Считыватель RFID: рассказываем о технологии. Делаем RFID-замок с использованием Arduino

Сегодня урок о том как использовать RFID-ридер с Arduino для создания простой системы блокировки, простыми словами - RFID-замок.

RFID (англ. Radio Frequency IDentification, радиочастотная идентификация) - способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Любая RFID-система состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда также применяется термин RFID-тег).

В уроке будет использоваться RFID-метка с Arduino. Устройство читает уникальный идентификатор (UID) каждого тега RFID, который мы размещается рядом со считывателем, и отображает его на OLED-дисплее. Если UID тега равен предопределенному значению, которое хранится в памяти Arduino, тогда на дисплее мы увидим сообщение «Unlocked» (англ., разблокировано). Если уникальный идентификатор не равен предопределенному значению, сообщение "Unlocked" не появится - см. фото ниже.

Замок закрыт

Замок открыт

Детали, необходимые для создания этого проекта:

RFID-ридер RC522
OLED-дисплей
Макетная плата
Провода

Дополнительные детали:

Аккумулятор (powerbank)

Общая стоимость комплектующих проекта составила примерно 15 долларов.

Шаг 2: RFID-считыватель RC522

В каждой метке RFID есть небольшой чип (на фото белая карточка). Если направить фонарик на эту RFID-карту, можно увидеть маленький чип и катушку, которая его окружает. У этого чипа нет батареи для получения мощности. Он получает питание от считывателя беспроводным образом используя эту большую катушку. Можно прочитать RFID-карту, подобную этой, с расстояния до 20 мм.

Тот же чип существует и в тегах RFID-брелка.

Каждый тег RFID имеет уникальный номер, который идентифицирует его. Это UID, который показывается на OLED-дисплее. За исключением этого UID, каждый тег может хранить данные. В этом типе карт можно хранить до 1 тысячи данных. Впечатляет, не так ли? Эта функция не будет использована сегодня. Сегодня все, что интересует, - это идентификация конкретной карты по ее UID. Стоимость RFID-считывателя и этих двух карт RFID составляет около 4 долларов США.

Шаг 3: OLED-дисплей

В уроке используется OLED-монитор 0.96" 128x64 I2C.

Это очень хороший дисплей для использования с Arduino. Это дисплей OLED и это означает, что он имеет низкое энергопотребление. Потребляемая мощность этого дисплея составляет около 10-20 мА, и это зависит от количества пикселей.

Дисплей имеет разрешение 128 на 64 пикселя и имеет крошечный размер. Существует два варианта отображения. Один из них монохромный, а другой, как тот, который использован в уроке, может отображать два цвета: желтый и синий. Верхняя часть экрана может быть только желтой, а нижняя часть - синей.

Этот OLED-дисплей очень яркий и у него отличная и очень приятная библиотека, которую разработала компания Adafruit для этого дисплея. В дополнение к этому дисплей использует интерфейс I2C, поэтому соединение с Arduino невероятно простое.

Вам нужно только подключить два провода, за исключением Vcc и GND. Если вы новичок в Arduino и хотите использовать недорогой и простой дисплей в вашим проекте, начните с этого.

Шаг 4: Соединяем все детали

Любая система радиочастотной идентификации (RFID) состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда также применяется термин RFID-тег). В статье мы рассмотрим простое устройство для считывания RFID ключей, поддерживающих протокол EM4100 и работающие на частоте 125 кГц. Данный тип RFID-ключей может иметь форму брелока или кредитной карточки (Рисунок 1).

Основным компонентом считывающего устройства является микроконтроллер AVR , который считывает 10-значный уникальный идентификационный номер ключа и передает его в кодировке ASCII по последовательному интерфейсу (UART) со скоростью 2400 бит/с Host-устройству. Другими словами, считыватель представляет собой отдельный модуль, подключаемый к основному процессору или микроконтроллеру системы (Рисунок 2).

Принципиальная схема RFID считывателя изображена на Рисунке 3.


Рисунок 3.

