制，以及指纹头扫描面积大，容易被破坏，导致不正当开锁，从而对安全性存在威胁；手指被划破，起皮等现象会引起无法识别。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种智能锁及控制智能锁开启的方法，以提高智能锁的安全性及识别率。

第一方面，本发明实施例提供了一种智能锁，所述智能锁包括：处理器、图像采集模块、红外补光模块、离合器控制模块、机械锁体和电源；

所述图像采集模块与所述处理器连接，用于采集遮挡物的待识别图像，并发送给所述处理器；

所述红外补光模块与所述处理器连接，用于在采集待识别图像时发射红外光；

所述处理器与所述离合器控制模块连接，用于识别所述待识别图像中的人脸，并在所述待识别图像中包括人脸时对所述遮挡物进行活体检测，在检测为活体时，提取所述待识别图像中的人脸特征，与预先存储的人脸特征进行匹配，并在匹配成功时发送开锁控制信号给离合器控制模块；

所述离合器控制模块用于根据所述开锁控制信号，控制驱动机械锁体开锁；

所述电源分别与所述图像采集模块、红外补光模块、处理器和所述离合器控制模块的供电端连接，用于对所述图像采集模块、红外补光模块、处理器和所述离合器控制模块供电。

第二方面，本发明实施例还提供了一种控制智能锁开启的方法，所述方法包括：

通过红外补光模块发射红外光，并通过图像采集模块采集遮挡物的待识别图像，并发送给处理器；

通过处理器检测所述待识别图像中的人脸，并在所述待识别图像中包括人脸时对所述遮挡物进行活体检测，在检测为活体时，提取所述待识别图像中的人脸特征，与预先存储的人脸特征进行匹配，并在匹配成功时发送开锁控制信号给离合器控制模块；

通过离合器控制模块根据所述开锁控制信号控制驱动机械锁体开锁。

本发明实施例的技术方案，通过图像采集模块采集待识别图像，红外补光模块在采集待识别图像时发送红外光，处理器识别待识别图像中的人脸，并在待识别图像包括人脸时进行活体检测，在检测为活体时，提取待识别图像中的人脸特征，与预先存储的人脸特征进行匹配，匹配成功时发送开锁控制信号给离合器控制模块，离合器控制模块控制驱动机械锁体开锁，从而通过人脸识别及活体检测提高了智能锁的安全性及识别率，避免了通过照片进行识别开锁，而且通过红外补光模块可以实现黑暗情况下的识别。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种智能锁的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的智能锁中的电源的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种控制智能锁开启的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种智能锁的结构示意图，本实施例所述的智能锁是通过人脸识别来控制的，如图1所示，本实施例所述的智能锁包括：处理器10、图像采集模块20、红外补光模块30、离合器控制模块40、机械锁体50和电源60。

其中，图像采集模块20与处理器10连接，用于采集遮挡物的待识别图像，并发送给处理器10；

红外补光模块30与处理器10连接，用于在采集待识别图像时发射红外光；

处理器10与离合器控制模块40连接，用于识别所述待识别图像中的人脸，并在所述待识别图像中包括人脸时对所述遮挡物进行活体检测，在检测为活体时，提取所述待识别图像中的人脸特征，与预先存储的人脸特征进行匹配，并在匹配成功时发送开锁控制信号给离合器控制模块40；

离合器控制模块40用于根据所述开锁控制信号，控制驱动机械锁体50开锁；

电源60分别与图像采集模块20、红外补光模块30、处理器10和离合器控制模块40的供电端连接，用于对图像采集模块20、红外补光模块30、处理器10和离合器控制模块40供电。

其中，处理器10和图像采集模块20、红外补光模块30、离合器控制模块40的连接是通过总线连接的，处理10位于核心板上，核心板引出处理器的各个接口，核心板、图像采集模块20、红外补光模块30、离合器控制模块40位于前主板上，通过前主板上的接口连接。电源位于后主板上，通过预留的接口与前主板上的各个模块连接。后主板上还包括通道开关和电子锁开关，通道开关打开时不用进行人脸识别即可开锁，电子锁开关打开时用户预先设置的分组中的用户可以通过人脸识别开锁，而其他分组的用户不能通过人脸识别开锁。所述智能锁还可选包括唤醒按键，用于唤醒智能锁进行人脸识别及开锁。其中，处理器10可以采用高性能、低功耗的dsp处理器，可以长期稳定地工作。智能锁支持自动休眠模式，环保节能。

