劉皓然 陳子為 嚴(yán)鑫 王寅辰 彭俊

摘? ?要：實(shí)驗(yàn)室的安保問題是學(xué)校安保工作的重中之重。文章針對(duì)目前高校實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)普遍存在的安全性不高、便捷性不足、成本高等問題，將智能手機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)、生物識(shí)別技術(shù)等結(jié)合，采用STM32F407ZET6作為主控、MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議作為通信協(xié)議，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款具有指紋、密碼、APP等多種開鎖方式，并且具有臨時(shí)密碼、即時(shí)授權(quán)、考勤統(tǒng)計(jì)等功能的實(shí)驗(yàn)室智能門禁集控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能門禁系統(tǒng);MQTT;移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng);嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.44;TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2021）03-0057-05

一、引言

如今幾乎所有高校均設(shè)置有供學(xué)生自主學(xué)習(xí)的開放實(shí)驗(yàn)室以及供實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室的安保問題是學(xué)校安保工作的重中之重。目前高校實(shí)驗(yàn)室的門鎖一般只是普通的防盜門鎖，門鎖鑰匙容易復(fù)制，且需要專人保管鑰匙，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室開放管理極為不便，并且存在安全隱患。[1]智能門禁系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主體，涉及電子、通訊、生物等多種技術(shù)，用來對(duì)出入口進(jìn)行有效的控制，并且限制出入人員的權(quán)限。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及嵌入式行業(yè)的不斷發(fā)展，智能門禁系統(tǒng)逐漸發(fā)展了起來。

實(shí)驗(yàn)室的門禁系統(tǒng)作為高校安防系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，其技術(shù)指標(biāo)要求較一般的門禁系統(tǒng)更高。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)出入人員的管理，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、生物技術(shù)等科技手段來集中控制進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室人員的權(quán)限是實(shí)驗(yàn)室智能門禁系統(tǒng)的基本功能。盡管現(xiàn)階段市場(chǎng)上的智能門禁系統(tǒng)較多，但是依然存在不足之處。[2-4]

（1）安全性不高。目前很多門禁系統(tǒng)采用的都是RFID方式，通過支持ISO-14443-A門禁卡來解鎖門禁，但是該卡的保密性不強(qiáng)，很容易進(jìn)行復(fù)制，從而破解門禁系統(tǒng)。

（2）便捷性不足。有些采用局域網(wǎng)的連接方式，需要手機(jī)連接熱點(diǎn)，或者連接門禁系統(tǒng)上的藍(lán)牙，操作煩瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

（3）成本高。國(guó)產(chǎn)品牌的智能鎖普遍都在三千元左右，比起傳統(tǒng)鎖幾百元的價(jià)格，讓很多用戶望而卻步。

本文針對(duì)以上不足，利用手機(jī)APP以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能滿足實(shí)驗(yàn)室需求、具有多開鎖方式、能集中控制管理的實(shí)驗(yàn)室智能門禁系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入臨時(shí)密碼開鎖、手機(jī)APP開鎖和指紋開鎖三種開鎖方式供實(shí)驗(yàn)室成員選擇，系統(tǒng)主要由設(shè)備端、服務(wù)器端與APP端構(gòu)成，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

云端主要涉及服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，門禁終端通過GPRS、WIFI網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)。通過騰訊云連接到云服務(wù)器上。PC端、手機(jī)端、瀏覽器端通過網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，獲取信息、控制設(shè)備等。

集控系統(tǒng)的設(shè)備端如圖2所示，主要涉及指紋、GPRS、WIFI、有線連接等，設(shè)備端通過GPRS、WIFI網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送和接受服務(wù)器的消息，并根據(jù)服務(wù)器消息執(zhí)行開關(guān)鎖等相應(yīng)操作。

2.設(shè)備端硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備端硬件分為MCU模塊、GPRS模塊、以太網(wǎng)控制電路、WIFI模塊、指紋模塊、顯示及按鍵模塊、電源電路、開鎖電路等部分。

MCU采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407ZET，其3路UART接口分別與GPRS模塊G3524、WIFI模塊ESP8266、指紋模塊AS608相連;[5]兩路SPI接口分別與FLASH存儲(chǔ)器W25Q128和有線網(wǎng)絡(luò)模塊W5500相連;FSMC接口與LCD和SRAM等外設(shè)相連。

