互聯(lián)網(wǎng)時代下智能門禁系統(tǒng)應(yīng)用特點及發(fā)展趨勢分析

殷東秀，蔣玉明，傅靜濤

（四川大學(xué)計算機學(xué)院，成都 610065）

0 引言

隨著科技水平不斷提高和城鎮(zhèn)化的日趨完善，住宅小區(qū)的建設(shè)也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)小區(qū)的安全防范系統(tǒng)主要包括家庭防盜報警系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)報警系統(tǒng)、樓宇對講系統(tǒng)、周界防盜報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)和停車管理系統(tǒng)等八大系統(tǒng)。

住宅小區(qū)智能化、智慧化的理念沖擊著傳統(tǒng)的住宅小區(qū)解決方案，其中智能門禁系統(tǒng)由于其使用頻次高、相對獨立等特點已成為智慧社區(qū)解決方案提供商的首要切入點。近年來，層出不窮的新型智能門禁系統(tǒng)給傳統(tǒng)門禁方案帶來了顛覆式的革新。

門禁的本質(zhì)是出入管理控制系統(tǒng)（Access Control System，ACS），管理著人員進出某道門的權(quán)限。隨著智能門禁系統(tǒng)的飛躍式發(fā)展，門禁授權(quán)的載體也發(fā)生了天翻地覆的改變，從傳統(tǒng)的密碼、門禁卡，發(fā)展到現(xiàn)在的帶有藍牙、Wi-Fi、NFC的智能設(shè)備，甚至是指紋、人臉等生物特征。

1 傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)的技術(shù)原理及應(yīng)用特點

1.1 傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)在我國已有二十多年的發(fā)展歷史，主要采用RS-485總線主機調(diào)度網(wǎng)。各門禁控制器通過一個串口讀取信息，并通過另一個串口與RS-485總線通信。上位機通過串口并經(jīng)RS-232電平轉(zhuǎn)換后連接至RS-485總線統(tǒng)一管理各門禁控制器[1]，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)總體功能構(gòu)架

1.2 傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)的應(yīng)用

傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)開門由單元門口機實現(xiàn)控制，主要有密碼開門和基于RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）的刷卡開門兩種方式。

（1）密碼開門

用戶通過按鍵板輸入密碼，單片機控制器將鍵入的密碼與外部EEPROM中存儲的密碼進行比對，判斷是否是合法密碼以驗證用戶權(quán)限，進而控制門狀態(tài)；是合法密碼則發(fā)出開門指令，否則發(fā)出開門失敗指令，并通過蜂鳴器提示[2]。

（2）刷卡開門

刷卡開門機制與密碼開門一致，只是讀取的方式不同。用戶將持有的RFID卡接近讀卡器時，讀卡器識別卡信息并通過串口將卡信息傳送給單片機控制器；單片機控制器將卡信息與外部EEPROM中存儲的密碼進行比對以驗證用戶權(quán)限，進而控制門狀態(tài)；是合法卡片則發(fā)出開門指令，否則發(fā)出開門失敗指令，并通過蜂鳴器提示。

1.3 傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)的弊端

傳統(tǒng)的密碼開門、刷卡開門雖然實現(xiàn)簡單但存在很多的弊端。

（1）使用繁瑣不便。密碼開門，密碼更新周期長，通知難以到戶到人，用戶需要記憶6～8位開門密碼，給用戶帶來使用負(fù)擔(dān)。而刷卡開門，卡片需隨身攜帶，又易丟失、忘帶，開門時必須靠近門口機讀卡器附近，給攜物出門的用戶帶來了不便。

（2）管理效率極低。密碼開門，密碼變更困難。傳統(tǒng)的門禁密碼需要通過母卡人工到每一臺門禁機上存儲更新的密碼，而密碼變更通知需要發(fā)送短信到住戶手機，成本大、通知效果差。因而，在現(xiàn)實應(yīng)用中，小區(qū)很少更新密碼，各門密碼各個單元住戶、中介、快遞周知，形同虛設(shè)。而刷卡開門，卡片管理僵化?？ㄆ纳?、失效管理難以落實，遺失卡、搬離租戶的卡片依然可開門，存在極大安全隱患。

