基于LoRa物联网技术的门禁管理系统研究

袁三男

(上海电力大学 电子与信息工程学院, 上海 200090)

由于安全问题越来越突出,人们对社区安保措施的要求也不断提高,许多社区、写字楼、校园等公共区域已广泛应用各类门禁系统。目前使用最为普遍的智能门禁系统分别是密码式门禁系统、刷卡式门禁系统[1]、采用生物识别技术的门禁系统[2]。文献[3]提出了几种当下流行的门禁系统,如指纹识别门禁系统、人脸识别门禁系统。文献[4]提出了基于云平台的人脸识别系统,实现了门禁系统与云平台的结合,使得用户可以在诸如移动终端的设备上进行更方便的门禁管理。实际上,有效、高效的门禁管理系统,一方面需要上述强大的身份识别算法做支持,另一方面也需要高效、节能、智能的门禁管理系统。近年来,LoRa(Long Range)技术作为一种热门的扩频调制技术,被广泛应用于计量表、市政管网、路灯、垃圾站点等公用设施[5]。文献[6]和文献[7]认为,作为新兴的无线低功耗通信技术,ZigBee与LoRa拥有许多相似的特点,如低功耗、低成本,前者利用树莓派平台以及ZigBee实现了电能监测网关,而后者实现了控制分层微电网。相比于ZigBee,LoRa技术的优点在于传输距离远、覆盖容量大,非常适合于距离传输较远、传输数据量较小且使用电池供电方式的物联网终端设备[8-10]。因此,本文在上述研究的基础上,提出了一种基于LoRa物联网技术的智能门禁管理系统。该系统在传统用户门禁终端加装LoRa模块,并以星型网络建立拓扑结构[11],在控制中心设置LoRa服务器建立无线通信并开发了数据监测控制软件(Data Collection Test Terminal,DCTT)。该方法首次采用LoRa无线通信技术实现智能门禁管理,解决了传统门禁系统无中心管理、需有线连接、传输距离近、耗电大、易遭到破坏等问题。

1 系统结构

LoRa网关采用TCP/IP通信方式与用户服务器、云端服务器连接,且具备局域网有线通信、GSM、4G移动通信等多种方式,可以与局域网或外网中的用户服务器、云端服务器通信。用户服务器与云端服务器之间通过互联网双向通信。用户服务器通过DCTT数据监测、控制软件,将从门机系统收集到的数据发送给云端服务器;云端服务器对接收的数据进行处理后,将命令发送给用户服务器,通过LoRa网关和LoRa模块下传到门机系统,对门机系统进行控制。 LoRa网关包括两大模块,即4G路由器(或有线网络、WiFi等)和LoRa收发模块。用户服务器安装DCTT数据监测控制软件以达到实时监测接收来自LoRa网关的数据,同时向各个节点传输信息。

1.1 网络拓扑

图1为LoRa门禁管理系统网络拓扑结构。其中,LoRa网关通过RF 433(安装于LoRa网关及LoRa模块上,采用射频技术的无线收发模组,可高速传输数据信号的微型收发信机,对无线传输的数据进行打包、检错、纠错处理)与LoRa模块实现通信。LoRa模块通过RS232接口和门机系统连接。

图1 LoRa门禁管理系统网络拓扑结构

由图1可知,本系统采用简单的星形网络,实现无损失、无延时的无线传输技术,使数据交互,易于扩展。LoRa模块通过串口与不同场所下的门机系统通信,LoRa模块收集用户数据后通过LoRa无线通信技术将信息上传至LoRa网关。

1.2 LoRa终端Mote

本系统LoRa模块采用LoRa终端Mote(以下称LWM)。LWM是高度集成、低功耗的无线控制模块,主要采用LoRa远程调制解调技术,内置STM32L051C8T6 CPU,用于超长距离扩频通信,能够最大限度地降低电流消耗,大幅提高抗干扰性和灵敏度。LWM支持LoRaWAN Class A、B、C等3种协议模式,提供开源的SDK开发包,通过I2C/SPI/GPIO/ADC/DAC等连接传感器及控制器即可快速开发具备物联网通信能力的产品。此外,其高灵敏度与功率放大器的集成使这些器件的链路预算达到了行业领先水平,满足远距离传输和可靠性要求高的应用需要。LWM内嵌的STM32L051C8T6具有超低功耗的特性,在运行模式(32 MHz)下,其功耗是139 μA/MHz;在优化运行模式(4 MHz)下,其功耗为87 μA/MHz;在停止模式下,待机电流为400 nA,而且随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)内容能全部保留,唤醒时间仅3.5 μs。此外,LWM支持WM-Bus和IEEE802.15.4g等系统的高性能(G)FSK模式。与同类器件相比,本模块在大幅降低电流消耗的基础上,还显著优化了发射功率、接收灵敏度、相位噪声、选择性等各项性能。

