Данный проект был сделан по просьбе друга для установки на дверь в складское помещение. В дальнейшем было изготовлено ещё несколько по просьбе друзей и знакомых. Конструкция оказалась простой и надёжной. Работает данное устройство так: пропускает только те RFID-карты, которые были заранее занесены в память устройства.
Основные характеристики контроллера доступа:
RFID-карты формат EMmarin 125кгц
Микроконтроллер ATtiny13
Количество карт/брелков - 10.
Кнопка "OPEN" нормально разомкнутая, защищена от залипания.
Выход управления замком, сильноточный полевой транзистор, режим работы на защёлку (включается на время).
Питание - 12в.
Потребление в дежурном режиме - 35 мА.
Количество карт/брелков доступа - 10 шт.
Длина связи с кнопкой "OPEN" - 10 метров.
Тип выхода управления замком - открытый сток (мощный полевой транзистор, ток до 2А).
Принципиальная схема контроллера ограничения доступа на RFID-картах 125КГц (Em-Marin) на 10 карт (на микроконтроллере ATtiny13):
Если надо управлять электромагнитным замком, требуется установка выходного реле с требуемой контактной группой.
Внешний вид собранного RFID-валидатора:
Установка Fuse-битов в PonyProg:
Работа устройства, скачать видеоролик , записанный автором.
Также один из читателей опубликовал видео работы собранного устройства:
Инструкция по программированию
Рабочий режим - при подачи 12В на контроллер светодиод мигает 1Гц.Режим программирования - светодиод мигает 2Гц.
При нажатии на кнопку "OPEN" серия коротких звуковых сигналов во временя открытия замка.
Звуковые сигналы
1 короткий сигнал - карта или брелок записан в память контроллера.2 коротких сигнала - карта или брелок уже записан в памяти контроллера.
5 коротких сигнала - выход из режима программирования.
1 длинный сигнал - память карт-ключей стерта из контроллера.
Непрерывные короткие сигналы - память карт/ключей заполнена, максимально 10шт. (требуется отключение питания контроллера).
Запись МАСТЕР-КАРТЫ и времени открывания замка
1 - Выключить питание контроллера.
2 - Нажать кнопку "OPEN"
3 - Удерживая кнопку подключить питание к контроллеру, через 5 сек. контроллер "ПИСКНЕТ", светодиод будет мигать с частотой 2 Гц.
4 - Отпустить кнопку.
5 - Поднести в зону считывания карту или брелок, раздастся одиночный звуковой сигнал, Мастер-карта или брелок ЗАПИСАН, при этом запишется время открытия замка 1 сек.
6 - Удерживая карту или брелок в зоне считывания - считаем звуковые сигналы. Кол-во определяет требуемое время отрывания замка, приращение 1 сек., но не более 32 сек.
7 - Отключаем питание контроллера или выдерживаем паузу 30 сек.
Стирание всей памяти карт-брелков
1 - Рабочий режим.2 - Нажимаем кнопку "OPEN" и удерживая подносим к считывателю МАСТЕР-карту или брелок и держим, через 5 сек раздастся продолжительный звуковой сигнал - память карт/брелков стёрта.
3 - Отпускаем кнопку отнимаем карту или брелок.
Характеристики:
Частота метки: 125 кГц
Источник питания: +5 В постоянного тока
Выводимые данные: последовательно, 2 400 б/с 8N1. Выдается 10-цифровой серийный номер метки.
Рисунок 1: Рисунок 2:
Введение
Данный RFID-считыватель работает с метками частотой 125 кГц в картах размером с кредитную карточку и 125 кГц брелоках (Рисунок 1). При этом используется протокол EM4100 . Когда вы приближаете RFID-метку на близкое расстояние (4-5 см) к катушке считывателя (L1), считыватель считает 10-цифровой уникальный идентификатор метки и передаст его как ASCII символы через последовательных выход со скоростью 2 400 бит в секунду.
