基于NB-IoT的智慧校園物聯門鎖系統研究與實現

摘 要：為解決傳統機械門鎖在智慧校園公房及宿舍管理中遇到的房屋分配、管理和統計等問題，從物聯門鎖硬件設計、門鎖系統軟件架構、系統安全設計等方面展開研究，實現了一種基于NB-IoT通信的智慧校園物聯門鎖系統。系統可以與智慧校園公房管理系統、宿舍管理系統、物聯網平臺和一卡通系統等有機結合，使用校園一卡通卡片替代原有機械鑰匙，實現人、卡、門的授權、管理和數據分析。該系統通過實時管理房屋進出情況，實現了智慧校園出入權限精細化管理，滿足了智慧校園信息化、智能化建設的需求。

關鍵詞：物聯門鎖；NB-IoT；門鎖授權；房屋管理；分布式架構；系統安全

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-03

0 引 言

隨著高校辦學規模的不斷擴大，新建校區及樓宇的房屋資產管理也越來越多，校園內教師、學生、訪客、物業等各類人員對于教室、宿舍、實驗室、會議室等場所的使用和管理需求也在不斷變化。在這些場景下不同人員出入的高效、便捷管理，房屋狀態及使用狀況的可追溯性就顯得極為重要。然而，傳統的機械門鎖在房屋分配、出入管理和使用統計上已經不能適應智慧校園信息化、智能化建設的需求。為此，本文設計了一種基于NB-IoT通信的智慧校園物聯門鎖系統，能夠滿足智慧校園信息化、智能化建設的需求。

1 需求分析

校園內學生公寓、教學樓、實驗樓、圖書館等各個區域不同類型的房屋較多，隨著校園內人員的變動和部門公房需求的不斷變化，如果仍以傳統機械門鎖作為房屋主要的管理方式，以及對金屬鑰匙進行分發和管理，學校則需耗費大量的人力、物力。隨著智慧校園信息化程度的不斷提高，學校在公房及宿舍日常管理中仍存在以下問題。

1.1 無法統一授權

資產管理部門無法通過公房管理系統對房屋權限做統一授權管理以及各單位分級授權管理。房屋門鎖采用機械鑰匙作為主要開門方式，存在鑰匙發放難、防復制難、回收難的三難問題，資產管理部門無法針對大量的公房、宿舍進行統一管理權限控制，無法將分配房屋的管理權限下放到各個院系、部門、物業等來實現分級授權管理。

1.2 安全難以保障

教室、實驗室和會議室經常輪換不同的教師和學生使用，即使有專門的管理人員也無法杜絕私自復制鑰匙的現象，無法準確知道每個房屋由誰、在何時進行過開門行為，一旦發生安全問題，無法追溯排查；節假日等非教學時間不易對房屋進行有效管控，擁有鑰匙的人依然可以隨意進出。

1.3 管理效率不高

每年大量新生入學、老生離校以及期末換宿舍時，學校都需要花費大量的人力和物力進行鑰匙回收、分配、辨別真偽、鎖芯更換等工作，若有鑰匙缺失還需額外進行重配鑰匙工作；教室、實驗室、會議室等屬于公共區域，授權人員多、變更頻繁，必須找專人管理，管理成本較高且無法保證實時性；管理人員查宿或進行安全巡查時，需攜帶一大串鑰匙并進行翻找，耗費較多的時間。

1.4 無法分析數據

傳統的門鎖無法配合學校的管理制度對學生的行為進行有效管理，如判斷學生是否按時歸宿，是否存在多天不在校、曠課、私自換寢等情況；傳統門鎖也無法根據學校的管理需求對房屋的使用進行數據分析。

智慧校園物聯門鎖系統的研究與實現既能對傳統的校園房屋資產管理的工作方式和流程進行變革，又能利用信息化、智能化的手段提高學校公房和宿舍的管理效率，還能為房屋的使用和分配提供決策和數據分析。

2 系統設計

智慧校園物聯門鎖系統將學校公房管理系統、宿舍管理系統、物聯網平臺、一卡通系統和物聯門鎖等有機結合，使用校園一卡通卡片替代原有機械鑰匙，高效實現對人、卡、門的管理。智慧校園物聯門鎖系統整體架構如圖1所示。