在設(shè)計(jì)MCU接口電路時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）SRAM采用IS62WV51216，容量為1M字節(jié)。SRAM_[Ax]為SRAM的地址位，SRAM_[I/O]為SRAM的數(shù)據(jù)位，SRAM的速率較快，所以在布線時(shí)要考慮不要走線太長(zhǎng)。

（2）GPRS模塊G3524通過4V供電，在靠近電源供給的部分，需要使用一個(gè)大容量的鉭電容來蓄能，當(dāng)信號(hào)較低時(shí)，GPRS模塊需要較大電流，這樣就會(huì)拉低電源電壓，放置一個(gè)大容量鉭電容，有助于改善這一問題。天線部分需要進(jìn)行50Ω的阻抗匹配設(shè)計(jì)，同時(shí)走線也不能走直角，主要以弧形線為主。

（3）以太網(wǎng)控制電路中，W5500通過RJ45接口與網(wǎng)線相連，由于RJ45含有高速信號(hào)，所以對(duì)于幾個(gè)重要信號(hào)線，采用差分等長(zhǎng)走線，防止因?yàn)樽呔€影響RJ45速率。

在電源電路中，整個(gè)系統(tǒng)供電包括12V、5V、4V、3.3V。12V電源主要是整個(gè)電路的電源輸入，以及門磁的驅(qū)動(dòng)供電，5V主要為USB部分供電以及3.3V的轉(zhuǎn)換電源。4V主要為GPRS模塊供電，3.3V主要為MCU、W25Q128、LCD、SRAM、W5500等芯片供電。

開鎖電路則是使用傳統(tǒng)的電控鎖，鎖中帶有一個(gè)電磁鐵，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)開鎖，未通電時(shí)鎖體關(guān)閉。電磁鐵通電需要最小12V電壓，最短通電時(shí)間0.5s，故使用5V繼電器作為電磁鐵的開關(guān)，外接12V電源，當(dāng)繼電器導(dǎo)通時(shí)電磁鐵通電開鎖，電路如圖3所示。

3.設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備端軟件需要完成以下四個(gè)主要功能：

（1）通過片上EEPROM中的信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化包括初始化相關(guān)外設(shè)，啟動(dòng)emwin圖形庫，然后通過W5500、ESP8266、G3524連接到消息服務(wù)器。

（2）使用串口3、串口4、串口5，分別與GPRS模塊、WIFI模塊、AS608指紋模塊進(jìn)行通信;其中GPRS模塊、WIFI模塊均通過AT指令進(jìn)行控制，使其連上MQTT服務(wù)器，當(dāng)收到訂閱消息后通過串口發(fā)送接收到的信息，具體流程如圖4所示;而通過指紋模塊AS608的控制指令，可以對(duì)AS608進(jìn)行指紋注冊(cè)、指紋刪除、指紋匹配等。當(dāng)指紋模塊檢測(cè)到有指紋按下后，發(fā)送指紋驗(yàn)證指令，即可驗(yàn)證指紋的合法性，如圖5所示。

（3）控制LCD進(jìn)行顯示。

（4）控制開鎖驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行開鎖。

4.Android終端app設(shè)計(jì)

在Android手機(jī)終端里面，需要完成的功能主要是設(shè)備操作、用戶操作、臨時(shí)密碼操作。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用MariaDB數(shù)據(jù)庫，用來儲(chǔ)存設(shè)備信息、用戶信息、日志信息、臨時(shí)密碼信息、產(chǎn)品信息。[6]MariaDB數(shù)據(jù)庫中需要設(shè)計(jì)的表有：

①user：用戶表，儲(chǔ)存用戶信息。如表1所示。

②devmeaasge：設(shè)備表，存放設(shè)備的信息。如表2所示。

③config：設(shè)備用戶配置表，一個(gè)設(shè)備可對(duì)應(yīng)多個(gè)用戶。如表3所示。

④log：設(shè)備日志信息表，用于存放設(shè)備的日志信息。如表4所示。

⑤temppasswd：臨時(shí)密碼信息表，用于存放設(shè)備日志信息。如表5所示。

⑥product：設(shè)備出廠信息表，用于存放設(shè)備的出廠信息。如表6所示。

Web服務(wù)器是采用HTTP協(xié)議進(jìn)行通信，主要處理來自APP終端授權(quán)操作的請(qǐng)求。接收到請(qǐng)求之后，根據(jù)請(qǐng)求內(nèi)容的不同，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增、刪、改、查。Web服務(wù)器使用Hibernate對(duì)MariaDB數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增、刪、改、查等操作，MariaDB會(huì)將數(shù)據(jù)持久化到數(shù)據(jù)庫中。