红外补光模块30由2路受控灯组成，其中一路受控灯有2*10颗，另一路受控灯有1*7颗，共27颗受控灯。

在提取人脸特征时可以利用动态局部特征分析技术(dynamiclocalfeatureanalysis，dlfa)来识别人脸特征。动态局部特征分析技术，首先对包括人脸的待识别图像进行预处理，目的是为了去除待识别图像中过高的噪声，将输入的待识别图像用边缘适应检测的方法转换成二进位的图像，再提取出人脸皮肤肌理，然后使用局部特征分析方法来处理脸部的边缘阴影和肤纹，从而识别人脸特征。

其中，局部特征分析(localfeatureanalysis，lfa)是一种用局部特征表示的类似于搭建积木统计的技术，基于所有的人脸都可由很多简化的结构单元块综合而成。lfa使用32到50个单元块区域来辨别一个人脸，选用的最通常的点包括鼻子、眼睛、嘴巴和特定的骨骼曲率差，如脸颊。这些单元块是使用复杂的统计技术而形成的，它们代表了整个人脸，通常跨越多个像素并代表了普遍的脸部形状，但并不是通常意义上的脸部特征。要确定一个人脸不仅仅取决于特性单元块，还决定于它们的几何结构(如形状和相关位置)。通过这种方式，lfa将人脸的特性对应为一种复杂的数字表达式，就可以进行人脸识别了。lfa人脸识别系统分别对应可接受区域包括嘴巴、鼻子、眉毛、下颚轮廓和颧骨。用动态边缘分析方法获得的脸形信息能减少不同光线环境的影响，而肤纹信息提供了标准化的人脸特征的细节。将脸形和肤纹两种信息组合再用局部特征分析(lfa)算法来比较、统计脸部的173个特征点，不论登记和识别人脸时是在何种光线环境下，都能得到一个很高的识别率，可以在百万人中精确地辨认出一个人。

该智能锁的工作原理是：在智能锁被唤醒时，图像采集模块采集遮挡物的待识别图像，处理器通过人脸识别算法识别待识别图像中的人脸，在待识别图像中包括人脸时对遮挡物进行活体检测，在检测为活体时提取待识别图像中的人脸特征，将提取到的人脸特征与预先存储的人脸特征进行匹配，如果匹配成功则发送开锁控制信号给离合器控制模块，由离合器控制模块控制驱动机械锁体开锁；如果经检测遮挡物不是活体，或者人脸特征匹配不成功则不会生成开锁控制信号。智能锁采用完全对人体无伤害的不可见辅助光源技术，白天黑夜都能良好识别，可以24小时不间断工作。

离合器控制模块40包括离合器，离合器内部结构包括外壳、电磁铁、铁片、垫片、塑料片和连接件，其中，外壳套在电磁铁上，在电磁铁中间设置有通孔，该通孔处放置有连接件，连接件上设置有铁质垫片，垫片上有圆形铁片，圆形铁片被塑料片与外壳包裹在内；连接件一侧设置有齿轮，中心部位设置凹槽，凹槽内放置有弹簧；连接件另一侧设置有十字导轨。

当处理器确定人脸特征匹配成功后，输出开锁控制信号，控制给离合器控制模块通电，离合器控制模块中的电磁铁吸引铁片，铁片带动垫片和连接件向前推动，连接件与机械锁体内的门把手处连接方柱通过十字导轨进行滑动。此时电磁铁的磁力大于门把手处连接方柱之间弹簧的弹力，连接件与锁芯处连接方柱进行齿轮咬合，这时便达到了门把手开锁的目的。

当断电后弹簧将连接件与锁芯连接方柱弹开，连接件在门把手处连接方柱上进行滑动带动铁片与垫片向后移动，当铁片到达塑料片位置时，由于塑料片与外壳粘合固定，阻止铁片继续后移，从而防止铁片的弹出脱落。当信号错误、没有信号或信号触发一段时间后，离合器控制模块内电磁铁将迅速失去磁性。两个方柱在中间弹簧弹力的作用下，相互分离，齿轮无法咬合，门把手也无法进行开门动作，达到了闭锁的作用。

