Univ ersitatea Politehnica din Bucureș ti [626498]
Univ ersitatea ―Politehnica‖ din Bucureș ti
Facultatea de Electronică, Telecomunicații si Tehnologia Informaț iei
Accesul în garaj al autovehiculelor folosind tehnologia RFID
Lucrare de disertație
prezentată ca cerință parțială pentru obținerea titlului de
Master în domeniul Inginerie electronică, telecomunicații și tehnologii
informaționale
programul de studii de masterat Tehnologii avansate î n electronică auto
Conducători științifici : Absolvent: [anonimizat]. Drumea Andrei Alexandra RABABOC
Conf. dr.ing. Alexandru VASILE
Anul 2018
3
Cuprins
Motivație ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 7
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 8
1.Perspectivă istorică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 8
2.Domenii de utilizare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 8
3.Principiile tehnologiei RFID ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 9
Principiile fundamentale de operare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 16
1.Transponder 1 -bit ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 16
2. Procedure full-duplex si semi -duplex ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 20
3. Proceduri secvențiale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 27
4.Sistemele NFC(Near -Field Communication) ………………………….. ………………………….. ………………….. 30
Codificare și modulare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 34
Securitate a sistemelor RFID ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 38
1.Atac asupra sistemelor RFID ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 39
2.Protecția prin măsuri criptografice ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 45
Accesul în garaj folosind tehnologia RFID ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 47
1.Conectare componente ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 53
2.Testare componente ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 60
Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 62
Referințe bibliografice ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 63
Anexe ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 65
Listă de figuri
Fig 1. 1 Citirea și stocarea datelor EPC[3] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 8
Fig 1. 2 Sistem RFID[6] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 11
Fig 1. 3 Componente tag[7] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 12
Fig 1. 4 Procesul de producție al unui tag [ 8]………………………….. ………………………….. ………………………….. … 13
Fig 1. 5 Antena de tip bucla pentru RFID [15] ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 15
Fig 1. 6 Antena de tip dipol pentru RFID [16] ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 15
Fig 2. 1 Principiul de funcționare al procedurii de radiofrecvență EAS[4] ………………………….. …………………. 17
Fig 2. 2 Circuitul de bază și formatul tipic de construcție al unei etichete cu microunde[4] ……………………… 18
Fig 2. 3 Schema de bază a procedurii de divizare a frecvenței EAS: eticheta de securitate (transponder) și
detectorul (dispozitivul de evaluare)[4] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 19
Fig 2. 4 Sistem FDX, HDX si SEQ[4] ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 21
Fig 2. 5 Alimentarea cu energie a unui transponder cuplat inductiv din energia câmpului generat de cititor[4]
………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 22
Fig 2. 6 Circuitul de bază al unui transponder cu frecvență subarmonică. Semnalul de recepție primit este
împărțit în două, datele sunt modulate și introduse în bobina transponde rului.[4] ………………………….. ……… 23
Fig 2. 7 Transponder de cuplare rapidă într -un cititor de inserție cu bobine magnetice de cuplare[4] ………… 24
Fig 2. 8 Un sistem cuplat electric care utilizează câmpuri electrice (electrostatice) pentru transmiterea
energiei și datelor [4] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 25
Fig 2. 9 Schema de circuit echivalent a unui sistem RFID cuplat electric[4] ………………………….. ……………… 26
Fig 2. 10 Tensiunea electrodului necesară pentru citirea unui transponder cu dimensiunea electrodului a × b
=4,5 × 7 cm (formatul corespunde cu un smart card), la o distanță de 1 m (f = 125 kHz) [4] …………………… 27
Fig 2. 11 Layoutul de bază a unui transponder. Traductoarele și reflectoarele transdigitale sunt poziționate pe
cristalul piezoelectric ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 30
Fig 2. 12 În modul activ, interfețele NFC emit câmpuri magnetice pentru transmisia de date[4] ………………. 32
Fig 2. 13 NFC distinge între trei moduri diferite de funcționare: modul activ, modul pasiv care se împarte în :
emularea cititorului și emularea cardului[4] ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 32
Fig 3. 1 Semnal și flux de date într -un sistem de comunicații digitale[4] ………………………….. …………………… 34
Fig 3. 2 Codarea semnalelor în sistemele RFID ………………………….. ………………………….. …………………………. 35
Fig 4. 1 Sistem tipic RFID [4] ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 39
Fig 4. 2 Opțiuni de atac pe sistemele RFID ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 39
Fig 4. 3 Un atac de releu pretinde unui cititor că un transponder de la distanță se află în intervalul de citire al
cititorului. În acest fel, atacatorul poate solicita acțiuni care altfel necesită apropierea fizică a transponderului
la cititor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 43
Fig 4. 4 Un sistem analogic de releu poate fi realizat foarte ușor prin transmiterea unui flux de date demodulat
între „fantomă‖ și „parazit‖ ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 44
Fig 4. 5 Procedura de autentificare reciprocă între transpo nder și cititor ………………………….. …………………….. 46
Fig 5. 1 Arduino Uno [18] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 48
Fig 5. 2 RC522[19] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 48
Fig 5. 3 Keypa d 4 x 4[20] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 49
Fig 5. 4 RFID TAG[21] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 49
Fig 5. 5 Schema Bloc simplificata MFRC522 [22] ………………………….. ………………………….. …………………….. 50
Fig 5. 6 Diagrama bloc MF1S503 [26] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 52
Fig 5. 7 Conexiunile matricii keypad -ului[28] ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 52
Fig 5. 8 Arduino Uno pini[28] ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 53
Fig 5. 9 Componente aflate pe Arduino UNO [29] ………………………….. ………………………….. …………………….. 54
Fig 5. 10 Schema USB, alimentare, microcontroller [29] ………………………….. ………………………….. ……………. 55
Fig 5. 11 Imagine sub un keypad [30] ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 56
Fig 5. 12 Schema pentru o tastatură 4X4 [30] ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 56
Fig 5. 13 Conexiunea KeyPad -ului la Arduino Uno ………………………….. ………………………….. …………………… 57
Fig 5. 14 Conexiune RFID -RC522 si Arduino Uno ………………………….. ………………………….. ……………………. 57
Fig 5. 15 Conectare modul LED la Arduino UNO ………………………….. ………………………….. ……………………… 60
Fig 5. 16 Conectare componente la Arduino Uno ………………………….. ………………………….. ………………………. 60
Fig 5. 17 Organizare EEPROM ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 61
Listă de tabele
Tabel 1. 1 Tag-uri Active/Pasive ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 12
Tabel 5. 1 Lungimea de undă si frecvența culorilor[33] ………………………….. ………………………….. ……………… 59
Motivație
Lucrarea de față are ca scop familiarizarea cu tehnologia RFID și compunerea unui sistem de acces
în garaj folosind această tehnologie.
Am ales acestă temă deoarece gama largă a aplicațiilor care folosesc identificare prin radio
frecvență este în continuă creștere. Mai mult, acest lucru duce la o mai mare securitate ce trebuie
îmbunătățită atât din punct de vedere hardware, cât și din punct de vedere software.Acest subiect a
fost de asemenea prezentat în lucrarea de față.
Baza acestei teme provine din următoarele materii studiate la Facultatea de Electronică,
Telecomuni cații și Tehnologia Informației : Comunicații RF/Wireless, Structuri hardware și
algoritmi specifici microsistemelor EMBEDDED, Bazele electronicii auto.
8 Introducere
1.Perspectivă istorică
Tehnologia a fost folositî prima oara în al doilea război mondial, radarul ajutându -i pe britanici să
câștige Bătălia Angliei. Inițial, radarul nu putea distinge între avioanele britanice și cele germane,
însa introducerea unui emiță tor IFF (identification friend or foe) a permis diferenț ierea semnalelor
emise.
În jurul anului 1980, teh nologia RFID este un succes com ercial, devenind un produs din ce in ce
mai folosit.
Organizațiile UCC(Uniform Code Council) ș i EAN(European Article Number) Int ernational au
pus baza organizaț iei EPCglobal, care in jurul anului 2003 va adopta ș i va standardiza tehnologia
EPC( Electronic Product Code).
Această tehnologie foloseș te RFID de tip UHF( Ultra High Freque ncy), având un interval de
frecvență între 860 -960 MHz.Î n figura 1.1 se po ate observa sistemul de citire ș i stocare a datelor
EPC, folosind un cititor RFID.
[1][2]
Fig 1. 1 Citirea și stocarea datelor EPC[3]
2.Domenii de utilizare
RFID este ideal pentru medii cu ulei, umezeală, praf ce se întâlnesc în procesele industriale.
