Чтение и запись RFID меток. Модуль RC522 для Arduino. Бюджетный UHF RFID считыватель и его развитие
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 |
В какой-то момент мне снова стало скучно, и я, как мне показалось, придумал хорошую причину для покупки считывателя карточек. Концепция была такова: карточку приклеиваем на дно ноутбука, а считыватель ставим в то место, где компьютер обычно заряжается.
Результат: когда кладем ноутбук на «зарядку», то автоматически включается розетка с его зарядным устройством. А в остальное время розетка, понятно, выключена. Не сказать, что особо полезно, но - развлечение.
Но, как обычно, что-то пошло не так. То есть, вместо ударного труда на ниве розеток я в первую очередь зачем-то научился узнавать, сколько поездок осталось на моем билете местного метрополитена.
Для понимания: этот считыватель - не законченное устройство, а периферия для контроллера или компьютера. По этой причине для использования потребуется некоторое количество усилий. Готовых рецептов «из коробки» как бы нет, зато все остальное зависит от фантазии и способностей.
Что обычно делают? Чаще всего - замки с открытием по карточке, учет рабочего времени, СКД для домашних животных (допуск к корму, например).
Для экспериментов я выбирал недорогой и более-менее универсальный считыватель. RFID в названии этой штуки означает технологию радиоидентификации, то есть ничего конкретно не означает. Зато из спецификаций следует, что железка совместима с распространенными RFID карточками с протоколом MIFARE.
Скорее всего, вы неоднократно встречались с такими карточками. Чаще всего - в виде офисного пропуска. Другой яркий пример - бесконтактные билеты для прохода в метро.
Базовый принцип действия довольно прост для понимания. В карточке и в считывателе есть антенны, при этом сигнал считывающего устройства (суть электромагнитное поле) одновременно служит источником питания для карточки. Т.е. и в части энергетики, и в части передачи данных это очень похоже на ставшие сверхпопулярными беспроводные зарядки.
Сами же карточки, в зависимости от модификации, могут нести в себе от нескольких десятков байт до нескольких килобайт данных (в том числе - уникальный серийный номер). Также, в зависимости от модификации, карточка может быть укомплектована криптографической защитой информации.
Гребенок в комплекте было две, но одну (угловую) я, простите уже запаял. Поэтому вида платы без гребенок нет
Этот комплект включает в себя считыватель, гребенку для простого макетирования и даже монтажа на «материнскую» плату и два идентификатора: карточку MIFARE 1K и аналогичный по возможностям брелок. То есть, вполне достаточно для экспериментов.
.
.
.
Плата считывателя, как видите, выглядит очень аккуратно. И, что удобно, после установки угловой гребенки, размеры устройства не увеличиваются, поскольку гребенка фактически совпадает по высоте с самым высоким элементом на плате.
С батарейкой ААА
Т.е. можно не мучить себя компромиссом между удобством и универсальностью (гребенкой) и экономией места в расчете на встраивание (прямой пайкой проводов).
Среди прочего на плате также есть красный светодиод, который, увы, совершенно неинформативен. Суть в том, что он горит даже при оторванном питании - очевидно, достаточно уровней на SPI-интерфейсе. Да и на карточки он никак не реагирует.
Одним словом - горит, когда считыватель хоть как-то подключен к Arduino, что не гарантирует его работоспособности.
Что касается дальности срабатывания, то субъективно порог находится на расстоянии 2 см от поверхности платы. В пределах 2 - 2.5 см - область неуверенного срабатывания.
Характеристики (от продавца):
Напряжение: 3.3В
Потребляемый ток в активном состоянии:13-26 мА
Потребляемый ток в состоянии ожидания: 10-13 мА
Ток в режиме сна: менее 80 мкА
Пиковое потребление: менее 30 мА
Рабочая частота: 13.56 МГц
Поддержвиаемые типы карт: MIFARE S50, MIFARE S70, MIFARE UltraLight, MIFARE Pro, MIFARE DESfire
Интерфейс: SPI
Размеры: 40х60 мм
Из приведенного выше видно, что отличился я дважды. Во-первых, не посмотрел на напряжение питания. А 3.3В, между прочим, означает, что проще всего использовать эту плату с Arduino Uno, Mega и прочими (или аналогичными платами), оснащенными регуляторами напряжения и выходом 3.3В. Благо максимальный потребляемый ток не выходит за пределы возможностей платформы.
В противном случае необходимо либо использовать единое питание 3.3В, либо дополнительный регулятор/стабилизатор/преобразователь напряжения.
Во-вторых, интерфейс SPI в требует 5 (!) проводов для подключения. Т.е. в сумме к считывателю подходит шлейф из 7 проводников, а это довольно расточительно. Для экономии имело смысл ориентироваться на I2C, но где я и где этот смысл?!
Подключение
Я бы хотел разделить подключение на софт и хард, но все так тесно переплелось - и вылилось в не очень интересную проблему.
Одним словом, все знают для RC522. Но почему-то никто не задается вопросом, почему в ридми, приложенном к библиотеке и в табличке в одном из ее примеров совершенно разная «распиновка» подключения считывателя.
