CN106296896A - 一种基于led可见光通信的门禁系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LED可见光通信的门禁系统，该门禁系统的智能手持设备通过无线网络与门禁网络服务器进行通信，获取门禁通行码，将经过编码后的通行码利用移动设备自带的LED闪光灯进行信息的发送；门禁网络服务器，通过编程设计在PC端搭建门禁数据服务系统，作为门禁管理系统，对请求登陆服务器的用户进行身份的确认，通过无线网络向登陆成功的智能手持设备传送登陆通行码；支持与PC通信的可见光接收控制单元，通过在接收电路上搭载单片机，实现传输信息的解码、串口通信、控制门禁系统的开关等功能。该门禁系统在拓展新的身份验证方式的同时，降低门禁系统使用的复杂性，提高了身份验证的安全性，提高门禁系统权限设置的灵活性。

Description

一种基于LED可见光通信的门禁系统
技术领域
本发明涉及可见光通信的技术领域，特别涉及一种基于LED可见光通信的门禁系统。
背景技术
常见的门禁系统有：密码门禁系统、刷卡门禁系统和生物识别门禁系统等。
(1)密码门禁系统由于其本身的安全性弱和便捷性差已经面临淘汰；
(2)生物识别门禁系统是根据人体生物特征的不同而识别身份的门禁系统。常见的有指纹门禁系统，虹膜门禁系统，面部识别门禁系统等。生物识别门禁系统的缺点是成本高，对比速度慢，不适人员较多的场合。
(3)刷卡门禁系统又分为接触卡门禁系统(磁条卡、条码卡)和非接触IC卡(感应式IC卡)门禁系统。接触卡门禁系统由于接触卡片容易磨损，使用次数不多，卡片容易损坏，现在使用的范围已经越来越少了；非接触IC卡门禁系统由于其耐用性、性价比、读取速度快以及抗干扰强等特点而成为当前门禁系统的主流，而这也使得每个人都要随身携带多张IC卡，给出行带来不便。
针对上述缺点，在文献“邓健志，程小辉，李广君.可见光控门禁的研制，光电子.激光，2014，Vol，25(3):454-459”中报道了光钥匙和光锁系统，该系统采用了自行设计的硬件设备，具有一定的实用价值，但该系统需要专门定制的硬件光钥匙，比目前普遍使用的门禁卡体积大得多，更加不便于携带，并且如果光钥匙遗失，还会直接带来安全上的隐患。综合考虑上述系统的缺点，本系统采用智能手机作为门禁载体，无需另外购置硬件设备，而且本系统通过网络服务器进行身份信息鉴别，手机丢失后，用户个人可以通过网络进行挂失封锁，使得丢失手机的钥匙功能被门禁鉴别系统禁止，从而避免造成更大的损失，大大增强了安全性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于LED可见光通信的门禁系统，该系统利用智能手持设备作为门禁载体(门禁卡、光钥匙)，采用可见光进行身份信息传输，具有安全、高效的特点。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于LED可见光通信的门禁系统，所述门禁系统包括：门禁网络服务器、智能手持设备、可见光接收控制单元、无线网络模块以及网络通信模块，其中，
所述智能手持设备，通过所述无线网络模块登陆所述门禁网络服务器，完成随机通行码的获取，经过智能手持设备APP应用程序的控制，使得所述智能手持设备的LED闪光灯亮灭受编码后的随机通行码调制，完成具体编码信息的发送；
所述门禁网络服务器，通过编程设计在服务器端搭建门禁管理平台，用于响应所述智能手持设备的登陆以及获取随机通行码的请求，同时身份验证的结果通过所述网络通信模块传输至所述可见光接收控制单元；
所述可见光接收控制单元，通过搭建可见光接收电路，完成具体码元信息的接收，利用所述网络通信模块与所述门禁网络服务器进行通信，依靠所述门禁网络服务器反馈的校验结果执行相关的操作，完成完整的门禁身份识别过程。
进一步地，所述可见光接收控制单元包括：光通信接收模块，解码模块和门禁主控系统模块，
所述光通信接收模块通过光电检测元件转换为电信号，解调出信息编码；
所述解码模块通过单片机根据通信协议进行解码；
所述门禁主控系统模块包括：报警子模块、开锁子模块、呼叫子模块和串口通信子模块，负责根据随机通行码的匹配校验结果进行开锁或触发警告系统。
进一步地，所述门禁网络服务器包括：管理员登录和管理子模块、后台管理子模块和数据库管理子模块，