（3）運維改造困難。各種控制器與計算機之間通過RS-232接口或RS-485接口連接，設(shè)備之間的物理連線復(fù)雜，故障點多，運維繁瑣，且不利于升級改造。

（4）安全隱患極大。ID卡片無秘鑰安全機制，極易仿冒，且卡片本身易丟，存在安全隱患。

2 新型智能門禁系統(tǒng)的技術(shù)原理與應(yīng)用特點

近年來，涌現(xiàn)了不少新型的智能門禁方案，大多采用近場通訊的方式，包括NFC、藍牙、Wi-Fi、生物識別等幾種典型的門禁系統(tǒng)方案。

2.1 基于NFC技術(shù)的新型智能門禁系統(tǒng)

NFC（Near Field Communication，近場通信）是一種短距高頻的非接觸式識別和傳輸技術(shù)，通信頻段為13.56MHz[3-4]?；贜FC技術(shù)的門禁系統(tǒng)利用用戶智能移動終端中的NFC功能與門禁控制器上的NFC模塊進行通訊，實現(xiàn)門禁控制。

NFC技術(shù)是由無線射頻識別技術(shù)（RFID）演變而來，并向下兼容RFID，具有以下特點：

●較低的傳輸速率（106kbps、212kbps、414kbps）

●短距離無線通信（使用范圍一般在1～4cm，理論上最大至10cm）

●非接觸式點對點連接（無需發(fā)現(xiàn)、無需配對）

●被動連接方式為主（響應(yīng)時間0.1s，能耗極低）

基于NFC技術(shù)的門禁系統(tǒng)采用被動通訊模式，由用戶移動智能終端啟動NFC通信設(shè)備，即NFC發(fā)起設(shè)備（主設(shè)備），在整個通信過程中提供射頻場[5]。它可以選擇106kbps、212kbps 或 424kbps 中的一種傳輸速率[4]，將“開門密碼”發(fā)送到門禁控制機的NFC模塊，即NFC目標(biāo)設(shè)備（從設(shè)備），發(fā)起設(shè)備使用負(fù)載調(diào)制（Load Modulation）技術(shù)，即可以相同的速率將數(shù)據(jù)傳回至用戶智能終端，并向門禁控制器發(fā)送開門信號。

2.2 基于藍牙技術(shù)的新型門禁系統(tǒng)

藍牙（Bluetooth）是一種短距離無線通信規(guī)范，工作頻段為全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，其傳輸范圍為10～100米。藍牙可以建立臨時性對等連接（Peer to Peer Connection）[6]。

采用藍牙技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)，門鎖中內(nèi)置藍牙模塊，通過智能移動終端對門禁系統(tǒng)進行控制，門禁系統(tǒng)的授權(quán)驗證采用密碼驗證方式。首先將移動終端的藍牙模塊按照藍牙的安全協(xié)議與門禁建立可靠連接，并設(shè)置用戶所需密碼；當(dāng)用戶靠近門禁系統(tǒng)時，移動終端設(shè)備將自動與門禁系統(tǒng)匹配建立連接。此時，門禁系統(tǒng)會發(fā)送消息驗證請求，等待驗證消息，這時用戶只要開啟智能移動終端上的藍牙功能，輸入預(yù)先設(shè)定的開鎖密碼，與門禁系統(tǒng)進行消息匹配，完成身份驗證。身份驗證成功后，門鎖便自動開啟；如果移動終端上所輸入的密碼不是預(yù)先設(shè)定的密碼，移動終端上將會顯示密碼錯誤，門禁系統(tǒng)也會報錯，門鎖將繼續(xù)保持鎖定狀態(tài)，門鎖開啟失敗。