Полагаю, это как раз одна из причин вечных проблем с этой библиотекой. Вторая причина в том, что подключение для Arduino Uno и Mega производится к разным пинам. Это связано с особенностью платформ.
Наконец, третья причина - два пина (SS и RST) допускают произвольное подключение и конфигурируются в коде. При этом по умолчанию в коде примера забита конфигурация для Arduino Uno, а если у вас Mega и вы подключали по агитке из ридми или таблички в начале примера, то, разумеется, промахнетесь.
Но фишка в том, что третья причина довольно очевидна, и ее я более-менее обошел, сразу задав свои пины, потому что у меня под руками была плата Arduino Mega. Поэтому же, кстати, меня обошла и вторая беда.
А вот первая - подключение пинов SPI помучила меня вдоволь. Я же и предположить не мог, что человек, сделавший успешную библиотеку, мог так накосячить в банальном подключении трех проводочков.
Иными словами, подключение ни по первому, ни по второму варианту, указанному в описании библиотеки, не помогло. Сначала я подумал, что у меня «мертвая плата». Поэтому, несмотря на позднее время, взял себя в руки и распаял гребенку на вторую (я запасливый и купил сразу три). Результат оказался аналогичным, несмотря на то, что я неоднократно проверял подключение по имеющимся на руках «распиновкам».
Даже не спрашивайте, почему я не пошел на Arduino.cc, чтобы посмотреть, как разведен SPI на Mega. По-моему, это случилось какое-то помутнение.
Зато я погуглил и , который в двух словах (а не как я) описал покупку и ее подключение с библиотекой, как я понимаю, от китайских товарищей. Руки уже опускались, и спать в таком состоянии я не мог, поэтому позволил себе еще эксперимент со свеженайденной распиновкой и библиотекой.
И обе платы заработали.
Чтобы очистить совесть - загрузил пример с «проблемной» библиотекой, и он оказался рабочим тоже.
Вот такими карточками я мучил считыватель. Слева направо: карточка из комплекта, карточка с буквой N, билет метро MIFARE UltraLight, карточка РЖД
А это - как примерно выглядит дамп содержимого и вообще распознавание карточек с библиотекой RFID и ее же примером DumpInfo
Резюме по мучениям: распиновка от упомянутого товарища совпадает с и, что удивительно, совпадает с распиновкой в ридми библиотеки RFID. Учитывая последнее, могу предположить, что либо я ночью все же перепутал пины и с этого начались все мои несчастья, либо родная китайская библиотека как-то хитро инициализирует считыватель, после чего он начинает работать.
В завершение правильная распиновка для китайской библиотеки и Mega, к которой я подключался:
Mega RC522
3.3V VCC
GND GND
RESET RST
50 MISO
51 MOSI
52 SCK
53 NSS
И для Uno (ее не проверял):
Uno RC522
3.3V VCC
GND GND
5 RST
12 MISO
11 MOSI
13 SCK
10 NSS
Вместе с большой сестрой
.
.
В результате простых испытаний, которые я все-таки выполнил, также выяснилось, что считыватель нормально записывает (вот такая игра слов) карты MIFARE 1K из тех, что были с ним в комплекте.
Вторая особенность в том, что эта штука адекватно реагирует, если к нему одновременно поднести несколько карт. Я подносил две карты, опять же, из тех, что были в комплекте. При этом пример DumpInfo из библиотеки RFID по порядку выводит содержимое обеих карт. Т.е. сначала - содержимое одной карты, а следом за ней - второй.
И шашечки, и ехать
Итак, подключили, полюбовались на дамп содержимого памяти карточек MIFARE 1K. Что дальше? А дальше мне было немного лень возиться с розеткой, и я вспомнил, что карточки метро, вроде бы, работают по тому же протоколу.
Сходил, взял свою, приложил, полюбовался на ее содержимое. Как и обещали: MIFARE UltraLight, 64 байта памяти и не очень понятно, где там поездки, где срок действия, ну и вообще не очень понятно.
Гугление на тему использования Arduino с этими карточками не дало ничего особо полезного. Чаще всего карточки метро, как выяснилось, используют в качестве ультрадешевых (т.е. бесплатных) NFC-меток во всяких самодельных системах вроде замков, исполнения сценариев и прочего, где достаточно знать серийный номер карты для идентификации. А вот готовых библиотек и решений для вывода информации о поездках я почему-то не нашел: то ли так спать хотел, то ли их действительно нет (см. синдром «Неуловимого Джо»).
Зато я нашел замечательный и очень романтичный текст авторства Александра «Dark Simpson» Симонова под заголовком " ", опубликованный, судя по всему, в каком-то из номеров Хакера. Несмотря на любопытную природу текста, в нем есть масса полезной информации о структуре хранения данных, в том числе на интересующих меня билетах.
