楊仁山 陳玉龍* 伍銀波

（1.深圳招商建筑科技有限公司 廣東省深圳市 518067 2.廣東技術(shù)師范大學(xué) 廣東省廣州市 510665）

1 引言

傳統(tǒng)意義上的門禁系統(tǒng)又稱為出入口控制系統(tǒng)( Access Control System,ACS)，屬于智慧建筑安全防范的子系統(tǒng)之一。在智慧建筑領(lǐng)域，門禁系統(tǒng)通常需要和消防、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)進(jìn)行集成，技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，而在工程應(yīng)用方面也有成套的解決方案。隨著物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)支付的出現(xiàn)，在一些新興交叉應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)由于本身開放性較差，已經(jīng)無法滿足實(shí)際的工程需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其在智能安防[1]、智能家居[2]等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在細(xì)分的門禁子系統(tǒng)領(lǐng)域，公開的文獻(xiàn)表明，研究主要集中在控制器設(shè)計(jì)，主流的技術(shù)方案均是以STM32 單片機(jī)+Wi-Fi 模塊為核心[3-6]。功能上能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)視和控制的需求，但是無法形成成熟的產(chǎn)品，大多停留在試驗(yàn)和功能驗(yàn)證階段，可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，不利于工程推廣。文獻(xiàn)[7]公開了一種工程應(yīng)用方案，以安全等級為超B 級4G 智能門鎖為核心構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)門禁系統(tǒng)，并在通信機(jī)房中取得了較好的應(yīng)用效果。該方案中4G 智能門鎖集成度高和成本均較高，系統(tǒng)不夠靈活，不適合在其他民用領(lǐng)域推廣。

2 門禁系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

2.1 門禁系統(tǒng)功能及分類

門禁從最初的機(jī)械鎖、密碼鎖等物理控制系統(tǒng)逐步升級為以身份識別技術(shù)為核心的信息系統(tǒng)。傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)無法適應(yīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的新特點(diǎn)、新需求, 尤其在面對開放式社區(qū)、訪客管理、人員身份識別、智慧社區(qū)、大規(guī)模停車管理、便捷支付等應(yīng)用場景, 技術(shù)發(fā)展緩慢[8]。按照門禁系統(tǒng)管理方式，傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)主要分為脫機(jī)式門禁和聯(lián)網(wǎng)式門禁兩大類。其中脫機(jī)式門禁無需門禁管理機(jī)即可工作，安裝簡便、成本低，功能也比較單一；聯(lián)網(wǎng)式門禁，具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力，管理中心能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控門禁控制器工作狀態(tài)并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.2 智慧門禁系統(tǒng)特點(diǎn)分析

智慧門禁系統(tǒng)一定是一個(gè)開放式的、柔性可擴(kuò)展系統(tǒng)，能夠便捷的和人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)融合。作為智慧建筑的重要子系統(tǒng)，其在智慧城市的建設(shè)中也能起到重要作用。文獻(xiàn)[9]提出一種智能門禁系統(tǒng)應(yīng)用框架，具有智能化驗(yàn)證開門、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控、 社會(huì)化信息采集、精準(zhǔn)化流動(dòng)人口管理、智能化預(yù)警研判和零距離物業(yè)服務(wù)六大特色功能。該框架能夠?yàn)殚T禁系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)提供良好的設(shè)計(jì)參考，針對不同類型建筑、不同控制需求時(shí)，仍然需要進(jìn)一步細(xì)化。

3 開放式智慧門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)發(fā)展趨勢，門禁控制器、門禁配件和執(zhí)行器變化不大，信息載體和識別模塊變化較大。信息載體主要包括二維碼、智能卡、指紋、人臉、虹膜、掌紋和語音等形式，識別模塊則包括密碼鍵盤、二維碼讀卡器、智能卡讀卡器、指紋讀頭、人臉讀頭、掌紋儀和語音模塊等裝置。信息載體經(jīng)識別模塊讀取后，送入控制器進(jìn)行識別和判定，授權(quán)通過則控制執(zhí)行器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)門禁控制，這是單個(gè)門禁系統(tǒng)的基本工作原理。復(fù)雜的門禁系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上一般可分為設(shè)備層、門禁管理層和信息服務(wù)層。