本实施例的技术方案，通过图像采集模块采集待识别图像，红外补光模块在采集待识别图像时发送红外光，处理器识别待识别图像中的人脸，并在待识别图像包括人脸时进行活体检测，在检测为活体时，提取待识别图像中的人脸特征，与预先存储的人脸特征进行匹配，匹配成功时发送开锁控制信号给离合器控制模块，离合器控制模块控制驱动机械锁体开锁，从而通过人脸识别及活体检测提高了智能锁的安全性及识别率，避免了通过照片进行识别开锁，而且通过红外补光模块可以实现黑暗情况下的识别。

在上述技术方案的基础上，所述图像采集模块包括红外摄像头和彩色摄像头；

其中，所述红外摄像头和所述彩色摄像头分别与所述处理器连接；所述红外摄像头用于采集待识别图像，并发送给处理器；所述彩色摄像头用于采集彩色图像，并发送给处理器；

所述智能锁还包括：

显示屏，与所述处理器连接，用于接收并显示处理器发送的红外摄像头采集的彩色图像。

红外摄像头和彩色摄像头采集到图像后，分别发送给处理器，由处理器将彩色图像送到显示屏进行显示，并对红外摄像头采集的待识别图像进行人脸识别及活体检测。图像采集模块中的红外摄像头和彩色摄像头为双目摄像机，该双目摄像机与红外补光模块组成双目摄像机模组。红外补光模块包括红外补光灯和光源波长过滤通光片，红外补光模块发射的红外光直接或间接投射到人脸检测区域，光源波长过滤通光片位于独立捕获人脸成像的红外摄像头镜头前，与独立红外光源的波长相匹配，实现在黑暗情况下的人脸识别，解决了黑暗情况下无法识别开门的情况。其中，所述显示屏可选为触摸显示屏，可以与用户进行交互，也可以通过密码进行开锁。该智能锁的操作简单，界面人性化，使用tft液晶显示触摸屏，支持本地操作及提供实时显示功能。采用双镜头设计并且经过特殊视频处理进行视频切换，红外摄像头检测到的人脸位置信息反馈到彩色摄像头可以确保镜头在被破坏时不会出现误识导致识别开锁。红外人脸识别门锁为非接触式的识别门锁，使得门锁和被识别对象不容易污染，更安全、卫生。采用红外人脸识别和纯机械锁体设计，可防止因外力爆破导致识别模块损害出现锁体开门的情况。

智能锁的显示屏显示的图像时，是显示的视频形式的。处理器可以根据光线环境选择在显示屏上显示彩色视频或者红外视频，即在光线明亮环境条件下显示彩色视频，光线昏暗环境条件下显示红外视频。视频显示速度大于5fps。即摄像头采集图像的速度大于5fps，智能锁进行人脸识别时识别速度大于3fps，在一次识别周期内，识别精度：far<0.1％,vr>95％。识别角度可以在上下左右15度内。

在上述技术方案的基础上，还可选包括与所述处理器连接的报警器；

所述处理器还用于在匹配失败时发送报警控制信号给所述报警器；

所述报警器用于根据所述报警控制信号进行报警。

其中，所述报警器可以为语音报警器，智能锁在匹配失败时还可以通过显示屏进行报警。

在上述技术方案的基础上，所述智能锁还可选包括：

zigbee模块，与所述处理器连接，用于与外界设备通讯。

用户可以在多种识别模式中选择智能锁的识别模式，识别模式包括：人脸识别、密码识别、以及人脸识别和密码识别组合进行识别。

其中，zigbee模块包括与外界设备通讯的接口，监听由zigbee类创建的zigbeereaderthread线程处理数据包，这个线程可以让终端通过zigbee模块与zigbee网关连接使用，进行数据包收发。zigbee模块物理层采用uart(universalasynchronousreceiver/transmitter，通用异步收发传输器)通讯接口，无硬件流控。所述uart通讯接口包括接收数据接口(rxd)、发送数据接口(txd)、地(gnd)和3.3伏电源接口(vcc)，传输数据时波特率可以设置为38400bps，数据位占8位，停止位占1位，无奇偶校验。

其中，所述uart通讯接口包括uart接收器。uart的rx脚配置为中断方式、下降沿触发、io口上拉；tx脚配置为普通io脚，io口为高电平。当需要使用uart进行数据传输的时候，需要先拉低tx引脚，并重新配置io口为外设模式，使能uart接收器，等待50ms后即可进行数据通信。当数据传输结束后，再次停用uart接收器，并将uart的io引脚配置为中断模式。

uart中对于单字节的数据，按照uart标准传输，对于由多字节组成的一个数据，使用小端模式进行传输。例如：用户密码表示为二进制0b0010000000011000即十六进制0x2018，此时uart传输的数据为：0x180x20；临时密码有效时间259分钟即十六进制0x0103，此时uart传输的数据为：0x030x01；开关门状态通知命令data区域：time＝0x01020304,id＝0x0506,type＝0x07，此时uart传输的数据为：0x040x030x020x010x060x050x07。

