李 強(qiáng)

北京第二外國語學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與信息中心 北京 100024

為提高實(shí)驗(yàn)室的開放效率和管理效率，推動實(shí)驗(yàn)室由傳統(tǒng)管理模式向數(shù)字管理模式轉(zhuǎn)變，近年來，高校在實(shí)驗(yàn)室、多媒體機(jī)房等公共教室的門禁管理方面普遍采用校園一卡通門禁系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是利用學(xué)?，F(xiàn)有的校園一卡通，開門方便、安全，可聯(lián)網(wǎng)，有開門記錄，可實(shí)現(xiàn)雙向控制，卡片很難被復(fù)制。但該系統(tǒng)需要門禁控制器、門禁讀卡器和電控鎖3種主要硬件設(shè)備，投入成本較高，同時，在設(shè)備安裝時需穿墻打孔，施工復(fù)雜度也較高[1,3]。

為克服以上缺點(diǎn)，提出了基于共享理念的二維碼門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具備現(xiàn)有校園一卡通門禁系統(tǒng)開門方便安全、存儲開門記錄、雙向控制的優(yōu)點(diǎn)，而且該系統(tǒng)的硬件設(shè)備只需要智能電子鎖，在施工上也不需穿墻打孔，與校園一卡通門禁系統(tǒng)相比，大大降低了高校在門禁系統(tǒng)上的投入成本和施工復(fù)雜度，同時豐富了門禁系統(tǒng)的考勤管理功能，以一種更經(jīng)濟(jì)、便捷的手段實(shí)現(xiàn)了高校實(shí)驗(yàn)室門禁的智能化管理。

1 二維碼門禁系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計了一種基于云端的二維碼門禁系統(tǒng)，師生通過掃描二維碼，實(shí)現(xiàn)門禁開鎖和上課考勤功能。根據(jù)各模塊在整個系統(tǒng)中的運(yùn)行位置和使用環(huán)境進(jìn)行劃分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 二維碼門禁系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要包含用戶移動端、智能電子鎖和云端管理系統(tǒng)3個模塊，智能電子鎖上貼有存儲電子鎖信息的二維碼，用戶移動端負(fù)責(zé)掃碼操作，各模塊之間通過校園無線網(wǎng)通信，完成認(rèn)證、掃碼、解鎖、存儲記錄等功能。本系統(tǒng)可與學(xué)校移動平臺、微信企業(yè)號、數(shù)字化校園、數(shù)據(jù)中心等平臺對接，完成統(tǒng)一身份認(rèn)證、門禁授權(quán)、課程考勤等功能[2]。為適應(yīng)門禁系統(tǒng)復(fù)雜的外部環(huán)境，本系統(tǒng)采取聯(lián)網(wǎng)指令開鎖和斷網(wǎng)動態(tài)密鑰開鎖2種方式，確保門禁系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 二維碼門禁系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 用戶移動端

用戶移動端是門禁系統(tǒng)的前端掃碼應(yīng)用，完成智能電子鎖二維碼信息的識別，同時與云端管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，發(fā)送認(rèn)證請求、開鎖請求和接收認(rèn)證結(jié)果、開鎖結(jié)果等信息。用戶移動端提供多種形式的接口，可與學(xué)校現(xiàn)有的微信企業(yè)號、移動APP平臺進(jìn)行應(yīng)用集成[4,8]。

2.2 智能電子鎖

智能電子鎖是一種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，近年來，智能電子鎖在共享單車行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在民用市場上，智能電子鎖的舞臺不只是局限在出行領(lǐng)域，在賓館、住宅的門禁領(lǐng)域，其應(yīng)用更加廣泛[5]。目前，基于Wifi，GSM網(wǎng)絡(luò)或者藍(lán)牙的智能電子鎖是國內(nèi)外的主流選擇，為了節(jié)約成本，二維碼門禁系統(tǒng)采用基于Wifi技術(shù)的電子鎖，通過校園網(wǎng)與門禁云端管理系統(tǒng)進(jìn)行交互。智能電子鎖上配有電子顯示屏和觸摸鍵盤，顯示屏實(shí)時顯示動態(tài)二維碼，二維碼更新頻率可設(shè)置，防止遠(yuǎn)程掃描照片，觸摸鍵盤支持?jǐn)嗑W(wǎng)后密碼輸入，密碼管理采用“聯(lián)網(wǎng)即焚”技術(shù)，即智能電子鎖一旦恢復(fù)聯(lián)網(wǎng)，則之前斷網(wǎng)時使用的密碼立即失效，新密碼將與門禁云端管理系統(tǒng)同步。為了消防安全，本系統(tǒng)的智能電子鎖默認(rèn)設(shè)置為斷電開門狀態(tài)[6]。

2.3 云端管理系統(tǒng)

云端管理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)分為用戶管理模塊、電子鎖管理模塊和信息管理模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 云端管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3.1 用戶管理模塊

