沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 景光錚 王若桐 李 軒 趙 飛

0 引言

在社會積極倡導(dǎo)“互聯(lián)網(wǎng)+”、“智能家居”等概念，以及智能手機(jī)的普及、微信受眾越來越大的大背景之下[1]，為了解決傳統(tǒng)門禁鑰匙丟失、遺忘、密碼門禁忘記密碼、生物門禁生物特征發(fā)生變化無法開鎖的問題，開發(fā)了基于微信公眾平臺二維碼身份識別的門禁系統(tǒng)。首先，手機(jī)被遺忘的頻率極低，基本均安裝了微信，移動(dòng)通信已經(jīng)基本普及，這為智能門禁提供了基礎(chǔ)條件[2]。其次，技術(shù)上，在國外，日本、韓國、美國均將二維碼技術(shù)應(yīng)用在圖書館管理上，通過手機(jī)掃描二維碼，可以快速登陸圖書館的手機(jī)端，這樣省去了在手機(jī)端輸入U(xiǎn)RL（網(wǎng)址）的繁瑣過程，實(shí)現(xiàn)了一鍵登錄[3]。門禁系統(tǒng)的服務(wù)端包括門禁控制服務(wù)器（提供下位機(jī)與服務(wù)端的交互）和用戶身份識別服務(wù)器（負(fù)責(zé)微信用戶身份的識別），這為智能門禁系統(tǒng)提供了服務(wù)器的支持?？刂平K端，STM32F103、樹莓派均可以作為門禁系統(tǒng)的下位機(jī)終端，本方案選取樹莓派。樹莓派基于Linux的嵌入式系統(tǒng)，在與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換上更加方便、快捷。

通過基于微信公眾號二維碼身份識別的門禁系統(tǒng)可以將當(dāng)下新興的二維碼技術(shù)與即時(shí)通信的微信相結(jié)合，利用掃碼實(shí)現(xiàn)開鎖功能，將二維碼儲存信息量大、云端識別保密性好的特點(diǎn)應(yīng)用在智能門禁上，安全、快捷，使門禁管理員可以遠(yuǎn)程授權(quán)[6]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

智能門禁系統(tǒng)由基于Linux嵌入式系統(tǒng)的樹莓派控制模塊、LCD12864顯示模塊、電磁鎖模塊、門禁控制服務(wù)模塊、身份識別服務(wù)模塊、用戶手機(jī)微信客戶端六部分組成，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

圖3 公眾號交互信息截圖

圖4 二維碼智能門禁實(shí)物圖

2 智能門禁的開鎖原理

二維碼是微信接口生成的，而且是隨機(jī)生成的，在用戶掃描以后都會對二維碼進(jìn)行更新。二維碼里面儲存的是一條URL連接，用戶使用微信客戶端掃描二維碼后，微信客戶端會將掃描信息發(fā)送至微信API服務(wù)器（應(yīng)用程序編程接口），微信API服務(wù)器再將用戶信息（包括openid（用戶唯一標(biāo)識符））及掃描二維碼信息發(fā)送至門禁的系統(tǒng)服務(wù)器，用戶身份識別服務(wù)器通過openid和二維碼的信息進(jìn)行用戶身份的識別，判斷此用戶是否獲得了門禁開鎖的權(quán)限，若該用戶已經(jīng)獲得了門禁的開鎖權(quán)限則服務(wù)器會向樹莓派發(fā)送一條開鎖的指令，公眾號會以文字信息的形式提醒用戶開鎖成功，否則服務(wù)器不會向樹莓派發(fā)送任何指令，公眾號會以文字信息的形式提示用戶未獲得門禁權(quán)限，請等待管理員處理。此時(shí)，服務(wù)器也會將申請授權(quán)的用戶的信息及門禁的信息以模板消息的形式發(fā)送給該門禁所對應(yīng)的管理員，如果管理員同意該用戶進(jìn)入，服務(wù)器會向樹莓派發(fā)送開鎖指令，用戶可以打開門禁，整個(gè)授權(quán)過程是在服務(wù)器中完成的。門禁系統(tǒng)中使用的門鎖為500KG的拉力電磁鎖，使用樹莓派的GPIO口對其進(jìn)行控制。具體的流程圖2、公眾號界面信息交互如圖3，實(shí)物如圖4所示。

2.1 顯示模塊

顯示模塊使用的是LCD12864，LCD12864是128*64的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接接口，具有8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線。采用KS0107控制IC。LCD12864可以用樹莓派的GPIO口進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對二維碼的顯示，其分辨率高、功耗低的特性能夠滿足門禁系統(tǒng)的顯示要求。二維碼顯示的效果見圖5。

圖5 顯示模塊實(shí)物圖

2.2 樹莓派控制模塊

Raspberry Pi中文名為“樹莓派”,簡寫為RPI，體型很小，運(yùn)行Linux嵌入式操作系統(tǒng)。樹莓派的處理器型號為BroadcomBCM2835，基于ARM1176JZF-S核心，主頻為700MHz，高主頻的樹莓派具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，而且樹莓派具有512MB的系統(tǒng)可編程RAM，支持SD卡擴(kuò)展，最高支持1080P的視頻輸出等強(qiáng)大功能，具有對圖象的強(qiáng)大處理能力[7]、WIFI適配器可以滿足與服務(wù)器的信息交互，以及極低的功耗要求，使其尤其適合智能門禁系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 二維碼的獲取與更新

