信息通信INFORMATION&COMMUNICATIONS
2019 (Sum.No200)
2019年第8期
(总第200期)
黄俊杰，熊昕，张上
(三峡大学计葬机与信息学院，湖北宜昌443002)
摘要：随着现代电子信息技术的发展，门禁系统需要越来越智能化。本文基于门禁系统和物联网发展现状设计了一种基于NB-IoT的智能门禁系统，描述了系统结构及相关业务流程，分析了系统关键技术。基于低功耗高性能的STM32主控制器和NB-IoT实现门禁系统的低功耗性能，系统用户通过移动终端申请获取门禁身份认证二维码门禁终端负责识读该二维码再由NB-IoT网络传输数据让云端服务器验证用户身份合法性，通过服务器向OneNET平台发送指令可对门锁进行控制。 关键词：门禁系统物联网NB-IoT低功耗二维码
中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号：1673-1131(2019)08-0088-03
Intelligent access control system based on NB-IoT
Huang Junjie,Xiong Xin,Zhang Shang
(School of Computer and Information,Three Gorges University Yichang,Hubei443002,China) Abstract:With the development of m odem electronic information technology,access control systems need to be more and more intelligent.Based on the development of access control system and Internet of Things,this paper designs an intelligent access control system based on NB-IoT,describes the system structure and related business processes,and analyzes the key technologies of the system.Based on the low power consumption and high performance STM32main controller and NB-IoT realize the low power consumption of the access control system,the system user applies for the access control identity authentication QR code through the mobile terminal,and the access control terminal is responsible for reading the two-dimensional code.NB-IoT network transmission data allows the cloud server to verify the user's identity legality,and the door lock can be controlled by sending instructions to the OneNET platform through the server.
Key words:Access control system;Internet of Things;NB-IoT;Low power consumption;QR code
0引言
近年来，随着信息科学技术的蓬勃发展，传统的门禁系统越来越难以满足人们的需要。门禁已不仅是门锁及钥匙的替代应用，而是被赋予了更多的使命-安全、便捷、舒适、绿mo目前已有基于生物识别、NFC、WIFI、蓝牙、二维码、手机APP、小程序等技术的虚拟门禁系统已广泛应用于生活中叫
据《物联网白皮书2018》a表明，物联网已迎来第三次发展浪潮，5G、低功耗广域网等基础设施加速构建；NB-IoT、Lora等低功耗广域网全球商用化进程不断加速；随消费物联
4结语
本文简单介绍了LoRaWAN的通信原理并把LoRa技术应用到了差分定位系统中。系统利用了LoRa自组网技术，能实现区域性的移动设备的连接和数据的传输，降低了数据传输的成本并且扩大了信号的覆盖范围，可应用于远距离传输且对可靠性要求高的场合中。例如，在农业应用场景中，能实现大片区域内农业检测仪器的定位和联网，实现实时观测农作物状况，实现现代化农业的物联网时代。在救灾场景中，该系统能实时为手持移动设备的救灾人员实现精准的定位，并且在云端的指挥人员能实时的知道各个救灾人员的位置和各个灾区的情况。
然而，釆用LoRa组网技术虽然具有较大的自由度，但由于其工作在免费频段且协议公开，因此更容易受到攻击。所以，要想系统投入大规模使用，其安全性能问题也不容忽视。因此如何提髙系统的安全性，将成为我们下一步的研究方向。
参考文献：
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音箱的制作
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基金项目：广东省科技计划项目：移动互联网协助的高精度北斗卫星导航增强系统(2014B090901070)。
作者简介：吴峻玮(1998-)，男，本科，主要研究方向：数字系统设计、软硬件协同设计、硬件加速器设计；刘立程(1972-)，男，博士，副教授，主要研究方向：通信系统信号处理关键技术；王峰(1961-)，男，博士，教授，主要研究方向：卫星导航、纳米电子器件仿真、机器人与智能车辆建模和控制；林兴侨(1996-)，男，主要研究方向：机器人定位与导航。
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网应用热点迭起，智能门锁市场将也迎来了极大的发展空间。NB-IoT网络覆盖广、连接广、成本低、功耗低，符合门禁系统的应用场景。
本文设计一种基于NB-IoT技术的智能门禁系统。以相应的云服务器为中心，用户逋过移动终端设备，获得多种应用场景灵活快捷的身份授权及认证，认证信息以二维码⑷的形式呈现在移动端上，用户以此作为门禁进出的条件，实现门禁系统的智能化，满足民众的需求。
1门禁系统设计
基于NB-IoT H禁系统由门禁终端、OneNET云平台、第三方服务器以及移动终端组成。系统总体结构如图1所不O 式简单（如图3所示）不需要用户再建网关，可直接接入运营商网络，部署简单成本低叫
