Системы контроля управления доступом в IoT — умеем, знаем, практикуем

И снова привет, мир!

В прошлой статье про IoT-елочку в голосовании многие отметили, что интересна тема управления устройствами в зависимости от количества человек в помещении. Это довольно масштабная задача, и мы предлагаем разделить ее решение на несколько этапов. Сегодня поговорим о системе контроля управления доступом (СКУД), которая, будучи подключенной к платформе интернета вещей Rightech IoT Cloud (далее по тексту - платформа), является базовым элементом в системе подсчета количества человек в офисе. Мы уже поверхностно освещали этот кейс в одной из статей, но сегодня рассмотрим этот проект более подробно и погрузимся в особенности исполнения.

С чего все началось

Задача обеспечить контроль за входом-выходом в офисе возникла еще в те времена, когда у нас был выход на крышу с отличным видом на Москву, и поэтому часто приходили люди, не являющиеся нашими сотрудниками. Тогда мы решили принять какие-то меры по безопасности и установить СКУД.

Архитектура

Система открытия дверей по карте

В качестве модуля, отвечающего за обработку информации по считыванию бесконтактных карт, выбрали GATE-8000. 

Основные достоинства контроллера:

• формирование и хранение необходимой информации о факте открытия двери по карте и времени прохода человека в офис;

• возможность автономной работы и защиты от зависания; 

• хранение 16 тысяч ключей и 8 тысяч событий;

• простое подключение и управление;

• российский производитель, хорошая документация с описанием работы контроллера.

Основной принцип работы: контроллер обрабатывает информацию, поступающую со считывателя, и с помощью встроенного реле коммутирует исполнительное устройство - электромагнитный замок двери. 

Система взаимодействия с платформой

После того, как контроллер установили в систему по общей схеме подключения, а карты записали в память, мы уже обезопасили себя от прохода в офис посторонних. А дальше возник вопрос, как подключить этот контроллер к платформе Rightech ioT Cloud. Ведь очень здорово иметь а) графический интерфейс, в котором можно полистать историю всех проходов, б) возможность отправки команд на открытие двери удаленно, не отходя от рабочего места, например, для гостей или доставщика еды.

У контроллера нет выхода в Интернет и видимой возможности подключения к платформе, к тому же все события нужно принудительно считывать из его циклического буфера. Однако у него есть свой протокол обмена данными с компьютером управления, благодаря которому можно отправлять на контроллер команды, такие как считать из контроллера, записать в контроллер,  открыть/закрыть замок и другие. Значит, нужно сделать некоторую программно-аппаратную прослойку между контроллером и платформой - агента, который будет отправлять команды на чтение событий и управление контроллером.

Обращаем внимание, что в данной архитектуре функция открытия двери при прикладывании карты не перестанет выполняться при отсутствии Интернета. За открытие двери и сбор информации отвечает контроллер СКУД, поэтому в случае потери Интернета, единственное, что нам грозит, - это то, что агент, который доставляет данные на платформу, не будет функционировать, так как не сможет получать команды на чтение буфера. Однако при восстановлении соединения все события считаются в полном объеме и не потеряются, так как они будут сохранены в буфере контроллера СКУД.

▍Аппаратная часть

Для начала нужно было выбрать устройство, которое будет всегда в активном состоянии с включенной программой-агентом в непосредственной близости от платы СКУД. Из многообразия микрокомпьютеров первое что попало под руку выбор пал на Raspberry Pi.

Дальше возник вопрос, как подсоединить GATE-8000 к Raspberry - то есть как подключить последовательный интерфейс RS485 от GATE к USB от микрокомпьютера. Начались поиски переходника USB-RS485. Первый вариант, который мы испробовали, - Espada за 200 рублей. Надежда на то, что маленький хлипкий китайский переходник заработает, была небольшой. Он и не заработал. Вместо нужных данных приходило что-то похожее по виду и размеру, но… всё же не то. В чем было дело: в отсутствии гальванической развязки, невозможности поддерживать скорость 19200 bps или же просто в некачественной элементной базе, - загадка. Но после обращения к производителю GATE-8000, мы получили рекомендацию на более дорогой (в 10 раз) и громоздкий (но аккуратный и корпусированный) переходник Z-397, который заработал тут же как надо. 

