基于人脸特征识别的高校查寝系统

◆张晓惠 杨雄

基于人脸特征识别的高校查寝系统

◆张晓惠1通讯作者杨雄2

（1.福州职业技术学院阿里巴巴大数据学院 福建 350108；2.福州大学至诚学院计算机工程系 福建 350002）

鉴于目前高校查寝制度的不足，本文设计了一套基于微信小程序和人脸识别技术的高校查寝系统，以反馈学生晚间在校的情况。系统采用LAMP环境，即项目部署在阿里云ECS上，以Apache作为Web服务器，MySQL作为数据库软件，PHP作为开发语言，并接入百度在线人脸识别API完成人脸数据库的管理和人脸搜索M:N识别。该系统中，辅导员发布随机限时查寝任务，系统发出短信通知学生。学生在规定时间内上传宿舍合照，系统即时进行人脸搜索M:N识别得到签到结果，并在查寝结束后以邮件形式发送未签名单通知辅导员。实验结果证明，该系统能够准确地实现人脸识别签到，有效解决查寝结果统计问题，减轻辅导员的负担，为学生安全提供保障。

微信小程序；人脸识别；查寝系统

随着计算机及网络技术的飞速发展，当今社会正向数字化、信息化、网络化大步迈进[1]，高校信息化管理需求越来越显著。全国各高校都有晚间查寝制度，以确保学生晚间在校情况，保障学生安全。然而，大多数高校仍采取传统的查寝方式，传统的查寝方式有人工查寝、指纹签到等。人工查寝存在以下问题：工作量大，查寝效率、频率低，存在人为干扰因素；大多采用纸质文档记录[2]，数据准确性和及时性差。而指纹签到，容易有指纹膜作假，由他人代打签到，且签到效率低，往往需要排队等候。

传统的查寝方式不能准确、高效地反馈学生晚间在宿舍的真实情况[3]，很难满足高校规范化管理的要求。为解决现阶段高校宿舍查寝制度的不足，我们使用微信小程序结合人脸特征识别技术开发了一套高校查寝系统。在不需要任何的高科技的仪器下，只需要一部手机，就能完成宿舍的查寝工作，减轻辅导员的工作负担，极大地提高了查寝签到的便利性、灵活性与准确性[4-6]。

1 人脸特征识别

人脸特征识别作为一种重要的生物特征识别技术，近年来在移动支付、电子银行、公安刑侦和身份认证等诸多领域得到广泛使用。由于传统人脸特征识别主要是采用基于特征点的方法、基于模型的方法和基于神经网络等方法，都存在训练数据集大和精度不高等缺陷。本文主要介绍基于深度学习技术的人脸特征识别技术。

相比传统的人脸特征识别，深度学习技术可以自动从大量数据中学习特征，能够从样本中无监督的学习。常用的深度学习模型为多层神经网络，能逐层对复杂数据进行特征提取，其功能非常强大[7]。

2 系统需求分析

高校查寝系统需要将查寝通知、人脸识别、数据统计等相关工作所涉及的业务进行整合，构建一套能够准确、高效地反馈学生晚间在寝情况的查寝系统。高校查寝系统的最终目的是减轻辅导员工作负担，保障学生人身安全。本系统应满足以下需求：告别传统的查寝方式，使用智能手机完成查寝任务；以短信提醒学生查寝开始，查寝结束后以邮件告知辅导员未签到名单；能够准确地识别宿舍成员，并记录每次的查寝结果；对历史查寝数据进行对比展示，为辅导员后续管理学生提供决策依据[8-9]。

2.1 用户权限分析

结合实际情况将查寝系统的用户分为3类：学生、辅导员、系统管理员。每类角色用户的权限如下：

（1）学生：学生作为被管理者，仅在有业务需求时访问，所以对系统只有较低权限，如上传照片、查询历史记录等。

（2）辅导员：辅导员作为高校学生的直接管理者，拥有较高权限。辅导员为学生的人身安全负责，因此格外需要关注学生的晚归情况。有多少人晚归，为什么晚归，以及学生未签到次数，辅导员需要了解这些情况，才能保证学生的安全。本小程序中，辅导员可以发布随机限时查寝任务，以起到突击检查的作用。同时可以查看学生上传的照片，防止照片作假，并根据未签到名单打电话询问未归的学生。