智慧校園物聯門鎖系統由物聯門鎖硬件、門鎖管理軟件兩部分組成[1]，詳見表1。

3 系統硬件架構

NB-IoT通信技術具備功耗低、成本低、適用范圍廣、安全性強、連接穩定等顯著優勢。相比于其他的物聯網通信技術，NB-IoT不需要自建網絡的繁瑣配置和維護，也無需智能網關來中轉數據，極大地方便了安裝施工和調試[2]?；诂F場實際情況，本系統選擇基于NB-IoT的通信方式來實現智慧校園物聯門鎖系統基礎通信。具體硬件架構如圖2所示。

物聯門鎖硬件由電池供電，其元件選型皆采用低功耗方案。為確保整體設備工作的可靠性，定制開發的電路板采用4層板布局，將信號層置于頂層與底層，這極大地提高了整體穩定性。此外，為適應各類天氣環境，所有元器件的工作溫度均能滿足在-20～70 ℃環境下正常工作的要求。各元件主要功能設計如下：

（1）主控CPU：采用32位ARM-Cotex M0+主控芯片，平時處于低功耗待機狀態，當有NB-IoT、藍牙通信數據時會喚醒CPU進行數據處理。

（2）存儲芯片：采用8 MB的FLASH，用于存放加密后的授權信息和尚未傳輸到服務器的記錄。

（3）開門電機：是用于控制物聯門鎖開關的電機，當電機正轉時，會推動插銷進入，此時物聯門鎖下壓把手就可以開門；當電機反轉時插銷退出，此時下壓把手為空壓，無法開門。

（4）時鐘芯片：是系統的關鍵器件之一，用于在生成數據和發送數據時添加時間戳等[3]。

（5）ESD保護：是物聯門鎖的重要部分，用于保證主控電路板擁有較強的抗干擾性。

（6）電源轉換及檢測：主控電路板采用電池供電，其放電電壓范圍為4～6.2 V，電源轉換部分集成了過流和反向保護，并將電壓穩定調制到3.3 V供系統使用。系統采用一路12 bit的ADC進行電池電壓檢測，并轉換為對應電量。

（7）NB-IoT模塊：是門鎖的核心元件，采用BC28模塊，支持中國電信NB-IoT B5頻段，最大輸出功率為23 dBm，靈敏度為-129 dBm，被廣泛應用于電表、水表、共享單車等場景，性能穩定可靠。

（8）藍牙通信：采用BLE 4.0協議棧實現與手機藍牙的通信，有效通信距離為10 m左右[4]。

（9）13.56 MHz RF通信芯片：用于讀取校園一卡通卡片中的數據及物理卡號，芯片及外圍電路符合ISO/IEC 14443 Type A協議，能很好地實現與一卡通卡片的通信。

4 系統軟件架構

門鎖管理軟件采用前后端架構，前端負責Web展示，后端與設備實現數據交互。后端服務器采用分布式架構，架構由監控中心、注冊中心、服務中心、轉發中心和指令中心等組件組成，組件支持集群部署，以實現系統負載均衡，具體集群規模根據實際接入的物聯門鎖數量來調整。

系統監控中心采用Spring Boot Admin，它是一個針對Spring Boot的Actuator接口進行UI美化封裝的監控工具，可以在列表中瀏覽所有被監控Spring Boot項目的基本信息、詳細的Health信息、內存信息、JVM信息、垃圾回收信息及各種配置信息等[5]。

系統注冊中心采用Spring Cloud Eureka，它是Spring Cloud Netflix的組件之一，包含服務注冊、服務發現和服務檢測監控等。所有的服務會被注冊到這里，當服務需要調用其他服務時，就到這里找到服務對應的地址進行調用[6]。