Рассмотрим основные особенности работы схемы. Микроконтроллер использует встроенный ШИМ модулятор для генерирования на выходе PB0 прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц. Если на выходе PB0 лог. 0 (спадающий фронт импульса), транзистор T1 находится в закрытом состоянии, и на катушку L1 подается напряжение питания +5 В через резистор R1. Нарастающий фронт на выходе PB0 (лог. 1) открывает транзистор T1, и верхний по схеме вывод катушки подключается к «земле». В этот момент катушка оказывается включенной параллельно конденсатору С2, образуя LC генератор (колебательный контур). Переключение транзистора происходит 125,000 раз в секунду (125 кГц).). В итоге, катушкой генерируется сигнал синусоидальной формы с частотой 125 кГц (Рисунок 4).

Модуль считывателяя генерирует электромагнитное поле, энергия которого используется для питания RFID-ключа. В основе передачи энергии между RFID-ключом и считывателем лежит принцип работы обычного трансформатора: первичная обмотка трансформатора создает ЭДС индукции во всех остальных обмотках. Для нашего случая первичной обмоткой является катушка считывателя, а вторичной - катушка RFID-ключа. Элементы D1, C3 и R5 образуют демодулятор сигнала с амплитудной модуляцией.

Обмен данными между ключом и считывающим устройством

Процесс обмена данными между RFID-ключом и считывателем очень прост, но продуман до мелочей. Если RFID-ключ должен передать лог. 0, то он к своему источнику питания подключает определенную «нагрузку», что требует больше энергии, передаваемой считывателем. Это вызовет небольшую «просадку» напряжения на стороне считывателя; именно этот уровень воспринимается считывателем как лог. 0 (Рисунок 5).

RFID ключ в общем случае передает 64 бита данных в следующей последовательности (Рисунок 6):

Первые 9 бит (всегда лог. 1) - стартовые биты, свидетельствующие о начале обмена данными.
4 бита - младшие значащие биты пользовательского идентификационного номера (D00 - D03).
1 бит (P0) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
4 бита - старшие значащие биты пользовательского идентификационного номера (D04 - D07).
1 бит (P1) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
4 бита - первая часть 32-битного серийного номера RFID ключа (D08 - D11).
1 бит (P2) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
Далее передаются следующие группы по 4 бита серийного номера ключа, каждая с битом контроля четности.
Затем передаются 4 бита контроля четности битов по столбцам. К примеру, бит контроля четности PC0 для битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36.
1 стоп-бит.

Проверка целостности данных осуществляется микроконтроллером посредством вычисления битов контроля четности для каждой строки и столбца и сравнения с полученными данными от RFID-ключа.

Конструкция катушки.

Бескаркасная катушка индуктивности в считывающем устройстве диаметром 120 мм намотана проводом диаметром 0.5 мм и имеет 58 витков, однако автор рекомендует при намотке добавить еще 2 - 3 витка. С целью повышения эффективности катушки и увеличения расстояния считывания данных RFID-ключа необходимо выполнить калибровку колебательного контура. Если, подключив осциллограф в точку соединения R1 и L1, на экране прибора вы увидите искаженные пики (Рисунок 7), то это говорит о необходимости калибровки катушки L1.

Калибровку можно выполнить двумя способами после подачи напряжения питания на модуль.

Подключите щупы осциллографа в точку соединения R1 и L1 и, увеличивая или уменьшая количество витков катушки L1, добейтесь устранения искажения сигнала.
Если у вас нет осциллографа, то медленно подносите RFID-ключ к катушке до момента распознавания ключа, о чем свидетельствует звуковой сигнал. Если ключ определяется с расстояния 2 см, то необходимо добавить/удалить несколько витков и после этого снова проверить расстояние, с которого уверенно считывается ключ. С помощью калибровки автор схемы добился уверенного считывания RFID-ключа с 3 см.

При программировании микроконтроллера необходимо установить следующую конфигурацию Fuse-битов: младший байт 0x7A и старший байт 0x1F (микроконтроллер работает от встроенного тактового генератора 9.6 МГц, делитель тактовой частоты на 8 отключен). Программный код занимает в памяти микроокнтроллера 1024 Байт - используется весь доступный объем памяти микроконтроллера ATtiny13. Поэтому в дальнейшем при расширении функционала считывателя лучше использовать другой 8-выводный микроконтроллер AVR, например .

