互聯網時代下智能門禁系統應用特點及發展趨勢分析

殷東秀，蔣玉明，傅靜濤

（四川大學計算機學院，成都 610065）

0 引言

隨著科技水平不斷提高和城鎮化的日趨完善，住宅小區的建設也在不斷發展。傳統小區的安全防范系統主要包括家庭防盜報警系統、聯網報警系統、樓宇對講系統、周界防盜報警系統、視頻監控系統、電子巡更系統、智能門禁系統和停車管理系統等八大系統。

住宅小區智能化、智慧化的理念沖擊著傳統的住宅小區解決方案，其中智能門禁系統由于其使用頻次高、相對獨立等特點已成為智慧社區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給傳統門禁方案帶來了顛覆式的革新。

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

1 傳統門禁系統的技術原理及應用特點

1.1 傳統門禁系統的結構

傳統門禁系統在我國已有二十多年的發展歷史，主要采用RS-485總線主機調度網。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RS-232電平轉換后連接至RS-485總線統一管理各門禁控制器[1]，其網絡結構如圖1所示。傳統門禁系統的總體功能結構如圖2所示。

圖1 傳統門禁系統網絡結構圖

圖2 傳統門禁系統總體功能構架

1.2 傳統門禁系統的應用

傳統門禁系統開門由單元門口機實現控制，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限，進而控制門狀態；是合法密碼則發出開門指令，否則發出開門失敗指令，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限，進而控制門狀態；是合法卡片則發出開門指令，否則發出開門失敗指令，并通過蜂鳴器提示。

1.3 傳統門禁系統的弊端

傳統的密碼開門、刷卡開門雖然實現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，給用戶帶來使用負擔。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送短信到住戶手機，成本大、通知效果差。因而，在現實應用中，小區很少更新密碼，各門密碼各個單元住戶、中介、快遞周知，形同虛設。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，設備之間的物理連線復雜，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 新型智能門禁系統的技術原理與應用特點

近年來，涌現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方案。

2.1 基于NFC技術的新型智能門禁系統

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，通信頻段為13.56MHz[3-4]。基于NFC技術的門禁系統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，實現門禁控制。

NFC技術是由無線射頻識別技術（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（無需發現、無需配對）

●被動連接方式為主（響應時間0.1s，能耗極低）

基于NFC技術的門禁系統采用被動通訊模式，由用戶移動智能終端啟動NFC通信設備，即NFC發起設備（主設備），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”發送到門禁控制機的NFC模塊，即NFC目標設備（從設備），發起設備使用負載調制（Load Modulation）技術，即可以相同的速率將數據傳回至用戶智能終端，并向門禁控制器發送開門信號。

2.2 基于藍牙技術的新型門禁系統

藍牙（Bluetooth）是一種短距離無線通信規范，工作頻段為全球通用的2.4GHz ISM（即工業、科學、醫學）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]。

采用藍牙技術的智能門禁系統，門鎖中內置藍牙模塊，通過智能移動終端對門禁系統進行控制，門禁系統的授權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議與門禁建立可靠連接，并設置用戶所需密碼；當用戶靠近門禁系統時，移動終端設備將自動與門禁系統匹配建立連接。此時，門禁系統會發送消息驗證請求，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，輸入預先設定的開鎖密碼，與門禁系統進行消息匹配，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先設定的密碼，移動終端上將會顯示密碼錯誤，門禁系統也會報錯，門鎖將繼續保持鎖定狀態，門鎖開啟失敗。

2.3 基于Wi-Fi技術的新型門禁系統

Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線高保真）是一種無線通信協議，該技術使用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技術的門禁系統，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，實現開門信號的傳輸。其通信主要采用“共享秘鑰認證（Shared-Key Authentication，SKA）”方式，用戶移動終端與目標門口機上附加的Wi-Fi模塊進行通信，經過首次認證后可在無干擾環境下自動連接[8]，以實現自動開門。

2.4 基于生物識別技術的新型門禁系統

生物識別技術是通過計算機與光學、聲學、生物傳感器及生物統計學院原理，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。在門禁領域具備極強的不可復制性，指紋識別、人臉識別、虹膜識別、靜脈識別等生物識別技術正逐步走向應用[9]。而其中，人臉識別和指紋識別的應用最為廣泛。