系統服務中心、轉發中心、指令中心采用標準的J2EE技術架構，可簡化并規范系統的開發與部署，從而提高系統的可移植性、安全性與再用價值。

系統服務中心采用典型的MVC三層結構，分別為表現層、中間層和數據層[7]，業務規則、數據訪問及合法性校驗等被放在中間層處理?？蛻舳瞬恢苯优c數據庫交互，而是通過組件與中間層建立連接，再由中間層與數據庫交互[8]。

（1）Web服務器：負責前端服務數據的展示，包含房屋分配信息、刷卡流水、告警和相關配置信息等；同時負責房屋授權信息的動態調整。

（2）數據存儲服務器：負責數據的存儲，與Web服務器、通信前置機和接口服務器進行數據交互。

（3）NB-IoT指令服務器：負責與物聯網運營平臺通信。

（4）接口服務器：實時同步公房管理系統、宿舍管理系統、物聯網平臺、一卡通系統的數據，將人員、組織、卡片、建筑、入住等信息實時同步到物聯門鎖系統，同時提供鑒權認證和個性接口服務。

（5）移動端服務：通過單點登錄方式集成到智慧校園移動APP中，提供遠程開門認證、門鎖狀態數據監控和展示等。

5 系統安全性設計

智慧校園物聯門鎖系統在使用和管理上遵循了數據與應用隔離的原則，對數據存儲、傳輸、接口以及災備等方面的安全性都進行了詳細設計。

5.1 存儲安全

物聯門鎖出入授權支持脫機核驗。日常的授權由服務器下發并保存于本地，每次用戶刷卡產生的記錄也先在本地保存，等待上傳。為確保門鎖授權交易數據存儲的安全，門鎖內設計有大容量的FLASH存儲空間，用于存儲授權和開門記錄。無論是服務器下發到本地的授權，還是門鎖打開產生的記錄，每條數據均采用加密存儲，并添加2個校驗字節，如此一來，即便數據被讀出，也無法被破解或者被非法修改后寫入。

5.2 傳輸安全

物聯門鎖與服務器之間設有NB-IoT和藍牙兩路通道。每路通道的雙向通信都具備多重加密機制，具體而言，系統采用3DES對稱加密算法[9]對門鎖到服務器的雙向通信數據加密后再傳輸。雙向通信的數據幀均包含門鎖唯一的設備ID，且同類型數據在不同鎖上的指令有所不同。此外，雙向通信數據幀還包含時間因子，且含有2個字節的特殊校驗字節，偽造的數據幀會被服務器和門鎖丟棄，以此確保數據安全。

5.3 接口安全

在物聯門鎖系統里，基礎與核心功能由HTTPS接口封裝。HTTPS協議是一種可加密傳輸、進行身份認證的網絡協議，它能防止數據在傳輸過程中被竊取、改變，從而確保數據的完整性[10-12]。

5.4 災備恢復

物聯門鎖系統的數據通過本地和異地兩種方式做好備份。物聯門鎖屬于從系統，其所有數據來源于校園一卡通系統、宿舍管理系統、公房管理系統、物聯網平臺等第三方系統。即使該系統自身突發服務中斷，由于日常產生的記錄已通過接口傳輸給其他平臺，所以在系統恢復后，仍可重新獲取人員信息、授權信息、賬戶信息等相關信息。若系統完全癱瘓，之前下發的授權依然存放在門鎖內部存儲區，不會影響人員進出和門鎖正常功能的使用。

6 結 語

為了解決智慧校園公房和宿舍管理中存在的問題，針對校園應用場景，研究與實現了基于NB-IoT的智慧校園物聯門鎖系統。該系統的實現有利于提升校園信息化管理水平，符合智慧校園信息化建設的發展趨勢。系統投入使用后帶來多方面的效益：節省了低端人力支出，減少了管理房屋換鎖芯、收發鑰匙等成本；通過卡片聯動門鎖授權實時生效的功能，大大提高了工作效率；通過統一授權和分級授權管理，為房屋的動態授權和靈活管理提供了技術和管理方面的支撐；通過實時管理房屋進出情況，實現了智慧校園出入權限的精細化管理，進而使整個智慧校園房屋資產的安全和管理水平得到進一步提升。

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收稿日期：2024-04-26 修回日期：2024-05-29