Загрузки:

Исходный код программы микроконтроллера (AVRStudio 6), прошивка (.hex) и принципиальная схема -

Много разговоров в последнее время ведется вокруг использования радиочастотных меток, причем в обсуждениях высказываются даже предположения, что при желании люди с определенными навыками владения компьютером могут взломать вашу домашнюю систему и получить полную информацию о ваших вещах.

Я решил сам разобраться в этой технологии. Для этого я заказал нужные компоненты и собрал RFID считыватель своими руками.

В данной статье я расскажу, как собрать работающий считыватель RFID-меток.

Шаг 1

В одной из прочитанных мною статей автор говорил, что его мобильный RFID считыватель работал только на частоте 13,56 МГц (короткая волна), но на частоте 1,25 кГц (длина волны ниже границы АМ-диапазона) не работал. Я же сделал считыватель, работающий на стандартной для всей этой отрасли частоте 125 кГц. Это значит, что для моего считывателя нужна другая комбинация антенны и конденсатора. Это иллюстрируют базовая схема и базовая формула. Чтобы получить нужное значение, выберите соответствующую формулу, подставьте ваши значения и с помощью калькулятора получите результат.

Список компонентов:

Около 12 м тонкой проволоки, от 22 до 30 калибра (я использовал 30 калибр).
Любой диод (я использовал красный).
Один 0,005 мкФ конденсатор или два дисковых конденсатора 0,01 мкФ, соединенных последовательно.
2-5 дисковых конденсатора 100 пФ.
Основание для катушки (любое основание, диаметр катушки должен быть 10 см).
Печатная плата для прототипирования, для пробных сборок.
Печатная плата для аккуратной и точной сборки.
Возможность доступа к считывателю, чтобы снимать показания приемника.
Элементы питания не потребуются, так как приемник питается беспроводным способом от считывателя.

Шаг 2

Сначала я намотал проволоку на основу примерно 10 см в диаметре (я больше чем уверен, что пара сантиметров плюс-минус роли не сыграют).

Когда проволока была намотана на основание, я сравнил катушку с другими катушками, которые у меня уже были. Так я примерно оценил индуктивность новой катушки – у меня вышло около 330 мкгн.

Я подставил значение 330 мкгн в формулу и полученный результат значил, что для этой катушки нужен 0,005 мкФ конденсатор, чтобы пара катушка-конденсатор «резонировала» на частоте 125 кГц, а тока было достаточно для питания диода.

Прежде чем приступить к пайке, я сделал предварительную сборку на макетной плате.

Шаг 3

На макетной плате сначала соединяем катушку, диод и два дисковых 0,01 мкФ конденсатора (соединены последовательно друг с другом, а затем параллельно с диодом, что дает общую емкость 0,005 мкФ (5000 пФ)), затем включаем считыватель радиометок. При положении считывателя на расстоянии около 10 см от катушки горит диод. Диод горит очень ярко на расстоянии примерно 1,5 см.

Затем я добавил 100 пФ (0,0001 мкФ) конденсатор параллельно электросхеме, это увеличило радиус действия считывателя. Затем я выяснил, что добавив второй такой же конденсатор параллельно всей схеме я еще больше увеличу радиус действия считывателя. А добавление третьего конденсатора, напротив, уменьшило этот радиус. Таким образом, я установил, что емкость 5200 пФ является оптимальной для моей катушки (иллюстрация третьей попытки).

Мой приемник срабатывал бы на 10 см при использовании 0,005 мкФ конденсатора в параллельном соединении с катушкой и диодом, но макетная плата позволила использовать дополнительные конденсаторы и, тем самым, увеличила расстояние до 12,5 см.

Шаг 4

Фотографии наглядно показывают, как увеличивается яркость свечения диода по мере приближения катушки к считывателю.
Это маленькое устройство работает на частоте 125 кГц. Его достаточно просто собрать, используя более-менее подходящие материалы.

