RFID-Lesegerät für Studi-Ausweise

STUDIENARBEIT T3100

Studiengang Mechatronik

an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg in Stuttgart

vorgelegt am 18.01.2012

Studierende: Stefanie Schäfer (0473445)

Christoph Seifried (0929307)

Stefan Schropp (0718533)

Kurs: TMT09G1

Studienjahrgang: 2009

Gutachter der Dualen Hochschule: Prof. Dr. Ing. Tobias Flämig

Dipl.-Gwl. Oliver Fröb

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ...................................................................................... 3

Tabellenverzeichnis ........................................................................................... 3

1. Einleitung ....................................................................................................... 4

1.1 Problemstellung .......................................................................................... 4

1.2 Zielsetzung ................................................................................................. 4

1.3 Aufbau der Arbeit ........................................................................................ 5

2. Einführung in RFID ........................................................................................ 6

2.1 Definition RFID............................................................................................ 6

2.2 Bestandteile und Funktionsweise eines RFID-Systems .............................. 6

2.3 RFID-Standards .......................................................................................... 7

2.4 Wahl eines RFID-Standards ....................................................................... 8

3. Erstellung eines Pflichtenheftes .................................................................. 8

3.1 Definition eines Pflichtenheftes ................................................................... 8

3.2 Pflichtenheft RFID-Lesegerät für Studentenausweise ................................ 9

4. Auswahlvorgang des RFID-Lesegeräts ..................................................... 15

4.1 Anforderungen an das Lesegerät.............................................................. 15

4.2 Auswahl des Lesegeräts ........................................................................... 17

4.3 Entscheidung für den Elektor-RFID-Reader ............................................. 17

5. Hardware des RFID-Lesegeräts .................................................................. 18

5.1 KeyMatic ................................................................................................... 18

5.2 Studentenausweise ................................................................................... 19

5.3 Der Elektor-RFID-Reader ......................................................................... 20

5.4 Gehäusekonzept ....................................................................................... 25

6. Software des RFID-Lesegeräts ................................................................... 26

6.1 Benötigte Software .................................................................................... 26

6.2 Programmiervorbereitungen ..................................................................... 26

6.3 Das Programm Flash-Magic ..................................................................... 27

6.4 Programmiervorgang ................................................................................ 29

Anhang ............................................................................................................. 30

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Bestandteile eines RFID-Systems ..................................................... 6

Abbildung 2: Beispiel eines Protokolleintrages ..................................................... 15

Abbildung 3: Speicherbedarf eines Protokolleintrages ......................................... 16

Abbildung 4: Türschloss-Hardware KM 300 IQ+ mit Fernbedienung KM 300 RC 18

Abbildung 5: Schnittstellenmodul KM 300 RI ........................................................ 18

Abbildung 6: Adapterlösung für die Fernbedienung KM 300 RC .......................... 19

Abbildung 7: Schematischer Platinen-Entwurf des Elektor-RFID-Readers ........... 20

Abbildung 8: Platine des Elektor-RFID-Readers ................................................... 22

Abbildung 9: Blockschaltbild des ELEKTOR-RFID-Readers ................................. 23

Abbildung 10: Schaltplan des Elektor-Readers ..................................................... 24

Abbildung 11: RFID-Reader-Platine - Setzen der Jumper .................................... 26

Abbildung 12: Programm Flash Magic .................................................................. 27

Abbildung 13: Flash Magic - Advanced Options ................................................... 28

Abbildung 14: Flash Magic - Advanced Options (2) .............................................. 28

Abbildung 15: Flash Magic - Device Configuration ............................................... 29

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: RFID-Frequenzbereiche ......................................................................... 7

4

1. Einleitung

1.1 Problemstellung

Bislang ist es an der Dualen Hochschule in Stuttgart nicht möglich, dass die

Studenten die Laborräume der Mechatronik eigenständig nutzen können. Es ist

immer eine Lehrkraft oder ein Mitarbeiter notwendig, um die Laborräume mit einem

Schlüssel auf- und anschließend wieder abzuschließen. Ein Lösungsansatz war

daher der Einsatz eines automatischen Türschlosses mit Fernbedienungen, was

beispielsweise mit dem KeyMatic KM 300 IQ+ von ELV realisiert werden kann.

Allerdings tritt hier die Schwierigkeit auf, dass maximal 10 Fernbedienungen

angemeldet werden können und somit ein ähnliches Problem wie mit den

herkömmlichen Schlüsseln besteht.

1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist daher die Verbesserung und Erleichterung des Zugriffs auf die

Laborräume der Mechatronik der Dualen Hochschule in Stuttgart durch Einbau

eines Zutrittssystems inklusive Zutrittskontrolle mittels RFID. Die Idee ist, anstatt

eines Schlüssels die Tatsache zu nutzen, dass die Studentenausweise bereits mit

einem RFID-Chip ausgestattet sind, und die Studenten mit ihrem Studentenausweis

Zugang zu den Laboren erhalten. Die Freischaltung der Zugangsberechtigungen

(Matrikelnummer und Zeitraum) soll über den Studiengangsleiter der Mechatronik

per USB-Stick auf das Lesegerät erfolgen. Das KeyMatic IQ+ wird als Hardware

vorgegeben und soll mit in das Gesamtkonzept eingebunden werden.

Die Teilaufgaben sind folgende:

1.) Aufbau eines Prototyp-RFID-Lesegeräts für Tests der Funkverbindung zum

Studentenausweis

2.) Erstellung einer Steuerungssoftware mit der die Zutrittsberechtigten (u.a.

RFID-Nummer) per USB-Stick abgelegt werden.

3.) Aufbau und Inbetriebnahme eines Signalumsetzers vom RFID-Leser auf das

KeyMatic-System

5

Diese Studienarbeit erstreckt sich über die Semester 5 und 6, wobei dieser Bericht

den Arbeitsaufwand des 5. Semesters beinhaltet und somit einen Zwischenstand

des Projektes, aber noch kein endgültiges Ergebnis liefert. Arbeitsziel bis Ende des

5. Semesters war ein RFID-Lesegerät mit funktionsfähiger Software. Dies

beinhaltet die Auswahl eines geeigneten RFID-Lesegeräts, sowie eine geeignete

Programmierung, damit das Einlesen eines Studentenausweises gelingt.