图2为LoRa终端Mote节点原理图。其中,Mote节点内部可以分为4个主要模块:电源管理单元(Power Management Unit,PMU)、主数据管理(Master Data Management,MDM)芯片、射频电路模块RF 433(RF Circuit)、主控芯片(Main Controller Processor,MCP)。PMU负责所有模块的供电并对外引出电源、LED以及电源控制等接口,LED灯用于显示设备的工作状态;VBAT接口用于接驳外界电源来给整个模块供电;USIM接口设定为用户SIM卡接口;复位接口用于系统复位功能。在主控芯片MCP上分别由控制总线、地址总线以及数据总线与MDM相连,用于数据存储和读取。MDM由3根发送总线、接收总线以及控制总线与发射电路RF Circuit相连,将想要发送的数据以LoRa扩频通信的方式通过射频电路模块外部天线送出。为了便于数据的访问和管理,在MDM上还引出了GPIO、UART串口、JTAG等接口,用于用户线下的调试和开发。

图2 LoRa终端Mote节点原理

1.3 DCTT数据监测软件

作为服务器端用以监测并管理来自网关的各个节点的数据管理软件,DCTT不仅本身可以处理来自不同节点的信息,同时也具备向不同节点发送信息的能力。图3为DCTT软件在监测某一组节点发来的不同信息的界面。

图3 DCTT软件数据监测界面

图3中,数据显示区可以显示来自每个不同节点数据的详细信息,消息区显示了该条消息的负载内容。对于每个节点的信息其每个位都有相应定义,以#2070 2000-00-00T00:18:19Z 66CA6723 2 779.9 SF7BW125 True-22 9信息为例,对应参数的含义如表1所示。

表1 数据包参数含义

2 系统实现

根据上述系统拓扑结构及各模块原理,基于LoRa技术的门禁管理系统的具体实现方法如下。

每一个门禁设备发送的数据包具有唯一辨识代码,因此用户服务器的程序DCTT数据监测控制软件即可判断是否为门禁设备。门禁系统收集各类用户信息,如用户ID、位置信息、开门与关门时间、用户授权下的个人信息等。门禁系统采集的数据通过RS232发送到LoRa模块;LoRa模块通过LoRa无线扩频技术将数据发送到LoRa网关;LoRa网关将来自不同ID的 LoRa模块数据收集并上传到用户服务器和云端服务器。用户服务器利用DCTT数据监测控制软件判断是否为发送数据的门禁设备,并将数据传输至门禁系统管理中心的服务器,解决了传统门禁系统无法无线互联的缺点。云端服务器对接收的用户数据进行处理,并将处理结果发送至云服务器管理中心。云服务器管理中心通过互联网下传数据对门禁系统做出远程监控、远程操作、远程应答。云端服务器通过互联网与个人用户终端无线连接,可将门禁信息、开门与关门情况、访客情况等实时传输给个人用户终端,实现用户个人与门禁系统及云服务器之间的实时通信。

3 通信协议

3.1 数据下行

整个数据的下行过程要经过服务器、LoRa网关、对应门机LoRa模块及门机系统。数据首先通过服务器端将待发送数据发送至LoRa网关,在网关处收到的数据格式为:DA、SA、CMD、LEN、DATA、CRC。其中DA为接收端目的地址,SA为源端地址,CMD为本组数据的命令字,LEN为包含了后续DATA字段的长度,DATA为本组的数据字段,CRC主要实现对整个数据字段的循环冗余校核。当LoRa模块收到来自网关的数据包后,检查数据包CRC,确认数据包校验无误后,以0x02、DATA、0x03数据格式将DATA数据发送给门禁系统。其中,0x02为自定义开始字节,后续DATA为接收到的具体数据,0x03为本组命令的结束标记。

3.2 数据上行

数据上行方向与数据下行过程相反,由门禁端开始产生上行数据,并将DATA发送给LoRa模块。模块接收到具体数据后,将数据包中DATA部分发送给LoRa网关。网关端接收到来自特定节点的数据后,记录该节点的地址以及目标地址,分别作为SA、DA,并将数据打包发送给服务器端。服务器端收到对应数据包后,即可获取来自特定节点的对应命令以及数据。其中,DATA部分是门禁应用系统的数据包,其长度不固定。将门禁数据与LoRa系统通信的数据做层次处理,适合整个流程处理。

DATA数据段中对应的数据格式为0x02、Len0、Len1、D0-D1、C0-C7、T0-T1、F1-F10、B1-B4、CRC、0x03。DATA数据包含义如表2所示。

表2 DATA数据包含义

4 结 语

在传统的门禁系统中,各个用户终端通常采用分布式布局,不能对整个系统进行有效地、全局化、高效管理,以LoRa技术为基础的星型网络拓扑结构能有效解决这一问题。本文所提系统能在低功耗、大范围的情景下稳定运行,有效克服了传统门禁系统存在的低效性、高成本、高风险性等问题。同时,本文所提的门禁管理系统采用云管理方式,实现了全服务周期的一站式服务,通过云资源的调度、管理、监控、服务和运营管理,可降低系统维护成本,提高数据安全性,实现云终端绿色节能。此外,数字化转型带来的“信息透明化”,不但数据不滞后,还可避免出现过程中风险无法及时纠偏、暗箱操作等问题,使各环节的人、责、权划分更清晰,沟通更有效,充分提升了管理效率。