Шаг 5

Все компоненты, использованные в пробной сборке на макетной плате, я собрал на печатной плате и спаял их. Потом я приклеил схему к катушке, чтобы все устройство можно было перемещать с места на место просто в руке, без лишних проводов или соединений. Устройство работает нормально. Я ожидал, что оно будет реагировать на все считыватели радиометок в пределах 7-12 см и работающие на частоте 125 кГц.

Шаг 6

Так как я знаю, что максимальное свечение диода на заданном расстоянии достигается при емкости 0, 0052 мкФ, я вставил это значение вместе с длиной волны 125 кГц в соответствующую формулу и получил значение индуктивности 312 мкгн, вместо 330 мкгн, на которые я рассчитывал.

Математические расчёты здесь не играют огромной роли, хотя именно благодаря им я вычислил емкость конденсаторов, подходящих к моей катушке. Это, конечно, можно было выяснить методом проб и ошибок, но на это ушло бы много времени.

Считыватель RFID - карт и брелков
на микроконтроллере ATtiny13

Источник: www.serasidis.gr
Vassilis Serasidis
Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

В последнее время приобрели широкую популярность разнообразные проекты на базе RFID ключей, применяемые в системах безопасности, охраны и разграничения доступа. На некоторых предприятиях и организациях такие системы, дополненные специализированным программным обеспечением, применяются для фиксирования рабочего времени, учета материальных ценностей и пр.

Основным компонентом считывающего устройства является микроконтроллер Atmel AVR ATtiny13, который считывает 10-значный уникальный идентификационный номер ключа и передает его в кодировке ASCII по последовательному интерфейсу (UART) со скоростью 2400 бит/с Host-устройству. Другими словами, считыватель представляет собой отдельный модуль, подключаемый к основному процессору или микроконтроллеру системы (Рисунок 2).

Принципиальная схема RFID считывателя изображена на Рисунке ниже:

Обмен данными между ключом и считывающим устройством

RFID ключ в общем случае передает 64 бита данных в следующей последовательности (Рисунок 6):

Первые 9 бит (всегда лог. 1) - стартовые биты, свидетельствующие о начале обмена данными.
4 бита - младшие значащие биты пользовательского идентификационного номера (D00 - D03).
1 бит (P0) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
4 бита - старшие значащие биты пользовательского идентификационного номера (D04 - D07).
1 бит (P1) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
4 бита - первая часть 32-битного серийного номера RFID ключа (D08 - D11).
1 бит (P2) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
Далее передаются следующие группы по 4 бита серийного номера ключа, каждая с битом контроля четности.
Затем передаются 4 бита контроля четности битов по столбцам. К примеру, бит контроля четности PC0 для битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36.
1 стоп-бит.

Данные (64 битная последовательность), которые передает RFID-ключ.

Конструкция катушки.

Искажения сигнала, генерируемого катушкой L1, говорит о необходимости калибровки.

Калибровку можно выполнить двумя способами после подачи напряжения питания на модуль.

Подключите щупы осциллографа в точку соединения R1 и L1 и, увеличивая или уменьшая количество витков катушки L1, добейтесь устранения искажения сигнала.
Если у вас нет осциллографа, то медленно подносите RFID-ключ к катушке до момента распознавания ключа, о чем свидетельствует звуковой сигнал. Если ключ определяется с расстояния 2 см, то необходимо добавить/удалить несколько витков и после этого снова проверить расстояние, с которого уверенно считывается ключ. С помощью калибровки автор схемы добился уверенного считывания RFID-ключа с 3 см.

При программировании микроконтроллера необходимо установить следующую конфигурацию Fuse-битов: младший байт 0x7A и старший байт 0x1F (микроконтроллер работает от встроенного тактового генератора 9.6 МГц, делитель тактовой частоты на 8 отключен). Программный код занимает в памяти микроокнтроллера 1024 Байт - используется весь доступный объем памяти микроконтроллера ATtiny13. Поэтому в дальнейшем при расширении функционала считывателя лучше использовать другой 8-выводной микроконтроллер AVR, например ATtiny85.