1.3 Aufbau der Arbeit

In Kapitel 2 wird zuerst eine kurze Einführung in das Themengebiet RFID und

RFID-Standards gegeben, sowie auf die Wahl eines geeigneten Standards

eingegangen. Kapitel 3 beschreibt die Erstellung und den Inhalt des Pflichtenhefts,

wobei vor allem die Anforderungen an das RFID-System wichtig sind. Kapitel 4

beschreibt das Auswahlverfahren für das Lesegerät. in Kapitel 5 wird anschließend

die Hardware des ausgewählten Readers erklärt. Dies beinhaltet sowohl die

Türschloss-Hardware, als auch eine ausführliche Beschreibung des gewählten

Readers. Kapitel 6 zeigt die Firmware des Readers bis zum Arbeitsziel des 5.

Semesters auf.

6

2. Einführung in RFID

2.1 Definition RFID

RFID ist eine Abkürzung für den englischen Ausdruck „Radio Frequency

Identification“, was frei übersetzt etwa "Identifikation per Funksignal“ bedeutet.1 Es

geht hierbei um kontaktlose Übertragung von Daten zwischen einem RFID-

Lesegerät und einem RFID-Datenträger, auch Transponder genannt, und in

unserem Fall der Studentenausweis. Zur Datenübertragung werden magnetische

oder elektromagnetische Felder eingesetzt: Das Lesegerät sendet Funkimpulse

und der Transponder sendet eine auf ihm gespeicherte weltweit

einmalige Nummer, die UID (Unique Identifier), zurück.2

2.2 Bestandteile und Funktionsweise eines RFID-Systems

Ein RFID-System besteht mindestens aus 3 Komponenten:

• Einem Lesegerät (Reader) mit Antenne oder Spule

• einem Empfänger

• einem Datenräger (Transponder, mit Informationen

Oft ist noch ein Computer zur Weiterverarbeitung am Reader angeschlossen.

Abbildung 1: Bestandteile eines RFID-Systems3

Der Reader baut ein elektromagnetisches Feld auf. Passiert nun ein RFID-

Transponder diese elektromagnetische Zone, wird es durch induktive Kopplung mit

Energie versorgt. Der Transponder ist dann bereit für den Datenempfang des

Readers. Die Codierung der zu übertragenden Bits erfolgt so, dass das

Trägersignal immer nur kurz ausgetastet wird, damit der Transponder die

Energieversorgung nicht verliert und die Bits empfangen und verarbeiten und

anschließend auch antworten kann.

1 Vgl. AIM (2011) 2 Vgl. Informationsforum RFID (2009) 3 Vgl. AIM (2011)

Datenträger/Transponder Reader mit Antenne Computer mit Software

Daten Takt Energie

7

Im Transponder befindet sich eine auf die Trägerfrequenz abgestimmte Last,

welche im Takt der Modulationsfrequenz an- und abgeschaltet wird. Dies sorgt

dafür, dass bei jedem Modulationsvorgang dem Frequenzfeld Energie entzogen

wird. Das Lesegerät detektiert diese Belastungen und kann sie entsprechend

wieder entschlüsseln und dann auch zur Weiterverarbeitung zum Computer leiten.4

2.3 RFID-Standards

Es gibt einige unterschiedliche RFID-Standards, die dazu da sind, die Waren- und

Datenströme zu vereinheitlichen. Sie sorgen so dafür, dass alle beteiligten

Komponenten in der gesamten Wertschöpfungskette optimal zusammenarbeiten

können. Für diese Standards sind hauptsächlich die ISO (International

Standardisation Organisation) und die EPCglobal (Electronic Product Code global)

verantwortlich.

Die Standards unterscheiden sich hauptsächlich in der Benutzung anderer

Frequenzbänder und Übertragungsprotokolle.5 Tabelle 1 gibt einen kurzen

Überblick über die meist verwendeten Frequenzbereiche inklusive Beispiele für

mögliche Anwendungsgebiete:

Frequenzbereich Anwendungsgebiet

Niederfrequenz (NF): 30-500 kHz, typisch: 125 kHz bzw. 134 kHz

Zugangskontrollen bzw. Tierchips (ISO 11784/11785) zur Identifikation von Haustieren

Hochfrequenz (HF): 3-30 MHz, typisch: 13,56 MHz

Reisepass mit Chip, Smartcards ISO 14443A/B ISO 7816

Ultra-Hochfrequenz (UHF): > 433 MHz, typisch: 869 MHz (EU), 915 MHz (US)

Paletten- und Container-Identifikation, Identifikationen in der Produktion

Super Ultra-Hochfrequenz (S-UHF): > 2,4 GHz, typisch: 2,45 GHz

Mautsysteme (Toll Collect)

Tabelle 1: RFID-Frequenzbereiche6

4 Vgl. RFID Basis (2011) 5 Vgl. Elektronik-Kompendium (2012) 6 Vgl. Elektronik-Kompendium (2012)

8

2.4 Wahl eines RFID-Standards

Bei der Konzeption eines RFID-Lesegeräts muss man sich zuerst für einen RFID-

Standard entscheiden und dann das gesamte System danach auslegen. Da der

Studentenausweis bereits vorhanden ist, macht es Sinn herauszufinden, welcher

Standard dort verwendet wird. Da das Rechenzentrum der DHBW-Stuttgart aus

Sicherheitsgründen keine Informationen über den Aufbau der Studentenausweise

herausgeben kann, muss versucht werden, dies selbst herauszufinden. Es zeigt

sich, dass sie nach dem Mifare-Standard arbeiten.7 Mifare wird von NXP

Semiconductors hergestellt und ist die weltweit meistgenutzte kontaktlose

Chipkartentechnik. Es gibt eine ganze Produktpalette von Transpondern, bspw.

