引言

实验室作为科研成果的产出地，随着建设逐步标准、规范，既加重了日常管理工作的强度，也暴露出许多问题。吉林大学一直以来十分重视实验室建设,并为此投入了大量的人力、物力。丰富多样的实验仪器设备方便了实验人员进行科学研究，但也使得管理老师统计实验室仪器设备使用、维护及借出情况的工作变得更加繁重；开放实验室的推广作为实验室建设工作的一大创新，在提升学生科研水平的同时,其造成的人员流动复杂等问题也增加了实验室管理工作的难度。面对如此庞大的工作量，现有的管理机制不能进行有效的管理。

目前,国内外实验室管理系统多利用纯软件或者纯硬件对实验室进行管理。纯软件化的信息管理系统具有较友好的界面和统计功能，但没有硬件的支持很难实时、准确地反映实验室综合信息；单一的硬件管理以IC卡身份验证、视频监控居多，但在信息存储、人员识别和数据统计方面有很大的不足。实验室的相关信息分散，人员、仪器设备信息量较大，将硬件与软件结合进行管理成为发展趋势。

因此，研究制作出一套更人性化、更科学化的实验室人员识别及智能管理系统。本系统基于多传感器数据融合技术，将多个传感器的测量信号以次序、重要性等为标准，进行分析、筛选从而做出综合决策。同时，结合计算机技术在信息管理方向上的应用建立数据库，并设计一套信息管理系统，庞大信息量的处理问题将迎刃而解[1]。这样软硬件相结合，能够更加实用、简便、清晰、高效地对实验室进行管理。

1 系统总体设计

实验室人员识别及智能管理系统利用多种传感器对数据进行采集。系统工作时，欲进入实验室的人员需先进行指纹识别。光学指纹传感器获取被测者指纹图像后，通过高性能DSP处理器分析指纹特征，与事先录入、存储在Flash芯片中的指纹库内指纹特征进行判断识别[2]，确定被测者身份后将其指纹编码发送至单片机。51单片机驱动LCD12864实时显示人员身份信息，并与计算机进行串口通信。红外光电传感器与超声波测距传感器共同构成人员进出监测模块，通过两对红外传感器产生脉冲信号的顺序可以判断人员进出实验室的方向，超声传感器测距进而计算得出来往人员的数目[3]。单片机驱动LCD1602显示当前室内实时人数，并通过串口通信发送相关数据给计算机。当有人员违规进入时（不进行指纹验证或试图在其他人员验证指纹后跟随闯入），计算机判断出扫描指纹的人数与进出实验室的人数不同，违规警报响起，同时图像采集模块被激活，进行实时画面的图像采集，将采集到的光学影像数据转化成为计算机能够识别出来的电子图像信号并存储在计算机中，再通过软件进行人脸识别。基于对以上多种传感器的控制，能够全面、实时地获取实验室的动态信息。

本系统的特色之一就是将软硬件相结合，利用Foxtable数据管理软件建立数据库并进行上位机软件的编写,Foxtable提供了串口通信方法与单片机进行通信[4]。开发出的实验室信息管理软件具备录入及查询实验室人员基本信息、人员流动信息、实验仪器设备及耗材使用状况、指纹扫描考勤记录等一系列功能，并可生成相应报表。人脸识别部分在Matlab软件上实现，由Foxtable外链Matlab进行访问。

综上所述，该系统能实现人员进出监测及违规警报、指纹识别、人脸识别等功能。系统整体结构如图1所示。系统实物图如图2所示。

图1 系统整体结构图

图2 系统实物图

2 人员进出监测模块设计

人员进出监测模块由超声波测距传感器、单片机控制器、红外光电传感器、串口通信模块、显示模块、电源模块组成。该模块整体框图如图3所示。

图3 人员进出监测模块整体框图

该模块选择STC89C52单片机为控制器，采用C语言编程。红外传感器利用单片机的INT0和INT1进行处理。没有人员通过该模块时，红外传感器产生低电平，一旦有人员通过，红外传感器随之产生一个脉冲信号申请中断。将两对完全相同的红外光电传感器并排固定，控制器就能通过两脉冲的先后顺序来判断人员进出的方向[5]。两次中断之间是超声测距程序，检测由物体反射回来的超声波信号获取人员宽度来判断出通过的人数。实时人数、进出情况通过LCD1602显示,其数据通过串口发送至计算机。

3 指纹识别模块设计

由于指纹特征具有唯一性，因此选择扫描指纹的方式来确定人员身份。指纹识别技术首先需利用传感器对指纹图像进行采集[6],其后要在指纹图象上定位、提取出指纹的特征[7]。提取指纹图像信息后，将其特征合成到一个复合的模板中的过程称为指纹特征的提取过程，它是指纹识别技术的核心[8]。得到被检者的指纹模板后，若想确定其真实身份，需要将该模板与先前建立的指纹数据库中的已有指纹模板进行比对。