在智能锁和外界设备进行通讯时，两者都有可能发起通讯，为了避免通讯总线的强制和冲突，导致数据包丢失或者错乱，增加通讯防冲突机制。机制的原理是串口通讯的双方能够申请总线的控制权，发起通讯的一方先发送请求通讯命令，若对方空闲并返回ack，那么发起通讯一方为主机，另一方为从机，主机接收到从机对应的ack后就可以发送其他命令完成通讯事务。若存在通讯冲突，则按照如下步骤进行：智能锁和外界设备任意一方发起通讯时，发送请求通讯命令；从机发送非请求通讯命令的ack；双方进入随机时间等待，需要发起通讯一方再次发送请求通讯命令，直到发起通讯一方获取到请求通讯命令对应的ack，主机发送其他命令完成通讯。

其中，图2是本发明实施例提供的智能锁中的电源的结构示意图，如图2所示，电源60可选包括：主电源61、备用电源62、供电切换电路63、分压模块64、3.3伏降压电路65、5伏升压电路66和升压恒流电路67；

其中，主电源61的输出端连接供电切换电路63的第一输入端，备用电源62的输出端连接供电切换电路63的第二输入端，供电切换电路63的输出端分别连接分压模块64、3.3伏降压电路65、5伏升压电路66和升压恒流电路67的输入端；

供电切换电路63用于选择主电源61或备用电源62进行供电；

分压模块64的输出端连接图像采集模块20的供电端，用于给图像采集模块20供电；

3.3伏降压电路65连接处理器10的供电端，用于将供电切换电路63输入的电源降压为3.3伏后输出给处理器10供电；

5伏升压电路66连接离合器控制模块40的供电端，用于将供电切换电路63输入的电源升压为5伏后输出给离合器控制模块40供电；

升压恒流电路67连接红外补光模块30的供电端，用于将供电切换电路63输入的电源进行恒流输出，给红外补光模块30供电。

其中，主电源为3.7伏的锂电池，在电池充满电的情况下可以使用4～6个月。分压模块64包括1.8伏输出端和2.8伏输出端，2.8伏输出端输出的2.8伏电压给触摸显示屏和图像采集模块供电，1.8伏输出端输出的1.8伏电压给唤醒按键、电子锁开关和通道开关等供电。3.3伏降压电路65和5伏升压电路66都是用于稳压的。5伏升压电路66的输出端还连接备用电源62的输入端，用于在备用电源的电量低时，给备用电源充电。离合器控制模块40包括电机控制芯片，所述电机控制芯片可以为ti的专用电机控制芯片。

通过主电源、备用电源和供电切换电路，可以很好的为智能锁供电，避免引电量低无法识别开锁的情况，而且通过供电切换电路转换为各个模块所需要的电压，保证各模块的正常工作，而且降低功耗。

可选的，供电切换电路63分别与3.3伏降压电路65、5伏升压电路66和升压恒流电路67之间连接有负载开关。从而在待机状态下，可以断开各个负载开关，以降低智能锁的功耗。

可选的，电源60还包括应急电源接口和降压模块，所述应急电源接口连接降压模块的输入端，所述降压模块的输出端连接供电切换电路63的第三输入端，用于提供应急电源。所述应急电源接口为usb接口，在智能锁中的主电源和备用电源均没有电的情况下，可将充电宝插入应急电源接口，从而启动智能锁中的各模块，进行人脸识别和活体检测，避免了电量低时无法开门的情况。

实施例二

图3是本发明实施例二提供的一种控制智能锁开启的方法的流程图，所述智能锁是本发明任意实施例所述的智能锁，该智能锁是通过人脸识别来控制开启的。如图3所示，该方法具体包括如下步骤：

