李峻屹

( 陜西警官職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系，西安 710021)

0 引言

本設(shè)計(jì)主要完成的是基于 NFC 的智能化門禁系統(tǒng)，本文將從基于NFC的智能門禁監(jiān)控中心系統(tǒng)、門鎖監(jiān)控、智能門鎖和密鑰對(duì)門禁系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與描述。使用NFC短距離無線通信技術(shù)通過3G互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接云服務(wù)器,通過云服務(wù)技術(shù)進(jìn)行更精確的定位和跟蹤人員信息來提高門禁監(jiān)控系統(tǒng)的管理效率和質(zhì)量，并初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性[1]。

1 系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)理論與技術(shù)分

近距離無線通訊技術(shù)(NFC)是一種基于無限射頻識(shí)別和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。使用了近距離無線通訊技術(shù)的設(shè)備，在相互靠近的情況下就能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，是在互連互通技術(shù)與非接觸式射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整合完善形成的，將感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的功能集中整合在一張芯片上，通過使用安裝NFC的移動(dòng)終端來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能門禁系統(tǒng)的應(yīng)用。

目前很多門禁系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)搶占先機(jī)，開始在云服務(wù)上的系統(tǒng)布局，經(jīng)過不斷的發(fā)展和優(yōu)化，部分大型的云服務(wù)提供商在技術(shù)上已經(jīng)能夠同時(shí)滿足大量智能門禁系統(tǒng)相互通信的需求，基礎(chǔ)配套服務(wù)也能夠與需求相匹配，這些企業(yè)也將部署和管理智能門禁系統(tǒng)的門禁密鑰，配置門禁虛擬憑證可以通過無線網(wǎng)或USB接口連接到管理網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)基站和移動(dòng)設(shè)備運(yùn)營(yíng)商的線上配置的方式完成。

2 NFC智能門禁系統(tǒng)的總體架構(gòu)

NFC智能門禁控制系統(tǒng)是由六部分相互配合連接成的一個(gè)大系統(tǒng)，包括智能門鎖、門鎖監(jiān)控器、智能鑰匙、云服務(wù)器、主服務(wù)器、無線網(wǎng)絡(luò)。門禁監(jiān)控中心系統(tǒng)通過LAN和WAN的網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；鑰匙門鎖及門鎖監(jiān)控器構(gòu)成NFC門禁控制系統(tǒng)的智能終端。為了滿足功能需要，NFC智能門禁系統(tǒng)的總體架構(gòu)為：門禁監(jiān)控中心系統(tǒng)、NFC門鎖監(jiān)控器、NFC智能門鎖和NFC智能鑰匙[2]。總體架構(gòu)圖如圖1所示。

使用本系統(tǒng)的用戶首先需確保在智能手機(jī)上下載并安裝NFC智能密鑰軟件，才能執(zhí)行之后的步驟，授權(quán)密鑰軟件安裝成功后啟動(dòng)，在帳號(hào)框內(nèi)輸入云服務(wù)的ID號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)比數(shù)據(jù)庫中已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從而識(shí)別出該用戶是否存在。注冊(cè)新用戶需通過輸入手機(jī)SIM卡的個(gè)人識(shí)別密碼，用戶在操作界面的用戶名輸入框中輸入需要授權(quán)的密鑰用戶名稱，系統(tǒng)隨后將申請(qǐng)要求發(fā)給云服務(wù)器。智能門禁系統(tǒng)管理者確認(rèn)用戶的驗(yàn)證需求滿足各項(xiàng)要求后，審核通過，這種情況下用戶即可使用NFC智能鑰匙，若審核未通過，系統(tǒng)會(huì)將申請(qǐng)失的信息發(fā)送給用戶，并提供正確的操作流程指導(dǎo)用戶申請(qǐng)，用戶完成修改操作后重新完成注冊(cè)。申請(qǐng)成功后通過用戶的手機(jī)ID和PIN碼來確認(rèn)僅對(duì)該用戶有效的信息[3]。

圖1 智能門禁系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.1 NFC智能門鎖網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

門禁監(jiān)控中心系統(tǒng)管理系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)部門極其工作人員，并維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，以及管理門鎖監(jiān)控設(shè)備、門鎖與鑰匙和用戶訪問權(quán)限；完成包括所有的一級(jí)部門和子部門的創(chuàng)建；處理(查詢、更新、到處、打印等)NFC智能門禁控制系統(tǒng)的所有相關(guān)部門的信息以及用戶操作記錄；刪除已撤銷的部門信息；管理(創(chuàng)建、鎖定和刪除)計(jì)算機(jī)的工作站點(diǎn)；整理(查詢、更新、導(dǎo)出和打印)計(jì)算機(jī)軟件工作站點(diǎn)信息；創(chuàng)建部門系統(tǒng)管理員的資格；鎖定或者刪除需要處理的工作站點(diǎn)賬戶；可以創(chuàng)建所有的云服務(wù)，查詢、更新、打印所有的云服務(wù)信息；可以創(chuàng)建數(shù)量不受限制的NFC 智能門禁控制系統(tǒng)的門鎖監(jiān)控器。