所述管理员登录和管理子模块用于进行管理员身份的验证，管理员通过可视化界面对相应的人员进行有效的监控；
所述后台管理子模块用于管理注册用户的使用权限，对用户进入门禁范围进行放权收权处理，通过所述无线网络模块响应已登陆的用户获取随机通行码的请求，反馈用户信息验证的结果至所述可见光接收控制单元，进行下一步的操作处理。
进一步地，所述网络通信模块包括网络接口，所述门禁网络服务器的后台管理子模块与所述可见光接收控制单元的门禁主控系统模块通过所述网络接口进行通信。
进一步地，所述无线通信模块支持WiFi、3G或4G通信，所述智能手持设备通过WiFi、3G或4G与所述门禁网络服务器的后台管理子模块进行无线通信，实现两者之间的登陆信息处理以及通信随机码的传输。
进一步地，所述门禁网络服务器将注册用户以及进入门禁管理范围内用户的信息通过可视化操作界面展示给管理者。
进一步地，所述可视化操作界面包括用户信息视图和控制视图，
其中，所述用户信息视图包括注册用户选项卡、实时用户选项卡，分别显示已注册和实时进入门禁范围的用户的信息；所述控制视图实现控制用户的登陆以及进入门禁的权限，并有效向所述门禁系统内相关用户发送系统通知。
进一步地，所述门禁系统的身份验证方式为双向验证方式，包括：无线网络登陆和随机通行码通信，其中，所述无线网络登陆用于确认用户是否具有进入门禁系统管理范围的权限，所述随机通行码通信用于有效确认用户当前所请求进入的门禁。
进一步地，所述智能手持设备通过控制LED灯灭时间的不同宽度进行信息“0”“1”的表达。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明利用现有的智能手持设备的LED闪光灯进行身份信息传输，由于LED闪光灯光射强，可以实现较远距离通信，避免了原有非接触IC卡方案需要靠近接收端才能进行门禁操作的缺点。
(2)本发明克服了目前由于不同门禁系统需要相应IC卡的缺点，通过在智能手持设备下载安装相应的身份识别系统软件，在门禁主系统进行身份登记后即可，无需携带多张门禁IC卡,使用简单方便。
(3)本发明采用可见光进行身份信息传输，由于可见光具有明确的照射区域，在照射区域外无法窃取信息，避免了现有无线门禁系统容易造成信息泄漏的弊端，具有较高的安全性，此外，本发明的编码系统采用软件加密，具有高强度的保密性，保证身份信息不被盗取，使得系统安全性能进一步提高。
(4)本发明使得每一次开锁随机产生一组通行码，只有智能手持设备的通行码与门禁网络服务器通行码相同才能开锁，而每一组通行码过后即失效，避免了重放攻击，进一步提高系统的安全性。
附图说明
图1是本发明中公开的一种基于LED可见光通信的门禁系统的组成框图；
图2是本发明实施例中智能手持设备APP的处理流程图；
图3是解码模块中解码的流程步骤图；
图4是后台管理子模块中与单片机通信线程的流程步骤图；
图5是后台管理子模块中与智能手持设备通信线程的流程步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例公开了一种基于LED光通信的门禁系统，使得光钥匙的携带更加的便携，提高门禁的安全性，并且可通过对网络服务器端的设置对用户的权限进行管理，降低门禁更换的成本。此外，可通过在智能手持设备的APP上开发扩展性功能，可以进一步提升小区的管理服务水平。
本门禁系统的基本结构如图1所示。主要包括门禁网络服务器、智能手持设备、可见光接收控制单元，这三者结合构成基于LED光通信的门禁系统。
具体来说，本发明的内容包括以下三个组成部分：
所述智能手持设备，通过无线网络模块登陆门禁网络服务器，完成随机通行码的获取，经过智能设备APP应用程序的控制，使得智能手持设备的LED闪光灯亮灭受编码后的随机通行码调制，完成具体编码信息的发送。
所述门禁网络服务器，通过编程设计在服务器端搭建门禁管理平台，用于响应智能手持设备的登陆以及获取随机通行码的请求，同时身份验证的结果通过网络通信模块传输至可见光接收控制单元，并将注册用户以及进入门禁管理范围内用户的信息通过可视化操作界面展示给管理者。
所述可见光接收控制单元，通过搭建可见光接收电路，完成具体码元信息的接收，该单元利用网络通信模块与门禁网络服务器进行通信，依靠门禁网络服务器反馈的校验结果执行相关的操作，完成完整的门禁身份识别过程。