В схему входит сигнализатор, который издает прерывистые звуковые сигналы, когда метка успешно считывается.
Описание
Я попытаюсь в нескольких словах объяснить, как работает RFID-считыватель. Контроллер ATtiny13 используется функцию PWM для создания прямоугольного импульсного сигнала частотой 125 кГц. Данный сигнал выходит с вывода PB0. По заднему фронту импульса на выводе PB0 (Логический ноль "0"), транзистор T1 закрыт. Таким образом, катушка L1 возбуждается через резистор R1 (номиналом 100 Ом) от напряжения +5V. Когда импульс на выводе PB0 растет (Логическая единица "1") транзистор T1 открывается и один из выводов катушки L1 соединяется с землей GND. К катушке L1 параллельно подсоединяется конденсатор C2, создавая LC генератор. Данные переключения катушки L1 от логической единицы к логическому нулю происходят 125 000 раз в секунду (125 кГц).
Рисунок 3: Колебания сигнала частотой 125 кГц, которые передаются от катушки L1 и конденсатора C2.
RFID-считыватель передает энергию к транспондеру (метке) путем создания электромагнитного поля. Передача энергии между RFID-считывателем и меткой происходит на том же принципе, что и работа трансформаторов, преобразующих напряжение 220 В сети переменного тока в 12 В переменного тока, благодаря магнитному полю, которое создает первичная обмотка. В нашем случае первичная обмотка – это RFID-считыватель, а вторичная обмотка – это RFID-метка. Разница лишь в том, что в схеме RFID-считывателя нет стального магнитопровода между двумя катушками (одна катушка располагается на стороне считывателя, а другая катушка в RFID-метке). Компоненты D1 ,C3 и R5 составляют демодулятор AM сигнала (AM = Амплитудная модуляция).
Передача данных между метками и считывателем.
Как метки передают данные в считыватель? Очень просто! Когда метка хочет передать логический ноль "0" в считыватель, она прилагает "нагрузку" к своей линии источника питания для получения большей энергии из считывателя. Это вызывает небольшое падение напряжения на стороне RFID-считывателя. Этот уровень напряжения является логическим нулем "0" (смотрите рисунок 4). Одновременно с передачей считывателем сигнала частотой 125 кГц, он считывает напряжение передаваемого сигнала через фильтры D1, C3 и R5, C1. Когда метка снижает напряжение, как было сказано ранее, считыватель считывает данное падение напряжение как логический ноль "0". Если метка не требует дополнительной энергии, она не вызывает падение напряжения. Это соответствует логической единице "1" (Рисунок 3). Длина "единиц" или "нулей" зависит от скорости передачи последовательной передачи данных. Например, для несущей частоты 125 кГц мы не получаем скорость передачи данных 125 000 бит в секунду! Передача данных от метки в считыватель изменяется от 500 до 8 000 бит в секунду.
Рисунок 4: Снимок экрана передаваемых данных...10101... Рисунок 5
- 125 кГц RFID-метка передает 64 бита.
- Первые 9 бит – это стартовые биты передачи (всегда "1").
- Следующие 4 бита – это младшие биты идентификатора пользователя (D00,..., D03).
- Следующий 1 бит (P0) – это бит контроля четности предыдущих 4 бит.
- Следующие 4 бита – это старшие биты идентификатора пользователя (D04,..., D07).
- Следующий 1 бит (P1) – это бит контроля четности предыдущих 4 бит.
- Следующие 4 бита – это первая часть 32-битного серийного номера метки (D08,..., D11).
- Бит PC0 – это бит контроля четности битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36 (биты располагаются в одной колонке).
- Биты PC1, PC2, PC3 представляют собой биты четности следующих трех колонок.
Верификация данных выполняется с помощью контроллера ATtiny13, путем вычисления бита контроля четности каждой строки и каждой колонки с битами четности, которые получены в передаваемых данных RFID-метки.