Mifare-Classic, Mifare-Ultralight oder Mifare Plus.8

Alle Mifare-Chips sind nach ISO 14443A und ISO 7816 implementiert und ihre

Betriebsfrequenz liegt bei 13,56MHz. Somit erfolgt der Datenaustausch nicht über

elektromagnetische Wellen, sondern über induktive Kopplung. Die Distanz ist auf

etwa 10 Zentimeter begrenzt. Dank der langsamen Datenübertragungs-

geschwindigkeit von 106 kbit/s können die empfangenen Daten mit Standard-

Mikrocontrollers problemlos ausgewertet werden.9

Daher ist es sinnvoll ein RFID-Lesegerät auszuwählen, welches mit Mifare-

Transpondern arbeiten kann.

3. Erstellung eines Pflichtenheftes

3.1 Definition eines Pflichtenheftes

Zu Beginn eines jeden Projektes muss ein Pflichtenheft erstellt werden. Nach DIN

69905 (Projektabwicklung) beinhaltet es die „vom Auftragnehmer erarbeiteten

Realisierungsvorgaben“, welche auf Grundlage der Kundenanforderungen

(Lastenheft) ausgearbeitet werden. Es beschreibt also wie das Projektteam die

Anforderungen des Auftraggebers zu erbringen hat.10 Dieses Dokument ist Basis

für die technische Realisierung und Kommunikationsbasis zwischen dem

Projektteam und dem Kunden.

7 Mehr hierzu siehe Kapitel 5.2 8 Vgl. Mifare (2012a) 9 Vgl. Mifare (2012b) 10 Vgl. Wikipedia (2011)

9

3.2 Pflichtenheft RFID-Lesegerät für Studentenausweise

10

11

12

13

14

15

4. Auswahlvorgang des RFID-Lesegeräts

4.1 Anforderungen an das Lesegerät

Um ein geeignetes Lesegerät zu finden, muss zuerst definiert werden, welche

Anforderungen an das Lesegerät gestellt werden. Diese werden anhand des

Pflichtenheftes abgeleitet. Die ausgearbeiteten Anforderungen werden im

Folgenden aufgezählt und erläutert:

a) Kompatibilität mit Mifare und ISO 14443A

Der Reader soll, wie bereits erwähnt, mit dem Mifare-Standard arbeiten und somit

eine Betriebsfrequenz von 13,56 MHz aufweisen. Zudem soll er dem ISO-Standard

ISO/IEC 14443A unterliegen.

b) Speicher des Mikrocontrollers

Die benötigte Speichergröße des Mikrocontrollers muss bekannt sein, um den

geeigneten Mikrocontroller auswählen zu können. Daher ist es erforderlich die

Mindestspeichergröße zu berechnen. Hierfür benötigt man einige Annahmen: Die

Zahl der betroffenen Personen beläuft sich etwa auf 300 (90 Studenten * 3

Jahrgänge und einige DHBW-Mitarbeiter), von diesen Personen muss jede

Ausweisnummer hinterlegt werden können. In den Laboren gibt es 4 bis 5

Arbeitsplätze, welche etwa zwei Mal täglich genutzt werden, sodass sich die

durchschnittliche Zutrittsfrequenz auf 10 Mal pro Tag beläuft. Zudem wird

geschätzt, dass alle 4 Wochen ausgelesen wird. Dies ergibt folgende Anzahl von

Protokolleinträgen: 5 Laborplätze x 2 Nutzungen x 20 Tage x 2 (An-/Abmelden) =

400 Protokolleinträge. Der verwaltungstechnische Speicherbedarf beläuft sich

insgesamt auf etwa 11-12 kByte, zusammengesetzt aus:

- 300 Personen = 300 * 4 Byte (8-stelliger Hex-Code von Mifare) = 1.200 Byte

- 400 Protokolleinträge = 400 * 25 Byte [Hex-Code, Datum, Uhrzeit E/A] = 10.000 Byte

Abbildung 2: Beispiel eines Protokolleintrages

16

Abbildung 3: Speicherbedarf eines Protokolleintrages

Hierzu kommt noch der Programmcode, der sich wohl auf etwa 3-5 kByte belaufen

wird. Somit sollte ein 16 kByte Flash-Speicher verwendet werden.

c) Geringer Stromverbrauch und Schlafmodus

Das RFID-Lesegerät soll später im Stand-alone-Betrieb mit Batterie arbeiten. Daher

ist ein geringer Stromverbrauch wichtig, damit die Batterie nicht ständig gewechselt

werden muss. Auch das Vorhandensein eines Schlafmodus wäre vorteilhaft, damit

das Gerät nicht unnötig viel Strom verbraucht, wenn es nicht arbeiten muss.

d) USB-Schnittstelle für den PC-Anschluss

Da die Zugangsberechtigungen als Zutrittsliste (Matrikelnummer und Zeitraum)

regelmäßig auf den Mikrocontroller geladen werden müssen und auch die Daten in

regelmäßigen Abständen vom Mikrocontroller zur Überwachung wieder

heruntergeladen werden sollten, ist es sinnvoll, dass eine USB-Schnittstelle

vorhanden ist, da dies die Kommunikation deutlich erleichtert.

e) Integrierte Antenne

Eine integrierte Antenne ist zwar kein absolutes Muss, aber wäre ein Nice-to-have,

da sie nicht nur wenig Platz wegnimmt, sondern auch die zusätzliche Installation

sowie die Ausrichtung einer externen Antenne entfallen.

f) Visualisierung der An- und Abmeldung

Es soll für den An- und Abmeldevorgangs des Studentenausweises eine Anzeige

geben. Dies kann auf einfachste Weise mit 2 LED’s realisiert werden, wobei

beispielweise eine grüne LED bei der Anmeldung aufleuchtet und eine rote LED bei

der Abmeldung des Studenten.

17

Eindrucksvoller wäre, wenn der Reader einen Anschluss für ein LCD-Display

aufweisen würde, denn hiermit könnte man auf dem LCD-Display auch die

Studentenausweisnummer oder ähnliches anzeigen lassen.

g) sonstiges

Außerdem wäre es gut, wenn das Lesegerät über eine SPI-Schnittstelle verfügen

würde und einen frei verfügbaren Compiler hätte. Allgemein eignen sich hierfür vor

allem PIC-Controller (aufgrund des geringen Stromverbrauchs) bzw. ATMEL

(aufgrund der guten Entwicklungsumgebung). Verzichtet werden sollte auf

exotische Typen wie Hitashi etc.11

4.2 Auswahl des Lesegeräts

Es ist immer sinnvoll auf bereits bestehende Dinge zurückzugreifen, bevor man

sich die Mühe macht und etwas selbst entwickelt. Daher wird geschaut, welche

Reader auf dem Markt verfügbar sind und ob sie für diesen Zweck geeignet sind.