Значащая часть билета - номер - проверяемая визуально
Так что на следующий день я постарался переборость свое отвращение к HEX и полез разбираться. Вот такой дамп билета я получил с помощью библиотеки RFID:
Card UID: 04 6F 25 62 04 33 82
PICC type: MIFARE Ultralight or Ultralight C
Page 0 1 2 3
0 04 6F 25 C6
1 62 04 33 82
2 D7 48 F0 00
3 00 07 FF FC
4 45 DA 21 06
5 D0 E5 3D 00
6 1F E8 00 00
7 1F E8 00 00
8 1F 8F 5A 00
9 40 19 2E D2
10 19 91 59 7C
11 1F AB 91 C8
12 1F 8F 5A 00
13 40 19 2E D2
14 19 91 59 7C
15 1F AB 91 C8
Здесь Card UID - уникальный идентификатор карты (суть серийный номер), а остальное - 16 страниц памяти, каждая из которых содержит по 4 байта. Вместе - 64 байта.
Из чтения текста про билеты метро отметил наиболее полезные моменты:
1) Номер билета (который отпечатан на нем) зашит в 32 битах, начиная с 21 бита на странице 4: 10 6D 0E 53;
2) Дата выдачи билета в днях, прошедших с 01.01.1992 г. - первые два байта странице 8: 1F 8F;
3) Срок действия в днях - третий байт на странице 8: 5А.
4) Наконец, количество оставшихся поездок - второй байт на странице 9: 19.
С этим уже можно было работать.
Немного поковырялся в примере DumpInfo из библиотеки RFID, в ее же коде, чтобы понять, какие функции за что отвечают и чем могут быть полезны, в форумах Arduino, чтобы посмотреть реализацию вычисления даты (вообще, можно на любом языке смотреть, но мне было проще искать ближе к целевой платформе).
В итоге на свет появился монстр. То есть, скетч скроен из лоскутов, местами результат подогнан под ответ, но в целом все более-менее соответствует реальности. Поэтому нечего стрелять в пианиста, который играет, как умеет. Там, между прочим, даже базовая обработка ошибок есть: скетч предупредит о неподдерживаемой карте или о невозможности чтения.
#include
Что мне дает этот скетч? Ну, во-первых, небольшую тренировку головы - приходилось, знаете, думать, когда разбирался со считывателем и кодом. Во-вторых, я всегда могу узнать, сколько осталось поездок, и когда закончится карточка. С учетом того, что у меня в смартфоне NFC нет, получается довольно удобно.
Результат работы монстра
Разумеется, в данном случае даже речь не идет о том, чтобы сделать «копию» билета. Это исключительно информационная функция, дублирующая терминал в вестибюле метро.
В общем, после такого успеха можно было браться и за вторую предполагаемую задачу, которая, по идее, должна была бы быть первой в силу простой реализации.
Итак, розетка, которая включается, когда нужна. Здесь карта (любая поддерживаемая считывателем и подходящая для размещения в целевом устройстве) используется исключительно как пропуск, то есть интересует только ее серийный номер.
Логика простая: если считыватель видит карту с определенным номером, то включает розетку. Если не видит - выключает.
РОЗЕТОЧНЫЙ МОНСТР
#include
Аналогичным образом, используя карту как триггер, можно выполнять и различные сценарии домашней автоматизации. Например, положить карточку в электронную книгу, а на прикроватной тумбе разместить считыватель.
Когда кладем книгу на тумбу, дом считает, что мы решили отправиться в царство Морфея, и выключает освещение. А если берем книгу с тумбы, то предполагается, что хотим почитать, и тогда, наоборот, включается фоновый свет, чтобы и электронные чернила было видно, и чтобы глаза не ломать.
Вот так работает розеточный монстр
Подводя итог: недорого, просто, довольно удобно и стимулирует фантазию.
Ps. Я уверен, что вы можете лучше, и что я ничего не понимаю в Arduino и программировании.
Ссылочки всякие
Обзор понравился
+67
+173
Из всем полюбившейся (по крайней мере, я на это очень надеюсь) серии «Взгляд изнутри» - больше полугода. Не то, чтобы не было, о чём написать или рассказать, просто одолели дела, которые станут предметом одной из следующих моих статей на Хабре (надеюсь, что её не отправят в утиль, так как посвящена она будет не совсем ИТ-тематике). А пока есть свободная минуточка, давайте разберёмся, что же такое RFID (Radio-frequency identification) – к ним примкнут более простые метки – или как один небольшой шаг в технологиях круто изменил жизнь миллионов и даже миллиардов людей по всему миру.
Предисловие
Сразу хотелось бы оговориться.Перед началом работы над этой статьёй, я очень надеялся, что по микрофотографиям, а особенно по оптике, информации, найденной на просторах Интернета, и некоторому багажу знаний от прошлых публикаций удастся определить, где и какие элементы микросхемы находятся. Хотя бы на «бытовом» уровне: мол, вот это - память, вот это - схема питания, а вот тут происходит обработка информации. Действительно, казалось бы, RFID – простейшее устройство, самый простейший «компьютер», который только можно придумать…
Однако жизнь внесла свои коррективы и всё, что удалось мне найти: общая схема устройства нового поколения меток , фотографии того, как, например, должна выглядеть память – даже не знаю, почему я не уделил этому внимание (может быть ещё представится возможность исправиться?!), ну и скандалы-интриги-разоблачения процессоров A5 от chipworks .