▍Программная часть

Начинаем разработку программы с определения, какие функции она должна выполнять.

1. Что нужно - взаимодействие с GATE-8000 для отправки команд и получения данных. 

   Как решим - изучим протокол GATE, напишем сериализатор и десериализатор данных, подключим библиотеку для работы с последовательным портом.

2. Что нужно - взаимодействие с платформой для получения команд и отправки данных.

   Как решим - выберем для общения протокол MQTT, в коде воспользуемся готовой библиотекой Paho MQTT.

Итак, мы приступили к изучению протокола GATE-8000, который является закрытым, поэтому ниже рассказано только о некоторых его особенностях. Он достаточно низкоуровневый, и необходимо обращаться напрямую к регистрам памяти устройства. В документе по этому протоколу описаны кадры запросов от компьютера контроллеру и кадры ответов контроллера компьютеру. Меняя поля в кадре запроса, можно отправлять на устройство различные команды и получать информацию из регистров. 

Одна из особенностей протокола в том, что инициатором обмена всегда является компьютер. Поэтому есть два подхода работы с устройством: 

1) задавать всю логику работы в агенте;

2) использовать внешние запросы (от платформы). 

Мы выбрали второй вариант и вынесли логику с конечного устройства на платформу (подробнее про сервис сценариев автоматизации >>>). Так ее легко адаптировать и подстроить, при этом код программы остается компактным и позволяет просто формировать команды для устройства, а платформа в свою очередь координирует отправку команд и их периодичность. 

После того как мы внимательно изучили этот протокол, формат кадров и список команд, возникла первая сложность. Команды для чтения буфера, в котором содержатся события о том, кто и во сколько пришел, не оказалось. А ведь получить эту информацию - первоочередная задача. Понадобилось изучить карту памяти контроллера, чтобы определить адреса, по которым нужно считывать данные.

Следующая особенность работы с контроллером в том, что за один цикл чтения можно получить только 12 событий, по 8 байт на каждое. А на каждый проход человека в офис генерируется уже два события:

1) найден ключ в банке ключей (банк ключей - еще один блок в распределенной памяти контроллера);

2) состоялся проход (если он, конечно, состоялся). 

Ниже представлен фрагмент кода на С++, реализующий метод одного цикла чтения буфера.

bool SerialPortInlet::readBufferCycle(unsigned short& bottom, unsigned short const& top, unsigned char& u_lowerBound,
    	unsigned char& l_lowerBound, std::vector<unsigned char>& readBuffer, std::string& result)
{
	// Подсчет байтов, которые необходимо считать
	unsigned short byteCountTmp = top - bottom;
	BOOST_LOG_SEV(log_, logging::info) << "Need read " << byteCountTmp << " byte";
	unsigned char byteCount;
	// За один цикл нельзя прочитать более 12 событий (96 байт)
	byteCount = byteCountTmp > 0x60 ? 0x60 : (unsigned char)byteCountTmp;
	BOOST_LOG_SEV(log_, logging::info) << "Read " << +byteCount << " byte";
	// Описываем тело команды
	std::vector<unsigned char> body = {0x02, 0xA0, byteCount, u_lowerBound, l_lowerBound};
	std::vector<unsigned char> command;
	// Получаем полный текст команды
	generateComplexCommand(command, Command::BYTE_CODE_READ, body);
	// Если не удалось по каким-то причинам отправить команду (например, конечное устройство не подключено), возвращается false
	if (!sendCommand(command, result))
	{
    	return false;
	}
	// Иначе отправляем ответ с устройства на парсинг по событиям
	SerialPortType::Answer answerEvents;
	if(!Parsers::parserAnswer(log_, result, answerEvents, Command::BYTE_CODE_READ))
	{
    	BOOST_LOG_SEV(log_, logging::error) << "Failed parse buffer reading";
    	return false;
	}
	readBuffer.insert(readBuffer.end(), answerEvents.body.begin(), answerEvents.body.end());
	// Сдвигаем нижнюю границу буфера для чтения следующих событий
	bottom = bottom + byteCount;
	u_lowerBound = (unsigned char)(bottom >> 8) ;
	l_lowerBound = (unsigned char)bottom;
	return true;
}

Немного добавило хлопот то, что, наконец вытащив нужные байты, на месте информации о карте, мы увидели не номер карты, а адрес, по которому он находится. Поэтому потом каждый номер ключа приходится отдельно считывать по адресу. Также не сразу заметили наличие байтстаффинга, его обработку мы ввели уже после первого тестирования с платой.