Dies geschieht in einem Auswahlkatalog: Hier werden alle Reader bzgl. der

erarbeiteten Anforderungen überprüft und bewertet.12

4.3 Entscheidung für den Elektor-RFID-Reader

Nun werden alle in Frage kommenden Reader miteinander verglichen.13 Die Wahl

fällt auf die elektronische Schaltung von Elektor, da diese das beste Gesamtpaket

für die gestellte Aufgabe bietet.14 Die Schaltung kann vollständig übernommen

werden, allerdings muss sie um eine USB-Schnittstelle mit Host-Funktion erweitert

werden. Außerdem besteht die Möglichkeit ein LCD-Display anzufügen. Auf den

Aufbau und die Funktionsweise des Readers wird in Kapitel 5.3 näher

eingegangen.

11 Vgl. Flämig, T. (2011) 12 Siehe Anlage 1, S.31 – S. 33: Auswahlkatalog für RFID-Lesegerät 13 Siehe Anlage 2, S.34: Vergleich der in Frage kommenden RFID-Lesegeräte 14 Vgl. Elektor (2012a); siehe auch Anlage 3, S.35: Bauteilliste Elektor-RFID-Reader

18

5. Hardware des RFID-Lesegeräts

5.1 KeyMatic

Wie bereits erwähnt, wird die Hardware für das Türschloss mit dem KM 300 IQ+

bereits vorgegeben. Diese wird von innen an das Türschloss montiert.

Abbildung 4: Türschloss-Hardware KM 300 IQ+ mit Fernbedienung KM 300 RC15

Bei Verwendung der Hardware muss beachtet werden, dass die Türe mit einer

Notschließfunktion ausgestattet werden muss. So wird gegenseitiges Verriegeln

vermieden, was bedeutet, dass obwohl ein Schlüssel innen im KM 300 IQ+ steckt

von außen per Schlüssel aufgeschlossen werden kann. Dies ist nötig, da die

Elektrotechnik weiterhin mit ihren Schlüssel in die Laborräume kommen sollen.

Zusätzlich gibt es eine Fernbedienung, die KM 300 RC, die das KM 300 IQ+ mit nur

einem Tastendruck öffnet. Da die Türen künftig mit den Studenten-ausweisen

geöffnet werden sollen, muss die Fernbedienung in das Gesamtsystem, das später

vor der Türe installiert wird, integriert werden. Um den Auseinanderbau der

Fernbedienung zu vermeiden, wurde angedacht ein fertiges Schnittstellenmodul,

das Keymatic KM300 RI, als Alternative zu verwenden, jedoch funktioniert dieses

lediglich mit Kabel, weshalb ein Loch in die Türen gebohrt werden müsste. Somit

wurde dies schnell wieder verworfen.

Abbildung 5: Schnittstellenmodul KM 300 RI16

15 Vgl. ELV (2012a) 16 Vgl. ELV (2012b)

KM 300 IQ+

KM 300 RC

19

Die Fernbedienung ist das RFID-Interface zwischen Studentenausweis und

Lesegerät, die Informationenübertragung erfolgt per RFID mit einer Frequenz von

868,35 MHz. Sie soll über 2 bzw. evtl. 3 Mikrocontroller-Ports gesteuert werden.

Abbildung 6: Adapterlösung für die Fernbedienung KM 300 RC

5.2 Studentenausweise

Um Informationen über den Aufbau der Studentenausweise herauszufinden,

werden sie mit einem RFID-Lesegerät von Balluff ausgelesen. Jedoch fallen die

Informationen recht spärlich aus: Die Endung -01 am Lesegerät zeigt, dass es sich

um den Mifare-Standard handelt.17 Außerdem zeigt das Lesegerät eine 4 Byte

lange UID (Unique Identifier) an.18 Sie ist eine unverwechselbare Nummer, die nur

ein Mal vergeben wird. Für die Studentenausweise des Projektteams ergab sich

folgender Hex-Code:

- Christoph Seifried, Matrikelnummer 0929307 = UID 90 89 B1 27

- Stefan Schropp, Matrikelnummer 0718533 = UID 90 89 8B 07.

- Stefanie Schäfer, Matrikelnummer 0473445 = UID FD 63 84 17

Dass sich die dritte UID von den anderen beiden stark unterscheidet, liegt wohl

daran, dass es sich hierbei aufgrund von Verlust bereits um den zweiten

Studentenausweis handelt und dieser nicht zeitgleich mit den anderen, sondern

erst viel später erstellt wurde.

17 Vgl. Höhn, C. (2011) 18 Anmerkung: Aufgrund eines ausgeschöpften Adressraums wurde die UID Mitte 2011 auf 7 Byte erweitert. Siehe auch Mifare (2011a). Die Studentenausweise sind jedoch früher entstanden.

20

5.3 Der Elektor-RFID-Reader

Der Elektor-RFID-Reader vervollständigt zusammen mit dem KM 300 IQ+ und der

KM 300 RC-Fernbedienung das System. Er kann über Elektor direkt für 64,95 €

bestellt werden.19 Es folgt ein Überblick über die einzelnen Komponenten:

Die Hauptkomponenten lassen sich deutlich auf dem Platinen-Entwurf in Abbildung

7 erkennen: Sende- (a) und Empfangsschaltung (b), digitale Auswertungseinheit

mit den Ports (c), USB-Schnittstelle (d) und Antenne (e). Zudem gibt es eine

Schnittstelle zum Anschließen eines LCD-Displays (f), eine ISP-Schnittstelle zum

Brennen der Firmware (g) und ein Anschluss für eine 4-Tasten-Tastatur (h):

Abbildung 7: Schematischer Platinen-Entwurf des Elektor-RFID-Readers

a) Sendeschaltung:

Sie besteht aus einem digitalen Quarzoszillator und einer Gegentaktstufe (2

MOSFETs), welche die vom Oszillator erzeugte Schwingung verstärkt. Die digitale

Schwingung wird zur Mikrocontroller-Taktung sowie für die Herstellung des

Hochfrequenzfeldes verwendet. Das von der Gegentaktstufe verstärkte Signal

kommt zum Serienschwingkreis L1/C4, wobei man mit Trimmer C4 die maximale

Amplitude des HF-Feldes einstellen kann. Mit Hilfe eines Einganges von Gatter

IC1.B kann der Mikrocontroller das HF-Feld amplitudenmodulieren.