Часть теоретическая
По традиции начнём с некоторой вводной части.RFID
История технологии радиочастотного распознавания – пожалуй, именно так можно назвать все мыслимые и немыслимые варианты RFID (radio-frequency identification) – уходит своими корнями в 40-ые года XX века, когда в СССР, Европе и США активно велись разработки вообще любых видов электронной техники.В то время, любое изделие, работающее на электричестве, было всё ещё в диковинку, так что перед учёными лежало не паханое поле: куда не ткни, как в Черноземье, черенок от лопаты – вырастет дерево. Судите сами: свои законы Максвелл предложил всего-навсего полвека назад (в 1884 году). А теории на основе этих уравнений стали появляться спустя 2-3 десятилетия (между 1900 и 1914), в том числе и теории радиоволн (от их открытия, до моделей модуляции сигнала и т.д.). Плюс подготовка и ведение второй мировой войны наложили свой отпечаток на данную область.
В результате к концу 40-х годов были разработаны системы распознавания «свой-чужой», которые были несколько побольше, чем описанные , но работали фактически по тому же принципу, что и современные RFID-метки.
Первая демонстрация близких к современных RFID была проведена в 1973 году в Исследовательской Лаборатории Лос Аламоса, а один из первых патентов на подобного рода систему идентификации получен спустя десятилетие – в 1983 году. Более подробно с историей RFID можно ознакомиться на Wiki и некоторых других сайтах ( и ).
Активные метки за счёт встроенной батарейки имеют существенно больший радиус работы, габариты, более сложную «начинку» (можно дополнить метку термометром, гигрометром, да хоть целый чип GPS-позиционирования) и соответствующую цену.
Классифицировать метки можно по-разному: по рабочей частоте (LF – низкочастотные ~130КГц, HF – высокочастотные ~14MГц и UHF – ультравысокочастотные ~900МГц), по типу памяти внутри метки (только чтение, однократно записываемая и многократно записываемая). Кстати, так любимый всеми производителями и продвигаемый NFC относится к HF диапазону, который имеет ряд хорошо известных проблем.
Прочие метки
К сожалению, стоимость RFID-меток по сравнению с другими видами идентификации довольно высока, поэтому, например, продукты питания и прочие «ходовые» товары мы по-прежнему покупаем с помощью баркодов (или штрих-кодов), иногда QR-кодов, а защиту от краж обеспечивают так называемые противокражные метки (или EAS – electronic article surveillance)Самых распространённых три вида (все фото взяты с Wiki): 
Впереди нас ждёт много чудных открытий, подчас совершенно неожиданных и конечно же hard geek porn в формате HD !
Если кому-то показалось мало теории, добро пожаловать на данный англоязычный сайт .
Часть практическая
Итак, какие метки удалось найти в окружающем нас мире:
Левый столбец сверху вниз: карта московского метро, проездной аэроэкспресс, пластиковая карта для прохода в здание, RFID-метка, представленная компанией Перекрёсток на выставке РосНаноФорум-2011. Правый столбец сверху вниз: радиочастотная EAS-метка, акустомагнитная EAS-метка, бонусный билет на общественный транспорт Москвы с магнитной полосой, RFID-карта посетителя РосНаноФорума содержит даже две метки.
Первой заявлена карточка московского метрополитена – приступим.
В круге первом. Билет московского метрополитена
Сначала вымачиваем карту в обычной воде, чтобы удалить бумажные слои, скрывающие самое сердце данной «метки».
Раздетая карта московского метрополитена
Теперь аккуратненько посмотрим на неё при небольшом увеличении в оптический микроскоп:
Микрофотографии чипа карты для прохода в московский метрополитен
Чип закреплён довольно основательно и хочу обратить внимание, что все 4 «ноги» присоединены к антенне – это нам пригодится далее для сравнения с другой RFID-меткой. Сложив пластиковую основу пополам в месте, где находится чип, и слегка покачав из стороны в сторону, он легко высвобождается. В итоге имеем чип размером с игольчатое ушко:
Оптические микрофотографии чипа сразу после отделения от антенны
Что ж, поиграемся с фокусом:
Изменение положения фокуса с нижнего слоя на верхний
Теперь немного интриг.
Ходят слухи, что Микрон разрабатывает и производит чипы для московского метро собственного силам по сходной технологии Mifare (как минимум, различается крепление к антенне – ножки другой формы). 22 августа без объявления войны и вероломно направил обращение в Микрон за разъяснениями, можно ли где-то в принципе увидеть данный чип, к 3.11 ответа не поступило. Один из журналистов (а именно, Александр Эрлих) на форуме IXBT тоже собирался уточнить данную информацию у представителей Микрона, но на данный момент воз и ныне там, то есть официальные представители Микрон уклоняются от ответа на прямо поставленный вопрос.