微信平臺可以生成許多帶參數(shù)的二維碼，可以滿足智能門禁系統(tǒng)的使用。通過appid（手機(jī)應(yīng)用程序軟件編號）和secret（密鑰）來換取微信公眾號的Access Token（調(diào)用接口憑證），從而調(diào)用生成帶參數(shù)二維碼的API，獲取二維碼。使用HTTP（超文本傳輸協(xié)議）協(xié)議請求方式將JSON數(shù)據(jù)包發(fā)送給微信公眾平臺的Access Token獲取接口。通過解析返回的JSON數(shù)據(jù)包取得Access Token字符串。獲得Access Token后，可通過微信公眾平臺接口生成帶參數(shù)二維碼[4]。 每個(gè)二維碼的生成都要通過Ticket（二維碼的唯一標(biāo)識碼）。

3.2 服務(wù)器的服務(wù)設(shè)計(jì)

首先是門禁控制服務(wù)器，負(fù)責(zé)與樹莓派的交互通訊，提供二維碼的刷新，門禁的開關(guān)控制等功能。其次是身份識別服務(wù)器，負(fù)責(zé)對用戶身份的識別和授權(quán)處理，并與門禁控制服務(wù)器配合完成對門禁的開關(guān)控制。

3.3 二維碼事件的響應(yīng)

用戶掃描二維碼后，首先微信會判斷用戶是否已經(jīng)關(guān)注了該門禁系統(tǒng)對應(yīng)的微信公眾號，如果沒有關(guān)注，會先彈出關(guān)注頁面，提示用戶需要先進(jìn)行關(guān)注才能夠繼續(xù)操作。如果用戶已經(jīng)關(guān)注過該門禁系統(tǒng)對應(yīng)的公眾號，那么，首先微信會將用戶掃描二維碼的相關(guān)信息推送至微信的服務(wù)器，隨后微信服務(wù)器會將信息推送至門禁服務(wù)器的用戶身份識別服務(wù)器，門禁系統(tǒng)的用戶身份識別服務(wù)器便會對該用戶的操作進(jìn)行判斷，如果該用戶有對該門禁的操作權(quán)限，則會開啟門禁，否則會將授權(quán)申請發(fā)送至該門禁對應(yīng)的管理員，并等待管理員的審核。

3.4 python語言寫入ARM架構(gòu)的嵌入式Linux系統(tǒng)

樹莓派是基于ARM框架運(yùn)行的基于Linux嵌入式系統(tǒng)的控制終端，因此，可通過FTP或SFTP（文件傳輸協(xié)議）等方式，將python程序上傳至樹莓派。FTP中文簡稱“文傳協(xié)議”。它用于Internet上控制文件的雙向傳輸，上傳與下載，同時(shí)也是應(yīng)用程序（Application）。雖然不同的操作系統(tǒng)有不同的FTP應(yīng)用程序，但所有的這些應(yīng)用程序都遵守同一種協(xié)議以傳輸文件。SFTP中文簡稱為“安全文件傳送協(xié)議”,因?yàn)槠錇镾SH（安全外殼協(xié)議）的一部分,所以通過SSH的方式即可完成文件的上傳與下載[5]。

4 系統(tǒng)評測

在對系統(tǒng)評測過程中，首先測試了手機(jī)距LCD12864顯示的二維碼的距離與二維碼掃描成功率之間的關(guān)系，用MATLAB擬合曲線以后，可以看出在20-30cm時(shí)成功率最高（圖7）。新用戶掃描二維碼后會推送關(guān)注該門禁公眾號的界面，關(guān)注以后，要等待管理權(quán)限才可以開門，已經(jīng)授權(quán)的用戶，可以開門進(jìn)門，而且收到開門成功的微信信息，所以經(jīng)過測試，智能門禁可以快速開門，而且具有良好的安全性。

5 結(jié)論

微信平臺二維碼身份識別的門禁系統(tǒng)，經(jīng)過理論分析與實(shí)踐證明是可行的。二維碼智能門禁系統(tǒng)消除了密碼式門禁易忘記密碼，密碼易被竊取，IC卡門禁磁卡消磁帶來的信息丟失，以及傳統(tǒng)門禁鑰匙易丟失、遺忘，以及以上所有門禁無法遠(yuǎn)距離授權(quán)的弊端。此門禁在帶來便捷的同時(shí)，也存在缺點(diǎn)，例如：停電以后電磁鎖無法工作、在無移動(dòng)信號情況下無法打開門禁。但是，缺點(diǎn)可以在后期研究中進(jìn)行改正，缺點(diǎn)無法掩蓋此研究融合了最近熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式、二維碼、微信公眾號的前沿技術(shù)的科技感。

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[3]程裕強(qiáng),劉愛民,周國軍.二維碼生成算法研究[J].玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014,35(5):1-2.

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[5]馬鳴,李海波.基于Android的二維碼的生成與識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù),2012,8(26):6353-6356.

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[8]胡孝鵬.基于圖像處理的嵌入式QR碼識別系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].青島大學(xué),2007.