為了使門禁系統(tǒng)能夠更加智能化，更好適應(yīng)智慧建筑發(fā)展以及人們對智慧生活方式，結(jié)合工程實(shí)踐，本文提出了如圖1 所示的門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)以工業(yè)觸摸屏為核心，可以取代傳統(tǒng)的管理計(jì)算機(jī)。通過對協(xié)議的定制化開發(fā)，可以在不更換原有門禁控制器的情況下，實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的智能化升級改造。其中云服務(wù)器和手機(jī)APP，主要用于遠(yuǎn)程控制和管理。工業(yè)觸摸屏可實(shí)現(xiàn)就地控制、管理和調(diào)試，由于工業(yè)觸摸屏工作可靠，升級維護(hù)簡便，因此該系統(tǒng)的成本、靈活性均高于安卓一體機(jī)和專用的門禁一體機(jī)。

圖1：開放式智慧門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)觸摸屏具備RS485 串行接口和網(wǎng)絡(luò)接口，通過專有的485通信協(xié)議管理和控制所有的RS485 門禁子系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)接接口，可以控制和管理TCP 門禁子系統(tǒng)并連接云服務(wù)器。工業(yè)觸摸屏和云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，是建立在TCP 通信之上的消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport）來實(shí)現(xiàn)。

RS485 門禁子系統(tǒng)和TCP 門禁子系統(tǒng)沒有本質(zhì)區(qū)別，主要以其與工業(yè)觸摸屏的連接方式和控制協(xié)議來區(qū)分。某些門禁控制器是同時(shí)具備RS485 和TCP/IP 通信能力，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可綜合現(xiàn)場情況選用合適的通信方式。另外485 接口的門禁控制器相對于TCP門禁的特點(diǎn)是成本低，通信距離長，二者的理論傳輸距離分別為1200米和100米。門禁子系統(tǒng)主要包括門禁控制器、門禁讀頭、電鎖，以及出門開關(guān)、警鈴、門磁和單元等門禁配件，工程上應(yīng)按實(shí)用性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性原則來選配。子系統(tǒng)數(shù)量，受觸摸屏性能、控制時(shí)延和現(xiàn)場施工環(huán)境等諸多因素制約，不建議太多，具體需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測情況確定。

表1：FCL989M 協(xié)議支持的型號

表2：FCL989M 協(xié)議報(bào)文結(jié)構(gòu)

3.2 RS485門禁子系統(tǒng)控制協(xié)議

RS485 是一種串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，在工程上應(yīng)用非常廣泛。接線時(shí)只需要A、B 兩根線即可，子系統(tǒng)之間建議按照手牽手菊花鏈總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。子系統(tǒng)較多時(shí)，為了提高通信質(zhì)量，推薦采用單點(diǎn)可靠接地并增加終端電阻。本文選擇FCL-989M 通信協(xié)議作為代表，實(shí)現(xiàn)基于RS485 的主從通信，其他協(xié)議的產(chǎn)品可通過調(diào)整報(bào)文結(jié)構(gòu)的方式來兼容，實(shí)現(xiàn)原理一致。FCL-989M 是廣州市英澤電子有限公司的485 門禁控制產(chǎn)品通信協(xié)議，支持的門禁產(chǎn)品型號如表1 所示。

FCL-989M 協(xié)議通信波特率為19200bps，幀格式8 個(gè)數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)、1 個(gè)停止位。報(bào)文協(xié)議包括起始標(biāo)志位（均為1 個(gè)字節(jié)0x7E），中間字節(jié)包括接收端信息、發(fā)送端信息、控制碼、數(shù)據(jù)碼和檢驗(yàn)碼等字段，具體含義如表2 所示。

3.3 TCP門禁子系統(tǒng)控制協(xié)議

TCP 門禁是指支持TCP/IP 協(xié)議的門禁產(chǎn)品，其通信報(bào)文有基于TCP 也有基于UDP 的。報(bào)文格式差別不大，和基于RS485 相比，最大的區(qū)別傳輸鏈路不同。基于RS485 的協(xié)議，一般通過設(shè)備序列號和信息字節(jié)來區(qū)分，而基于TCP/IP 協(xié)議的則使用設(shè)備序列號和IP 地址區(qū)分。市場上支持開放協(xié)議典型TCP 門禁產(chǎn)品型號表3 所示，課件不同品牌價(jià)格差異較大，總體價(jià)格比RS485 產(chǎn)品高。