步骤210，通过红外补光模块发射红外光，并通过图像采集模块采集遮挡物的待识别图像，并发送给处理器。

在启动人脸识别功能进行识别开锁时，用户可以按下智能锁的唤醒按键，从而唤醒智能锁中的各个模块进行工作，处理器控制给红外补光模块供电，从而使得红外补光模块发生红外光，同时处理器控制图像采集模块采集遮挡物的待识别图像，图像采集模块采集到待识别图像后发送给处理器。图像采集模块采集待识别图像时以预设帧速率进行采集，获取到的是遮挡物的视频流，从而处理器可以选择较为清晰或者包括人脸范围较大的图像进行人脸识别及特征提取。

步骤220，通过处理器检测所述待识别图像中的人脸，并在所述待识别图像中包括人脸时对所述遮挡物进行活体检测，在检测为活体时，提取所述待识别图像中的人脸特征，与预先存储的人脸特征进行匹配，并在匹配成功时发送开锁控制信号给离合器控制模块。

处理器接收到图像采集模块发送的待识别图像后，对待识别图像进行人脸检测，检测待识别图像中是否包括人脸，并在包括人脸时，进行人脸定位。在包括人脸时，进一步对遮挡物进行活体检测，只有在检测为活体时，才提取待识别图像中的人脸特征，并与预先存储的人脸特征进行特征匹配，通过设定一个阈值，当相似度超过这一阈值时确定匹配成功，如果没有超过该阈值则确定匹配失败，处理器在匹配成功时控制离合器控制模块进行开锁。

在提取人脸特征时，可以使用动态局部特征分析技术来提取人脸特征，即首先进行待识别图像的预处理，去除待识别图像中过高的噪声，将输入的待识别图像用边缘适应检测的方法转换成二进位的图像，再提取出人脸皮肤肌理，然后使用局部特征分析方法来处理脸部的边缘阴影和肤纹，从而识别人脸。

通过人脸识别控制智能锁开启时，内部接口主要包括系统设置、用户管理、安全设置及高级设置，系统设置主要包括基本配置、系统时间和网络配置等，用户管理主要包括增加新用户、编辑用户、删除用户及搜索用户等，即可以通过设置保存多个用户的人脸特征，作为识别的基础。

步骤230，通过离合器控制模块根据所述开锁控制信号控制驱动机械锁体开锁。

处理器在人脸特征匹配成功时，控制给离合器控制模块供电，从而离合器控制模块带动机械锁体内的部件进行开锁。如果处理品在人脸特征匹配失败，则不会驱动离合器控制模块，进而不会进行开锁。

在识别成功或者识别失败时，都会生成一条识别记录，便于用户查看智能锁识别情况。而且在识别成功时，还会将所述待识别图像中的人脸特征替换所述预先存储的人脸特征中的相应人脸特征，以保证保存的人脸特征是用户最近的信息资料，从而可以始终正确识别人脸。

本实施例的技术方案，通过红外补光模块发射红外观，图像采集模块采集遮挡物的待识别图像，处理器检测待识别图像中的人脸，并在待识别图像中包括人脸时对遮挡物进行活体检测，在检测为活体时提取待识别图像中的人脸特征，与预先存储的人脸特征进行匹配，在匹配成功时发送开锁控制信号给离合器控制模块，由离合器控制模块控制驱动机械锁体开锁，从而通过人脸识别及活体检测提高了智能锁的安全性及识别率，避免了通过照片和3d人脸模型进行识别开锁，而且通过红外补光模块可以实现黑暗情况下的识别，用户无需携带卡，识别速度快，操作简单便捷。

在上述技术方案的基础上，所述图像采集模块包括红外摄像头和彩色摄像头；

通过图像采集模块采集待识别图像，包括：

通过红外摄像头采集待识别图像，通过彩色摄像头采集彩色图像，并通过接收红外补光模块发射的红外光的反射光线；

通过处理器对所述遮挡物进行活体检测，包括

通过处理器根据红外补光模块发射红外光的时间及红外摄像头接收到反射光线的时间，确定每个反射光线的波长，根据每个反射光线的波长进行描点生成一个图像，将生成的图像与所述待识别图像进行重合，并确定重合值，在所述重合值大于预设信任值时，确定所述遮挡物为活体。

图像采集模块中的红外摄像头和彩色摄像头为双目摄像机。进行活体检测时，依据反射光线的波长来进行描点，从而可以生成一个图像，将生成的图像与待识别图像进行重合叠加，并得到重合值，如果重合值大于预设信任值，则确定遮挡物为活体。通过该方法进行活体检测，检测结果较为准确，从而可以提高智能锁的安全性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。