Atât tag -urile cât și cititoarele RFID nu au componente în mișcare, întretinerea lor este foarte redusă
și pot opera lungi perioade de timp fără inter ventie.
Datorită ultimului motiv sistemele RFID devin cea mai ieftină soluție de identificare dacă este
evaluată pe termen lung.
9 Tehnologia RFID este folosită î n domenii foarte numeroase :
Lanțul de aprovizionare al magazinelor ;
Pașapoartele biometrice (nu sunt î nca folosite in UE) ;
Urmă rirea locomot ivelor pe că ile ferate ;
Accesul persoanelor î n zone speciale prin autentificarea cu cipul RFID, implantat sub piele ;
Animal elor din ferme li se implantează un C IP RFID pentru a putea fi mai uș or
monitorizate;
Accesul î n garaj al autovehiculelor ;
3.Principiile tehnologiei RFID
Tehnologia RFID( Radio Freq uency IDentification) reprezintă o comunicație wireless care oferă
utilizatorilor identificarea î n mod unic a obiectelor sau a oamenilor.
Distanț a de citire necesară depinde de mai mulți factori:
• precizia poziționării transponderului;
• distanța minimă dintre mai multe transpondere în operare practică;
• viteza transponderului în zona de interogare a cititorului.
Sistemele RFID sunt clas ificate î n funcție de frecvență , astfel :
LF(Low Frequency)
HF(High Frequency)
UHF(Ultra High Frequency)
Sisteme RFID LF
Operează î n intervalul 125Khz -134KHz.
Avantaje :
-funcționeaza foarte bine în apropiere de lichide ș i metale.
Dezavantaje :
-distanț a de citire scurtă , de acce a pot să fie folosite doar in câteva aplicații ;
-memorie internă destul de mică , de obicei read -only ;
-nu este posibilă citirea multiplă ;
-costul de producție mai mare decâ t la HF sau UHF;
Aplicații care folosesc LF RFID :
-urmărirea a nimalelor ;
-controlul de acces ;
-aplicații în medii cu preponderență mare de lichide si metale ;
10
Sisteme RFID HF
Operează î n jurul valorii de 13.56 MHz.
Avantaje :
-posibilitatea de a implementa caracteristici de securitate pentru stocarea datelo r si transmisie ;
-costuri scăzute de producție în comparație cu LF RFID ;
-memorie mare ;
Dezavantaje :
-distanță de citire scurtă ;
-mici probleme cu medii ce conțin lichide sau metale ;
Sisteme RFID UHF
Operează î n intervalul 860 -960 MHz.
Avantaje :
-dista nța de citire de la câțiva centimetri la 10 metri ;
-performan ță buna în transmiterea datelor ;
Dezavantaje:
-probleme în prezenț a metalelor , lichidelor ;
-memorie mai mică față de HF RFID ;
[4][5]
Sistemele RFID sunt clasificate din pun ct de vedere al memoriei astfel :
READ ONLY (RO) ș i READ -WRITE(RW).
Standardizarea sistemelor RF -ID este reglementată printr -o serie de documente emise de ISO
(International Organization for Standardisation):
Standardul RFID – ISO 18000 -1 – parametrii generali;
Standardul RFID – ISO 18000 -2 – pentru frecvențe de operare sub 135 kHz;
Standardul RFID – ISO 1800 0-3 – pentru frecvența de operare de 13,56 MHz;
Standardul RFID – ISO 18000 -4 – pentru frecvența de operare de 2,45 GHz;
Standardul RFID – ISO 18000 -6 – pentru frecvențe de operare cuprinse între 860 și 960 MHz;
Standardul RFID – ISO 18000 -7 – pentru frecvența de operare de 433 MHz;
11 Un sistem RFID (Fig 1.2 ) este compus din 3 componente :
I. Tag de radiofrecvență (transponder)
II. Cititor
III. Calculator / Sistem de procesare a datelor (Host System)
Fig 1. 2 Sistem RFID [6]
Tag de radiofrecvență (transponder)
Acest dispozitiv de recepție -transmisie automată poate să fie împarțit din două puncte de vedere.
Un criteriu important de distincție al diferitelor sisteme RFID este modul în care alimentarea cu
energie a transponderul funcționează. Aici distingem transponderele pasive și cele active.
Tag-urile pasive nu au nici o sursă de alimentare. Prin intermediul antenei transponderului, câmpul
magnetic sau câmpul electromagnetic al cititorului furnizează energia necesară pentru operarea
transponderului.
Pentru a transmite datele de la tag catre cititor, câmpul cititorului poate să fie modulat sau tag -ul
poate sto ca intermediar, pentru o perioadă scurtă de timp, energie din câmpul cititorului.Aceasta
înseamnă că energia emisă de cititor este utilizată pentru transmisia de date atât de la cititor la
transponder cât si de la transponder la cititor.Dacă transponderul este situat în afara ariei de citire,
transponderul nu are nicio sursă de alimentare și, prin urmare, nu va putea trimite semnale.
Tag-urile active au propria lor sursă de energie, de ex. sub forma unei baterii sau a unei celule
solara. Aici sursa de alime ntare este utilizată pentru a furniza tensiune la cip. Câmpul magnetic sau
electromagnetic primit de la cititor nu mai este necesar pentru alimentarea cu energie a cipului.
De asemenea, câmpul poate fi mult mai slab decât câmpul necesar pentru operarea unu i transponder
pasiv.Această condiție poate mări considerabil intervalul de comunicare dacă transponderul este
capabil sa detecteze semnalul cititorului mai slab.
Dar chiar și un tag activ RFID nu este capabil să genereze un semnal de înaltă frecvență propr iu,
poate doar modula câmpul cititorului pentru a transmite date între transponder și cititor, similar cu
procedura din transponderele pasive. Astfel, energia din sursa proprie de alimentare a
transponderului nu contribuie la transmiterea de date de la tra nsponder pentru cititor.
12 Deoarece atât transponderele RFID pasive, cât și cele active au nevoie de câmpul magnetic sau
câmpul electromagnetic al cititorului pentru transmiterea datelor, există restricții fizi ce care
limitează substanțial câ mpul de citire realizabil.
[4]
În tabelul 1 .1 se pot observa principalele avantaje/dezantaje a tag -urilor pasive/active.
Tabel 1. 1 Tag-uri Active/Pasive
Din punct de vedere a memoriei : Tag -urile cu memo rie RO sunt programate o singură dată ș i nu
pot fi modificate.Tag -urile cu memorie RW , numit e și ―smart‖ tags , pot stoca un volum de date
destul de mare, aceste date putând sa fie șterse ș i rescrise de mii de ori.
Tag-ul RFID este alcă tuit din :
– Cip Integrat (IC) care controlează comunicația cu cititorul(conține o memorie care este
activată odata cu comunicaț ia)
– Antena
– Suport
În figura 1.3 sunt ilu strate cele 3 componente, iar î n figura 1.4 procesul de producți e a unui astfel
de tag.
Fig 1. 3 Componente tag[7]
Tip Tag Avantaje Dezavantaje
Tag activ -reducerea energiei
necesare generate de
cititor ;
-mare distanță de citire ; -durată de viață scurtă
datorită bateriei ;
-preț ridicat ;
-destul de masive ;
Tag Pasiv -dimensiuni mici ;
-durată de viață lungă ;
-ieftine ; -distanță de citire redusă ;
13
Fig 1. 4 Procesul de producție al unui tag [8]
Policlorura de vinil (C2H3Cl) -PVC este o substanță din categoria materialelor termoplastice cu
o structură amorfă.
Există 2 tipuri de de PVC:
– „forma dură‖
– „forma moale‖ la care s -au adăugat stabilizatori.
Cea mai răspândită este forma moale și este adecvată prelucrărilor tehnice .
Policlorura de vinil ia naștere prin polimerizarea (legarea) monomerelor de clorură de vinil
(CH2 = CHCl )
[9]
Polietilena tereftalat ( PET-ul ) este cea mai obișnuită rășină polimerică termoplastică din familia
poliesterică și este utilizată în fibre pentru îmbrăcăminte, containere pentru lichide și alimente,
termoformare pentru fabricare și în combinație cu fibră de sticlă pentru rășini tehnice.
PET este format din unități polimerizate ale monomerului etilen tereftalat, cu unități repetate
(C10H8O4). [10]
Beneficii pe care le oferă plasticul PET:
Versatil – plasticul PET poate fi termoformat pe ntru o varietate de aplicații. Deși materialul este
ușor, acesta este suficient de puternic pentru a rezista la elementele exterioare pentru multe aplicații.
