2018年5月，華南理工大學在國內先行先試在地國際化（Locality Globalized，指高校利用已有國際優質教育資源建設富有本土特色的國際性校園）辦學模式，於廣州市番禺區廣州國際創新城南岸核心區奠基建設廣州國際校區。該校區廣泛採用物聯網技術，首期建設完成了涵蓋2.2萬個物聯網信息點的智能專業網，其中6棟現代化學生公寓超1300個宿舍房間，全部採用公寓智能門鎖進行統一遠程管理。

相較傳統機械門鎖，智能門鎖讓師生僅需手機或校園卡即可自由進出。但智能門鎖管理系統在上線後受制於各種客觀條件，一直無法解決系統遠程管理的“可靠性”問題，由此導致的一系列管理問題使校區管理人員不堪重負。為此，華南理工大學信息網絡工程研究中心在“不換門、不新增佈線、不換鎖、不改變用戶使用習慣”的前提下，根據校區實際情況，通過更新鎖具藍牙指令集，重構客戶端程序等方法，優化了門鎖管理流程，有效地解決了智能門鎖遠程管理的“可靠性”問題。

優化前系統概況及存在問題

優化前，校區智能門鎖管理系統採用傳統公寓或酒店門鎖管理模式設計。如圖1所示，系統採用運營商網絡NB-IoT對房間鎖具進行統一遠程管理。樓棟管理員使用系統制發的各種管理功能卡對鎖具進行現場近距離管理。用戶則使用微信小程序或RFID卡片進行開鎖操作。

圖1 智能門鎖管理系統

鎖具每日定時通過NB-IoT向OneNet平臺上傳門鎖內的當前授權、開鎖記錄、電池電量等信息，同時從OneNet平臺取得新的授權數據，更新鎖內的授權信息；管理系統服務器定時與OneNet平臺同步鎖具上傳數據及更新鎖具授權信息。理想狀態下，管理系統內最新的權限配置將在24小時內生效。如果鎖具持續2~3天處於離線狀態，則可判斷為鎖具故障。對於需要立即生效的臨時授權，則需樓棟管理員通過系統事先制發的各種指令卡進行現場授權。

傳統酒店公寓智能門鎖管理系統，能夠對僅有數十或數百房間規模的公寓進行有效管理。但該模式在管理地理位置分散，房間規模過千的學生公寓則存在一系列問題。

系統存在問題分析

1.NB-IoT網絡問題。

方案設計之初，並沒有考慮到新校區NB-IoT信號質量問題。華南理工大學廣州國際校區，坐落於廣州市番禺區新造鎮的一片新區內。4年前，該區域運營商網絡覆蓋並不完善。智能門鎖管理系統遠程管理所依賴的NB-IoT信號基站安裝於學生公寓群最外圍的一棟公寓樓頂，在該樓棟低層以及其他樓棟遠端，建築物阻隔較多，信號強度弱；

另外由於目前NB-IoT應用較少，接收芯片等配套也不夠成熟，因此導致系統投入使用後，只有部分門鎖可正常聯網，其他數百把門鎖無法通過網絡進行遠程管理。除此之外，處於離線狀態的鎖具會不斷增大功率搜索網絡，導致了門鎖電池壽命快速下降的次生問題。

2.鎖具初始化工作量問題。

無線智能門鎖在接入管理系統時，需要對其進行信息採集及授權。傳統公寓型智能門鎖管理系統通過基於RFID的卡片完成相關操作。管理員需先將門鎖藍牙MAC地址、NB模塊IMEI編號等硬件信息通過卡片介質採集並手工記錄下房間號，然後經連接PC的讀卡機讀取後錄入系統並綁定對應的房間。

完成錄入後，管理員方可對門鎖進行授權。在鎖具NB-IoT遠程連接正常的情況下，系統可通過網絡進行遠程授權。如鎖具處於離線狀態，則需通過系統制發的數據卡或授權卡對門鎖進行現場權限寫入操作，這將大幅增加管理員的工作量。在大批量操作時，管理員需要攜帶筆記本電腦及讀卡機或使用大量的預先標記好的採集卡或數據卡。相關操作繁瑣、容易出錯，且難以及時檢查驗證。

3.週期性的管理高峰問題。

根據校歷安排，學生公寓會在新生入學、畢業生離校、學期開學及學期結束四個節點，迎來門鎖權限管理操作的高峰。每個高峰期都涉及對大量鎖具的清權、授權和檢查工作。為此，校方需要在每個節點來臨前投入數人，工作一週以上方能依靠卡片方式完成相關操作。

4.高頻使用場景下的維護問題。

雖然在設計上，管理系統每天可通過NB-IoT網絡獲取鎖具電池電量信息，但在實際運營中，多次發生在學生無法開鎖時才被動獲知門鎖電量不足的情況。另外，學生公寓內的共享學習、康樂空間也是使用智能門鎖進行管理。學生的預約、取消，都需要對門鎖權限進行更新。受限於網絡信號及NB-IoT的每日同步機制，管理系統無法完全使用遠程管理，需管理員採用“PC->讀卡機->卡片->鎖”的繁瑣卡片授權流程。

系統優化與實現

在經過3個學期試運行之後，學校決定成立項目組，在對校區客觀環境和用戶使用習慣進行深入調研後，提出並實現了一種基於用戶終端移動網絡的去中心化權限管理方案，有效地解決了相關問題。