19 Vgl. Elektor (2012a)

21

b) Empfangsschaltung:

Hier wird das vom RFID-Chip modulierte HF-Feld demoduliert und hinterher

digitalisiert. Die Resonanzfrequenz des L7/C10 Schwingkreises bei ungefähr

kHzCL

f 87610*3,3*2

1

2

114107

===−

ππ

. Somit ist der Empfangskreis auf die 13,56

MHz /16 = 847,5 kHz Modulationsfrequenz der Mifare-Karte abgestimmt. Am

Komparator-Ausgang steht nun das digitalisierte Signal zu Verfügung, das vom

Mikrocontroller weiterverarbeitet werden kann.

c) Digitale Auswertungseinheit mit Ein- und Ausgabeports:

Beim Mikrocontroller handelt es sich um einen ATmega16 von Atmel. Dieser hat

16kByte Flash, 1 kByte RAM sowie eine maximale Taktfrequenz von 20MHz.

Jedoch muss der Mikrocontroller außer senden und empfangen auch codieren und

dekodieren. Zudem muss er die Parität und CRC-Checksumme der ein- und

ausgehenden Daten berechnen.

d) USB-Schnittstelle:

Für eine USB-Anbindung zum PC kann ein FT232RL-Chip von FTDI eingefügt

werden. Dies ist ein bidirektioneller USB/UART-Umsetzer. Er wird an den internen

UART des Mikrocontrollers angeschlossen. Die Kommunikation zwischen FT232

und Mikrocontroller erfolgt hier seriell mit TX- und RX-Leitung. Mit dem PC

kommuniziert der FT232 mittels USB. Auf der Hersteller-Homepage gibt es für alle

gängigen Betriebssysteme kostenlos Treiber zum Download. Nach der

Treiberinstallation erscheint ein virtueller serieller Port am Computer, sodass sich

die Programmierung der PC-Software ohne spezielle USB-Kenntnisse

bewerkstelligen lässt. Die Umsetzung von USB auf UART übernimmt der Chip von

alleine. Dies wird allerdings erst im zweiten Teil der Arbeit umgesetzt.

e) Sende- und Empfangsantenne:

Diese befindet sich auf einer 5x6,5 cm großen Platine und besteht aus 2

verschachtelten Luft-Spulen. Eine Windung dient als Sendeantenne (es ist egal,

welche man wählt), die andere Windung dient als Schnüffelsonde für den Empfang.

Zum Lesen und Beschreiben eines RFID-Transponders, wird dieser einfach auf die

Antenne aufgelegt.

22

f) LCD-Anschluss:

Der 14-polige Wannenstecker dient zum Anschluss eines LCD-Displays. Eingesetzt

werden kann bspw. ein zweizeiliges, unbeleuchtetes Display mit je 24 Zeichen pro

Zeile. Das LCD ist ein HD44780-kompatibler Typ mit nur 1 positiven (und keiner

negativen) Spannungsversorgung. Programmiert wird über 4 Daten- und 3

Steuerleitungen.

g) ISP-Schnittstelle:

Der 10-polige Wannenstecker dient als ISP-Schnittstelle (In System Programmer).

Hiermit lässt sich die Firmware des AVRs brennen und updaten, ohne ihn für

diesen Zweck ausbauen zu müssen.

h) Tastatur-Anschluss:

Hier könnten 4 Taster für die Menüsteuerung angeschlossen werden. So kann man

bequem durch das mit dem Display angezeigte Menü navigieren. Ob dies allerdings

benötigt wird, ist noch zu entscheiden.

Abbildung 8: Platine des Elektor-RFID-Readers20

20 Vgl. Schalk, G. (2006), S. 32

23

Folgende Abbildung zeigt noch den Signalfluss des Readers:

Abbildung 9: Blockschaltbild des ELEKTOR-RFID-Readers21

Das Reader-IC MF RC522 wird vom Controller angesteuert und erzeugt das Hoch-

frequenzfeld sowie die ISO 14443-Signale. Er macht auch für die De-/Modulation.

21 Vgl. Schalk, G. (2006), S. 30

24

Abbildung 10: Schaltplan des Elektor-Readers22

22 Vgl. Schalk, G. (2006), S. 31

25

5.4 Gehäusekonzept

Auch das Gehäusekonzept für das gesamte RFID-Modul soll bereits grob erstellt

werden. In das Gehäuse gehören folgende Teile: Der Elektor-RFID-Reader inkl.

Antenne, die Fernbedienung, die Batterie, der USB-Anschluss und das LCD-

Display. Das System soll später in ein Acrylgehäuse eingebaut werden, sodass die

Elektronik von außen sichtbar ist.

Um die Abmessungen des Gehäuses abschätzen zu können, werden die Maße

folgender Bauteile benötigt:

- Maße Elektor-RFID-Reader: 146 x 91 x 33 mm

- Maße LCD-Display: 75 x 27 x 11 mm

- Maße Fernbedienung KM 300 RI: 68 x 24 x 58 mm

- Platz für die USB-Schnittstelle einplanen

- Platz für das Batteriefach einplanen

Eine Aufzeichnung des Gehäusekonzeptes befindet sich in Anlage 4 im Anhang auf

Seite 36.

Für die Montage gilt: Die Grundplatte soll später an der Wand neben der Türe

befestigt werden und mit einem Schloss von unten (damit es nicht sofort sichtbar

ist) gegen Diebstahl gesichert werden.

26

6. Software des RFID-Lesegeräts

6.1 Benötigte Software

Der verwendete RFID-Reader von Elektor arbeitet mit dem Mikrocontroller

P89LPC936. Dieser lässt sich mit dem Programm Flash-Magic, welches im Internet

kostenlos verfügbar ist, und dem zugehörigen VCP Treiber direkt über USB

programmieren.