Mai sigur pentru depozitarea materialelor, precum produsele electronice .
Durabilitate sporită -PVC este un material plastic rigid, care are o anumită durabilitate. De -a lungul
timpului, materialul se poate descompune de la expunerea la raze ultraviolete – ceva care nu este
14 ideal. Cu toate acestea, plasticul PET este proiectat să reziste la razele UV, c eea ce îl face o alegere
potrivită pentru tag-utile RFID. [11]
Cerneala conductiv ă este o cerneală care are ca rezultat un obiect imprimat care conduce
electricitate. Este de obicei creat prin infuzarea de grafit sau alte materiale conductive în cerneală.
Circuitele cu c erneală conducătoare pot fi o modalitate mai economică de a stabil i urme moderne
conductive în comparație cu standardele industriale tradiționale, cum ar fi gravarea cuprului de
substraturi placate cu cupru pentru a forma aceleași urme conductive pe substraturile relevante,
deoarece tipărirea este un procedeu pur aditiv care p roduce puțin sau deloc fluxuri de deșeuri care
trebuie apoi recuperate sau tratate. [12]
Flip-chip este o metodă de interconectare a dispozitivelor semiconductoare, cum ar fi IC (circuitele
integrate) și sistemele m icroelectromecanice (MEMS), la circuitele externe cu bombe de lipire care
au fost depuse pe plăcuțele de cip. [13]
Rășina epoxidică este un polimer termoreactiv cu avantaje precum rezistență la stresul termic și
rezistenta la degradare in timp . Polimerii termoreactivi nu se topesc. La temperaturi ridicate ei se
descompun. Acești polimeri, de regulă au o structură tridimensională și real toată bucata de polimer
reprezintă o moleculă unică. [14]
Cititor
Cititorul este alcă tuit din componente electronice care emit si r ecepționează un semnal spre ș i
de la tag -ul RFID. Acesta conț ine:
– microcontroler care verifică și decodifică datele recepț ionate
– antena
– memorie care înregistrează datele pentru o transmisie viitoare
Antena sistemelor RFID
Din cauza lungimilor de unde lungi și a semnalelor radio de frecvenț e joase, antena sitemelor LF și
HF trebuie să fie mult mai mare în comparaț ie cu an tena sistemelor UHF pentru a o bține un semnal
de câștig comparabil. Acest lucru int ră în conflict cu producerea t ag-urilor RFID deoarece se
dorește ca acestea să fie de dimensiuni mici ș i costuri reduse, fapt ce determină un interval de citire
redus pentru sistemele LF si HF.
Frecvența în care se operează afecteaza tipul antenei folosit î n sistemele RF.
Pentru sistemele LF si HF se foloseș te cuplajul inductiv ș i antene inductive (de tip buclă ).
Pentru sistemele UHF, c uplajul capacitiv este folosit ș i antenele sunt de tip dipol.
În Fig 1.5 se poa te observa o antena de tip buclă pentru un sistem LF sau HF, iar în Fig 1.6 o antenă
de tip dipol pentru un sistem UFH.
15
Fig 1. 5 Antena de tip bucla pentru RFID [15]
Fig 1. 6 Antena de tip dipol pentru RFID [16]
Cititorul emite un câmp electromagnetic într -o zonă a cărei mărime depinde de frecvența
sistemului si dimensiunile antenei.
Dacă un RFID tag trece prin zona specificată, cititorul î i va transmi te un semnal pentru ca tag -ul să
începa să comunice informațiile stocate în memorie.
Semnalul generat de cititor oferă atât informații temporale cât ș i suficientă energie tag -ului pentru
a-i asigura funcționarea(în cazul î n care tag -ul este unul pasiv,neavând baterie internă ).
Informațiile de timp sincronizează comunicația dintre tag si cititor .Atâta timp cât tag -ul este
alimentat el parcurge o serie de secvențe ce permit adresarea unor locații de memorie, datele
citite fiind transmise înapoi cititorului.
CRC (Verifi carea ciclului de redundanță) este un algoritm de verificare pentru a detecta incoerența
datelor, de ex. bit în timpul transmiterii datelor.
O sumă de control, calculată de CRC, este atașată datelor pentru a ajuta receptorul să detecteze
astfel de erori. CRC se bazează pe împărțire. Datele efective de intrare sunt interpretate ca un flux
de biți lungi binar care este împărțit de un alt număr binar fix (divizor). Restul acestei diviziuni este
valoarea sumelor de control.
Dacă datele sunt valide, sunt tr ansmise apoi unui computer prin intermediul unui protocol de
comunicație . [1]
16 Principiile fundamentale de operare
1.Transponder 1 -bit
Un bit este cea mai mică unitate de informație care poate fi reprezentată și are doar două stări: 1 și
0. Aceasta înseamnă că numai două stări pot fi reprezentate de sisteme bazate pe un transponder de
1 bit: "transponderul se află în zona de interog are" ș i " transponder nu se află în zona de interogare
". În ciuda acestei limitări, transponderele pe un bit sunt foarte răspândite – domeniul lor principal
de aplicare este în dispozitive electronice antifurt în magazine (EAS, supraveghere electronică a
artico lelor).
Un sistem EAS este alcătuit din următoarele componente: antena unui cititor sau interogator,
elementul de securitate sau o etichetă și un dispozitiv opțional de dezactivare pentru dezactivarea
etichetei după plată. Unele sisteme includ, de asemenea , un activator, care este folosit pentru a
reactiva elementul de securitate după dezactivare. Caracteristica principală de performanță pentru
toate sistemele este rata de recunoaștere sau detecție în raport cu lățimea porții (distanța maximă
dintre transpo nder și antena de interogator). [4]
Radiofrecvență
Procedura de radiofrecvență (RF) se bazează pe circuite rezonante LC ajustate la o frecvență
rezonantă definită fR. Versiunile anterioare au folosit rezistențe inductive din sârmă de cupru
emanată din rășină, cu un condensator lipit din plastic (etichetă t are). Sistemele moderne folosesc
bobine gravate între folii sub formă de etichete lipite.
Pentru a se asigura că rezistența la amortizare nu devine prea mare și reduce calitatea circuitului
rezonant la un nivel inacceptabil, grosimea șinelor de conducere din aluminiu , pe folia de
polietilenă groasă de 25 μm , trebuie să fie de cel puțin 50μm.
Cititorul (detectorul) generează un câmp magnetic alternativ în domeniul frecvențelor radio.
Dacă circuitul rezonant LC este mutat în vecinătatea câmpului magnetic alternativ , energia din
câmpul alternativ poate fi indusă în circuitul rezonant prin bobinele sale (legea lui Faraday). Dacă
frecvența fG a câmpului alternativ corespunde cu frecvența rezonantă fR a circuitului rezonant LC,
circuitul rezonant produce o oscila ție.
[4]
Curentul curge în circuitul rezonant ca rezultat al acționării împotriva cauzei sale, adică acționează
împotriva câmpului magnetic alternativ ext ern . Acest efect este remarcat ca rezultat al unei mici
modificări a căderii de tensiune pe bobina generatorului emițătorului și duce, în cele din urmă, la o
slăbire a intensității câmpului magnetic măsurabil. O schimbare a tensiunii induse poate fi de
asemenea detectată într -o bobină senzorică opțională , de îndată ce un circuit oscilant rezonant este
adus în câmpul magnetic al bobinei de generare.
17
Fig 2. 1 Principiul de funcționare al procedurii de radiofrecvență EAS[4]
Mărimea relativă a acestei scăderi depinde de spațiul dintre cele două bobine (bobină de generator –
element de securitate, element de securitate – bobină de senzori) și de calitatea circuitului rezonant
indus (în elementul de securitate).
Mărimea relativă a variațiilor tensiunii la bobinele de generator și senzori este, în general, foarte
scăzută și astfel dificil de detectat. Cu toate acestea, semnalul ar trebui să fie cât mai clar posibil,
astfel încât elementul de securitate să poată fi detectat în mod fia bil.
Acest lucru este realizat astfel: frecvența câmpului magnetic generat nu este constantă, aceasta
înseamnă că frecvența generatorului trece treptat intervalul dintre minim și maxim.