經過深入調研，項目組研究發現了兩個有利條件：師生非常願意接受藍牙小程序開鎖的方式，只有在微信小程序無法使用的情況下，才會選擇校園一卡通開鎖；校區學生公寓的WiFi建設非常完善，運營商提供的4G或5G網絡質量也在持續改善，師生個人手機上網環境較佳。

主客觀兩方面的有利條件，為系統優化提供了可行方向：基於門鎖藍牙模塊，通過刷新ROM的方式增加管理、數據讀寫指令集，同時重新設計“智慧門鎖小助手”微信小程序，通過藍牙模塊提供的指令集，增加門鎖管理及數據自動同步功能。將原系統單純依賴NB-IoT網絡每天一次的網絡同步模式，轉變為利用用戶手機的網絡功能，在每次使用微信小程序開鎖的同時進行門鎖數據同步的模式。

1.系統優化方案。

優化後的方案如圖2所示，以藍牙程序作為主要管理手段。對管理員所有需要卡片的現場操作，優化方案均提供了基於手機小程序的替代方案，從而徹底擺脫了製作卡片的環節；充分利用用戶手機的網絡功能，在每次進行開鎖操作時都進行鎖具權限校驗、開鎖行為記錄及電量信息的回傳；將原系統每天僅進行一次的數據同步，分散到用戶每次使用藍牙小程序的行為中。優化後的系統方案，除非遇到NB-IoT，校園WiFi和運營商移動網絡同時失效的極端情況，否則系統都能保證遠程管理的正常運行，大大提高了系統的可靠性。

圖2 優化後的智能門鎖管理系統

2.鎖具藍牙指令集。

鎖具藍牙模塊作為系統優化的硬件基礎，本次系統優化更新了相關指令集。更新後的鎖具藍牙協議指令集包括：校準鎖時間；門鎖開鎖但不關鎖（門鎖常開狀態）；門鎖開鎖且5秒後自動關鎖；添加單張卡片；添加多張卡片；刪除單張卡片；刪除所有卡片；獲取鎖具信息（鎖具基本信息、開鎖記錄、鎖時間、用戶數、電量等）。基於該指令集，微信藍牙小程序可以完成所有基於NBIoT網絡的遠程管理功能。

3.樓棟管理員藍牙小程序。

針對鎖具的各項管理維護工作，優化方案增加了樓棟管理員專用藍牙小程序。該程序覆蓋了管理員的MAC地址採集、門鎖綁定、刷卡授權、重置密鑰等所有管理維護需求。

綁定房間和門鎖：管理員在安裝、更換門鎖後，需要將門鎖的藍牙MAC地址採集上傳至門鎖管理系統，並綁定對應房間。管理員在小程序中搜索附近的藍牙設備，並選擇信號較強的設備與房間綁定；綁定後立即進行開鎖測試，如果成功則綁定完成，否則換一個藍牙設備重新綁定。更換門鎖後，管理員可對其權限範圍內已經綁定的房間門鎖進行解綁操作。

房間管理：管理員可通過“房間管理”來管理其綁定的門鎖。房間管理包括：查看門鎖基本信息、開鎖、刷卡授權、選人授權及重置密鑰操作：

（1）門鎖基本信息：管理員可查看管理權限範圍門鎖的剩餘電量、電量信息更新時間、密鑰更新時間、MAC地址等信息；

（2）開鎖：該功能與住戶功能一致。管理員點擊開鎖後，系統下發開鎖密鑰，小程序完成開鎖操作；

（3）刷卡授權：在臨時入住、失卡補領、換卡等場景下，後臺管理系統內沒有相關住戶的卡片信息。管理員可以現場對門鎖進行卡片授權。管理員用小程序連接門鎖後，設置生效時間、失效時間及住宿原因後，點擊“開始刷卡”發送刷卡授權指令；門鎖發出提示聲後，用戶在5秒內刷本人的一卡通以完成刷卡授權操作；

（4）選人授權：在NB-IoT網絡信號弱或無信號情況下，管理員可在門鎖現場事先對門鎖進行選人授權。管理員用小程序連接門鎖後，選擇系統提供的人員名單，並設置人員一卡通信息及開鎖有效期，進行門鎖授權；

（5）重置密鑰：系統藍牙通訊採用對稱密鑰，並定期自動重置，在必要時，管理員手動重置。

4.住戶藍牙小程序。

針對普通住戶，系統對住戶藍牙小程序進行了優化。住戶在走近擁有權限的門鎖，點擊“開鎖”按鈕，小程序將通過加密網絡從後臺獲取開鎖密鑰及門鎖MAC地址，連接對應門鎖藍牙模塊實現開鎖操作，並同步授權名單、上傳門鎖信息及開鎖記錄。“啟用一卡通開鎖”默認啟用，不啟用時，小程序則從白名單中刪除住戶個人校園一卡通的物理卡號。此功能可讓學生在一卡通丟失時，自助取消其開鎖權限。學生在補卡後，重新啟用一卡通開鎖，小程序會重新將新卡信息寫入門鎖。全程無需管理員介入。

2022年3月，優化後的門鎖管理系統上線運行，系統運行效果良好，用戶基本無需任何學習便適應新的小程序。管理方面，系統滿足了各項管理需求，樓棟管理員基本擺脫了繁瑣的卡片管理方式。

作者：李濤、黎宇駿、葉昭（華南理工大學信息網絡工程研究中心）

投稿或合作，請聯繫：[email protected]