（3）系统管理员：系统管理员拥有最高权限，一般由系统开发人员或校园网络中心工作人员担任，主要职责是用户管理，维护系统及保证系统正常运行，通常不参与系统的使用。

2.2 业务流程分析

首次使用本系统前，辅导员需要在Web后台管理系统导入学生的身份信息和证件照，以创建人脸库。查寝功能是整个系统的核心和难点所在，完成一次查寝的业务流程大致如下：

（1）辅导员登录小程序，随机或指定抽取宿舍，设置好时间后，发布查寝任务，发出短信通知；

（2）学生收到短信通知后，按照要求进行宿舍合照后并上传。经人脸搜索M:N识别后，判断学生是否在人脸数据库中的指定用户组，最后将识别出的同学标记为签到成功，即时反馈签到结果。

（3）查寝时间结束后，系统将未签人员名单以邮件的形式发送给辅导员，由辅导员提醒未归的同学及时归寝。辅导员可随时查看学生上传的合照和签到统计情况。查寝业务流程如图1所示。

图1 查寝流程图

3 系统总体设计

3.1 系统架构

图2 系统架构图

高校查寝系统涉及的主要技术包括：微信小程序、云服务、Web开发和人脸识别API的应用。微信小程序和Web后台管理系统的后端均使用ThinkPHP5.0框架，且后台管理系统的前端基于Layui-mini，大大地简化了系统开发。系统采用LAMP环境，即项目部署在阿里云ECS上，以Apache作为Web服务器，MySQL作为数据库软件，PHP作为开发语言，并接入百度在线人脸识别API完成人脸数据库的管理和人脸搜索M:N识别[10]。

前端分别涉及：微信小程序和Web浏览器。之所以选用微信小程序作为高校查寝系统的平台，是因为微信小程序，轻巧，无需安装，基本上不占运行内存，易开易关，方便辅导员和学生轻松使用。在不需要任何的高科技的仪器下，只需要一部手机，就能完成查寝与统计工作，极大地提高了查寝签到的便利性和灵活性。系统整体架构设计如图2所示。

3.2 功能模块设计

本系统的主要功能模块由四个部分组成，分别是：辅导员模块、学生模块、个人中心模块以及Web后台管理模块。

（1）辅导员模块

该模块包括快捷登录，发布查寝任务，短信通知，查看宿舍合照、未签名单和数据统计等功能。如果辅导员事先在小程序个人中心绑定微信openid[11]，即可快捷登录，免去每次登录都要输入账号密码。进入小程序后，辅导员随机或指定抽取宿舍，生成查寝名单，由系统发生短信通知学生。另外，辅导员可以随时查看学生上传的宿舍合照，以及某天查寝的未签到名单、签到情况占比和查寝折线图等。

（2）学生模块

该模块包括查看查寝名单，拍照上传，人脸识别以及回顾历史查寝合照等功能。在查寝名单中的学生会收到短信通知，按照要求进行宿舍合照后并上传，系统即时进行人脸搜索M:N识别，并反馈签到结果。

M:N识别的原理，相当于在多个人脸的图片中，先分别找出所有人脸，然后分别在待查找的人脸集合中，分别做1:N识别，最后将识别结果汇总在一起进行返回。

（3）个人中心模块

该模块包括以下几点功能：个人基本信息的查询与修改；绑定/解绑微信openid，修改手机、邮箱、密码；学生可以查看每个月的签到情况；辅导员有回收站功能，存放着被删除的查寝记录，保留31天；小程序的意见反馈功能。

（4）Web后台管理模块

该模块在浏览器使用，包括两类功能：一类是对学生的基本信息管理，如学号、姓名、性别、年级、系别、宿舍、人脸照片等。实现对学生信息的查询、增加、删除、修改，以及批量导入学生信息、人脸照片。人脸照片是实现人脸识别的基础，辅导员首次使用本系统前需要导入学生的证件照，以创建人脸库。另一类是对查寝结果产生的数据进行查看和统计，如查寝记录与统计报表。查寝记录保留着每次查寝各个宿舍学生的签到与未签到状态，方便辅导员查看。统计报表则展示每周查寝的整体情况，如抽查率、签到率，并以曲线图的形式直观反映查寝情况的占比，为辅导员后续管理学生宿舍提供决策依据。