Ori de câte ori frecvența generatoarului corespunde exact cu frecvența de rezonanț ă a circuitului
rezonant (în transponder), transponderul începe să oscileze, producând o scădere clară a tensiunii
generatorul ui și bobinele senzorilor. Frecvențele de toleranță ale elementului de securitate, care
depind de toleranțele de fabri cație și variază în prezența unui mediu metalic, nu mai joacă un rol al
"scanării" întregului interval de frecvență.
Deoarece etichetele nu sunt îndepărtate la magazin, ele trebuie să fie modificate astfel încât să nu
activeze sistemul antifurt. Pentru a r ealiza acest lucru, casierul plasează produsul protejat într -un
dispozitiv – deactivatorul – care generează un câmp magnetic suficient de mare încât tensiunea
indusă distruge condensatorul de folie al transponderului. Condensatoarele sunt proiectate cu pun cte
intenționate de scurtcircuit.
Microunde
Sistemele EAS din gama de microunde exploatează generarea de armonici la componente cu linii
caracteristice neliniare (de exemplu, diode). Armonica unei tensiuni sinusoidale A cu o frecvență
definită fA este o t ensiune sinusoidală B, a cărei frecvență fB este un multi plu întreg al frecvenței
fA. Sub armoniciile frecvenței fA sunt astfel fre cvențele 2fA, 3fA, 4fA etc. N multiplu al frecvenței
de ieșire este denumita armonica N ; frecvența de ieșire în sine este num ită prima armonică.
18 În principiu, fiecare rețea cu două terminale, cu o caracteristică neliniară, generează armonici la
prima armonică. În cazul rezistențelor neliniare, totuși, energia este consumată, astfel încât numai o
mică parte a primei puteri armoni ce se transformă în oscilație armonică. În condiții favorabile,
multiplicarea lui f la n × f are loc cu o eficiență de η = 1
𝑛2. Cu toate acestea, dacă se folosește pentru
multiplicare stocarea energiei neliniare, atunci în cazul ideal nu există pierderi . Diodele capacitive
sunt magazine de energie neliniară deosebit de potrivite pentru multiplicarea frecvențelor.
Amplasarea unui transponder pe un bit pentru generarea de armonici este extrem de simplă: o diodă
capacitiva este conectată la baza unui dipol a justat la unda purtătoare .Dat ă fiind o frecvență a
undelor purtătoare de 2,45 GHz, dipolul are o lungime totală de 6 cm. Frecvențele undelor
purtătoare folosite sunt 915 MHz (în afara Europei), 2,45 GHz sau 5,6 GHz. Dacă transponderul
este situat în inter valul emițătorului, atunci fluxul de curent din diodă generează și re -emite
armonici ale undei purtătoare. Semnale distinctive deosebite se obțin la două sau trei ori mai mare
decât unda purtătoare, în funcție de tipul de diodă utilizat.
Fig 2. 2 Circuitul de bază și formatul tipic de construcție al unei etichete cu microunde[4]
Transponderele de acest tip turnate în plastic (etichete grele) sunt folosite în principal pentru
protejarea produselor textile. Etichetele sunt elimina te la momentul în care bunurile sunt plătite și
apoi sunt reutilizate. Dacă amplitudinea sau frecvența undei purtătoare este modulată (ASK, FSK),
atunci toate armonicile încorporează aceeași modulație. Aceasta poate fi utilizată pentru a distinge
semnalele de "interferență" și "utile", prevenind alarmele false cauzate de semnalele externe.
Divizor de frecvență
Această procedură funcționează în intervalul 100 -135.5kHz. Etichetele de securitate conțin un
circuit semiconductor (microcip) și o bobină rezonantă de circuit realizată din cupru ranforsat.
Circuitul rezonant este făcut să rezoneze la frecvența de operare a sistemului EAS , folosind un
condensator lipit. Aceste transpondere pot fi obținute sub formă de etichete dantelate (plastic) și
sunt eli minate atunci când sunt achiziționate bunuri.
19 Microcipul din transponder pr imește alimentare de la câmpul magnetic al dispozitivului de
securitate. Frecvența la bobina auto -inductivă este împărțită la doi prin microcip și trimisă înapoi la
dispozitivul de securitate. Semnalul la jumăt ate din frecvența inițială este alimentat în bobina de
rezonanță.
Câmpul magnetic al dispozitivului de securitate este pulsat la o frecvență mai mică (modulat ASK)
pentru a îmbunătăți rata de detecție. Similar modului de genera re a armonicilor, modularea undelor
purtătoare (ASK sau FSK) este menținută la jumătate din frecvență (subarmonic). Aceasta se
utilizează pentru a diferenția "interferențe le" și " semnalele utile". Acest sistem elimină aproape în
totalitate alarmele false.
Antenele de cadru, similare cu cele cunoscute din sistemele RF, sunt utilizate ca antene de senzori.
Fig 2. 3 Schema de bază a procedurii de divizare a frecvenței EAS: eticheta de securitate
(transponder) și detectorul (dispoziti vul de evaluare)[4]
Tipuri electromagnetice
Tipurile electromagnetice funcționează utilizând câmpuri magnetice puternice în domeniul NF de la
10 Hz până la aproximativ 20 kHz. Elementele de securitate conțin o bandă magnetică moale
amorfă cu o curbă de histerezis cu flancuri abrupte .Magnetizarea acestor benzi este inversată
periodic, iar benzile duse la saturație magnetică de către un câmp magnetic alternativ puternic.
Relația semnificativ neliniară dintre intensitatea câmpului aplicat H și densitatea f luxului magnetic
B aproape de saturație, plus schimbarea bruscă a densității de flux B în apropierea trecerii zero a
intensității câmpului aplicat H, generează armonici la frecvența de bază a dispozitivului de
securitate și aceste armonice pot fi recepțion ate și evaluate de dispozitivul de securitate.
Tipul electromagnetic este optimizat prin suprapunerea secțiunilor de semnal suplimentare cu
frecvențe mai mari asupra semnalului principal.Nelinearitate a marcată a curbei de histereză (a
benzii) generează nu n umai armonici, ci și secțiuni de semnal sumare și frecvențe diferențiale ale
semnalului furnizat.
Pentru dezactivare, etichetele sunt acoperite cu un strat de metal magnetic dur sau acoperite parțial
cu plăci magnetice tari. La casier, casierul rulează un magnet permanent puternic de -a lungul
metalului pentru dezactivarea elementelor de securitate. Acest lucru magnetizează magneticul dur al
plăci metalice.
Etichetele pot fi reactivate oricând prin demagnetizare. Procesul de dezactivare și reactivarea poate
fi efectuată de mai multe ori.
20 Din acest motiv, protecția bunurilor electromagnetice sistemele au fost inițial utilizate în principal
în bibliotecile de creditare. Deoarece etichetele sunt și ieftine, aceste sisteme sunt acum utilizate
din ce în ce mai mult în industria alimentară.
Pentru a rea liza câ mpul necesar pe ntru demagnetizarea benzilor, câ mpul este generat de două
sisteme de bobine în coloanele din ambele părți ale unui pasaj îngust. Câteva bobine individuale, de
obicei de la un numar de la 9 la 12, sunt situate în tre cei doi piloni, iar acestea generează câ mp
magnetic slab în centru și câmp magnetic puternic in exterior .
Acustomagnetic
Siste mele acoustomagnetice pentru elementele de securitate constau in cutii de plastic extrem de
mici în jur de 40 mm lungime, 8 -14 mm lățime, în funcție de design, și doar 1 mm înălțime.
Cutiil e conțin două benzi metalice, bandă magnetică dură conectată perma nent la cutia de plastic,
plus o bandă realizată din metal amorf, poziționat astfel încât să fie liber să vibreze mecanic .
Metalele feromagnetice (nichel, fier etc.) se modifică ușor în lungime , într-un câmp magnetic , sub
influența forței câmpului magneti c. Acest efect se numește magnetostricție și rezultă din
schimbare a mică a distanței interatomică ca rezultat al magnetizării.
Într-un câmp magnetic alternativ, o bandă de metal magnetostrictivă vibrează în direcția
longitudinală , la frecvența câmpului. Amplitudinea vibrațiilor este deosebit de ridicată dacă
frecvența câmpul magnetic alternativ corespunde cu cel al frecvenței (rezonante) a benzii metalice
(acustice). Acest efect este marcat în mod special în materiale amorfe.
Factorul decisiv este faptul că efectul magnetostrictiv este de asemenea reversibil. Acest lucru
înseamnă că o banda metalică magnetostrictivă care oscileaza, emite un câmp magnetic alternativ.