門禁監(jiān)控中心系統(tǒng)包括云服務(wù)器、主控制器、監(jiān)控終端，這3個(gè)部分共同實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的功能。各個(gè)工作站點(diǎn)和站點(diǎn)賬戶信息，云服務(wù)信息的內(nèi)容繁瑣，需要強(qiáng)大的存儲(chǔ)功能，門禁控制系統(tǒng)中的智能門鎖組、門鎖監(jiān)控器、智能密鑰組的所有注冊(cè)的權(quán)限信息需要分類管理，確保信息的合法性和準(zhǔn)確性，這些功能都需由主控制器來完成。NFC智能門禁將系統(tǒng)與用戶信息互聯(lián)互通功能的實(shí)現(xiàn)則需監(jiān)控終端發(fā)揮作用，門鎖、密鑰的提示信息及時(shí)發(fā)給用戶，方便用戶的使用。例如監(jiān)控智能門鎖收集到智能密鑰的識(shí)別信息或未識(shí)別原因后，將后續(xù)的操作流程發(fā)送給用戶，幫助用戶成功完成整個(gè)操作流程；查詢并監(jiān)控智能門鎖對(duì)智能密鑰的授權(quán)信息。云服務(wù)器起到各設(shè)備連接的中轉(zhuǎn)站作用，處理各種請(qǐng)求信息，上傳信息至上級(jí)主服務(wù)器，然后將處理過的信息回傳給門禁系統(tǒng)的密鑰中[4]。以下就是這3個(gè)部分的關(guān)聯(lián)圖，如圖2所示。

圖2 門禁監(jiān)控中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 NFC門鎖監(jiān)控器的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)智能門鎖監(jiān)控器、智能門鎖和智能秘鑰工作的實(shí)時(shí)狀況需要NFC智能門鎖監(jiān)控器來完成監(jiān)控過程，從而保證整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效的運(yùn)行，NFC門鎖監(jiān)控器以數(shù)據(jù)服務(wù)器為運(yùn)行基礎(chǔ)，它運(yùn)行的監(jiān)控平臺(tái)需由數(shù)據(jù)服務(wù)器提供。NFC智能門鎖監(jiān)控服務(wù)中的不同功能將由NFC服務(wù)管理、LM服務(wù)器、門鎖監(jiān)控(Lock Monitor、IMonitor)、智能門鎖(NFCLock)、提示信息(Alarm Message )這幾個(gè)部分分別完成，其原理如圖3所示。

2.3 NFC智能門鎖的設(shè)計(jì)

NFC智能門鎖的硬件由集成電路板相關(guān)電路連接起來，主要由門鎖轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械接口、處理器芯片、SD卡接口、集成電路板、USB接口、和門鎖電源組成，如圖4所示。

圖3 NFC智能門鎖監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

NFC智能門鎖由系統(tǒng)程序調(diào)度處理器與數(shù)據(jù)交換處理器組成，智能門鎖與監(jiān)控中心的信息相互流通由USB接口完成，智能監(jiān)控中心的信息收集需要通過USB接口完成。門鎖控制器芯片需要儲(chǔ)存空間較高的靈敏度，我們的門鎖控制芯片由ARM926芯片與SSD芯片組成，可以完成一些基本的預(yù)處理數(shù)據(jù)、NFC智能門鎖的控制信息和通訊程序的存儲(chǔ)工作。微處理器芯片可將門鎖系統(tǒng)USB接口傳送過來的信息進(jìn)行初始化，門禁控制器的SSD芯片負(fù)責(zé)存儲(chǔ)門禁監(jiān)控系統(tǒng)的名稱、系統(tǒng)之間通信的協(xié)議與通信的密碼。

NFC模塊一負(fù)責(zé)門鎖與密鑰的信息交互，通過NFC 功能實(shí)現(xiàn)，智能門鎖將接收到的密鑰與密鑰庫中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，信息匹配成功，門鎖被打開，整個(gè)操作過程同步傳輸?shù)介T鎖控制器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；若匹配不成功，則無法進(jìn)行下一步操作，操作同樣會(huì)被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)以備查驗(yàn)。智能門鎖的工作記錄傳遞路徑為從門鎖監(jiān)控器再到門禁系統(tǒng)監(jiān)控中心，這一傳遞功能的實(shí)現(xiàn)需要依靠NFC模塊二；NFC模塊二還可以對(duì)智能門鎖中的信息進(jìn)行更新和刪減。門鎖控制器收集NFC模塊一和NFC模塊二檢測(cè)到的信息，并將處理好的控制信息分別發(fā)送到NFC模塊一和NFC模塊二；將更新的數(shù)據(jù)及時(shí)保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，實(shí)時(shí)監(jiān)控智能門鎖的工作狀態(tài)。門鎖轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械接收門鎖轉(zhuǎn)動(dòng)接口的控制信號(hào)然后完成相應(yīng)的操作，為滿足對(duì)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)控與維護(hù)的需求將門鎖的狀態(tài)信息傳遞到整個(gè)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 門鎖基本結(jié)構(gòu)圖