Байтстаффинг?

Процедура байтстаффинга заключается в замене зарезервированных символов в теле пакета на специальную последовательность, не содержащую данных символов.

Полная структурная схема разработанной системы выглядит так.

Работоспособность всех устройств было очень удобно проверять с помощью графического последовательного терминала СuteCom. После успешного тестирования программа была поставлена на автозапуск, а Raspberry отправилась жить на потолке рядом с платой СКУДа.

Работа на платформе Rightech IoT Cloud

Модель

Основные данные с контроллера - это события, на платформу они приходит в формате JSON и включают в себя поля

• eventTime - время наступления события;

• eventCode - код события;

• keyNumber - номер карты сотрудника (поле может быть пустым, если событие вызвано не картой).

Модель устройства выглядит следующим образом.

Посмотреть оригинал >>>

Возможные события:

• нажата кнопка звонка;

• неопознанный ключ на входе;

• неопознанный ключ на выходе;

• ключ найден в банке ключей при входе;

• ключ найден в банке ключей при выходе;

• открывание оператором по сети;

• дверь заблокирована оператором;

• дверь оставлена открытой после входа;

• дверь оставлена открытой после выхода;

• проход состоялся на вход;

• проход состоялся на выход;

• перезагрузка контроллера.

Объект

Интерфейс объекта полностью формируется согласно разработанной модели.

Посмотреть оригинал >>>

Ура, теперь, собравшись на кухне офиса в ожидании пиццы на праздник, можно никуда не идти, а просто открыть мобильное приложение и нажать кнопку открытия двери для курьера!

Автомат

Можно заметить, что есть команда не только на чтение буфера событий, но и на запись новых границ. В памяти контроллера хранятся границы буфера - начало и конец. Когда на устройство приходит команда чтения, из памяти берутся эти границы и в их пределах происходит чтение из буфера событий. Граница конца буфера сдвигается автоматически на контроллере при получении новых событий. А вот начальную границу буфера нужно перезаписать (указав конечную границу после прошедшего чтения), чтобы не прочитать одни и те же данные повторно. Но это необходимо сделать только после того, как данные о событиях успешно отправлены на платформу.

Зафиксировать успешное получение данных и затем отправить команду на перезапись начальной границы удобно в автомате.

Посмотреть оригинал >>>

Здесь виден цикл <чтение>-<запись новой границы буфера>-<ожидание таймера> (сейчас события считываются каждые 30 секунд). 

1. В состоянии “Read events” читаем новые события.

2. В состоянии “Clear buffer” записываем новую границу.

3. В состоянии “Await timer …” ожидаем начала нового цикла.

Также есть дополнительные обратные связи для состояний, в которых отправляются команды. Если в течение работы таймера не произошло успешное выполнение команды, таймер срабатывает и отправляется соответствующее сообщение оператору, после чего происходит повторная отправка команды.

Дальнейшее использование собранных данных

Данный проект нашел свое продолжение в интеграции с нашей внутренней CRM системой, в которой на вкладке информации о сотрудниках всегда видны актуальные сведения о том, кто находится или отсутствует в офисе.

Также отображается время входа/выхода из офиса, считается суммарное количество часов в месяц.

Посмотреть оригинал >>>

В мессенджер Slack каждый день пишется о том, что офис открыт, когда приходит первый человек, взявший ключи на ресепшене.

Забор данных из платформы производится по REST API. API платформы предоставляет возможность работы, взаимодействия и использования сущностей платформы и их данных в таких внешних системах, как веб-порталы, мобильные и веб-приложения или, как в нашем случае, - CRM системах.

Посмотреть проект, в котором есть пример настройки взаимодействия и получения данных с платформы >>>

Теперь мы знаем немного больше о том, как может работать СКУД в IoT-проектах. В следующих материалах рассмотрим, как рассчитать на базе полученной информации количество человек в офисе и какие практические применения есть у этой идеи.