Sistemele de securitate acoustomagnetice sunt concepute astfel încât frecvența câmpu lui magnetic
generat coincide cu frecvențele rezonante ale benzilor metalice din elementul de securitate.
Bandă metalică începe să oscileze sub influența câmpului magnetic. În cazul în care câmpul
magnetic alternativ este oprit după o anumită perioadă de t imp, banda magnetică excitată continuă
să oscileze un timp, și astfel ea însăși generează un câmp magnetic alternativ care poate fi ușor
detectat de către sistemul de securitate.
Marele avantaj al acestei proceduri este că sistemul de securitate nu transm ite în sine, în timp ce
elementul de securitate răspunde și receptorul de detectare poate fi proiectat cu un dispozitiv
corespunzător gradului de sensibilitate.
În starea lor activată, elementele de securitate acoustomagnetice sunt magnetizate. Pentru a
dezactiva elementul de securitate, trebuie să fie demagnetizată banda metalică magnetică dură.
2. Procedure full -duplex si semi -duplex
Spre deosebire de transponderele de 1 bit, care exploatează în mod normal efecte fizice simple
transponderele descrise în această secțiune utilizează un microcip ca dispozitiv de transmisie a
datelor.
Aceasta are o capacitate de stocare a datelor între câ tiva octeți și mai mult de 100 kilobytes. Pentru
a citi sau scrie pe dispozitivul de transmisie a datelor trebuie să fie posibil sa se transfere date între
cititor și transponder și apoi înapoi de la transponder la cititor.
Acest transfer are loc în conformitate cu una din cele două proceduri principale: full -duplex și
semi -duplex, care sunt descrise în această secțiune, și sisteme secvențiale .
21 În procedura semi -duplex, transferul de date de la transponder la cititor alternează cu transfer de
date d e la cititor la transponder.
În procedura full -duplex transferul de date de la transponder la cititor(up -link) are loc în același
timp cu transferul de date de la cititor la transponder(down -link) .
În sistemele secvențiale transferul de energie de la t ransponder la cititor are loc pentru o perioadă
limitată de timp (funcționeaza cu impulsuri). Transf erul de date de la transponder la cititor apare în
pauzele de alimentare că tre transponder.
În figura de mai jos se poate observa o reprezentare a sistemlor full-duplex(FDX), half –
duplex(HDX) si secventiale(SEQ) de -a lungul timpului.
Datele transportate de la cititor catre tag poarta denumirea de down -link, iar datele transportat e de la
tag catre cititor poartă denumirea de up -link. [4]
Fig 2. 4 Sistem FDX, HDX si SEQ[4]
Cuplaj inductiv
Cuplajul inductiv pentru alimentarea cu energie a transponderelor pasive
Un transponder cuplat inductiv cuprinde un dispozitiv electronic de transmisie a datelor, de obicei
un singur dispozitiv microcip și o bobină care funcționează ca o antenă.
Transponderii cuplați în mod inductiv sunt aproape întotdeauna acționați pasiv. Aceasta înseamnă
că toată energia necesară pentru funcționarea microcipului trebuie să fie furni zată de către cititor.
În acest scop, bobina ant enei cititorului generează un câ mp electromagnetic puternic, de înaltă
frecvență care penetrează secțiunea transversală a zonei bobinei și zona din jurul bobinei. Deoarece
lungimea de undă a intervalului de frecvență utilizat (<135 kHz: 2400 m, 13,56 MHz: 22,1 m) este
de câteva ori mai mare decât distanța dintre antena cititorului și transponder, câmpul
electromagnetic
poate fi tratat ca un câmp magnetic alternativ .
22 O mică parte din câmpul emis penetreaza b obina antenei tr ansponderului, care este la distanță de
bobina cititorului. O tensiune Ui este generată prin inductanță în antena bobinei transponderului.
Această tensiune este rectificată și servește ca sursă de alimentare pentru transportul de date .
Un condensator Cr este conectat în paralel cu bobina antenei cititorului, capacitatea acestui
condensator fiind selectata astfel încât să funcționeze cu inductivitatea bobinei pentru a forma un
circuit rezonant paralel cu o frecvență de rezonanță care coresp unde cu frecvența de transmisie a
cititorului.
Curenții foarte mari pot fi generați în bobina antenei cititorului prin rezonanță și în circuitul
rezonant paralel, care poate fi utilizat pentru a genera forțele necesare pentru funcționarea
transponderului la distanță.
Fig 2. 5 Alimentarea cu energie a unui transponder cuplat inductiv din energia câmpului generat de
cititor[4]
Bobina antenei transponderului și condensatorul C1 formează un circuit rezonant reglat la frecvența
de transmisie a cititorului. Tensiunea U la bobina transponderului atinge un maxim datorită
intensificării rezonanței în circuitul rezonant paralel.
Structura celor două bobine poate fi, de asemenea, interpretată ca un transformator (cuplaj de
transformator), în caz ul în care există numai o cuplare foarte slabă între cele două înfășurări.
Eficiența puterii transferulului între bobina antenei cititorului și transponder est e proporționala cu
frecvența de operare f, numărul de înfășurări n, aria A închisă de bobina transponderului, unghiul
ditre cele două bobine relative una față de celălalta și distanța dintre cele două bobine.
Pe măsură ce frecvența f crește, inductanța ne cesară a bobinei transponderului și numărul de
înfășurări n , scade.
Deoarece tensiunea indusă în transponder este încă proporțională cu frecvența f, numărul redus de
înfășurări abia afectează eficiența transferului de putere la frecvențe mai mari.
Cuplaj electromagnetic
Alimentarea cu energie a transponderului
Sistemele RFID în care decalajul dintre cititor și transponder este mai mare de 1 m sunt numite
sisteme cu rază lungă de acțiune. Aceste sisteme funcționează la frecvențele UHF de 868 MHz
(Europa) și 915 MHz (SUA), iar la frecvențele cu microunde de 2,5 și 5,8 Ghz.
23
Fig 2. 6 Circuitul de bază al unui transponder cu frecvență subarmonică. Semnalul de recepție primit
este împărțit în două, datele sunt modulate și introduse în bobina transponderului.[4]
Pentru a putea evalua energia disponibilă pentru funcționarea unui transponder, calculăm mai întâi
pierderea spațiului liber aF în raport cu distanța r între transponder și antena cititorului, câștigul GT
și GR al antenei transponderului și al cititorului , plus frecvența de transmisie f a cititorului:
aF = −147.6 + 20log (r) + 20log (f) − 10log (GT) − 10log (GR) (2.1)
Căderea spațiului liber este o măsură a relației dintre puterea RF emisă de un cititor în spațiul liber
și puterea RF recepționată de către transponder.
Folosind tehnologia semiconductoarelor cu curent redus, pot fi produse cip -uri de transponder cu un
consum de energie de cel mult 5 μW .
Eficiența unui redresor integrat poate fi presupusă a fi de 5 -25% în gama UHF și microunde .
Având o eficiență de 10%, avem nevoie de o putere primită de Pe = 50μW la terminalul antenei
transponderului pentru funcționarea cipului transpond erului.
Aceasta înseamnă că, în cazul în care puterea de transmisie a cititorului este Ps = 0,5W EIRP
(putere izotropă efectivă radiată), pierderea spațiului liber nu poate depăși 40dB (Ps / Pe = 10000/1)
dacă se obține o putere suficient de mare la anten a transponderului pentru funcționarea
transponderului.
În cazul în care transponderul se îndepărtează de limitele cititorului, cipul trece automat în modul
de reducere a consumului de energie. În această stare, consumul de energie este de cel mult câțiva
μA.
Cipul nu este reactivat până când nu este recepționat un semnal suficient de puternic în domeniul
citirii unui cititor, după care acesta va reveni la funcționarea normală.
Cu toate acestea, bateria unui transponder activ nu oferă niciodată energie p entru transmiterea de
date între transponder și cititor, ci servește exclusiv pentru alimentarea microcipului.
Transmisia de date între transponder și cititor se bazează exclusiv pe puterea câmpului
electromagnetic emis de cititor.
24
Cuplare strânsă
Alime ntarea cu energie a transponderului
Sistemele de cuplare apropiate sunt proiectate pentru intervale cuprinse între 0,1 cm și maximum 1
cm.
Astfel, transponderul este introdus în cititor sau este plasat pe o suprafață marcată ("touch and go")
pentru funcționare.
Introducerea transponderului în cititor sau plasarea acestuia pe cititor permite ca bobina
transponderului să fie poziționată cu precizie în spațiul de aer al unui miez în formă de inel sau în
formă de U.
