基于NFC的數字化智能門禁系統設計與實現

李峻屹

( 陜西警官職業學院 信息技術系，西安 710021)

0 引言

本設計主要完成的是基于 NFC 的智能化門禁系統，本文將從基于NFC的智能門禁監控中心系統、門鎖監控、智能門鎖和密鑰對門禁系統進行設計與描述。使用NFC短距離無線通信技術通過3G互聯網絡連接云服務器,通過云服務技術進行更精確的定位和跟蹤人員信息來提高門禁監控系統的管理效率和質量，并初步驗證了該系統的可行性和有效性[1]。

1 系統應用相關理論與技術分

近距離無線通訊技術(NFC)是一種基于無限射頻識別和互聯網技術的短距離無線通信技術標準。使用了近距離無線通訊技術的設備，在相互靠近的情況下就能夠進行數據的交換，是在互連互通技術與非接觸式射頻識別(RFID)技術的基礎上，進一步整合完善形成的，將感應式讀卡器、感應式卡片和點對點通信的功能集中整合在一張芯片上，通過使用安裝NFC的移動終端來實現數字化智能門禁系統的應用。

目前很多門禁系統生產企業已經搶占先機，開始在云服務上的系統布局，經過不斷的發展和優化，部分大型的云服務提供商在技術上已經能夠同時滿足大量智能門禁系統相互通信的需求，基礎配套服務也能夠與需求相匹配，這些企業也將部署和管理智能門禁系統的門禁密鑰，配置門禁虛擬憑證可以通過無線網或USB接口連接到管理網絡的互聯網基站和移動設備運營商的線上配置的方式完成。

2 NFC智能門禁系統的總體架構

NFC智能門禁控制系統是由六部分相互配合連接成的一個大系統，包括智能門鎖、門鎖監控器、智能鑰匙、云服務器、主服務器、無線網絡。門禁監控中心系統通過LAN和WAN的網絡連接實現相應功能；鑰匙門鎖及門鎖監控器構成NFC門禁控制系統的智能終端。為了滿足功能需要，NFC智能門禁系統的總體架構為：門禁監控中心系統、NFC門鎖監控器、NFC智能門鎖和NFC智能鑰匙[2]。總體架構圖如圖1所示。

使用本系統的用戶首先需確保在智能手機上下載并安裝NFC智能密鑰軟件，才能執行之后的步驟，授權密鑰軟件安裝成功后啟動，在帳號框內輸入云服務的ID號，系統自動對比數據庫中已存儲的數據從而識別出該用戶是否存在。注冊新用戶需通過輸入手機SIM卡的個人識別密碼，用戶在操作界面的用戶名輸入框中輸入需要授權的密鑰用戶名稱，系統隨后將申請要求發給云服務器。智能門禁系統管理者確認用戶的驗證需求滿足各項要求后，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，系統會將申請失的信息發送給用戶，并提供正確的操作流程指導用戶申請，用戶完成修改操作后重新完成注冊。申請成功后通過用戶的手機ID和PIN碼來確認僅對該用戶有效的信息[3]。

圖1 智能門禁系統總體架構圖

2.1 NFC智能門鎖網絡監控中心系統的設計

門禁監控中心系統管理系統內的各個部門極其工作人員，并維護整個系統，以及管理門鎖監控設備、門鎖與鑰匙和用戶訪問權限；完成包括所有的一級部門和子部門的創建；處理(查詢、更新、到處、打印等)NFC智能門禁控制系統的所有相關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(創建、鎖定和刪除)計算機的工作站點；整理(查詢、更新、導出和打印)計算機軟件工作站點信息；創建部門系統管理員的資格；鎖定或者刪除需要處理的工作站點賬戶；可以創建所有的云服務，查詢、更新、打印所有的云服務信息；可以創建數量不受限制的NFC 智能門禁控制系統的門鎖監控器。

門禁監控中心系統包括云服務器、主控制器、監控終端，這3個部分共同實現了整個系統的功能。各個工作站點和站點賬戶信息，云服務信息的內容繁瑣，需要強大的存儲功能，門禁控制系統中的智能門鎖組、門鎖監控器、智能密鑰組的所有注冊的權限信息需要分類管理，確保信息的合法性和準確性，這些功能都需由主控制器來完成。NFC智能門禁將系統與用戶信息互聯互通功能的實現則需監控終端發揮作用，門鎖、密鑰的提示信息及時發給用戶，方便用戶的使用。例如監控智能門鎖收集到智能密鑰的識別信息或未識別原因后，將后續的操作流程發送給用戶，幫助用戶成功完成整個操作流程；查詢并監控智能門鎖對智能密鑰的授權信息。云服務器起到各設備連接的中轉站作用，處理各種請求信息，上傳信息至上級主服務器，然后將處理過的信息回傳給門禁系統的密鑰中[4]。以下就是這3個部分的關聯圖，如圖2所示。

圖2 門禁監控中心系統結構圖

2.2 NFC門鎖監控器的設計

系統內智能門鎖監控器、智能門鎖和智能秘鑰工作的實時狀況需要NFC智能門鎖監控器來完成監控過程，從而保證整個系統能夠穩定有效的運行，NFC門鎖監控器以數據服務器為運行基礎，它運行的監控平臺需由數據服務器提供。NFC智能門鎖監控服務中的不同功能將由NFC服務管理、LM服務器、門鎖監控(Lock Monitor、IMonitor)、智能門鎖(NFCLock)、提示信息(Alarm Message )這幾個部分分別完成，其原理如圖3所示。