该实施例公开的一种基于LED光通信的门禁系统，其身份验证方式可理解为双向验证方式即：无线网络登陆和随机通行码通信，无线网络登陆可确认用户是否具有进入门禁系统管理范围的权限，随机通行码通信有效确认用户当前所请求进入的门禁。
其中，可见光接收控制单元包括：光通信接收模块，解码模块和门禁主控系统模块。
所述光通信接收模块通过光电检测元件转换为电信号，解调出信息编码。
所述解码模块通过单片机根据通信协议进行解码。
所述门禁主控系统模块包括：报警子模块、开锁子模块、呼叫子模块和串口通信子模块，负责根据随机通行码的匹配校验结果进行开锁或触发警告系统。
其中，门禁网络服务器包括：管理员登录和管理子模块、后台管理子模块和数据库管理子模块。
所述管理员登录和管理子模块用于进行管理员身份的验证，管理员通过可视化界面对相应的人员进行有效的监控。
所述后台管理子模块用于管理注册用户的使用权限，如对用户进入门禁范围进行放权收权处理；通过无线网络模块响应已登陆的用户获取随机通行码的请求；反馈用户信息验证的结果至可见光接收控制单元，进行下一步的操作处理。
具体应用中，网络通信模块包括网络接口，无线通信模块支持WiFi、3G或4G通信；
其中，所述门禁网络服务器的后台管理子模块与所述门禁主控系统模块通过网络通信模块进行通信；所述智能手持设备通过无线通信模块与后台管理子模块进行无线通信，实现两者之间的登陆信息处理以及通信随机码的传输。
具体应用中，智能手持设备包括智能手机、平板电脑、智能手表等设备，具备安装第三方应用程序的功能和支持可见光发射功能。
具体应用中，可视化操作界面包括用户信息视图和控制视图。
其中，用户信息视图包括注册用户选项卡、实时用户选项卡，分别显示已注册和实时进入门禁范围的用户的信息；控制视图实现控制用户的登陆以及进入门禁的权限，并有效向系统内相关用户发送系统通知。
(一)智能手持设备
通过编写智能手持设备上的APP应用，使得智能手持设备与门禁网络服务器进行通信，获取的随机通行码经过编码后调制智能手持设备的LED闪光灯，最终完成信息发送。
智能手持设备发送平台具有无线网络通信、信息编码和调制发送三部分功能，无线网络通信用于移动设备进行服务器平台的登陆以及随机通行码的获取；信息编码实现随机通信码的特定编码，以适应移动设备上闪关灯的特性；调制发送主要是通过程序设计来控制移动设备的闪光灯亮灭，经过调制后的光信息是根据经过编码后的随机通行码变化。
1)信息编码
逻辑’1’：1个脉宽为10μs左右的高电平脉冲(灯灭)
逻辑’0’：2个脉宽为10μs左右的高电平脉冲(灯灭)
码元间隔：长度为50μs左右的低电平；
起始标志：3个脉宽为10μs左右的高电平脉冲；
信息码流电平：首先为50μs左右的低电平，之后3个高电平脉冲(起始标志)，再有间隔50μs左右的低电平，接着10bit的信息码，最后50μs左右的低电平。
循环发送信息码时，上一个信息码流最后一个比特结束和下一个信息码流的起始标志间，间隔有一个50μs左右的低电平间隔。为了减少传输信息量，没有利用监督码检错纠错，通过重复发送保证可靠性。当解码匹配服务器不成功即有可能出现误码时，则接收下一次循环发送来的信息码，直到成功解锁。
2)移动设备APP方案
首先进行登录连接网络服务器，进行身份验证，成功后，网络服务器回送一组用随机生成的动态通行码(10bit)，智能手持设备APP的编码模块将此组随机通行码编码后经由手机闪光灯调制发送，循环发送5次后，自动停止发送数据，匹配成功解锁后，自动停止发送数据。智能手持设备APP方案如图2所示。
(二)门禁网络服务器
通过编程设计在服务器端搭建门禁管理平台，响应移动设备的登陆请求以及获取随机通行码的请求，同时将身份校验结果通过网络通信传输至可见光接收控制单元，并将注册用户以及进入门禁管理范围内用户的信息通过可视化界面展示给管理者。
门禁网络服务器的结构分为三部分，管理员登录和管理子模块、后台管理子模块和数据库管理子模块。
1)后台管理子模块：
本模块包括：与单片机通信线程，与手机通信线程。
与单片机通信线程，监听与单片机通信接口，接收到数据后，将通行码跟本次随机生成的通行码进行匹配校验，匹配成功就向单片机发回开锁指令。如图4所示。