2.3 基于Wi-Fi技術(shù)的新型門禁系統(tǒng)

Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線高保真）是一種無線通信協(xié)議，該技術(shù)使用2.4GHz的ISM頻段，速率最高可達600Mbps，覆蓋范圍可達100m左右[7]。

基于Wi-Fi技術(shù)的門禁系統(tǒng)，通過用戶移動終端的Wi-Fi模塊與門禁上的Wi-Fi模塊進行通信，實現(xiàn)開門信號的傳輸。其通信主要采用“共享秘鑰認(rèn)證（Shared-Key Authentication，SKA）”方式，用戶移動終端與目標(biāo)門口機上附加的Wi-Fi模塊進行通信，經(jīng)過首次認(rèn)證后可在無干擾環(huán)境下自動連接[8]，以實現(xiàn)自動開門。

2.4 基于生物識別技術(shù)的新型門禁系統(tǒng)

生物識別技術(shù)是通過計算機與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器及生物統(tǒng)計學(xué)院原理，利用人體固有的生理特性和行為特征來進行個人身份鑒定的技術(shù)。在門禁領(lǐng)域具備極強的不可復(fù)制性，指紋識別、人臉識別、虹膜識別、靜脈識別等生物識別技術(shù)正逐步走向應(yīng)用[9]。而其中，人臉識別和指紋識別的應(yīng)用最為廣泛。

基于生物識別技術(shù)的新型門禁系統(tǒng)主要由生物識別讀頭、門禁控制器、門等部分組成。生物識別讀頭即為專業(yè)的生物識別裝置，主要用來記錄和辨識生物特征，如人臉特征、指紋特征、靜脈特征、虹膜特征等[10]。它能預(yù)錄入生物特征，也能提取現(xiàn)場人員的未知生物特征，與已錄入生物特征進行比對，并給出比對結(jié)果。比對通過后將對應(yīng)的用戶信息發(fā)送給門禁控制板，由門禁控制器進行后續(xù)操作，開鎖或者拒絕開鎖。生物識別讀頭與門禁控制器結(jié)合應(yīng)用方可成為生物識別門禁系統(tǒng)，生物識別讀頭與門禁控制器的通訊方式以TCP/IP、韋根、485 協(xié)議為主[11]。

2.5 各類新型智能門禁技術(shù)特點及應(yīng)用對比

基于NFC技術(shù)的門禁系統(tǒng)可以向下兼容傳統(tǒng)IC卡，識別率高，能耗低，省去了攜帶卡片的不便，但缺點是用戶授權(quán)管理較為復(fù)雜。

基于藍牙技術(shù)的門禁系統(tǒng)可以在有效范圍內(nèi)（實際中通常為1～2m）自動識別并開門，理論上十分快捷，但由于現(xiàn)有智能手機的藍牙協(xié)議版本不一，難以兼容，導(dǎo)致穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和識別率低，且首次授權(quán)認(rèn)證操作繁瑣，出于能耗、安全考慮藍牙功能常閉等一系列現(xiàn)狀，導(dǎo)致藍牙開門的受歡迎程度大大降低。

基于Wi-Fi技術(shù)的門禁系統(tǒng)覆蓋范圍較廣，傳輸連接速度快，但首次連接需認(rèn)證，且能耗高、易被搶占?；谏镒R別技術(shù)的門禁系統(tǒng)最大優(yōu)點是安全性極高，但缺點是設(shè)備成本、運維成本太高，且授權(quán)認(rèn)證時的數(shù)據(jù)采集過程繁復(fù)，在住宅小區(qū)的場景下應(yīng)用較少，已應(yīng)用的小區(qū)，出于成本考慮設(shè)備精度不高，安全性也難以保證。

綜上，上述門禁技術(shù)方案均已有市場案例，通常是附加在原有傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)上，未從根本上改變傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)的問題，總體而言識別率不夠、用戶體驗較差。

3 面向智慧社區(qū)的新型智能門禁系統(tǒng)

傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)和現(xiàn)有新型門禁系統(tǒng)解決方案除了識別率低、成本高及改變不徹底，還因IPv4地址耗盡受到嚴(yán)重制約。傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)大多采用IPv4組網(wǎng)，由于IPv4地址資源嚴(yán)重不足，智慧社區(qū)需要不斷增長的各類終端設(shè)備、智能家居的終端設(shè)備入網(wǎng)受到極大影響，嚴(yán)重制約了智慧社區(qū)的擴展、延伸。

互聯(lián)網(wǎng)時代下的智慧社區(qū)，在傳統(tǒng)門禁相互獨立的八大系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)優(yōu)勢，全面融合、集成原有系統(tǒng)，進入云交換平臺，廣泛采集、分析各類社區(qū)生活基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進一步向萬物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字生活發(fā)展。智慧街區(qū)管理、智能物業(yè)管理、智能家居、社區(qū)O2O（Online To Offline，線下到線上）服務(wù)等多元化的需求層出不窮。

表1 門禁系統(tǒng)技術(shù)方案的對比

針對上述情況，本文提出一種面向智慧社區(qū)的新型智能門禁系統(tǒng)的解決方案，摒棄傳統(tǒng)的局域網(wǎng)組網(wǎng)方式，而基于IPv6的智能小區(qū)地址規(guī)劃、轉(zhuǎn)換機制，使智能門禁等設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，以智能手機應(yīng)用為授權(quán)載體，通過 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協(xié)議作為信令控制，下達開門指令，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)手機開門。

同時，通過智能手機應(yīng)用實現(xiàn)實時、移動、可視對講，去除室內(nèi)分機外，相比現(xiàn)有門禁解決方案，不僅成本大幅降低，而且手機開門響應(yīng)速度可降至500ms以內(nèi)，開門成功率可達95%。本文提出的面向智慧社區(qū)的新型智能門禁系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)開門方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 面向智慧社區(qū)的門禁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在實際應(yīng)用中，該方案可通過兼容傳統(tǒng)的密碼開門、刷卡開門方式應(yīng)對斷網(wǎng)等特殊情況應(yīng)用，實現(xiàn)傳統(tǒng)小區(qū)到智能小區(qū)的過渡，同時能夠記錄開門日志、抓拍開門照片實現(xiàn)安防升級。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)由于其管理效率低、安全性差、便捷性不足，越來越無法滿足住宅用戶的需求。在互聯(lián)網(wǎng)背景下，藍牙、NFC、Wi-Fi等無線近場通訊技術(shù)被廣泛嘗試和應(yīng)用于智能門禁系統(tǒng)，但由于技術(shù)應(yīng)用不夠成熟，僅作智慧社區(qū)的“單點突破”，不能與智慧社區(qū)解決方案中的其他應(yīng)用相互融合。導(dǎo)致集成度不夠、認(rèn)證繁瑣，加之技術(shù)本身的特性限制，導(dǎo)致識別率低，用戶體驗較差。生物識別技術(shù)由于儀器精密度要求較高，設(shè)備成本和運維成本大，使此類解決方案在市場上沒有競爭優(yōu)勢，將生物識別大規(guī)模運用于智慧門禁還需要技術(shù)和經(jīng)濟的共同支撐。

智能門禁系統(tǒng)在智慧社區(qū)的場景下是整體工程，從智能門禁中的“開門”一環(huán)單點突破的方式終究難以徹底顛覆傳統(tǒng)智慧社區(qū)解決方案，隨著IPv6、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展與深化，未來的門禁系統(tǒng)必須越來越智能、簡便、安全。本文提出一種面向智慧社區(qū)的新型智能門禁系統(tǒng)的解決方案，不僅能夠穩(wěn)定、便捷地實現(xiàn)“手機開門”，更能與智慧社區(qū)平臺深度融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與分析，成為智慧社區(qū)整體解決方案不可或缺的一部分。