表3 中的MC58 系列為廣州市英澤電子有限公司產(chǎn)品，其余系列均為微耕公司產(chǎn)品。本文以性價(jià)比高的WG2051 控制器為例，其協(xié)議為64 字節(jié)固定長度的短報(bào)文格式。報(bào)文主要包括功能號、系列號和協(xié)議數(shù)據(jù)等單元，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如表4 所示。

3.4 基于物模型的數(shù)據(jù)通信

在傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)中，門禁控制器或者一體機(jī)安裝現(xiàn)場，管理主要依托管理計(jì)算機(jī)。在圖1 的方案中，我們采用工業(yè)觸摸屏作為管理機(jī)，傳統(tǒng)的管理計(jì)算機(jī)依然可以作為備用管理設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。增加工業(yè)觸摸屏后，傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)便具有了連接云端的能力，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和APP 控制。觸摸屏和云服務(wù)器之間的采用基于TCP 的MQTT 通訊，交換數(shù)據(jù)為JSON(JavaScript Object Notation)格式。這是典型的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交互方案，目前國內(nèi)的阿里云物聯(lián)網(wǎng)和中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)平臺都是這樣的架構(gòu)。物模型就是一種描述對象屬性和事件的JSON 文件，手機(jī)APP、觸摸屏和云平臺三者能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)同步和控制交互，都是以物模型為基礎(chǔ)。物模型內(nèi)容包含屬性、服務(wù)和事件三種類型，屬性一般是設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如當(dāng)前電鎖狀態(tài)等；服務(wù)是設(shè)備可被調(diào)用的方法，支持定義參數(shù)，如執(zhí)行遠(yuǎn)程開門等；事件則是設(shè)備上報(bào)的通知，如設(shè)備告警等，三者并無嚴(yán)格區(qū)分，通過科學(xué)合理的屬性變量設(shè)置，可以用屬性代替服務(wù)和事件。門禁系統(tǒng)的物模型主要包括SN、門狀態(tài)、開門、關(guān)門、常開、常關(guān)和記錄上報(bào)等，管理觸摸屏是整個(gè)門禁系統(tǒng)的核心。鑒于門禁系統(tǒng)工作特點(diǎn)，為了降低數(shù)據(jù)通訊流量，屬性上報(bào)方案為變更上報(bào)。

表4：不定短報(bào)文結(jié)構(gòu)

表5：門禁測試系統(tǒng)清單

4 功能實(shí)現(xiàn)及測試

為了驗(yàn)證本文所提方案的可行性，搭建了如下專門的測試平臺。所用的設(shè)備如表5 所示，管理觸屏選用DC80480KW050，該型號轉(zhuǎn)為物聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)計(jì)，有阿里云專用的API 可供使用。

在DC80480KW050 上完成門禁控制協(xié)議的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對門禁子系統(tǒng)的本地監(jiān)控和管理。觸屏通過WiFi 接通外網(wǎng)后，即可接入阿里云飛燕平臺。測試之前需要先注冊開通飛燕平臺賬號，開通后創(chuàng)建項(xiàng)目、創(chuàng)建產(chǎn)品，然后在產(chǎn)品下增加測試設(shè)備。在開發(fā)階段，最多允許添加50 個(gè)測試設(shè)備。設(shè)備通過"product_key"、"device_name":和,"device_secret"三個(gè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)識，這三個(gè)參數(shù)也觸摸屏連接云平臺的身份標(biāo)識。觸摸屏通過cloud_save_info 函數(shù)設(shè)置認(rèn)證參數(shù)，通過cloud_startup、cloud_shutdown、cloud_on_property_set和cloud_post_property 等API 函數(shù)進(jìn)行云端的啟動(dòng)、關(guān)閉、數(shù)據(jù)交互和對時(shí)等功能。觸摸屏成功接入云平臺后，可通過在線調(diào)試對屬性進(jìn)行獲取和設(shè)置。最終測試結(jié)果表明，該門禁系統(tǒng)方案，運(yùn)行可靠，能夠順利實(shí)現(xiàn)云端管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于DC80480KW050 觸摸屏的門禁管理系統(tǒng)，并利用LUA 語言和阿里云API 接口完成控制軟件開發(fā)。該門禁系統(tǒng)易于部署，可用于對傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)升級改造。測試結(jié)果表明，該控制方案具有成本低、靈活性高和開放性好等優(yōu)勢，具有良好的工程應(yīng)用前景。