基于生物識別技術的新型門禁系統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]。它能預錄入生物特征，也能提取現場人員的未知生物特征，與已錄入生物特征進行比對，并給出比對結果。比對通過后將對應的用戶信息發送給門禁控制板，由門禁控制器進行后續操作，開鎖或者拒絕開鎖。生物識別讀頭與門禁控制器結合應用方可成為生物識別門禁系統，生物識別讀頭與門禁控制器的通訊方式以TCP/IP、韋根、485 協議為主[11]。

2.5 各類新型智能門禁技術特點及應用對比

基于NFC技術的門禁系統可以向下兼容傳統IC卡，識別率高，能耗低，省去了攜帶卡片的不便，但缺點是用戶授權管理較為復雜。

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

基于Wi-Fi技術的門禁系統覆蓋范圍較廣，傳輸連接速度快，但首次連接需認證，且能耗高、易被搶占。基于生物識別技術的門禁系統最大優點是安全性極高，但缺點是設備成本、運維成本太高，且授權認證時的數據采集過程繁復，在住宅小區的場景下應用較少，已應用的小區，出于成本考慮設備精度不高，安全性也難以保證。

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

3 面向智慧社區的新型智能門禁系統

傳統門禁系統和現有新型門禁系統解決方案除了識別率低、成本高及改變不徹底，還因IPv4地址耗盡受到嚴重制約。傳統的門禁系統大多采用IPv4組網，由于IPv4地址資源嚴重不足，智慧社區需要不斷增長的各類終端設備、智能家居的終端設備入網受到極大影響，嚴重制約了智慧社區的擴展、延伸。

互聯網時代下的智慧社區，在傳統門禁相互獨立的八大系統的基礎上，充分借助互聯網、物聯網等技術優勢，全面融合、集成原有系統，進入云交換平臺，廣泛采集、分析各類社區生活基礎數據，進一步向萬物聯網、數字生活發展。智慧街區管理、智能物業管理、智能家居、社區O2O（Online To Offline，線下到線上）服務等多元化的需求層出不窮。

表1 門禁系統技術方案的對比

針對上述情況，本文提出一種面向智慧社區的新型智能門禁系統的解決方案，摒棄傳統的局域網組網方式，而基于IPv6的智能小區地址規劃、轉換機制，使智能門禁等設備接入互聯網，以智能手機應用為授權載體，通過 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協議作為信令控制，下達開門指令，實現聯網手機開門。

同時，通過智能手機應用實現實時、移動、可視對講，去除室內分機外，相比現有門禁解決方案，不僅成本大幅降低，而且手機開門響應速度可降至500ms以內，開門成功率可達95%。本文提出的面向智慧社區的新型智能門禁系統的聯網開門方案網絡架構如圖3所示。

圖3 面向智慧社區的門禁系統網絡架構

在實際應用中，該方案可通過兼容傳統的密碼開門、刷卡開門方式應對斷網等特殊情況應用，實現傳統小區到智能小區的過渡，同時能夠記錄開門日志、抓拍開門照片實現安防升級。

4 結語

傳統門禁系統由于其管理效率低、安全性差、便捷性不足，越來越無法滿足住宅用戶的需求。在互聯網背景下，藍牙、NFC、Wi-Fi等無線近場通訊技術被廣泛嘗試和應用于智能門禁系統，但由于技術應用不夠成熟，僅作智慧社區的“單點突破”，不能與智慧社區解決方案中的其他應用相互融合。導致集成度不夠、認證繁瑣，加之技術本身的特性限制，導致識別率低，用戶體驗較差。生物識別技術由于儀器精密度要求較高，設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勢，將生物識別大規模運用于智慧門禁還需要技術和經濟的共同支撐。

智能門禁系統在智慧社區的場景下是整體工程，從智能門禁中的“開門”一環單點突破的方式終究難以徹底顛覆傳統智慧社區解決方案，隨著IPv6、物聯網技術、大數據等新興技術的發展與深化，未來的門禁系統必須越來越智能、簡便、安全。本文提出一種面向智慧社區的新型智能門禁系統的解決方案，不僅能夠穩定、便捷地實現“手機開門”，更能與智慧社區平臺深度融合，實現數據的采集與分析，成為智慧社區整體解決方案不可或缺的一部分。