6.2 Programmiervorbereitungen

Für den Programmiervorgang müssen die beiden Jumper gesetzt werden. Dazu

müssen zuerst die nötigen Stifte auf der Platine eingelötet werden. Die Position ist

im Bild rot markiert.

Abbildung 11: RFID-Reader-Platine - Setzen der Jumper

27

6.3 Das Programm Flash-Magic

Beim Start des Programms, erscheint das folgende Fenster, bei dem einige

Einstellungen vorgenommen werden müssen:

Device 89LPC936

COM-Port Hier muss der Port angewählt werden, an dem der RFID-

Reader angeschlossen ist. Herausfinden lässt sich dies über

den Gerätemanager.

Baudrate 9600

Interface None (ISP)

Bei der Option „Erase blocks used by Hex file“ muss ein Häkchen gesetzt sein.

Über die Schaltfläche „Browse“ kann die gewünschte HEX-Datei geöffnet werden.

Abbildung 12: Programm Flash Magic

28

Über den Button "Options Advanced Options" in der Menüliste erreicht man das

Konfigurationsmenü "Advanced Options". Dort müssen folgende Parameter

eingetragen werden:

Abbildung 13: Flash Magic - Advanced Options

Abbildung 14: Flash Magic - Advanced Options (2)

Bei der „ISP/Device“-Konfiguration, welche über ISP-> Device Configuration oder

über das Symbol rechts neben dem grünen Haken in der Menüleiste erreicht wird,

muss der Oszillator-Takt auf der Einstellung „High Frequency Crystal/Resonator

(4MHz-12MHz)“ verwendet werden.

29

Abbildung 15: Flash Magic - Device Configuration

Danach sind alle nötigen Einstellungen vorgenommen.

6.4 Programmiervorgang

Ein Start des Programmiervorgangs erfolgt über den Start-Button. Während des

Programmiervorgangs flackern die gelben LEDs. Es ist zu beachten, dass der

Programmiervorgang nicht unterbrochen werden darf.

Nach dem Programmieren müssen die Jumper entfernt werden. Ebenso muss der

Reader kurz vom USB-Anschluss getrennt und wieder angeschlossen werden,

damit die Firmware korrekt startet. Nun ist der RFID-Reader funktionsfähig.

Leider ist es zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich den Hex-Code des

Studentenausweises auszulesen, da die mitgelieferte Software reduziert ist und nur

zum Laden eins Hex-Files benutzt werden kann. Den Speicher kann man nur

mithilfe der Vollversion auslesen, welche jedoch zu teuer ist.

Daher wurde noch das Display nachbestellt, um zu sehen, ob der RFID-Reader

richtig arbeitet und den Code des Studentenausweises einlesen kann. Dieses

Display hatte jedoch eine zu lange Lieferzeit, wodurch es noch nicht eingetroffen

ist.

Zum jetzigen Zeitpunkt kann daher nur gesagt werden, dass der RFID-Reader eine

Aktion ausführt, wenn man einen Studentenausweis davorhält, was man an der

gelb blinkenden LED erkennen kann.

Ein Auszug des Programmcodes findet sich im Anhang in der Anlage 5 ab Seite 37.

30

Anhang

Anlage 1: Auswahlkatalog RFID-Lesegerät .......................................................... 31

Anlage 2: Vergleich der in Frage kommenden RFID-Lesegeräte ......................... 34

Anlage 3: Bauteilliste Elektor-RFID-Reader .......................................................... 35

Anlage 4: Gehäusekonzept ................................................................................... 36

Anlage 5: Code ..................................................................................................... 37

31

Anlage 1: Auswahlkatalog RFID-Lesegerät

Kriterium ELEKTOR- RFID-Reader

Codatex- Leser 4 Plus

Melexis MLX90121EFR-FSK

Melexis MLX90109EDC

HF P&P Modul Mifare/ Multi ISO

Kompatibilität mit Mifare & ISO 14443A

ISO 14443B (?)

Betriebsfrequenz 13,56 MHz 125 kHz (nur EM4102 Transponder)

13,56 MHz 125 kHz 13,56 MHz

USB-Schnittstelle für PC-Anschluss

Anzeige LCD-Display (autonomer Betrieb mgl.)

LED-Anzeige

PC-Software Mifare Magic (kosten- loser Source-Code

komfortable Bedien-SW "LeserPlus Manager"

Mikrocontroller LPC396 (Philips) (8051-kompatibel)

Schnittstellen FT232R (FTD) I2C, SPI, UART, USB

RS232 2-Draht Serial-Port RS232, RS485 / RS422, optional USB 2.0 (Multi)

Reader-IC MF RC522 (Philips) (-) HVQFN32-Gehäuse

Ist nur Reader-IC Ist nur Reader-IC Vorhanden

Betriebsspannung Intern: 3,3 V extern:USB/ Batterie

5V 3,1~5,5V; geringe Stromaufnahme: 3 mA

PS/2, externes Netzteil, USB (Multi)

Antenne Integriert Sonstiges bestücktes Board

mit programmiertem µC; lieferbares Gehäuse

500 Chips; 5000 Ereig- nisse speicherbar;

geringer Bauteilaufwand

fertig bestücktes Modul mit Antenne!

ON/OFF Modus: Leser per Transponder ein- & ausschaltbar

Preis 64,95 € 106,80 € 10,04 € 7,33 € Noch keine Antwort Probleme Falsche Betriebs-

frequenz! Nur Reader-IC, viel Aufwand !

Falsche Betriebs- frequenz! Nur Reader-IC!

32

Fortsetzung Anlage 1: Auswahlkatalog RFID-Lesegerät

Kriterium QW-HFAR-NNN-2NN- S-BK

QD-HFAW-NNN-2NN- S-GR

SCM SCL010 USB Desktop

RM-Ultra Mifare 13,56MHz Montage

Trancient Technology ExploreR-HF RFID reader

Kompatibilität mit Mifare & ISO 14443A

Betriebsfrequenz 13,56 MHz 13,56 MHz 13,56 MHz 13,56 MHz 13,56 MHz USB-Schnittstelle für PC-Anschluss

Anzeige LED (grün) + Schallgeber

LED (Zweifarben) + Schallgeber

LED integrierter Summer, 3 LED's ( r/g/y)

Single button for RFID reading, Multi-colour LEDs.