2.4 NFC智能鑰匙的設(shè)計(jì)

NFC 智能密鑰是一款基于智能手機(jī)的操作軟件，更好的滿足人們的需求，軟件的下載安裝是操作本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時(shí)用戶應(yīng)確保其使用的智能手機(jī)具有 NFC 功能通信模塊，因?yàn)镹FC 功能的所有通信協(xié)議都需獲取通信模塊的支持，否則將無法使用本系統(tǒng)?；诒憷缘脑瓌t，本文通過使用智能手機(jī)的無線網(wǎng)絡(luò)來傳遞門禁監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)部分之間的信息，例如通過手機(jī)的無線通信網(wǎng)絡(luò)將授權(quán)的智能密鑰的信息傳遞到門禁控制系統(tǒng)中心，完成信息的記錄和存儲(chǔ)只需要用戶隨手點(diǎn)一下手機(jī)；新用戶的注冊(cè)流程更加簡(jiǎn)單，用戶的手機(jī) APP會(huì)收到系統(tǒng)審核的授權(quán)碼和注冊(cè)信息，完成手機(jī)與門鎖之間的信息匹配。以3G模塊作為通信接口，通過網(wǎng)絡(luò)密鑰與門禁控制中心完成信息交互，云服務(wù)日志表、已注冊(cè)成功的手機(jī)識(shí)別碼與IP地址儲(chǔ)存形式如表1、表2所示，用戶如需對(duì)密鑰申請(qǐng)、更改、刪除等操作需在手機(jī)中的智能密鑰軟件中完成。

表1 云服務(wù)日志表

手機(jī)IP地址映射表(tbl—Mobile IP)，其結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 手機(jī)IP地址映射表

3 系統(tǒng)測(cè)試

用來測(cè)試的這把鑰匙已被激活，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端，并且獲得了針對(duì)一號(hào)門鎖的永久開啟權(quán)限，系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)主要從識(shí)別的距離、未被授權(quán)和授權(quán)三個(gè)方面對(duì)智能密鑰開啟智能門鎖進(jìn)行檢測(cè)[5]。

(1) 首先驗(yàn)證密鑰使用范圍，將密鑰放在距離門鎖15 cm的位置，根據(jù)提示內(nèi)容完成操作，操作準(zhǔn)確完成后等待3秒鐘，手機(jī)上顯示此次訪問的結(jié)果，如圖6所示。

圖6 超距離訪問結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了智能密鑰與智能門鎖的最佳通信距離，大于10 cm的距離顯示的結(jié)果是未發(fā)現(xiàn) NFC 智能門鎖，還提示智能鑰匙與智能門鎖的距離要小于10 cm，所以NFC智能密鑰訪問智能門鎖的最佳距離為10 cm之內(nèi)。(2)接下來我們對(duì)授權(quán)訪問權(quán)限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，手機(jī)與智能門鎖保持5 cm的距離；打開智能密鑰完成操作后等待3秒鐘后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 NFC智能鑰匙的無權(quán)訪問結(jié)果

本次試驗(yàn)我們可以確認(rèn)的是，沒有被授權(quán)的NFC智能門鎖，NFC智能密鑰無法打開門禁。

(3)使用已經(jīng)被授權(quán)的NFC智能密鑰在要求距離以內(nèi)訪問這把門鎖，打開手機(jī)軟件，點(diǎn)擊訪問門鎖，等待3秒鐘后得到如圖8所示內(nèi)容，說明我們?cè)L問的NFC智能門鎖已經(jīng)被打開。

4 總結(jié)

本文介紹了一個(gè)基于NFC通訊協(xié)議的數(shù)字化智能門禁系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，并列舉了智能門禁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控部分、NFC門鎖部分、NFC門鎖監(jiān)控部分和NFC智能密鑰四部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試并初步取得了預(yù)期的效果。由于基于NFC的數(shù)字化門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還存在穩(wěn)定性等方面的問題，為了進(jìn)一步優(yōu)化門禁系統(tǒng)，將來的研究檢測(cè)中需要逐漸解決本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的問題，比如對(duì)NFC芯片加強(qiáng)測(cè)試，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，逐漸完善系統(tǒng)。

圖8 NFC智能鑰匙的有權(quán)訪問結(jié)果