与智能手持设备通信线程，本线程又分为主线程和从属线程，如图5所示。主线程负责socket监听，当有客户进行socket连接后，建立一个从属线程负责这个socket的通信，监听socket的线程继续监听。
从属线程负责将手机APP发过来的账号密码跟数据库中的账号密码数据进行匹配，匹配失败就发回账号密码错误的指令给APP；匹配成功就通过随机数函数生成10bit的通行码，并发给APP；当单片机通信线程匹配通行码成功后，向APP发回停止闪光灯闪烁的指令；当检测到通行码时效(1min)过后，就更新通行码，并重新发给APP；当检测到手机APP已关闭或退出登录后，这个线程退出，并销毁通行码。
2)管理员登录和管理子模块
该模块对管理人员的身份权限进行验证，防止门禁网络服务器受到恶意攻击，管理子模块提供可视化界面，通过可视化界面管理者可以获知已经注册的用户的信息，并且可以利用可视化界面对于用户的登陆权限进行灵活的修改，可以对系统内的人员规模进行很好的拓展；通过可视化界面展现通过门禁系统验证的用户的信息，有效的监控小区内的人员流动信息。
3)数据库管理子模块
利用该模块对门禁范围内用户的基本信息(如用户名，密码，住址，是否具有进入权限等)进行存储，在用户进行身份验证或在查看用户基本信息时，作为一种管理者已知的标准信息；管理者通过对该模块的存储数据表进行扩展，有效扩充门禁范围内的用户规模；通过该模块实现对管理子模块的执行结果的保存。
(三)可见光接收控制单元
该单元集成光信号接收、串行口通信、以及门禁系统控制功能。通过利用光电检测元件搭建可见光接收电路，使得回路中的电压随着光强的大小变化，利用单片机的端口读取变化的电平，获得经过编码后的信息，通过单片机解码获取随机通信码信息，然后利用网络通信模块与门禁网络服务器通信，进行随机通信码的校验，根据随机通行码的匹配校验结果进行开锁或触发警告操作。
可见光接收控制单元包括三个部分：光通信接收模块，解码模块和门禁主控系统模块。其中的门禁主控系统模块包括：报警子模块、开锁子模块、呼叫子模块和网络通信子模块。
1)解码模块
解码模块利用单片机的定时器功能，根据接收电路在可见光信号亮时电压接近0V，暗时输出电压为4.3V～5V的特性，利用单片机端口的TTL电平特性识别接收电路的高低电平，根据脉冲计数进行解码，获得原来的随机通信码，本解码程序由主解码和码元检测两部分组成，程序流程如图3所示。
2)门禁主控系统模块
通过将接收到的随机通行码传输至门禁网络服务器进行校验，并且根据反馈的校验结果控制单片机执行相应的动作，若校验成功，则由单片机驱动开锁子模块，执行开锁操作，若校验失败，则由单片机驱动报警子模块和呼叫子模块进行告警提醒。
综上所述，该门禁系统在拓展新的身份验证方式的同时，降低门禁系统使用的复杂性，提高了身份验证的安全性，提高门禁系统权限设置的灵活性，改善了目前基于其他方式的门禁系统安全性低，使用麻烦的缺点。
实施例二
一种基于LED可见光通信的门禁系统的实现方法，包括下列步骤：
智能手持设备通过无线网络模块登陆和访问门禁网络服务器，登陆验证成功后产生一组随机通行码回传到智能手持设备，智能手持设备对获取的通行码进行信息编码，送至光通信发射模块通过闪光灯进行调制发送，光通信接收模块接收光信号并解调出信息编码，传送至门禁网络服务器与原来的随机通行码进行匹配校验，根据校验结果驱动可见光解码控制模块进行下一步响应；
智能手持设备，通过无线网络模块登陆门禁网络服务器，完成随机通行码的获取，经过设备上APP应用程序的控制，使得智能手持终端的闪光灯亮灭受编码后的随机通行码调制，完成具体编码信息的发送。
门禁网络服务器，通过编程设计在服务器端搭建门禁管理平台，用于响应智能手持设备的登陆以及获取随机通行码的请求，同时身份验证的结果通过网络通信模块传输至可见光解码控制模块，并将注册用户以及进入门禁管理范围内用户的信息通过可视化界面展示给管理者。
可见光解码控制模块，通过搭建可见光接收电路，完成具体码元信息的接收，该模块利用网络通信模块与网络服务平台进行通信，依靠网络服务平台反馈的校验结果执行相关的操作，完成完整的一个门禁身份识别过程。
具有应用中，智能手持设备通过无线网络登陆网络服务器平台后,网络服务器平台随机生成一组通行码回传到智能手持设备。