Изготовление катушки
Катушка имеет диаметр 120 мм и 58 витков. На всякий случай, оставьте немного медного провода для дополнительных 2-3 витков (всего 60-61 витков). Для достижения максимального расстояния между RFID-меткой и считывателем (между меткой и антенной-катушкой считывателя) вам необходимо откалибровать катушку. Если подключить осциллограф в общую точку соединения R1 и L1 вы увидите место, помеченное красным кружком на рисунке слева. Это означает, что катушка L1 должна быть откалибрована.
Как откалибровать катушку L1?
Включите RFID-считыватель:
1. После подключения щупа осциллографа в общую точку R1, L1 попытайтесь медленно удалить или добавить немного медной проволоки (увеличить или уменьшить количество витков) катушки, пока шум не будет устранен.
2. Если вы не имеете осциллограф, тогда попытайтесь переместить RFID-метку близко к катушке L1, пока метка не будет распознана считывателем. Если ваша метка будет обнаружена на расстоянии 2 см от катушки L1, тогда попытайтесь добавить несколько витков медной проволоки для катушки L1, чтобы убедиться в обнаружении метки на более длинном расстоянии (например, 3 см).
Попытайтесь выполнить те же действия, удалив витки медной проволоки с катушки L1. Таким образом, вы получите максимальный диапазон расстояния между метками и катушкой L1.
Я изготовил катушку L1 диаметром 120 мм с 58 витками, но впоследствии захотел сделать ее более меньшего размера. Поэтому я согнул катушку пополам так, чтобы она стала похожа на "цифру восемь" (по форме напоминает восьмерку) и выполнил повторную калибровку. Таким образом, катушка L1 на рисунках фактически имеет диаметр менее 120 мм.
Катушка L1 на рисунке имеет диаметр 60 мм и почти 116 витков.
Программирование ATtiny13
Набор битов конфигурации (фьюзов) для ATtiny13: High Fuse: 0x1F и Low Fuse: 0x7A . Данный набор настроек ATtiny13 работает с внутренним генератором частотой 9.6 МГц. Функция деления на 8 системного тактового генератора отключена.
Прошивка версии v1.00 занимает 1024 байт и занимает 100% Flash-памяти контроллера ATtiny13. Возможно переход на любой другой 8-выводный AVR, такой как ATtiny85, будет хорошей идеей, если вы захотите добавить некоторые функции в исходный программный код.
Проект спроектирован:
Вассилис Серасидис (Vassilis Serasidis
) 18 августа 2012 года
Язык программирования:
С
Среда разработки:
Микроконтроллер:
ATtiny13 (внутренний генератор 9.6 МГц)
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | МК AVR 8-бит | ATtiny13 | 1 | В блокнот | ||
| IC2 | Операционный усилитель | LM358 | 1 | В блокнот | ||
| IC3 | Линейный регулятор | LM78L05 | 1 | В блокнот | ||
| T1 | MOSFET-транзистор | BS170 | 1 | В блокнот | ||
| T2 | Биполярный транзистор | BC547B | 1 | В блокнот | ||
| D1 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | ||
| C1 | Конденсатор | 12 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C2 | Конденсатор | 1.5 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C3 | Конденсатор | 4.7 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C4, C5 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ | 2 | В блокнот | ||
| C6 | Конденсатор | 100 нФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 390 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R4, R8 | Резистор | 33 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 270 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R6 | Резистор |
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
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
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.
RFID (радиочастотная идентификация) использует электромагнитные поля для автоматической идентификации и отслеживания тегов, прикрепленных к объектам. Теги содержат электронно сохраненную информацию. Пассивные метки собирают энергию от радиосигналов соседнего RFID-считывателя. Активные теги имеют локальный источник питания (например, аккумулятор) и могут работать в сотнях метров от считывающего устройства. В отличие от штрих-кода, тег не должен находиться в пределах видимости прибора, поэтому он может быть встроен в отслеживаемый объект. RFID - это один из методов автоматической идентификации и сбора данных.