PC-Software Upgrades via USB & Bluetooth

Mikrocontroller Schnittstellen RS232 RS232 USB, PC/SC-

Kompatibilität - Wiegand - Clock & Data - RS232

USB – mini-B connector for wired applications, Bluetooth

Reader-IC Betriebsspannung 12V (9V-16V),

70mA als Betriebsdaten 5V, 100 mA 5 Vdc bis 13,8 Vdc

(120 mA typ.) Via USB for internal Li-Ion battery recharge

Antenne Einbauantenne Einbauantenne Integrierte Antenne Internal only Sonstiges Maße: 115 x 76 x 18;

512-bit EEPROM; Lieferzeit 2-4 Wochen

Maße: 65 x 100 x 24,7; 8 KB EEPROM; Lieferzeit 2-4 Wochen

Integrierter Flash- Speicher

Lieferzeit: 3 - 5 Werktage; (-)Kabelanschluss

power supply & battery recharge, 'always on' wall mount operation

Preis 59,46 € zzgl. Versand 145, 89 € zzgl. Versand 77,35 € zzgl. Versand 117,81 EUR zzgl. Versand

$418.00

Fazit Lieferzeit kritisch! Zu geringer Speicher!

Lieferzeit kritisch!

Nur mit Kabel- Anschluss

Zu teuer!

33

Fortsetzung Anlage 1: Auswahlkatalog RFID-Lesegerät

Kriterium Mifare Writer PCR310 LightBoxReader 300 Wall Reader DF750 Wall Reader MF7

Kompatibilität mit Mifare & ISO 14443A

Betriebsfrequenz 13,56 MHz 13,56 MHz 13,56 MHz 13,56 MHz USB-Schnittstelle für PC-Anschluss

Anzeige LED‘s Interne LED & Buzzer (pro- grammierbar)

Interne LED, Buzzer Interne LED, Buzzer

PC-Software Mikrocontroller Schnittstellen USB, RS232, Wiegand, RS232 RS232 Wiegand 26 bits, MSR

ABA TK2, RS232 Reader-IC Betriebsspannung 5V, 100 mA 7,5- 12 V 7,5V- 24V 5-18 V, typ. 12 V,

120 mA Antenne Sonstiges Reader & Writer;

Speicher 32 KB; Maße: 65 x 100 x 24,7

Auf Metalloberfläche anbring- bar

Maße: 112,3 x 96 x 22 m; Sicherheit: mutual three pass authentification

Maße: 83 x 47 x 16 mm

Preis 225 € ? ? 119 € Fazit Zu teuer; missbrauch-

gefährdet, da Reader & Writer in einem!

34

Anlage 2: Vergleich der in Frage kommenden RFID-Lesegeräte

Kriterium ELEKTOR-

RFID-Reader

HF P&P Modul

Mifare/

Multi ISO

QD-HFAW-NNN-

2NN-S-GR

SCM

SCL010 USB

Desktop

USB-Schnittstelle

für PC-Anschluss

Anzeige

PC-Software

Speicher

Mikrocontroller

(16 kByte) ? (8 kByte) ?

Batteriebetrieb Akku über USB? 4 (5V) ?

Integrierte Antenne

Preis (64,95 €) ? (145, 89 €) (77,35 €)

Ergebnis

35

Anlage 3: Bauteilliste Elektor-RFID-Reader

Bezeichnung Wert

Widerstände (SMD 0805, 5%) R1, R2, R6, R12, R15, R17 1k R3,R4,R5 4k7 R7 2k7 R8, R9 4Ω7 R10 270 Ω R11 10 Ω R13 100 k R14, R16 10 k P1 10-k-Trimmpotentiometer, SMD, 4 mm SQ Kondensatoren (SMD 0805, 16 V, keramisch): C1, C2 47 p NP0 C3, C4, C5, C6, C9, C10, C11, C12, C16, C31

100 n

C7, C8, C13, C14 12 p NP0 C15 1 n NP0 C18, C20, C22, C24, C26, C28 nicht bestückt C21, C23 27 p NP0 C25, C27 68 p NP0 C29, C30, C32 2µ2 Halbleiter D1 SMD-LED (0805) grün, Low-current D2 SMD-LED (0805) gelb, Low-current D3, D6, D7 SMD-LED (0805), rot, Low-current D4 BAS19 (200 mA, SOT23) D5 BAT54S (30 V/300 mA, SOT23) T1, T2 6402 (P-Kanal-MOSFET, 20 V/3,7 A, SOT23) T3 BC517 (NPN-Darlington, TO92) IC1 FT232RQFN (QFN32, FTDI) IC2 74HC02 (TSSOP14, NORGATE)

IC3 P89LPC936FDH-S (SSOP28, Philips)

IC4 MFRC52201HN1 (HVQFN32, Philips)

IC5 LM2937 (Low-drop, 3V3, SOT223)

sonstiges X1 16-MHz-Quarz (18-p-Parallelkapazität, 5 mm

x 3,2 mm)

X2 27,12-MHz-Quarz (18-p-Parallelkapazität, 5 mm x 3,2 mm)

K1 Mini-USB-B-Buchse, SMD, 5-polig

L1 SMD-Ferrit (1,5 A, 0805)

L2, L3 SMD-Induktivität 560 nH (0805)

36

Anlage 4: Gehäusekonzept

151

mm

95 mm

LCD-Display (2x 16 Zeichen)

Antenne

Mikrocontroller + Widerstände + Kondensatoren + Reader-IC + …

Vorderansicht

50-60 mm

Seitenansicht rechts

Fern-bedie-nung KM 300 RC

Untersicht

USB 7mm

17,78 mm

Batterie-fach

37

Anlage 5: Code

Main.c23

#include <REG936.H> // LPC SFR definition

#include "stdio.h" // stdio Library

#include "LPC_Hardware.h" // Output Pin definition

#include "UART.h" // Basic UART functions

#include "LCD.h" // Basic LCD functions

#include "Timer1.h" // Hardware delay Timer (LPC Timer1)