该模块由单片机控制器、高性能DSP处理器、光学指纹传感器、CD4052模拟开关、Flash芯片、A/D转换模块、键盘、显示模块、电源模块组成。光学指纹传感器有一个玻璃平面，被测者将手指按在其上,用光照射玻璃，指纹的不同区域对光的反射程度不同，感光元件采集到图像上每个坐标点的光学信号并转换成电信号，再经A/D转换器转换成数字信号。使用DSP处理器提取出指纹图像信号的特征值，合成指纹特征模板存储在Flash芯片中生成指纹库[9],通过按键可以切换指纹录入及指纹识别功能。在识别模式下，被测者指纹生成指纹特征后，同已存储在指纹库中的指纹特征模板对比，识别出被测者身份，DSP处理器将指纹码发送给51单片机，51单片机通过串口发送数据给计算机并驱动LCD12864显示被测人身份。由于DSP处理器、计算机串口通信都需用到51单片机的TXD、RXD口，通过CD4052模拟开关对两路信号进行分时选通，确保通信顺畅。

指纹识别模块软件流程图如图4所示。

图4 指纹识别模块软件流程图

4 人脸识别模块设计

当有人员违规进入时，图像采集模块被激活，同时警报响起。该模块通过CCD图像传感器进行数据采集，它能直接将光信号转换为电信号。CCD产生的信号经过除噪处理和模数转换后，通过USB接口将数据传输到PC端显示并存储。

首先，用imread函数读入已存储的一幅图像，用rgb2gray和imhist函数对图像做灰度处理，并画出其直方图，然后将rgb空间的图像转化到ntsc空间，并取第二帧（即亮度）图像，取图像中红、绿、蓝三色的数据分别存储到矩阵R、G和B中。接着用size函数计算矩阵的大小，自定义人脸范围的门限值，创建与G同大小的零矩阵，得出处理后的图像和直方图。转化后的图像出现了噪声，用strel函数创建一个线性结构单元，通过开闭运算消除噪声。最后通过循环语句得出人脸范围，并通过线性运算框出人脸区域，得到处理结果。得到实时画面中的人脸信息后，再与人脸库中的图像进行对比确定身份[10]。人脸识别示意图如图5所示。

图5 人脸识别示意图

5 信息管理系统软件设计

信息管理系统利用Foxtable软件进行开发[11]。Foxtable以更简便、直观的数据处理和编程方法实现了Excel、Visual Basic、Access等软件的功能。除了使用自建的数据库，也可使用其他外链数据库作为数据源。

该系统包含仪器设备管理、人员信息管理、违规情况记录、人脸识别、实验室活动记录、报表生成、外部数据导入、系统设置等模块,每个模块各自进行导航。以人员信息管理模块为例,该模块包含人员基本信息、个人作品录入、出勤情况汇总、阶段性任务、成绩考核5个数据表，软件界面如图6所示。每个表可以通过相应的窗口进行查询、录入、修改等功能，窗口界面示例如图7所示。

图6 实验室信息管理系统软件界面

图7 软件窗口界面示例

同时，通过此信息管理软件可以生成实验仪器申请表、人员考勤表、作品介绍表等多种报表并打印输出,也可以链接外部软件进行人脸识别。

6 测试与分析

基于多传感器与Foxtable的人员识别及智能管理系统由于采用了多传感器数据融合技术[12]，使得测量结果更接近实际。在吉林大学开放实验室安装该设备后，随机选择1小时进行数据统计，其结果如表1所列。从表中可以看出指纹识别模块和人员进出监测模块入室人数的绝对误差同为1.613%，指纹识别模块离开人数的绝对误差为1.887%，人员监测模块室内人数的绝对误差为1.11%，其他绝对误差为0。指纹识别模块出现误差的原因为被测者手指沾染了污物，干扰指纹图像采集。人员监测模块出现误差的原因在于超声波测距传感器具有一定误差，从而影响控制器对于进出人数的判断。综上所述，采用多传感器进行测量，系统能将多传感器数据进行综合分析、对比，减小误差，更准确、清晰地反映实验室信息。

表1 往来人员信息统计结果

结语

经实际测试，系统能够更准确、清晰地反映实验室人员信息，并且具有良好的实用性，大大提高了实验室管理效率，节省了相当一部分人力。同时，信息化、智能化、规范化的实验室管理方法对于提升学生科研水平起到了很大的促进作用