Рассмотренный выше билет, по всей видимости, изготовлен (или только смонтирован на антенну?) на предприятии Микрон (г. Зеленоград) - см. ссылки ниже - по технологии известной в RFID-кругах фирмы NXP, о чём собственно недвусмысленно намекают 3 огромные буквы и год выпуска технологии (а может и год производства) на верхнем слое металлизации чипа. Если полагать, что 2009 относится к году запуска технологии, а аббревиатуру CUL1V2 расшифровать как Circuit ULtralite 1 Version 2 (данное предположение также подтверждается этой новостью), то на сайте NXP можно найти подробное описание данных чипов (последние две строки в списке)
Кстати, в прошлом году для участников Интернет-олимпиады по Нанотехнологиям была организована экскурсия на завод Микрон (фото- и видео отчёты), поэтому говорить, что там оборудование простаивает смысла нет, но и заявление «дядечки в белом халате», что производят они метки по стандартам 70 нм, я бы поставил под сомнение…
Согласно статистике, собранной после анализа чипов 109 билетов метро (довольно репрезентативная выборка), согласно нормальному распределению шансы найти «необычный» билет ~109^1/2 или около 10%, но они тают с каждым вскрытым билетиком…
Внимательный взгляд уже приметил главное отличие двух чипов Mifare – надпись Philips2001. В самом деле, в далёком 1998 году компания Philips купила американского производителя микроэлектроники – Mikron (не путать с нашим, зеленоградским Микроном). А в 2006 году от Philips отпочковалась компания NXP.
Также несложно заметить пометку CLU1V1C, что, исходя из вышеописанного, означает Circuit ULtralite 1 Version 1C. То есть эта метка является предшественницей Mifare, используемой московским метрополитеном, а, следовательно, совместима с ней по основным параметрам. Однако, как и в предыдущем случае 2001 – это указание на год разработки и внедрения технологии или год производства. Странно, что Аэроэкспресс использует устаревшие метки…
В круге третьем. Пластиковая карта
Как-то раз, решил я одной своей знакомой показать статьи и фотографии на Хабрахабре. После чего спросил, а есть ли у неё какая-нибудь ненужная карта для следующей статьи про RFID. Она к тому времени как раз перебралась учиться в EPFL и подарила мне карточку, по которой осуществляется проход в одно из зданий МГУ. Карта, соответственно, без какой-либо маркировки, и я даже не уверен, что на ней записано хоть что-то, кроме обычно ключа для прохода в здание.Карточка полностью пластиковая, поэтому сразу кладём её в ацетон буквально на пару десятков минут:
Принимаем ацетоновые ванны
Внутри всё довольно стандартно – антенна да чип, правда, он оказался на маленьком кусочке текстолита. К сожалению, без каких-либо опознавательных знаков – типичный китайский noname. Единственное, что можно узнать об этом чипе и карте, что они изготовлены/относятся к некоторому стандарту TK41. Таких карт полно на распродажах типа ali-baba и dealextreme.
В круге четвёртом. Перекрёсток
Далее я хочу рассмотреть две метки, представленные на выставке РосНаноФорум 2011. Первую из них представили с большим пафосом, сказав, что это чуть ли не панацея от воров и краж в магазинах. Да и вообще, данная метка позволит полностью перевести магазины на самообслуживание. К сожалению, эффективный менеджер оказался чуть более, чем полностью некомпетентен в вопросах школьной физики. И после предложение проверить эффективность его и метки с помощью сильного магнита, приложенного к метке, быстро замял тему…После пары покупок в SmartShop, у меня в распоряжении осталось несколько меток. Очистив одну из них от клея и белого защитного слоя видим следующее:
Новая метка сети магазинов «Перекрёсток»
Поступаем так же как и Mifare аккуратно отсоединяем от полимерной основы и антенны и кладём на столик оптического микроскопа:
Оптические микрофотографии метки, предполагаемой к использованию в SmartShop
По счастливой случайности (то ли клей подкачал, то ли так задумано), метку удалось оторвать от основы быстро, а поверхность её осталась без каких-либо следов клея. Хотелось бы обратить внимание, что если у Mifare все 4 контакта прикреплены к антенне (по 2 контакта на каждый её конец), то здесь мы видим, что два контакта присоединены к двум небольших площадкам, которые не контактирую с антенной.
Немножко поиграем с фокусом в разных частях метки:
Меняем фокусировку…
Максимальное увеличение оптического микроскопа
На последнем фото слева вверху, по всей видимости, запечатлён модуль EEPROM памяти, так как он занимает около трети поверхности чипа и имеет «регулярную» структуру.
После нескольких лет работы по RFID тематике и разработки разнообразных считывателей для моделей транспондеров популярных стандартов типа Mifare, EMMARINE, TIRIS… меня часто начал озадачивать такой вопрос – буквально в последний год широкую популярность приобрели разного рода эмуляторы под тэги популярных протоколов и разнообразные копировальщики ключей/брелков.
Учитывая большое количеcтво доступных в продаже спец микросхем популярных протоколов RFID и дешевых ридеров, широкого распространения оборудования типа цифровых осцилографов, сниферов и спектроанализаторов, данный вопрос стал для многих разработчиков более актуальным. Тогда я решился сделать для одного из проектов протокол для обмена отличающийся от описанных выше стандартов.