Modulul funcțional al bobinei transpon derului și al bobinei cititoare corespunde cu cel al unui
transformator. Cititorul reprezintă bobina primară, iar bobina transponderului reprezintă bobina
secundară a unui transformator. Un curent alternativ de înaltă frecvență în bobina primară generează
un câmp magnetic de înaltă frecvență în miez și un spațiu de aer al dispozitivului, care, de
asemenea, curge prin bobina transponderului. Această putere este rectificată pentru a furniza o sursă
de alimentare a cipului.
Deoarece tensiunea U indusă în bobin a transponderului este proporțională cu frecvența f a
curentului incitant, frecvența selectată pentru transferul de putere trebuie să fie cât mai mare posibil.
În practică, se folosesc frecvențe în domeniul 1 -10 MHz. Pentru a menține pierderile scăzute în
miezul transformatorului, trebuie să fie selectat ca material de bază un material de ferită adecvat
acestei frecvențe.
Deoarece, spre deosebire de sistemele cu cuplaj inductiv sau cu microunde, eficiența transferului de
putere de la cititor la transponder este foarte bună, sistemele de cuplare apropiate sunt foarte
potrivite pentru funcționarea de jetoane cu un consum mare de energie. Acestea includ
microprocesoare, care necesită încă o putere de 10mW pentru funcționare . Din acest motiv,
sistemele de cipur i de pe piață au microprocesoare.
Parametrii mecanici și electrici ai cartelelor cu cipuri de legătură fără contact sunt definiți în
standardul lor, ISO 10536. Pentru alte modele parametrii de operare pot fi definiți liber.
Fig 2. 7 Transponder de cuplare rapidă într -un cititor de inserție cu bobine magnetice de cuplare[4]
25
Cuplaj electric
Alimentarea cu energie a transponderului
În sistemele cuplate electric (adică capacitiv), cititorul generează un câmp electric puternic, de
înaltă frecvență. Antena cititorului este alcătuită dintr -o zonă electrică (electrod) conductivă, în
general o folie metalică sau o placă metalică.
Dacă se aplică o tensiune de înaltă frecvență la electrod, se formează un câmp electric de înaltă
frecvență între electrod și potențialul de împământare (masă) -Fig 4.8 .
Tensiunile necesare pentru acest lucru, variind într e câteva sute de volți și câțiva mii de v olți, sunt
generate în cititor prin creșterea tensiunii într -un circuit rezonant alcătuit dintr -o bobină L1 din
cititor, plus conexiunea paralelă a unui condensator intern C1 și capacitatea activă dintre electrod și
potențialul de împământare 𝐶𝑅−𝐺𝑁𝐷,. Frecvența rezonantă a circuitului rezonant corespunde
frecvenței de transmisie a cititorului.
Antena transponderului este alcătuită din două suprafețe conductive situate într -un plan (electrozii).
Dacă transponderul este plasat în câmpul electric al citit orului, atunci apare o tensiune electrică
între cei doi electrozi ai transponderului , care este utilizat ă pentru a alimenta cipurile
transponderului.
Fig 2. 8 Un sistem cuplat electric care utilizează câmpuri electrice (electrostatice) pentru
transmiterea energiei și datelor [4]
Deoarece un condensator este activ atât între transponder și antena de transmisie ( 𝐶𝑅−𝑇), cât și între
antena transponderului și potențialul de împământare ( 𝐶𝑇−𝐺𝑁𝐷), schema de circuit ec hivalent pentru
26 cuplarea electrică poate fi considerată într -o formă simplificată drept divizor de tensiune cu
elementele 𝐶𝑅−𝑇, 𝑅𝐿(rezistența de intrare a transponderului) și 𝐶𝑇−𝐺𝑁𝐷. Atingerea unuia dintre
electrozii transponderului are ca rezult at capacitatea 𝐶𝑇−𝐺𝑁𝐷, și deci și intervalul de citire, devenind
semnificativ mai mare.
Curenții care curg pe suprafețele electrodului transponderului sunt foarte mici. Prin urmare, nu sunt
impuse cerințe speciale asupra conductivității materialului electrodului.
Suplimentar față de suprafețele metalice obișnuite (folia metalică), electrozii pot astfel să fie de
asemenea realizați din culori conductive (de exemplu o pastă conductivă de argint) sau un strat de
grafit .
Fig 2. 9 Schema de circuit echivalent a unui sistem RFID cuplat electric[4]
Dacă un transponder cuplat electric este plasat în zon a de interogare a unui cititor, rezistența de intrare 𝑅𝐿a
transponderului acționează asupra circuitului rezonant al cititoru lui prin intermediul capacității de cuplare
𝐶𝑅−𝑇 activă între cititor și electroz ii transponderului , amortizând circuitul rezonant puțin.
Această amortizare poate fi schimbată între două valori prin comutarea rezistor de modulare 𝑅𝑚𝑜𝑑 (pornit –
oprit).
Comutarea pornit -oprit a rezistorului de de modulaț ie 𝑅𝑚𝑜𝑑, generează o modulare de amplitudine a
tensiunii prezente la 𝐿1 și 𝐶1 de cătr e transponderul la distanță.
Comutarea pornit -oprit a rezistorului de modulaț ie 𝑅𝑚𝑜𝑑 în timp cu date , face ca datele să fie transmide
către cititor . Această procedură se numește în cărcarea modulației.
În figura de mai jos este prezentat un exemplu de citire a unui transponder.
27
Fig 2. 10 Tensiunea electrodului necesară pentru citirea unui transponder cu dimensiunea
electrodului a × b =4,5 × 7 cm (formatul corespunde cu un smart card), la o distanță de 1 m (f = 125
kHz) [4]
3. Proceduri secvențiale
Dacă transmisia de date și puterea de la cititor la suportul de date alternează cu transferul de date
de la transponder la cititor, atunci vorbim despre o proce dură secvențială (SEQ).
Cuplare inductiv ă
Sistemele secvențiale care utilizează cuplarea inductivă sunt operate exclusiv la frecvențe mai mici
de 135kHz. O cuplare de tip transformator este creată între bobina cititorului și bobina
transponderului. Tensiunea indusă generată în bobina transponderului prin efectul unui câmp
alternativ din cititor este rectificată și poate fi utilizată ca sursă de alimentare.
Pentru a obține o eficiență mai mare a transferului de date, frecvența trans ponderului trebuie să fie
exact ă cu cea a cititorului, iar calitatea bobinei transponderului trebuie specificată cu atenție. Din
acest motiv, transponderul conține un condensator de decupare pe cip pentru a compensa toleranțele
de fabricație a frecvențelor rezonante.
Cu toa te acestea, spre deosebire de sistemele full -duplex și half -duplex, în sistemele secvențiale
transmițătorul cititorului nu funcționează în mod continuu. Energia transferată la emițător în timpul
operațiunii de transmisie încasează un condensator de încărca re pentru a furniza un depozit de
energie.
28 Cipul transponderului este trecut în modul de așteptare sau în modul de economisire a energiei în
timpul operației de încărcare, astfel încât aproape toată energia primită este utilizată pentru
încărcarea condens atorului de încărcare. După o perioadă de încărcare fixă, transmițătorul
cititorului este oprit din nou.
[4]
Energia stocată în transponder este utilizată pentru a trimite un răspuns cititorului. Capacitatea
minimă a condensatorului de încărcare poate fi calculată pornind de la tensiunea de funcționare
necesară și consumul de energie al cipului:
𝐶=𝑄
𝑈=𝐼𝑡
[𝑉𝑚𝑎𝑥−𝑉𝑚𝑖𝑛] (2.2)
În sistemele secvențiale un ciclu complet de citire constă din două faze:
1. faza de încărcare
2. faza de citire
Sfârșitul fazei de încărcare este detectat de un capăt al detectorului , care monitorizează traseul
tensiunii la bobina transponderului și ast fel recunoaște momentul în care câmpul cititorului este
inchis .
La sfârșitul fazei de încărcare, un oscilator pe cip, care utili zează circuitul rezonant format de către
bobina transponderului , este activat. Un câmp magnetic slab alternativ este generat de bobina
transponderului, iar acesta poate fi rece pționat de către cititor. Acest lucru oferă o distanță
îmbunătățită de interferență a semnalului, de obicei de 20 dB, comparativ cu sistemele full duplex,
care are un efect pozitiv asupra intervalelor care pot fi realizate folosind sisteme secvențiale.
Frecvența de transmisie a transponderului corespunde frecvenței de rezonanță a bobinei
transponder ului, care a fost ajustată la frecvența de transmisie a cititorului atunci când a fost
generat ă.