具体应用中，无线网络模块基于WiFi、3G或4G单元与后台管理子模块进行无线通信，实现两者之间的登陆处理以及通信随机码的传输。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述门禁系统包括：门禁网络服务器、智能手持设备、可见光接收控制单元、无线网络模块以及网络通信模块，其中，
所述智能手持设备，通过所述无线网络模块登陆所述门禁网络服务器，完成随机通行码的获取，经过智能手持设备APP应用程序的控制，使得所述智能手持设备的LED闪光灯亮灭受编码后的随机通行码调制，完成具体编码信息的发送；
所述门禁网络服务器，通过编程设计在服务器端搭建门禁管理平台，用于响应所述智能手持设备的登陆以及获取随机通行码的请求，同时身份验证的结果通过所述网络通信模块传输至所述可见光接收控制单元；
所述可见光接收控制单元，通过搭建可见光接收电路，完成具体码元信息的接收，利用所述网络通信模块与所述门禁网络服务器进行通信，依靠所述门禁网络服务器反馈的校验结果执行相关的操作，完成完整的门禁身份识别过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述可见光接收控制单元包括：光通信接收模块，解码模块和门禁主控系统模块，
所述光通信接收模块通过光电检测元件转换为电信号，解调出信息编码；
所述解码模块通过单片机根据通信协议进行解码；
所述门禁主控系统模块包括：报警子模块、开锁子模块、呼叫子模块和串口通信子模块，负责根据随机通行码的匹配校验结果进行开锁或触发警告系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述门禁网络服务器包括：管理员登录和管理子模块、后台管理子模块和数据库管理子模块，
所述管理员登录和管理子模块用于进行管理员身份的验证，管理员通过可视化界面对相应的人员进行有效的监控；
所述后台管理子模块用于管理注册用户的使用权限，对用户进入门禁范围进行放权收权处理，通过所述无线网络模块响应已登陆的用户获取随机通行码的请求，反馈用户信息验证的结果至所述可见光接收控制单元，进行下一步的操作处理。
4.根据权利要求3所述的一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述网络通信模块包括网络接口，所述门禁网络服务器的后台管理子模块与所述可见光接收控制单元的门禁主控系统模块通过所述网络接口进行通信。
5.根据权利要求3所述的一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述无线通信模块支持WiFi、3G或4G通信，所述智能手持设备通过WiFi、3G或4G与所述门禁网络服务器的后台管理子模块进行无线通信，实现两者之间的登陆信息处理以及通信随机码的传输。
6.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述门禁网络服务器将注册用户以及进入门禁管理范围内用户的信息通过可视化操作界面展示给管理者。
7.根据权利要求6所述的一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述可视化操作界面包括用户信息视图和控制视图，
其中，所述用户信息视图包括注册用户选项卡、实时用户选项卡，分别显示已注册和实时进入门禁范围的用户的信息；所述控制视图实现控制用户的登陆以及进入门禁的权限，并有效向所述门禁系统内相关用户发送系统通知。
8.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述门禁系统的身份验证方式为双向验证方式，包括：无线网络登陆和随机通行码通信，其中，所述无线网络登陆用于确认用户是否具有进入门禁系统管理范围的权限，所述随机通行码通信用于有效确认用户当前所请求进入的门禁。
9.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述智能手持设备通过控制LED灯灭时间的不同宽度进行信息“0”“1”的表达。
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