门禁系统,是怎么回事?一文读懂智能门禁系统

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门禁系统应该是我们日常接触最多的智能硬件系统之一了,但大家有没有想过,其原理是怎样的呢?这篇文章,作者尝试给我们普及一下门禁系统的情况,希望能帮到大家。

有一天从公司出门,突然对遥控门禁起了好奇:为什么按一下物理遥控器,可以控制打开玻璃门呢?

这里面也许有个基本原理:按下遥控器的按钮时,内置电池电能转为发出无线电信号,接收端转换为电信号,通过电能来控制门的开关。

但进一步想,这里头的水,应该更深。

一、使用场景

就目前生活中遇到的门禁系统,包含了如下场景:

① 办公楼、公司进出

② 居民社区、单元门

③ 酒店电梯、房间门电子锁

④ 火车站、高铁站、机场通行

当然,还有一些其他场景,比如政府机构、学校、医院。

可与监控设备结合,实现通道抓拍、事件预警。可结合门口机安卓APP,实现可视对讲开锁。

总之,可以确认,门禁系统,与安全防护管理息息相关。

二、产品介绍

门禁系统的演进如下:从钥匙开锁,到刷卡开门,再到形成软硬件一体的物联网门禁系统。

1. 开门方式

面向用户分三类:楼内人员(业主/职员/住宿旅客)、访客、陌生人。

常见的开门方式,包含了:门禁卡、开门按钮、遥控、人脸识别、密码验证、指纹识别、APP或小程序。

1.1 门禁卡+读卡器

一些小区的进出,会使用门禁卡,如:

或者写字楼员工也要刷卡进入,如:

非接触式的IC门禁卡(智能卡)的基本原理:

A、LC串联谐振电路:在非接触IC卡内部,存在一个由电感L(天线线圈)和电容C(来自IC卡芯片)组成的LC谐振电路。这个电路能在射频读卡器发出电磁波后感应出电流,电流在电感和电容之间来回摆动,形成电磁震荡。当读卡器发出的电磁波频率与LC电路的共振频率相同时,会产生共振效应。

B、积累电荷形成电压:当LC电路发生共振时,电容C会在交变电流的作用下反复充放电,由此产生电压。这个电压就是IC卡片供电的源头,可以驱动IC卡片里的芯片运行。

C、发射或接收数据:在电压的驱动下,IC卡片的芯片可以将储存在其中的信息,通过电磁波的形式发射出去。同时,芯片也可以接收来自读卡器传来的信号,进行数据的读取或写入操作。

D、身份验证和控制:读卡器获取卡片信息,传输到控制器进行身份验证——控制器核实后,控制电锁的开关,同时记录了进出刷卡记录。某些高安全性的卡片也会对读卡器反向校验。

其中关于射频读卡器(不需要插入特定读写器插槽):交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场,形成频率高于100kHz、具有远距离传输能力的高频电磁波。

手机模拟实体门禁卡

前提是手机支持NFC且门禁卡未加密。NFC即近场通信(Near Field Communication),是短距离的高频无线通信技术,通过电磁感应来传输数据。在一对一通信中,主动发起连接的一方为发起设备,另一方为目标设备,发起和目标设备都支持主动和被动通信模式。

A、手机复制门禁卡存储信息。NFC的手机作为读卡器发出射频信号,门禁卡作为RFID接收器吸收射频信号、产生电流,进而驱动将标识符信息返回给发射器手机。手机将这个信息存储起来,实现复制门禁卡功能。

B、手机模拟门禁卡刷卡开门。门禁读卡器发出射频信号,手机模拟门禁卡接收信号,感应电流驱动将标识符信息以电磁波形式返回到电锁,实现开门。

比如华为手机复制的门禁卡:

1.2 遥控器

门禁遥控器内部配备了无线电发射模块,当用户按下按钮时,发射模块会将门禁开关信号转换为无线电波信号,并进行发射。这个信号会被门禁设备接收并解码,然后门禁设备会根据解码后的信号来判断是开门还是关门。

常用的门禁遥控器频率主要有315MHz和433MHz两种。

A、315MHz:传输信号稳定、传输距离较为远、干扰较小,在门禁市场上应用广泛。

B、433MHz:穿透力较强,能够穿过一些障碍物,如墙体、隔音门等,传输距离也较为远,但受干扰影响较大。

1.3 人脸识别

人脸识别技术也已经普及。以业内知名的3D视觉感知整体技术方案提供商【奥比中光】为例,提供了3D刷脸门锁门禁解决方案。人脸识别技术包括:3D人脸辨识算法、人脸活体检测等。

① 3D人脸辨识算法

3D传感器,采用立体视觉技术,可以感知三维空间。其中立体视觉,利用两个或者更多的摄像头(像人的双眼一样)从不同的角度获取目标物体的图像,然后通过计算机算法,推测出物体在三维空间中的形状和位置。