Безусловно данная идея не решает глобальных проблем защищенности новой системы и может быть проанализирована другими разработчиками при наличии оборудования, однако суть в том, что все это не совпадает с существующими стандартами и все железки копировальщиков не позволят по-быстрому скопировать и воссоздать подобный алгоритм. Разумеется подобная система не преподносится тут не как полное решение проблем безопасности, а как опыт адаптации RFID под закрытую систему. Хорошим плюсом в вопросе безопасности среди прочих подобных беспроводных систем является сама технология низкочастотных RFID – она не позволяет считать тэги на большом расстоянии.
Пассивные тэги достаточно маломощны и нуждаются для своего питания в достаточно мощном генераторе считывателя, особенности распространения радиоволн на данных частотах также ограничивают пределы работы данной системы. Реальная дальность считывания транспондеров редко превышает 20см для 125 Кгц стандартов типа EmMarine, скажем стандарта EM4001, для других протоколов типа Mifare (13,56Мгц) может быть побольше (1,5 метра для iso15693). Можно добиться большего расстояния считывания для низкочастотных ридеров если увеличить размеры катушки и напряжение питания, соответственно и мощность ридера. Однако такие системы имеют громоздки и как правило их тяжело сделать портативными. Как правило, такие системы реализуются только стационарно – скажем для автомобилей.
Итак, теперь собственно по архитектуре нашей RFID системы. Для экспериментов был выбран контроллер atmel atmega8. Для целей изготовления транспондера это кажется несомненным излишеством. Однако в данном случае решалась первостепенная задача разработки нового интерфейса на готовой отладочной платке c atmega с последующим портированием данного кода на более дешевые контроллеры типа tiny13. Для транспондера алгоритм работы был построен на основе режима ШИМ генерации при помощи таймера T1 в режиме CTC с прерыванием и сбросом по совпадению с OCR1. Данные для передачи транспондера считываются из EEPROM при включении питания контроллера. Всего транспондер передает 10 байт. Содержимое EEPROM транспондера можно видеть на рисунке 1. Первый байт 0xE7 является обязательным заголовком пакета, так как его наличие проверяется в первую очередь при разборе пакета считывателем.
Первые 8 байт являются содержимым пакета транспондера, последние 2 байта содержат контрольную сумму CRC16 первых восьми байт пакета. Для примера в нашем транспондере были записаны такие данные – пакет 0xE7, 0x05, 0xE8, 0x93, 0x43, 0x7F, 0x20, 0xFF и соответственно контрольную сумму 0xF5 0xA8. Для изготовления собственного уникального транспондера нужно кроме первого байта 0xE7 записать семь следующих байт в EEPROM, после чего рассчитать контрольную сумму для первых восьми байт. После этого записать в EEPROM два байта CRC16 в конце пакета. Первый байт оставляем без изменений - 0xE7. При включении транспондера данные этих байт разбиваются по битам и кодируются соответствующей длиной импульса в соответствии со значением регистра OCR. Для передачи используются 2 частоты 2Кгц и 5Кгц для передачи логических “0” и “1”. Кроме того данные разделяются импульсами синхронизации – стартовые метки пакетов.
Рис.1 Содержимое пакета транспондера.
Рис.2 Дамп передачи транспондера на экране виртуального осцилографа.
Схему транспондера можно увидеть на рисунке 3. Частота задающего генератора 8Мгц. Питание контроллера +5В. Можно использовать контроллер mega8 с маркировкой “L” тогда питание можно осуществлять от литиевой батарейки 3в (параметры для такого чипа +2,7…. +3,5). Вместо данного транзистора можно использовать любой другой маломощный NPN транзистор. Катушка транспондера была намотана на оправке диаметром 50мм проводом 0,22мм и насчитывает 50 витков. На данный момент транспондер сделан активным - с внешним питанием. На следующем этапе планируется сделать пассивный вариант транспондера, что достаточно просто – сделать развязку для питания от данной катушки, добавить диоды моста выпрямителя и стабилизатор.
Рис.3 Схема транспондера.
Теперь поговорим о схеме считывателя для данного транспондера. Схема была адаптирована на основе раннее использованного считывателя для карт EMMARINE. Часть схемы с генератором на 74hc4060 можно на данном этапе смело удалять, так как пока мы используем активную метку. Однако эта часть схемы нам понадобится в дальнейшем, когда мы будем делать пассивную метку и нам потребуется получить питание от считывателя. В остальном схема не имеет существенных отличий от схемы считывателя для EMMARINE: пассивный пиковый детектор – фильтр – усилитель – компаратор. Схема имеет максимально возможную простоту и позволяет считывать данные транспондера на расстоянии 10-12см при хорошо настроенных контурах.