6.MQTT策略設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整個(gè)通訊采用了MQTT協(xié)議，MQTT協(xié)議是基于發(fā)布與訂閱模式的一種協(xié)議。[7]所以對(duì)于發(fā)布與訂閱主題，一個(gè)良好的策略有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。[8-11]

（1）發(fā)布策略

設(shè)備端：其發(fā)布主題為SmartAccess/dev/p/{SN}。SN為該設(shè)備的唯一ID，設(shè)備出廠時(shí)會(huì)寫入該ID，并保持該ID的唯一性。

服務(wù)端：其發(fā)布主題為SmartAccess/server/p/{SN}。SN為需要接收的目標(biāo)設(shè)備。

APP端：其發(fā)布主題為SmartAccess/app/p/{SN}。SN為需要接收的目標(biāo)設(shè)備。

（2）訂閱策略

設(shè)備端的訂閱主題為SmartAccess/server/p/{SN}。SN為該設(shè)備的唯一ID，即設(shè)備端上線后，會(huì)立即訂閱來自服務(wù)器端的消息。當(dāng)服務(wù)器端發(fā)布了對(duì)應(yīng)設(shè)備的消息后，設(shè)備端就能接收到該消息。

服務(wù)器端要訂閱三個(gè)主題：第一個(gè)是will，即設(shè)備的遺囑消息，當(dāng)設(shè)備超過一定時(shí)間沒有發(fā)送心跳請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)觸發(fā)該主題，進(jìn)而服務(wù)器就能了解到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以發(fā)送一些離線警告的消息。第二個(gè)是/SmartAccess/dev/p/+，表示訂閱該目錄下的所有消息，即能收到所有的設(shè)備發(fā)布的消息。里面有設(shè)備的命令，包括設(shè)備在線、設(shè)備校時(shí)等。第三個(gè)是/SmartAccess/log/p/+，該主題主要是設(shè)備的日志信息。

（3）連接策略

ActiveMQ默認(rèn)不驗(yàn)證用戶名密碼，即只要知道了mqtt服務(wù)器地址與端口就能連接到mqtt服務(wù)器端。這樣任意的用戶都能獲取到我們的數(shù)據(jù)，這帶來了很大的安全隱患。[12]我們可以通過對(duì)ActiveMQ做二次開發(fā)，讓其支持鑒權(quán)操作來解決此問題，即當(dāng)有設(shè)備連接時(shí)，會(huì)首先攔截該次連接，然后在數(shù)據(jù)庫里查詢?cè)撚脩裘c密碼，當(dāng)匹配到了用戶名與密碼之后，對(duì)該連接進(jìn)行放行;如果沒有匹配到，那么就對(duì)連接進(jìn)行阻斷。這樣只有保存在數(shù)據(jù)庫中的合法用戶才能連接到服務(wù)器，其他非法用戶均不能連接到服務(wù)器，進(jìn)而防止非法用戶竊取數(shù)據(jù)。

三、系統(tǒng)性能測(cè)試及分析

通過使用上位機(jī)以及AT指令來測(cè)試設(shè)備端GPRS以及WIFI模塊是否能夠正常使用，測(cè)試結(jié)果如圖7所示;通過在Android終端安裝APP、注冊(cè)以及鎖定設(shè)備等操作，測(cè)試APP能否正常使用，測(cè)試結(jié)果如圖8所示;服務(wù)器端測(cè)試首先在本地電腦上完成，當(dāng)功能實(shí)現(xiàn)后，將程序用MyEclipse打包，之后部署到服務(wù)器上。服務(wù)端程序的調(diào)試主要借助于http工具。采用http工具模擬手機(jī)APP的訪問，通過調(diào)整請(qǐng)求URL的鍵值對(duì)和請(qǐng)求實(shí)體，來觀察得到的返回?cái)?shù)據(jù)是不是自己想要的結(jié)果，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

四、結(jié)語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過WIFI、GPRS連接互聯(lián)網(wǎng)，通過手機(jī)APP來設(shè)置門禁系統(tǒng)的信息，可以對(duì)開鎖人員進(jìn)行集控管理，可以查看設(shè)備的日志信息，通過自動(dòng)統(tǒng)計(jì)日志信息，可以了解設(shè)備的使用情況以及學(xué)生的出勤情況，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室成員的管理進(jìn)一步體現(xiàn)了智能化。

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（編輯：王天鵬）