該模塊分為用戶認(rèn)證管理和用戶授權(quán)管理。認(rèn)證管理通過用戶移動端發(fā)送的認(rèn)證請求信息，利用JSON格式與學(xué)校現(xiàn)有的認(rèn)證平臺等系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一身份認(rèn)證；授權(quán)管理通過與學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)對接，根據(jù)課表實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室門禁按人員、按時段、按日期的自動授權(quán)管理，同時，提供手工授權(quán)功能，以便于對實(shí)驗(yàn)室管理人員進(jìn)行授權(quán)。

2.3.2 電子鎖管理模塊

該模塊分為電子鎖信息管理、電子鎖開鎖管理和電子鎖監(jiān)控管理。電子鎖信息管理實(shí)現(xiàn)電子鎖基礎(chǔ)信息(如名稱、位置、開放時間、動態(tài)密鑰等)的增加、修改、刪除以及導(dǎo)入導(dǎo)出，支持以電子鎖唯一標(biāo)識為主鍵的用戶授權(quán)檢索功能，支持動態(tài)密鑰異地備份。電子鎖開鎖管理是整個系統(tǒng)的核心，其利用開鎖算法完成整個門禁系統(tǒng)的開鎖流程。電子鎖監(jiān)控管理通過預(yù)設(shè)頻率定期與電子鎖進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)等信息同步，對出現(xiàn)異常問題的電子鎖，及時向門禁系統(tǒng)管理維護(hù)人員發(fā)送故障信息[7]。

2.3.3 信息管理模塊

該模塊分為記錄管理、課堂考勤管理和通信管理。記錄管理主要向?qū)W校管理人員提供多種查詢條件的門禁記錄報表檢索功能，同時，可向?qū)W?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)提供門禁原始數(shù)據(jù)記錄，便于做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)建模，有利于學(xué)校管理層的決策分析。課堂考勤管理根據(jù)教務(wù)課表數(shù)據(jù)和學(xué)生掃碼記錄完成考勤認(rèn)證，為防止學(xué)生拍照后掃描照片，電子鎖二維碼算法采取動態(tài)顯示策略。通信管理是整個系統(tǒng)的橋梁，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的接收、傳遞和發(fā)送工作，主要包括認(rèn)證請求接收、開鎖請求接收、電子鎖狀態(tài)接收、認(rèn)證信息傳遞、開鎖信息傳遞、電子鎖狀態(tài)傳遞、動態(tài)密鑰變更傳遞、認(rèn)證結(jié)果發(fā)送、解鎖信息發(fā)送、解鎖指令發(fā)送、動態(tài)密鑰發(fā)送等。

3 系統(tǒng)相關(guān)算法

3.1 開鎖算法

系統(tǒng)的核心模塊為云端管理系統(tǒng)的電子鎖開鎖操作，其算法如下。

(1)給出掃碼用戶工號TeacherID，電子鎖唯一標(biāo)識LockID，電子鎖授權(quán)集合；

(3)標(biāo)識為LockID的電子鎖聯(lián)網(wǎng)，將開鎖成功信息寫入Res，goto(5)；否則，DynKey ADD Res，執(zhí)行下一步；

(4)執(zhí)行ChangeDynKey (LockID)，更新動態(tài)密鑰；

(5)執(zhí)行SendToUser(Res)，發(fā)送開鎖結(jié)果信息。

3.2 考勤算法

信息管理模塊中課堂考勤功能采取二維碼動態(tài)認(rèn)證策略，其考勤算法如下。

Checkin (StudentID，LockID，DateTime，QRCode，，Res)

(1)給出掃碼用戶學(xué)號StudentID，電子鎖唯一標(biāo)識LockID，掃碼時間DateTime，動態(tài)二維碼信息QRCode，課表集合；

(2)Decode QR(QRCode)解密并認(rèn)證動態(tài)二維碼信息，如果TRUE，執(zhí)行下一步；否則，將二維碼認(rèn)證錯誤信息寫入Res，goto(5)；

(3)如果LockID IN cj，StudentID IN cj，DateTime IN cj，cj，執(zhí)行下一步；否則，將課表與學(xué)生不匹配信息寫入Res，goto(5)；

(4)To_DataCenter(StudentID, DateTime, cj)，將考勤數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心；To_TeacherApp(StudentID,DateTime, cj)，將考勤成功名單發(fā)送到教師客戶端；

(5)執(zhí)行SendToUser(Res)，發(fā)送考勤結(jié)果信息。

4 結(jié)語

提出的二維碼門禁系統(tǒng)是在共享理念基礎(chǔ)上建立的一個智能化、數(shù)字化的門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過掃描二維碼完成高校實(shí)驗(yàn)室的門禁管理，不僅實(shí)現(xiàn)門禁資源的共享，還能通過門禁記錄實(shí)現(xiàn)課堂考勤，使實(shí)驗(yàn)室管理走向規(guī)范化、制度化和智能化，進(jìn)一步解決了高校門禁系統(tǒng)投入成本高、施工復(fù)雜和管理功能單一等缺點(diǎn)，以一種更經(jīng)濟(jì)、便捷的方式成為高校實(shí)驗(yàn)室管理手段現(xiàn)代化的強(qiáng)有力載體。