Можно еще дальше упрощать схему оставив только детектор и фильтр, поставить один транзистор на выходе который будет играть роль компаратора, но я не стал так делать. На выходе мы получаем двоичный сигнал прямоугольной формы в соответствии с кодированными длительностями импульсов передаваемых транспондером. Допустимые отклонения номиналов элементов при котором схема работоспособна 5-10%. Питание контроллера и операционника +5В. Частота кварца задающего генератора контроллера 12Мгц. Выход компаратора на LM358 подключен к ножке внешнего прерывания контроллера INT0. В программе контроллера настроен вызов прерывания по нарастающему фронту на ножке внешнего прерывания INT0. В обработчике прерывания происходит проверка синхронизирующих импульсов а затем проверка заголовка пакета и запись содержимого в буфер контроллера. Данные считанных пакетов передаются по интерфейсу RS232 на ПК. Для настройки терминалки указываем следующие параметры: скорость 57.6Kb/s, 8 бит данных, 1стоп бит, без контроля четности.
При приеме пакета контроллер рассчитывает контрольную сумму принятых байт и передает данные в терминалку (пакет и CRC). В случае совпадения контрольных сумм расчитанной контроллером и принятой в пакете выводится сигнал на ножку PORTB.0 (14) контроллера (LED1 на схеме). Можно подключить в данную точку пищалку со встроенным генератором или светодиод через сопротивление. При считывании корректного ключа контроллер запрещает внешние прерывания и делает задержку 1с перед следующим считыванием. Предусмотрен также режим работы данного считывателя в качестве основы RFID замка. Для этого необходимо в EEPROM контроллера считывателя записать полностью байты дампа транспондера - 10 байт. Данные пишутся в EEPROM считывателя точно также, как в EEPROM транспондера. В данном случае при считывании очередного транспондера и совпадении его с записанным в EEPROM считывателя выводится сигнал на ножку PORTB.1 (15) контроллера (LED2 на схеме). В данную точку можно подключить светодиод через сопротивление или выходной ключ (транзистор) на реле исполнительного устройства. Теперь мы получили RFID замок под конкретный ключ и обычный считыватель в одном флаконе.
Рис.4 Схема считывателя RFID меток. (увелчить схему)
Итак, подведем промежуточные итоги. Изготовлен собственный ридер и транспондер под данный считыватель. Мы защитили свое оборудование от посторонних устройств работающих с популярными протоколами RFID. Следующим шагом будет изготовление пассивной метки для нашего считывателя как делают известные производители промышленных транспондеров и портирование кода оборудования на более дешевые модели контроллеров. В архиве к статье прилагаю прошивки для транспондера и считывателя.
Скачать прошивку:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера
Как известно, во многих системах доступа используются карты RFID стандарта EM-Marin с частотой 125 КГц. Не исключением стал и домофон моего дома. Одна проблема – неплохо бы научиться копировать такие карты, ибо ценники на их копирование не радуют. В сети, конечно, существует довольно много схем копировщиков (да и китайцы продают свои копировщики за копейки - правда, они часто при копировании ставят свой пароль на болванки), но почему бы не собрать свой собственный копировщик? Вот об этом и нижеприведённая статья.
Начинать разработку копировщика стоит с выяснения, а на что вообще можно скопировать такие метки? Почитав форумы, можно узнать, что наиболее распространёнными болванками для копирования являются T5577, T5557, EM4305.
Теперь нужна схема. Возьмём аналоговую часть такого копировщика у RECTO и подключим её к микроконтроллеру atmega8. Дополним преобразователем уровней для подключения к COM-порту на базе max232 (желающие могут использовать ST232 или ещё что, чтобы подключится по USB, но у меня на компьютере COM-порт есть, как есть и переходник USB-COM, так что у меня такой задачи не стояло).
Получится вот такая схема:
Что она из себя представляет? Сдвоенный эмиттерный повторитель, колебательный контур, детектор и RC-фильтры. За счёт того, что RC-фильтры имеют разные постоянные времени, сравнивая между собой уровни напряжения между каскадами можно выделять изменение сигнала RFID-метки. Данной задачей у нас будет заниматься встроенный в atmega8 компаратор. Генерацию 125 КГц сигнала у нас будет обеспечивать встроенный в atmega8 ШИМ-контроллер.
Комбинация RFID-метка – считыватель образуют трансформатор, где метка является вторичной обмоткой. Передача информации меткой производится путём изменения нагрузки вторичной обмотки. В результате в катушке считывателя (первичной обмотке) изменяется ток. Выделением этих импульсов тока и занимается приведённая выше аналоговая часть схемы. Колебательный контур нужно настроить на максимальное напряжение в контрольной точке, например, сматывая/наматывая витки катушки. Правда, говорят, лучше всё же напряжение немного меньше максимума - стабильнее работает. У меня в контрольной точке около 40 В.
Копируемая метка использует кодирование типа манчестер . Для того чтобы расшифровать данный код, достаточно по любому изменению фронта сигнала пропускать три четверти периода слота бита и по следующему за ним перепаду сигнала фиксировать значение бита, которое будет соответствовать значению сигнала после перепада. При декодировании стоит задать окно, в которое должен произойти перепад сигнала – не более половины периода слота бита.
Метод расшифровки манчестерского кодирования и код для этого я взял у Shads . Можно, конечно, было написать свой собственный, но я торопился запустить копировщик - хотелось убедиться, что схема рабочая и приём меток производится. Так этот фрагмент и остался в коде копировщика. Также оказалось, что у меня компаратор настроен инверсно, чем нужно коду декодирования. Изменил в коде. Итак, мы получили последовательности нулей и единиц. Как из них получить код карты?