Загрузки:

Исходный код программы микроконтроллера (AVRStudio 6), прошивка (.hex) и принципиальная схема -

1 Описание считывателя RFID RC522

Модуль RFID-RC522 выполнен на микросхеме MFRC522 фирмы NXP . Эта микросхема обеспечивает двухстороннюю беспроводную (до 6 см) коммуникацию на частоте 13,56 МГц.

Микросхема MFRC522 поддерживает следующие варианты подключения:

С помощью данного модуля можно записывать и считывать данные с различных RFID-меток: брелоков от домофонов, пластиковых карточек-пропусков и билетов на метро и наземный транспорт, а также набирающих популярность NFC -меток.

RFID - это сокращение от "Radio Frequency IDentification" и переводится как «радиочастотная идентификация».
NFC - это "Near field communication", «коммуникация ближнего поля» или «ближняя бесконтактная связь».

2 Схема подключения RFID-RC522 к Arduino

Подключим модуль RFID-RC522 к Arduino по интерфейсу SPI по приведённой схеме.

Питание модуля обеспечивается напряжением от 2,5 до 3,3 В. Остальные выводы подключаем к Arduino так:

Пин RC522	Пин Arduino
RST	D9
SDA (SS)	D10
MOSI	D11
MISO	D12
SCK	D13

Не забывайте также, что Arduino имеет специальный разъём ICSP для работы по интерфейсу SPI. Его распиновка также приведена на иллюстрации. Можно подключить выводы RST, SCK, MISO, MOSI и GND модуля RC522 к разъёму ICSP на Ардуино.

3 Библиотека для работы Arduino с RFID

Микросхема MFRC522 имеет достаточно обширную функциональность. Познакомиться со всеми возможностями можно изучив её паспорт (datasheet) . Мы же для знакомства с возможностями данного устройства воспользуемся одной из готовых библиотек , написанных для работы Arduino с RC522. Скачайте её и распакуйте в директорию Arduino IDE\libraries\

Установка библиотеки "rfid-master" для работы Arduino с RFID-метками

После этого запустите среду разработки Arduino IDE.

4 Скетч для считывания информации, записанной на RFID-метке

Теперь давайте откроем скетч из примеров: Файл Образцы MFRC522 DumpInfo и загрузим его в память Arduino.

Данный скетч определяет тип приложенного к считывателю устройства и считывает данные, записанные на RFID-метке или карте, а затем выводит их в последовательный порт.

#include #include const int RST_PIN = 9; // пин RST const int SS_PIN = 10; // пин SDA (SS) MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // создаём объект MFRC522 void setup() { Serial.begin(9600); // инициализация послед. порта SPI.begin(); // инициализация шины SPI mfrc522.PCD_Init(); // инициализация считывателя RC522 } void loop() { // Ожидание прикладывания новой RFID-метки: if (! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) { return; // выход, если не приложена новая карта } // Считываем серийный номер: if (! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) { return; // выход, если невозможно считать сер. номер } // Вывод дампа в послед. порт: mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid)); }

Текст скетча достаточно хорошо прокомментирован.

Для более полного знакомства с библиотекой изучите файлы MFRC522.h и MFRC522.cpp из директории rfid-master .

5 Дамп данных с RFID-метки

Запустим монитор последовательного порта сочетанием клавиш Ctrl+Shift+M , через меню Инструменты или кнопкой с изображением лупы. Теперь приложим к считывателю билет метро или любую другую RFID-метку. Монитор последовательного порта покажет данные, записанные на RFID-метку или билет.

Например, в моём случае здесь зашифрованы уникальный номер билета, дата покупки, срок действия, количество оставшихся поездок, а также служебная информация. Мы разберём в одной из будущих статей, что же записано на карты метро и наземного транспорта.

Примечание

Да, с помощью модуля RFID-RC522 можно записать данные на билет метро. Но не обольщайтесь, каждая карта имеет неперезаписываемый счётчик циклов записи, так что «добавить» поездок себе на метро не получится - это сразу будет обнаружено и карта будет забракована турникетом:) А вот использовать билеты метро для записи на них небольших объёмов данных - от 1 до 4 кб - можно. И способы применения этому ограничены только вашей фантазией.