Pentru a putea modula semnalul RF generat în abse nța unei surse de alimentare , un capacitor
modulator additional este conectat în paralel c u circuitul rezonant în timp cu flux de date. Modulația
in frecvență a transmisiunilor de date rezultată oferă o modulare FSK 2.
După ce toate datele au fost transmise, modul de descărcare este activ at pentru a se descărca
complet încărcarea condensator ului. Acest lucru garantează o resetare sigură a alimentării la pornire
a următorul ului ciclu de încărcare.
Transponder de undă acus tică de suprafață
Dispozitivele de undă acustică de suprafață (SAW) se bazează pe efectul piezoelectric și pe
dispersia suprafaței unei unde elastic, la viteză mică. Dacă un cristal (ionic) este deformat elastic
într-o anumită direcție, apar încărcări de s uprafață, generând tensiuni electrice în cristal (aplicație:
brichetă piezo). Dimpotrivă, aplicarea unei încărcături de suprafață pe un cristal conduce la o
deformare elastică în grila de cristal (aplicație: bu zzer piezo).
Dispozitivele de undă acustică d e suprafață funcționează la frecvențe de microunde, în mod normal
în gama de 2,45 GHz.
Traductoarele electroacustice (traductoarele interdigitale) și reflectori i pot fi creați folosind structuri
de electrod planare pe substraturi piezoelectrice. Substratul normal folosi t pentru această aplicație
29 este litiu niobat sau tantalat de litiu. Structura electrodului este creată de o tehnologie
fotolitografică , similar procedurii utilizate în microelectronică pentru fabricarea circuitelor
integrate.
Figura de mai jo s ilustrează aspectul de bază al unui transponder de undă de suprafață . O structură
de electrod în formă de deget – traductorul interdigital – este poziționată la sfârșitul un ui substrat
piezoelectric lung, iar o antenă dipol adecvată pentru frecvența de op erare este atașată la busbar –
conductor electric care face o conexiune c omună între mai multe circuite.
Traductorul interdigital este utilizat pentru a converti semnalele electrice și undele de suprafață
acustice. Un impuls electric este aplicat busbar -ului, iar acest lucru provoacă o deformare mecanică
pe su prafața substratului datorată efectul ului piezoelectric dintre electrozii (degetele), care se
dispersează în ambele direcții în forma unei unde de suprafață (unde Rayleigh). Pentru un substrat
normal, viteza de dispersie se situează între 3000 și 4000 m / s.
În mod similar, o undă de sup rafață care intră în convertor creează un impuls electric la busbar -ul
traductorului interdigital datorită efectului piezoelectric.
Electrozii individuali sunt pozițion ați de -a lungul lungimii rămase a transponderului de undă de
suprafață.
Marginile electrozilor formează o bandă reflectorizantă și ref lectă o mică parte a intrărilor undelor
de suprafață. Fâșiile reflectorizante sunt în mod normal fabricate din aluminiu .
Un impuls de scanare de înaltă frecve nță generat de un cititor este încărcat de la antena dipolă din
transponderul în traductorul interdigital și este astfel transformat înt r-o undă de suprafață acustică,
care curge prin substrat în direcția longitudinală.
Frecvența undei de suprafață corespunde frecvenței purtătoarei a impulsului de eșantionare.
Frecvența purtătoarei secvenței de impulsuri reflectate și returnat e corespunde astfel frecvenței de
transmisie a impulsului de eșantionare .
O parte din unda de suprafață se reflectă în fiec are dintre benzi le distribuite reflectorizante pe
substrat, în timp ce partea rămasă a unde de suprafață continua să călătorească până la capătul
substratului și să fie absorbită acolo.
Părțile refl ectate ale undei se deplaseaza î napoi la traductorul int erdigital, unde sunt convertite într-
o secvență de impuls de înaltă frecvență și sunt emise de către antena dipolă.
Această secvență de impulsuri poate fi recepționată de cititor. Numărul de impulsuri primite
corespunde numărului benzi lor reflectorizante pe substrat.
De asemenea, întârzierea dintre impulsurile individuale este proporțională cu distanța spațială dintre
fâșiile reflectorizante pe substrat , și astfel aspectul spațial al reflectoarele pot reprezenta o secven ță
binară de cifre. [4]
Datorită vitezei de dispersie lentă a undelor de suprafață de pe sub strat, primul impuls de răspuns
este primit de cititor numai după un timp mort de aproximativ 1,5 ms după transmiterea pulsului de
scanare. Acest lucru oferă avantaje decisive pentru recepția pulsului.
Reflecțiile impulsului de scanare pe suprafețele m etalice ale mediului înconjoară antena cititorului
la viteza luminii.
O reflecție pe o distanță de 100 de met ri față de cititor ar ajunge la cititor după 0,6 ms de la emisia
de la antena cititorului (timpul de deplasare acolo și înapoi, semnalul este amortizat cu > 160 dB).
30 Prin urmare, când semnalul transpond erului revine după 1,5 ms, toate reflecțiile din medi ul
cititorului au murit de mu lt, astfel încât nu pot duce la erori în secvența de impulsuri.
Capacitatea de stocare a datelor și viteza de transfer a datelor de la un transponder de unde de
suprafață depind de dimensiunea substratului și distanța minimă re alizabilă î ntre benzile
reflectorizante pe substrat . În practică, aproximativ 16 -32 de biți sunt transferați la o rată de t ransfer
de date de 500 kbit / s.
Intervalul unui sistem de undă de suprafață depinde în principal de p uterea de transmisie a scanării
puls. La puter ea de transmisie permisibilă în intervalul de frecvență ISM de 2,45 GHz este de
așteptat o distanță de 1 -2 m. În figura de mai jos este prezentată arhitectura unui transponder de
undă acustică de suprafață .
[4]
Fig 2. 11 Layoutul de bază a unui transponder. Traductoarele și reflectoarele transdigitale sunt
poziționate pe cristalul piezoelectric
4.Sistemele NFC(Near -Field Communication)
La prima vedere, sistemele NFC par a nu avea legătură cu sistemele RFID, ele având o interfață de
date fără fir între dispozitive, similară cu tehnologia infraroșu sau bine -cunoscutul Bluetooth. Cu
toate acestea, NFC are mai multe caracteri stici care prezintă interes în ceea ce privește sistemele
RFID.
31 Transmisia de date între două interfețe NFC utilizează câmpuri magnetice alternante, de înaltă
frecvență, în domeniul de frecvențe de 13,56 MHz.
Intervalul maxim de comunicare tipic pentru sis temele NFC este de 20 cm, deoarece
corespondentul de comunicare respectiv este situat în câmpul apropiat al antenei emițătorului; prin
urmare comunicarea se numește comunicare în apropierea câmpului. (near -field communication)
Figura de mai jos ilustrează principiul fizic al transmiterii datelor între două interfețe NFC. Interfața
NFC are un transmițător de 13,56 MHz și un receptor de 13,56 MHz care sunt conectate alternativ
la antena. Antena este proiectată ca o bobină cu suprafață mare sau o bucla de con ductor.
Pentru comunicarea între două interfețe NFC, interfața NFC individuală poate prelua diferite
funcții, adică ale unui inițiator NFC (dispozitiv principal) sau al unui NFC target (dispozitiv slave).
Comunicarea este inițiată întotdeauna de inițiatoru l NFC. În plus, comunicarea NFC face distincția
între două moduri de funcționare diferite, modul activ și pasiv. [4]
Modul activ
Pentru a transmite date între două interfețe NFC în modul activ, la început una dintre interfețele
NFC activează transmițătorul și astfel funcționează ca inițiator NFC. Curentul de înaltă frecvență
care curge în antenă induce un câmp magnetic alternativ H care se extinde în jurul buclei antenei.
O parte a câmpului magnetic indus se deplasează prin buclă de antenă a celeilalte interfețe NFC
situate în apropiere. Apoi, o tensiune U este indusă în bucla antenei și poate fi detectată de
receptorul celeilalte i nterfețe NFC. Dacă interfața NFC primește semnale și comenzile
corespunzătoare ale unui inițiator NFC, această interfață NFC adoptă automat rolul unui obiectiv
NFC.
Pentru transmisia de date între interfețele NFC, amplitudinea câmpului alternant magnetic emise
este modulată (modularea ASK), similar cu transmisia de date dintre cititorul RFID și transponder.