А очень просто. Примем, что номер карты по нибблам имеет вид AB CD EF GH IJ . Карта выдаёт вот что:
1) Девять единиц в начале;
2) Ниббл A;
3) Чётность ниббла A (1 бит);
4) Ниббл B;
5) Чётность ниббла B (1 бит);
…
16) Ниббл I;
17) Чётность ниббла I (1 бит);
18) Ниббл J;
19) Чётность ниббла J (1 бит);
20) Ниббл чётности колонок для нибблов A B C D E F G H I J;
21) Бит 0.
Считываем все 64 бита, расшифровываем и получаем 40 бит кода карты. Логично, что если самому выдать такой код, замыкая катушку карты приложенной к считывателю, мы получим эмулятор карты. Но сейчас нас интересует не он.
Карту мы читать научились, а вот как передать данные карте? Для этого нужно просто включать или выключать частоту 125 КГц в соответствии с протоколом обмена с картой. На время “молчания” считывателя карта питается запасённой энергией.
Болванки T5557/T5577 полностью совместимы между собой по протоколам записи, однако, имеют немного разные минимальные и максимальные времена импульсов (к счастью, времена T5557 перекрываются с T5577). У EM4305 протокол записи иной.
Чтобы записать T5557 я воспользовался кодом BolshoyK . В таблице ниже указаны параметры сигналов для брелока T5557.
Запись начинается с сигнала StartGape – требуется отключить сигнал 125 КГц примерно на 300 мкс. Это сигнал карте, что сейчас ей начнут передавать данные. Дальше следует передать болванке информацию. Кодирование передаваемых данных – тот же манчестер.
Болванки T5557/T5577 и EM4305 многофункциональные и умеют разные виды модуляций, поддерживают пароли и ещё много чего. В каждой болванке на борту имеется набор блоков по 32 бита. Назначение этих блоков разное. В некоторых – выдаваемый код ключа (он занимает два блока). В других – конфигурация. В третьих – идентификатор производителя. Мы будем использовать ограниченный функционал, поэтому желающие разобраться, что значат все эти биты, могут заглянуть в документацию к болванкам (я приложил её к архиву).
Блоки собраны в две страницы (0 и 1).
В нулевой странице есть блок конфигурации с индексом 0. Его мы и будем задавать. Для T5557/T5577 у нас будут следующие конфигурационные байты: 0x00,0x14,0x80,0x40 в соответствии с таблицей из документации (красным я отметил выбранные единичными битами режимы):
Таким образом, у нас выбрано: частота передачи данных RF/64 (125 КГц/64), кодирование типа манчестер, выдача блоков до второго (в блоках 1 и 2 у нас будет располагаться код, выдаваемый картой). Перед записью следует отправить код операции (2 бита opcode) и один бит защёлки (lockbit). Коды операции 10b и 11b предшествуют записи данных для страниц 0 и 1 (младший бит задаёт номер страницы, старший - код записи страницы). У нас выдаётся 10b для кода операции (вся работа идёт с нулевой страницей) и 0b для бита защёлки. После передачи всех этих данных необходимо передать трёхбитный адрес записываемой страницы. Все передачи данных для T5557/T5577 ведутся от старшего бита к младшему.
Задав код карты в блоках 1 и 2 и конфигурацию в блоке 0 можно получить дубликат RFID-метки. Как видите, всё просто.
Следующий тип болванок – это EM4305. Вот разбираться с записью этой болванки мне пришлось самому. Она также состоит из блоков по 32 бита, но назначение их иное.
Кодирование передаваемых карте данных – по перепадам за интервал времени. Если перепад за интервал времени был, то это ноль, а если не было - единица. Конфигурационное слово хранится в 4 байте и для себя я определил его так: 0x5F,0x80,0x01,0x00 (кодирование манчестер, RF/64, выдача слова 6). В слова 5 и 6 я записываю код карты (те самые 64 бита, что выдаёт карта). EM4305 требует чтобы передача велась от младшего бита к старшему. Карта понимает, что с ней начинают обмен после выдачи ей комбинации импульсов:
- Отключаем поле на 48 мкс.
- Включаем поле на 96 мкс.
- Выключаем поле на 320 мкс.
- Включаем поле на 136 мкс.
- Отключаем поле до следующей команды.
- Шлём вышеуказанную последовательность импульсов.
- Шлём 0b.
- Передаём CC0-CC1 и их чётность P. (0101b для записи, см. таблицы ниже).
- Передаём адрес блока (см. таблицу), два дополняющих нуля и чётность адреса.
- Передаём данные блока (32 бита).
Формат команды
Коды команд
Формат адреса блока
Таким образом задаётся конфигурация болванки EM4305 и её код.
Собственно, ничего большего простому копировщику и не требуется.
Я сделал несколько вариантов копировщика с разными дисплеями. Например, вот копировщик с дисплеем 1602:
А вот видео работы копировщика на дисплее LPH9157-02.