2.3 NFC智能門鎖的設計

NFC智能門鎖的硬件由集成電路板相關電路連接起來，主要由門鎖轉動機械接口、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智能門鎖監控結構圖

圖4 系統拓撲結構圖

NFC智能門鎖由系統程序調度處理器與數據交換處理器組成，智能門鎖與監控中心的信息相互流通由USB接口完成，智能監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處理數據、NFC智能門鎖的控制信息和通訊程序的存儲工作。微處理器芯片可將門鎖系統USB接口傳送過來的信息進行初始化，門禁控制器的SSD芯片負責存儲門禁監控系統的名稱、系統之間通信的協議與通信的密碼。

NFC模塊一負責門鎖與密鑰的信息交互，通過NFC 功能實現，智能門鎖將接收到的密鑰與密鑰庫中的存儲數據進行對比，信息匹配成功，門鎖被打開，整個操作過程同步傳輸到門鎖控制器中的數據存儲單元；若匹配不成功，則無法進行下一步操作，操作同樣會被傳輸到數據以備查驗。智能門鎖的工作記錄傳遞路徑為從門鎖監控器再到門禁系統監控中心，這一傳遞功能的實現需要依靠NFC模塊二；NFC模塊二還可以對智能門鎖中的信息進行更新和刪減。門鎖控制器收集NFC模塊一和NFC模塊二檢測到的信息，并將處理好的控制信息分別發送到NFC模塊一和NFC模塊二；將更新的數據及時保存到數據存儲器中，實時監控智能門鎖的工作狀態。門鎖轉動機械接收門鎖轉動接口的控制信號然后完成相應的操作，為滿足對機械設備的監控與維護的需求將門鎖的狀態信息傳遞到整個系統。結構如圖5所示。

圖5 門鎖基本結構圖

2.4 NFC智能鑰匙的設計

NFC 智能密鑰是一款基于智能手機的操作軟件，更好的滿足人們的需求，軟件的下載安裝是操作本系統的基礎，同時用戶應確保其使用的智能手機具有 NFC 功能通信模塊，因為NFC 功能的所有通信協議都需獲取通信模塊的支持，否則將無法使用本系統。基于便利性的原則，本文通過使用智能手機的無線網絡來傳遞門禁監控系統各個部分之間的信息，例如通過手機的無線通信網絡將授權的智能密鑰的信息傳遞到門禁控制系統中心，完成信息的記錄和存儲只需要用戶隨手點一下手機；新用戶的注冊流程更加簡單，用戶的手機 APP會收到系統審核的授權碼和注冊信息，完成手機與門鎖之間的信息匹配。以3G模塊作為通信接口，通過網絡密鑰與門禁控制中心完成信息交互，云服務日志表、已注冊成功的手機識別碼與IP地址儲存形式如表1、表2所示，用戶如需對密鑰申請、更改、刪除等操作需在手機中的智能密鑰軟件中完成。

表1 云服務日志表

手機IP地址映射表(tbl—Mobile IP)，其結構如表2所示。

表2 手機IP地址映射表

3 系統測試

用來測試的這把鑰匙已被激活，數據存儲于云端，并且獲得了針對一號門鎖的永久開啟權限，系統測試環節主要從識別的距離、未被授權和授權三個方面對智能密鑰開啟智能門鎖進行檢測[5]。

(1) 首先驗證密鑰使用范圍，將密鑰放在距離門鎖15 cm的位置，根據提示內容完成操作，操作準確完成后等待3秒鐘，手機上顯示此次訪問的結果，如圖6所示。

圖6 超距離訪問結果

本次實驗驗證了智能密鑰與智能門鎖的最佳通信距離，大于10 cm的距離顯示的結果是未發現 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。(2)接下來我們對授權訪問權限進行實驗驗證，手機與智能門鎖保持5 cm的距離；打開智能密鑰完成操作后等待3秒鐘后，實驗結果如圖7所示。

圖7 NFC智能鑰匙的無權訪問結果

本次試驗我們可以確認的是，沒有被授權的NFC智能門鎖，NFC智能密鑰無法打開門禁。

(3)使用已經被授權的NFC智能密鑰在要求距離以內訪問這把門鎖，打開手機軟件，點擊訪問門鎖，等待3秒鐘后得到如圖8所示內容，說明我們訪問的NFC智能門鎖已經被打開。

4 總結

本文介紹了一個基于NFC通訊協議的數字化智能門禁系統的總體架構設計，并列舉了智能門禁系統網絡監控部分、NFC門鎖部分、NFC門鎖監控部分和NFC智能密鑰四部分的設計內容，最后對系統進行測試并初步取得了預期的效果。由于基于NFC的數字化門禁系統的設計還存在穩定性等方面的問題，為了進一步優化門禁系統，將來的研究檢測中需要逐漸解決本文設計系統中的問題，比如對NFC芯片加強測試，提高系統的穩定性，逐漸完善系統。

圖8 NFC智能鑰匙的有權訪問結果