Применение
RFID-метки используются во многих отраслях промышленности. Например, считыватель RFID, прикрепленный к автомобилю во время производства, может использоваться для отслеживания прогресса по конвейерной линии. Фармацевтические препараты с маркировкой можно отслеживать через склады. Имплантация RFID-микрочипов в домашний скот позволяет идентифицировать животных.
Поскольку метки RFID могут быть прикреплены к деньгам, одежде и имуществу или имплантированы в животных и людей, возможность читать личную информацию без согласия пользователя вызывает серьезную проблему конфиденциальности. Эти риски привели к разработке стандартных спецификаций, касающихся вопросов безопасности личных данных. Теги также могут использоваться в магазинах для ускорения оформления заказа и предотвращения краж.
История
В 1945 году Леон Термен изобрел прослушивающее устройство для Советского Союза, которое повторно передавало радиоволны с добавленной аудиоинформацией. Звуковые колебания при вибрации влияли на диафрагму, которая слегка меняла форму резонатора, модулировавшего отраженную радиочастоту. Несмотря на то что это устройство было скрытым прибором для прослушивания, а не идентификационным тегом, оно считается предшественником USB RFID-считывателя, поскольку активировалось аудиоволнами из внешнего источника. Транспондеры по-прежнему используются большинством работающих самолетов. А раньше подобная технология, такая как считыватель RFID-меток, регулярно использовалась союзниками и Германией во Второй мировой войне для идентификации самолетов.
Устройство Марио Кардулло, запатентованное 23 января 1973 года, было первым истинным предшественником современной RFID, поскольку это был пассивный радиоприемник с памятью. Первоначальное устройство было пассивным, с питанием от опросного сигнала. Оно было продемонстрировано в 1971 году администрации Нью-Йорка и другим потенциальным пользователям и состояло из транспондера с 16-разрядной памятью для использования в качестве платного устройства. Основной патент Cardullo охватывает использование радиочастот, звука и света в качестве среды передачи.
Область использования
Первоначальный бизнес-план, представленный инвесторам в 1969 году, демонстрировал следующие сферы применения считывателя RFID:
- использование в транспорте (идентификация автомобильных транспортных средств, автоматическая система оплаты, электронный номерной знак, электронный манифест, маршрутизация транспортного средства, мониторинг эффективности транспортных средств);
- банковское дело (электронная чековая книжка, электронная кредитная карта);
- персонала, автоматические ворота, наблюдение); медицинская отрасль (идентификация, история пациентов).
Ранняя демонстрация отраженной мощности (модулированного обратного рассеяния) RFID-меток, как пассивных, так и полупассивных, была выполнена Стивеном Деппом, Альфредом Коелле и Робертом Фрайманом в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1973 году. Портативная система работала на частоте 915 МГц и использовала 12-битные теги. Этот метод применяется большинством современных UHFID и микроволновых RFID-считывателей. В современной жизни такие устройства очень востребованы.
Спецификация
Система радиочастотной идентификации использует метки, прикрепленные к идентифицируемым объектам. При изготовлении RFID-считывателя своими руками следует учитывать, что двусторонние радиопередатчики-приемники, называемые запросчиками или считывателями, посылают сигнал тегу и считывают его ответ. Метки RFID могут быть пассивными, активными или пассивными. Активный тег имеет встроенный аккумулятор и периодически передает его ID-сигнал. Пассивный аккумулятор (BAP) имеет небольшую батарею на борту и активируется при наличии считывателя RFID. Пассивная бирка дешевле и меньше, потому что у нее нет батареи. Вместо этого тег использует радиоволну, переданную считывателем. Однако для работы пассивного тега он должен быть освещен уровнем мощности примерно в тысячу раз сильнее, чем для передачи сигнала. Это влияет на интерференцию и облучение.