NB・IoT主要采用DRX（不连续接收）、eDRX（扩展不连续接收）和PSM（省电模式）三种模式来实现低功耗性能叭在实际使用中，可通过AT指令对相应的定时器进行配置，设计NB 模块休眠时间，达到低功耗目的。
数据推送
应用服务簡控制晦令工艺相框
数据上传
控
制
gps信号转发器谕
令
用
户
管
理
授
权
借
理图1门禁系统总体结构
1.1系统流程图
倒挂器用户通过客户端登录门禁系统，在获取门禁授权信息后，根据平台临时生成的验证码和用户的手机号以特定的格式生成二维码。当门禁终端扫描二维码，获取数据后通过NB-IoT网络传输，服务器端在收到数据帧后，按照定义的格式校验，以此判定用户开门的合法性。系统运行流程图如图2所示。
理
序动终翊
图3NB-IoT入网示意图
2.2低功耗MCU
MCU利用串口和NB模块进行通信。可基于DMA传输+空闲检测的方法设计串口驱动以实现接收不定长数据的功能叭DMA方式直接实现内存和串口数据交换。空闲检测即在串口收到一帧完整的数据后才产生一个中断，减少中断次数，有效降低MCU的功耗。
2.3MySQL
MySQL是最流行的关系型数据库管理系统，由于其免费，体积小，响应速度快等优点被广泛应用。MySQL将所有的数据也表为单位存放，并建立表中各个属性之间的关系，从而增加表的逻辑完整性，建立表与表之间关系从而加强业务逻辑性的严谨性。
2.4Node.js
Nodejs是一个JavaScript运行环境，依赖于Chrome V8引擎进行代码解释。速度非常快，性能非常好。采用事件驱动，非阻塞I/O，单进程、单线程模型。适合运用在高并发、I/O密集、少量业务逻辑的场景。
3门禁终端
门禁终端由智能门锁设备以及NB-IoT无线通信网络组成。硬件组成结构如图4所示。
图2系统运行流程图
2系统关键技术分析
2.1NB-IoT
NB-IoT是3GPP组织针对低功耗、广覆盖类业务而定义的新一代蜂窝物联网技术。超强覆盖、超低功耗、超低成本、超大连接四大特性使得NB-IoT极具吸引力。且设备入网方
图4门禁终端硬件组成
主控制器选用STM32L452RE高性能超低功耗芯片。该芯片是基于32位的内核，最高时钟工作频率是80MHz，具有7种低功耗模式，且该控制器有多达83个I/O口资源，能同时承担多种任务，满足设备使用需求叫
NB-IoT模块选用中国移动打造的工业级的两频段模块-M5310，满足3GPPReleasel标准。M5310模块主要用于低功耗的数据传输业务，其电流功耗在深度睡眠模式低至3.5uAo
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由于其内置LWM2M/COAP 等数据传输协议及扩展的AT 命 令，方便连接OneNET 平台。
GPS 模块用于获取门禁终端的位置，使该门禁系统不局 限于传统固定式门禁。OLED 显示屏用于用户开门时候的信 息显示。二维码模块用于识读用户提供的身份认证二维码。
电源模块为这些硬件提供能源支持采用可充电锂电池。通过 监测芯片监测电池的电量，当电量低于一定值的时候，由主控 制器上报电量预警信息。
4云端服芻器
移动终端
云端服务器由OneNET 云平台和公网IP 的第三方服务
器组成。其功能示意图如图5所示。
发送 酬令
第三方服务器
图5云端服箔器功能示意图
OneNET 是由中国移动打造的PaaS 物联网开放平台。通 过平台能轻松实现设备接入与管理，快速完成产品开发，为智 能硬件、智能家居等物联网产品提供完善的解决方案。通过
OneNET 平台实现门禁终端设备的接入管理，显示门锁设备的 状态以及存储数据。同时平台可以及时将设备端发来的数据
以加密形势推送至第三方服务器。
第三方服务器由Nodejs 和MySQL 数据库组成。第三 方服务器实现门禁系统的用户管理功能、数据存储以及门禁
身份验证的功能。系统所需要的数据由4张表组成，如圏6
所示。
标志107护* IMEI: char(1S)
尸 lock ^id : cnarcs)
护」phone n umber rh.
戸 imeii ； cnard 5}
CheckCode
戸 IMSI. char(16)
k ----------------------------------------
GPS v3fchar(8)
username: varch..
戸 LOCKJD char(8)
JS* openjlme: dateti
图6门禁系统数据库组成
user 表用于存储系统用户的信息，其中right 表示该用户
是否为门禁系统的管理员用户。Open 表用于存储门锁开启
的相关信息;lock 表用于存储门锁设备信息,LOCK_ID 表示 门锁设备号,IMEI 为NB 模块的序列号,IMSI
为NB 模块的
物联网卡号，GPS 表示门禁终端的位置所在。key 表用于存
储可开门用户和对应的门禁终端，CheckCode 在用户申请授 权的时候，被门禁管理员写入的数据，用于对用户的身份进行 验证。
5移动终端
移动终端具有的功能如图7所示。可利用手机APP 或者
小程序等应用软件技术来实现。
图7移动终端功能示意图
用户可通过移动终端应用软件实现对该系统的注册，包 括用户手机号、用户名、密码以及短信验证码。已注册的用户
可直接登录系统査看-
具有管理员权限的用户可以对申请进入门禁系统的用户 进行授权。管理员用户可以设置其管理的某个
门禁是否能被 开启，即该门禁终端不会进行任何扫码操作。
6结语
(1) 本文设计的基于NB-IoT 的智能门禁系统，利用低功
耗高性能的STM32主控制器和NB ・IoT 实现门禁系统的低功
耗化；基于Nodejs 和MySQL 的云端服务器和数据库实现系
统用户管理和身份认证的功能；利用手机端生成的二维码作
为身份识别依据，使用方便、成本低。
(2) 利用NB-IoT 设计该系统的意义：从社会发展角度，基
于NB-IoT 的门禁系统有助于拓展LPWAN 的应用领域和智 能门禁系统的市场应用，从而促进社会的经济发展。从理论
研究意义来看，该系统的设计可为LPWAN 物联网应用和门禁 系统开发提供实验背景和应用案例。参考文献：
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项目基金：赛尔网络下 V S 联网技术创新项目(NGD20161210)。
作者简介：黄俊杰(1998-)，男，主要研究方向：从事物联网、嵌 入式系统学习；熊昕(1995-)，男，硕士研究生，主要研究方向:
从事深度学习、人工智能的学习与研究；张上(1979-)，男，博 ±，讲师，主要研究方向：计算机科学与技术、物联网、地理本
体与地理信息系统。
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