3D人脸识别就是扫描被检测人的脸部,形成包含面部特征的3D模型,与已经储存在数据库中的3D模型进行比较。若比较的结果超过了预设的阈值,则认为检测人的脸部和数据库存储的真实人脸是一致的。

②人脸活体检测

常见方案是交互式的随机动作检测,比如张嘴、眨眼、左右转。

在门禁系统中,一般采用非交互式的方法,比如近红外人脸活体检测。

A、近红外光照射:通过摄像头对人脸拍摄、同时近红外光对人脸照射,由于近红外线对人眼不可见、所以不会对人造成不适。

B、反射光检测:人脸皮肤、眼球对近红外线的反射不同,活体和非活体(如照片、视频、假脸)对近红外线的反射也不同。

C、活体检测:摄像头捕获反射回来的近红外光,与活体人脸特征进行比较,判断是否为活体。

光流法,属于计算机视觉领域,能进一步提升人脸活体检测的准确率。光流就是像素点在时间序列图像中的移动效果,脸部的微动(如眨眼、微笑等)会改变图像的像素值,这些微动通过光流法可以被检测出来。如果在观察期间,一张脸的像素值经历了正常的、与自然脸部微动一致的变化,那么这张脸更可能被判断为活体。

1.4 APP或小程序+蓝牙

类似共享单车,都是通过蓝牙开锁。原理如下:

A、蓝牙通信。蓝牙是一种短距离(一般10m以内)的无线通信技术(个人局域网),由一个主设备控制、1个或多个从设备构成,形成点对点、点对多点的网络结构。工作在2.4GHz左右,属于全球无需取得执照许可(但有监管)的免费频段。使用频率跳跃扩频(通信双方跳跃到某个频率),降低无线电干扰;通过配对码来完成蓝牙配对,确保私密性和安全性。

B、应用控制。通过手机上的APP或小程序,用户可以向门锁发送开启或关闭的指令。这些指令被编码成特殊的蓝牙信号,然后被手机的蓝牙模块发送出去。

C、门锁接收。门锁自身也有一个蓝牙模块,可以接收蓝牙信号。一旦接收到来自APP或小程序的开锁或闭锁指令,门锁的电子系统将据此激活机械开关,进行开锁或闭锁。

另外社区开门的APP/小程序,通过相对刚性的开门服务+物业服务进行引流,拓展了保洁和有害生物防治、家电清洗和维修、废品回收等社区服务。

比如【亲邻开门】成立于2015年,截止2023年,服务社区超过6万、合作物业超过1.2万家、手机开门用户超过2800万、开门次数32亿次。算是一个比较强的流量入口了。

1.5 可视对讲

实现了图像、声音的双向通话。原理包括:

A、图像传输。来访者通过门铃请求物业或住户开门,室外摄像头开始拍摄图像,转换为电信号传输到室内、解码显示到屏幕上。

B、音频传输。室内外可以实现语音双向通话,在于室内室外都有麦克风和扬声器,麦克风收集语音后转化为电信号、传输到对方再解码,通过扬声器播放出来。

全球安防领域排名头部的海康威视,在京东出售的一拖一(一个室内机一个室外机)可视对讲门禁系统,大概也就出售800元出头。下图为海康威视的室内机开门:

其中,对于室外机的设计,包括了:

A、高清红外夜视(120°广角镜头):红外夜视利用目标发出的红外热辐射信号,通过红外探测器转换为电信号,经过信号放大、处理和成像,形成人眼可见的红外图片。而广角镜头,焦距较短、视角较大,这样拍摄视野较为宽阔。

B、室外机防水设计(IP65):IP65代表防尘等级为6,完全防止灰尘侵入;防水等级为5,防止喷射的水侵入。

2. 门禁控制器

用来管控一定区域内门的开启和关闭。门禁控制系统的核心是:控制面板

承担处理信息和决策的功能。通过微处理器,对读卡器或其他设备(指纹扫描仪、人脸识别仪)发过来的数据进行处理,根据预设规则做出决策。通过存储器,存储运行程序、门禁权限规则和记录通行日志等,当然联网情况下,本地存储可能弱化。在复杂的门禁系统中,还需要通过以太网或WiFi来与管理系统通信。

如果一个门,进门刷卡、出门按按钮,控制器对于每个门只能接一个读卡器,叫单向控制器。

如果一个门,进门刷卡、出门也刷卡(也可以接出门按钮),每个控制器对于每个门可以接两个读卡器,一个是进门读卡器,一个是出门读卡器,叫双向控制器。

海康威视的门禁控制器如下:

门禁控制器的接线:

3. 门禁电源

门禁电源的主要功能,是将标准民用电压220V的交流电转换为门禁所需的12V(一般情况)直流电,为门禁系统中的控制器、读卡器、电子锁、楼宇对讲等设备提供电力支持。

同时,门禁电源还具有过流保护、过压保护和短路保护等功能,以确保系统的安全和稳定。

4. 门禁闸机

门禁闸机是控制人员进出的通道管理设备。只有完成身份识别后,才能允许通行。

4.1 闸机类型

A、三棍闸。我们在地铁站、体育馆等地方经常可以看到。

B、翼闸。如在写字楼,验证身份后,则打开两边“翅膀”

C、全高旋转闸。比如在社区、高铁购票的出口。可以提供更好安全保障,不容易跨越或钻过去。

4.2 闸机功能

通过门禁控制器来实现多种功能,比如:

A、多门互锁。主要是多门形成联动,只能保持一个门是开启。不能同时开启多个门、形成通道,防止非工作人员志畅通无阻。当遇到火警等特殊情况,则可以解除多门互锁、保持常开状态。

B、反潜回。针对双向刷卡的门禁,是一种防尾随机制,要求人员验证通行记录是一进一出严格对应。比如一个人使用刷卡或指纹方式进入后(没有离开记录),将IC卡交给其他人也无法再次验证进入。

5. 联动系统

5.1 梯控

梯控,即电梯控制器,控制电梯运行、满足电梯乘客需求。比如乘客按下呼叫按钮,梯控系统就会根据乘客的位置、电梯的当前运行状态等,通过电梯调度算法来选择一部最适合的电梯来服务。当电梯在运行中时,梯控系统则会根据楼层的高低、运行的速度等,来控制电梯的开门、关门、上升、下降等行为。

目前许多连锁酒店、居民楼、写字楼也都联动了门禁和梯控。即进入电梯后,需要再次刷IC卡来识别身份,自动或者手动选择指定权限的楼层。

比如海康威视的梯控主机,最大可实现128层进出权限的管控、支持刷卡、指纹、刷卡+密码等多种认证方式。

5.2 考勤

对于学校、办公写字楼,涉及考勤问题。

钉钉推出智能硬件产品,也包含了人脸/指纹考勤门禁机。员工刷脸,识别后自动开门、同步完成考勤打卡。

如下是钉钉管理员可配置考勤管理系统添加智能考勤机。

5.3 访客管理

访客机也已经普及,提供了访客的预约、登记。当访客使用通行证进入闸机时,接入了门禁系统,实现身份验证、访问权限控制(包括可访问的区域和有效时间)。

5.4 消防报警

疏散通道设置门禁,影响逃生。当有火灾发生,火灾报警系统发出信号,门禁系统执行控制指定闸机开启或关闭,保障人员正常疏散逃生。

电动推杆锁,兼具门禁管控、消防逃生的功能,实现安消一体化管理。非常适合商场、超市、写字楼等消防疏散通道。未经授权的人推压逃生门锁,启动语音蜂鸣报警循环播放“这里是逃生出口,请迅速撤离,WO、WO、WO” ,并可开门外出。发生火灾时,逃生门锁收到联动信号,启动语音蜂鸣报警循环播放“这里是逃生出口,请迅速撤离+,WO、WO 、WO”,引导人员从这里逃生。

三、门禁行业

1. 市场规模及增长率

根据安信证券研究中心的报告:门禁市场年均复合增长率还行,在13%左右。

但是门禁行业是一个比较细分的赛道,总规模不大(<250亿)。

2. 发展现状

进入壁垒并不高,行业内参差不齐,产业集中度也不高。同质化竞争下,打起贴身价格战、利率相对较薄。

整个行业走向整合,发挥品牌化、集团化的优势。同时,门禁系统相关技术已经相对成熟,进入大规模发展阶段,与安全、金融、交通等多个领域相融合。

行业内的大玩家,包括安防领域的海康威视、从办公软件切入的钉钉、A股上市公司大华科技和熵基科技,以及从社区管理切入的亲邻科技。

3. 立方控股的门禁业务

立方控股的智能门禁系统毛利≥60%,应该很高了。该公司有20年发展史、在北交所上市了,也算比较大的玩家了。

立方控股主要客户结构如下,前5大客户销售收入占比<20%

立方控股在2022年研发费用率达到16.3%,其中关于门禁相关技术如下:

四、写在最后

1、门禁产品已经从单纯的硬件,发展到软硬件一体化的物联网系统,融合了弱电系统工程和计算机技术。

2、门禁行业属于安防领域,正从同质化竞争走向品牌化、规模化发展,从而提供集成解决方案、企业获得更高毛利率。

本文由 @马老师 原创发布于人人都是产品经理。未经作者许可,禁止转载。

题图来自Unsplash,基于CC0协议。

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