#include "EEPROM.h"

#include "RC522_Mifare.h" // Basic ISO14443 & MIfARE functions

#include "PC_Reader_COM.h" // Reader PC Communication

#include "Mifare_Terminal.h" // Reader - Terminal Application Demo

#include "Mifare_PC_Reader.h" // Reader - PC Reader Application Demo

#include "Mifare_Access_Control.h" // Reader - Access Control Demo

void main(void)

OpenerOutput = 0; // Clear (Door) Opener Output pin

//------------------------------------------------------------

// Basic LPC936 Hardware Configuration

//------------------------------------------------------------

DIVM = 0x00; // LPC clock divider

TRIM &= ~0x40; // no clock out on CLKOUT pin

// select high power clock (CPU clock faster than 8MHz)

AUXR1 &= ~0x80;

//Set P0 Portpin; P0.0: Push-pull; P0.1-P0.7: Quasi-bidirectional

P0M1 = 0x00;

P0M2 = 0x01;

// Portpin settings for I2C; Open-Drain

P1M1 = 0x0C;

P1M2 = 0x8C;

23 Da der gesamte Code über 70 Seiten beinhaltet, wird hier beispielhaft nur der Main.c-Code dargestellt. Vgl. Elektor (2012b)

38

// TxD = push-pull, RxD = input

P1M1 &= ~0x01;

P1M2 |= 0x01;

P1M1 |= 0x02;

P1M2 &= ~0x02;

//------------------------------------------------------------------

// Initialize Software States and Flags

//------------------------------------------------------------------

// Verify the LPC EEPROM "ACCESS CONTROL DEMO Enable" Flag

if (ReadEEPROM(EEAddrAccessActFlag) == ACTIVE)

// Access Control Demo is active

// => Start Access Control Demo

gbMainState = MainState_ACCESS_CONTROL; // Initialize Main State

Read_EE_AccessControl_LCD_Content();

else

// Access Control Demo is not active

// => Start Terminal Mode Demo

gbMainState = MainState_TerminalMode; // Initialize Main State

gbRecState = 0; // Reset Serial (RS232/USB) Interrupt Receive State

gbNewCmdReceived = CLEAR; // Clear Serial (RS232/USB) new Cmd Flag

//------------------------------------------------------------------

// Initialize Hardware

//------------------------------------------------------------------

INI_Timer1(); // Delay Timer (LPC Timer 1)

uart_init(115200); // Initialize Serial UART (RS232/USB)

init_lcd(); // Initialize LCD Display

blank_lcd(); // Clear LCD Display

printf_lcd(1,1," RFID-Reader "); // Write to LCD Display

printf_lcd(2,1," Firmware 2.2 "); // Write to LCD Display

Timer1_Delay_ms(1000); // Display Version for 1 s

39

Rc522Init(); // Initialize MFRC522 Reader IC

EA = 1; // Enable all Interrupts

while(1) // MAIN LOOP

// Check Main State

switch(gbMainState)

// Reader Terminal Demo Mode

case MainState_TerminalMode:

uart_init(115200);

MIFARE_Terminal();

break;

// PC Reader Demo Mode

case MainState_PCReaderMode:

if(gbNewCmdReceived == SET)

MIFARE_PC_Reader();

// Clear Serial (RS232/USB) new Cmd Flag

gbNewCmdReceived = CLEAR;

break;

// Access Control Demo Mode

case MainState_ACCESS_CONTROL:

uart_init(115200);

MIFARE_AccessControl();

break;

// Reader Terminal Demo Mode

default:

uart_init(115200);

MIFARE_Terminal();

break;

// End of Main

40

Literatur- und Gesprächsverzeichnis

AIM (2011): What ist RFID?, http://www.aimglobal.org/technologies/rfid/what_is_rfid.asp (Stand 06.01.2012).

Elektor (2012a): ELEKTOR-RFID-Reader (060132-91), http://www.elektor.de/products/kits-modules/modules/060132-91-elektor-rfid-reader.91440.lynkx (Stand 07.01.2012).

Elektor (2012b): ELEKTOR-RFID-Reader (060132-81). http://www.elektor.de/jahrgang/2006/september/elektor-rfid-reader.64441.lynkx?tab=4 (Stand 10.01.2012).

Elektronik-Kompendium (2012): RFID – Radio Frequency Identification, http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0902021.htm (Stand 03.01.2012).

ELV (2012a): KeyMatic® IQ+-ARR Bausatz in weiß. http://www.elv.de/output/module/produktkatalog01/bilder_popup.aspx?art_id=13254&amp;bild_id=512874 (Stand 04.01.2012).

ELV (2012b): ELV KeyMatic KM 300 RI Remote Interface, http://www.elv.de/output/module/produktkatalog01/bilder_popup.aspx?art_id=12506&amp;bild_id=432210 (Stand 04.01.2012).

Flämig, T. (2011): Studiengangsleiter Mechatronik, DHBW Stuttgart, persönliches Gespräch am 03. November 2011 in Stuttgart.

Höhn, C. (2011): Entwicklungsleiter RFID, Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F., persönliches Gespräch am 25. Oktober 2011 in Neuhausen a.d.F..

Informationsforum RFID (2009): Was ist RFID?, http://www.info-rfid.de/info-rfid/content/e35/e37 (Stand 10.01.2012).

Mifare (2011a): Important information regarding 4 Byte & 7 Byte UIDs of MIFARE™ products, http://mifare.net/technology/4-7byte-uid (Stand 06.01.2012).

Mifare (2012a): The success of Mifare, http://mifare.net/ (Stand 03.01.2012).

Mifare (2012b): MIFARE™ Standards http://mifare.net/overview/mifare-standards (Stand 04.01.2012).

41

RFID Basis (2011): Aufbau und Funktionsweise von RFID-Systemen, http://www.rfid-basis.de/funktionsweise.html (Stand 03.01.2012).

Schalk, G. (2006): Elektor-RFID-Reader Für MIFARE®- und ISO 14443-A, enthalten in: Elektor 09/2006, Seite 28-35.

Wikipedia (2011): Pflichtenheft, http://de.wikipedia.org/wiki/Pflichtenheft (Stand 02.01.2012).