3.3 数据库设计

本系统在数据库服务器上的关系型数据库使用MySQL，数据库中的信息包括辅导员和学生的基本信息，宿舍信息，查寝记录，签到结果和系统设置等。其中，查寝记录是每次查寝每个宿舍的数据；签到结果是每次查寝时每个学生人脸识别签到的数据。查寝记录和签到结果是对查寝数据统计报表的基础。系统整体E-R图如图3所示。

图3 系统E-R图

4 查寝系统实现

4.1 微信小程序（辅导员）

辅导员登录小程序后，进入抽取宿舍页面，修改要抽取男生宿舍与女生宿舍的数量，便可随机抽取相应数量的宿舍，若输入值超过宿舍数量则取最大值。辅导员还可以自定义添加宿舍。每次的抽签结果都会生成宿舍和随机号码，要求学生按照随机号码做出相应手势拍照，防止学生拍摄提前准备好的照片蒙混过关。当设置完开始时间和截止时间后，便可确定最终查寝名单，同时系统以发送短信验证码的形式通知被抽查到的宿舍成员。

待查寝结束后，系统自动发送邮件告知辅导员未签名单，辅导员可以查看学生上传的合照进行核实，打电话询问未归的学生。进入“统计”页面，点击上方日历，选定某一天查看当天的查寝结果，即查寝的占比、未签到人员名单。点击右上角的更多，可以查看近七天以及近三十天的统计折线图与该时段未签到人员排行榜。统计页面、查寝折线图分别如图4、图5所示。

图4 统计页面

图5 查寝折线图

4.2 微信小程序（学生）

学生收到短信通知后，登录小程序。进入“查寝记录”，学生初始都是未签到状态。点击右上角的“上传照片”，学生只能调用摄像头进行拍照，若对合照不满意，可以删除再拍。上传照片后，系统即时进行人脸搜索M:N识别，判断学生是否在人脸数据库中的指定用户组，最后将识别出的同学标记为签到成功，并将查寝结果保存在数据库中。未签到状态图、签到状态图分别如图6、图7所示。

图6 未签到状态图

图7 签到状态图

4.3 Web后台管理系统

辅导员的账号由系统管理员提供。首次使用本系统之前，辅导员需要在Web后台管理系统的宿舍管理页面，导入学生信息为学生创建账号，上传学生证件照为学生注册人脸。在首页可以查看每日/周查寝的整体情况，如抽查率、签到率等，以及直观的签到曲线图，为辅导员后续管理学生宿舍提供决策依据。Web后台管理系统首页如图8所示。

图8 Web后台管理系统

5 结语

本文针对目前高校查寝制度所存在的不足，设计一套基于微信小程序和人脸识别技术的高校查寝系统，以反馈学生晚间在校的情况。实验结果证明，本系统能够快速、准确、稳定地识别出对应学生并完成查寝统计工作，相对于传统的签到系统有着更好的实用性、经济性和鲁棒性，对校园信息化建设的发展有着积极的推动作用。

[1]洪成龙，杨雄，吴秋悦.基于微信小程序的智能查寝系统[J].网络安全技术与应用，2020（11）：50-52.

[2]林志伟，王庆九，马超虹.基于itchat的微信群签到系统开发[J].实验室研究与探索，2020，39（01）：108-115.

[3]陈静娴.基于二维码技术•微信小程序技术的实验室设备管理的设计与实现[J].计算机科学，2020，47（S2）：673-677.

[4]李雄，文开福，钟小明.基于深度学习的人脸识别考勤管理系统开发[J].实验室研究与探索，2019，38（07）：115-118+123.

[5]孙玥，杨国为.基于人脸识别的学生考勤系统的研究[J].现代电子技术，2020，43（10）：116-118+123.

[6]刘九畅.基于人脸识别技术校园宿管系统的设计与实现[D].南昌航空大学，2019.

[7]李玲俐.基于深度学习理论的人脸识别技术应用综述[J].计算机与数字工程，2021，49（9）：1912-1913.

[8]赵金幸，肖炳甲，袁旗平.基于Android平台的EAST即时通信系统[J].计算机应用与软件，2020，37（08）：11-15+97.

[9]成伟.基于人脸识别学生宿舍管理系统设计[D].四川：电子科技大学，2016.

[10]李珊.基于微信小程序的学生活动管理系统的设计与实现[D].广东：广东工业大学，2019.

[11]倪红军，李霞，周巧扣.基于微信小程序的高校实验室安全教育平台构建[J].实验室研究与探索，2020，39（12）：280-284.

2019年福建省教育厅青年基金项目（JAT191098）