Cu toate acestea, diferența dintre un NFC target în modul a ctiv și un transponder RFID constă în
faptul că câmpul magnetic alternativ trebuie să alimenteze transponderul cu putere pentru a opera
microcipul. Spre deosebire de aceasta, dispozitivul electronic care conține interfața NFC furnizează
interfața cu energi e.
Direcția de transmisie este inversată pentru a trimite date de la ținta NFC către inițiatorul NFC.
Aceasta înseamnă că obiectivul NFC activează transmițătorul, iar inițiatorul NFC trece în modul de
recepție. Ambele interfețe NFC induc alternativ câmpuri magnetice unde datele sunt transmise
numai de la emițător la receptor.
32
Fig 2. 12 În modul activ, interfețele NFC emit câmpuri magnetice pentru transmisia de date[4]
Fig 2. 13 NFC distinge între trei moduri diferite de funcționare: modul activ, modul pasiv care se
împarte în : emularea cititorului și emularea cardului[4]
Modul Pasiv
În modul pasiv, inițiatorul NFC induce un câmp magnetic alternativ pentru transmiterea datelor
către NFC target. Amplitudinea câmpului este modulată în linie cu impulsul datelor care urmează a
fi transmise ( modulare ASK). Totuși, după transmiterea unui bloc de date, câmpul nu este întrerupt,
dar continuă să fie emis într -un mod nemodulat.NFC target -ul este acum capab il să transmită date
inițiatorului NFC generând o modulare a sarcinii. Metoda de modulare a sarcinii este, de asemenea,
cunoscută din sistemele RFID.
33 Utilizarea acestei metode pentru interfețele NFC oferă o serie de avantaje și opțiuni interesante
pentru o perarea practică. Astfel, rolurile diferite ale celor două interfețe NFC din cadrul
comunicației NFC pot fi negociate și modificate în orice moment. O interfață NFC cu alimentare
slabă, de ex. cu o baterie cu capacitate redusă, poate negocia și adopta rolu l NFC target -ului pentru
a economisi energie prin transmiterea datelor prin modularea sarcinii.
Interfața NFC target este, de asemenea, capabilă să stabilească, în plus față de alte interfețe NFC,
comunicarea cu transponderele pasive compatibile (de exempl u, în conformitate cu ISO / IEC
14443) că tinta NFC este alimentată cu energie și că prin intermediul modulației de sarcină
transmite datele către interfața NFC.
Această opțiune permite dispozitivelor electronice echipate cu interfețe NFC, cum ar fi telef oanele
mobile NFC, să citească și să scrie pe diferite transpondere, cum ar fi etichetele inteligente sau
biletele electronice. Deoarece interfața NFC, în acest caz, se comportă similar cu un cititor RFID,
această opțiune este denumită și "modul cititor" s au "modul emitere cititor".
Dacă o interfață NFC este localizată în apropierea unui cititor RFID compatibil (de exemplu
conform ISO / IEC 14443), cititorul NFC poate, de asemenea, să comunice cu un cititor. Aici,
interfața NFC adoptă rolul unei ținte NFC ș i poate transmite date cititorului utilizând modulația de
încărcare. Această opțiune permite cititorilor RFID să facă schimb de date cu un dispozitiv
electronic cu interfață NFC, cum ar fi telefoanele mobile NFC.
Din perspectiva cititorului, dispozitivul electronic se comportă ca o carte inteligentă fără contact;
această opțiune este denumită și "mod de card" sau "mod de emulare de c arduri. [4]
Standardul NFCIP -2 (ECMA -352 și ISO/IEC 21481) extinde specificațiile NFCIP -1, acesta
înglobând stan dardele ISO 14443 (A și B), ISO 15693 și ISO 18092, astfel încât, orice dispozitiv
în standard NFCIP -2 este compatibil cu dispozitivele RFID – un telefon mobil în standard NFC
poate fi folosit pe post de cartelă de acces.
Utilizarea NFC
Sisteme de control al accesului – dispozitivele cu functia NFC sunt utilizate pentru a permite
accesul la diverse resurse. Sunt utilizate pentru accesul în clădiri, pentru activarea sau pornirea
diverselor echipamente – calculatoare, autovehicule, etc.;
Sisteme d e plăți electronice. Telefoanele mobile cu functia NFC pot fi utilizate pentru efectuarea
plăților la comercianți. Informațiile de pe cardul bancar sunt criptate în dispozitivul NFC, plata fiind
posibilă prin simpla apropiere a acestuia de cititorul prezen t la comerciant.
Tag—urile NFC pot fi utilizate în aplicații de realitate augmentată, conținând informații cum ar fi
adresele URL. Tag -urile NFC sunt utilizate și la realizarea cărților de vizită, numărul de telefon și
adresa fiind codificate prin inte rmediul acestora.
Alte aplicații permit scrierea unor tag -uri cu diverse funcții. De exemplu, sunt foarte utilizate tag –
urile ce permit activarea alarmei pe telefonul mobil atunci când acesta este lăsat deasupra unui
astfel de tag.
Transferul de date. În modul peer to peer, două dispozitive cu functia NFC plasate unul lângă
altul, pot transfera informații cu viteze de până la 424 Kbps.
[17]
34
Codificare și modulare
Diagrama bloc di n Figura 5 .1 descrie un sistem de comunicare digitală. În mod similar, transferul
de date între cititor și transponder într -un sistem RFID necesită trei bloc uri funcționale principale.
De la cititor la transponder – direcția transferului de date – acestea sunt:
1. codificarea semnalului (procesarea semnalului ) și modulatorul (circuitul purtător) în cititor
(transmiț ător)
2. mediul de transmisie (canal)
3. demodulatorul (circuitul purtător) și decodificarea semnalului (procesarea semnalului) în
transponder (receptor).
Fig 3. 1 Semnal și flux de date într -un sistem de comunicații digitale[4]
Un sistem de codificare a semnalelor recepționează mesajul de transmis și repre zentarea semnalului
acestuia și îl potrivește optim cu caracteristicile canalului de transmisie. Acest proces implică
furnizarea mesajului cu un anumit grad de protecție împotriva interferențelo r sau coliziunilor și
împotriva modificarea intenționată a anumito r caracteristici ale semnalulu i.
Codarea semnalelor nu ar trebui să fie confundată cu modulația și, prin urmare, este denumită
codificare în baseband -banda de bază .
Modularea este procesul de modificare a parametrilor semnal ului al unui purtător de frecvență
înaltă, și anume : amplitudine, frecvență sau fază, în raport cu un semnal modulat.
Mediul de transmisie transmite mesajul pe o distanță predeterminată. Singurele medii de transmisie
utilizat e în sistemele RFID sunt câmpurile magnetice (cuplaj inductiv) și undele electroma gnetice
(microunde).
Demodularea este o procedură de modulare suplimentară pentru recuperarea semnalului în banda de
bază. Cum mereu există o sursă de informație (intrare) atât în transponder, cât și în cititor și
informați a este astfel transmis ă alternativ în ambele direcții, aceste componente conți n atât un
modulator cât și un demodulator . Acesta este, prin urmare, cunoscut ca un mo dem (modulator –
demodulator).
35 Scopul decodificării semnalului este de a reconstrui mesajul original din semnalul recepționat și
recunoaște orice eroare de transmisie, apoi a o semnala ca atare.
Zero și unu pot fi reprezentați în diferite coduri de linie. Sistemele R FID folosesc în mod normal
unul din următoarele proceduri de codificare: NRZ, Manchester, Unipolar RZ, D BP (bi -fază
diferențială), Miller, codificare diferențială pe codarea PP (pauză de impuls).
La selectarea unui sistem de codare pentru RFID trebuie luate în consi derare diferite condiții limită .
Cel mai important aspect este spectrul de semnal după modular e și susceptibilitatea la erori de
transmisie.
Mai mult, în cazul transponderilor pasivi (în care sursa de alimentare a transponderului este extrasă
din câmpul RF al cititorului), sursa de alimentare nu trebuie întrerup tă de o combinație inadecvată a
codării semnalului și procedurilor de modulare. În figura următoare sunt prezentate diferite
procedure de codificare.
Fig 3. 2 Codarea semnalelor în sistemele RFID
36
Codare NRZ
Un 1 binar este reprezentat de un semnal "înalt", iar un 0 binar este reprezent at de un "low" semnal.
Codul NRZ este utilizat aproape exclusiv cu modularea FSK sau PSK.
Codarea Manchester
Un 1 binar este reprezentat de o tranziție negativă în perioada de jumătate de bit și un 0 binar este
reprez entată de o tranziție pozitivă. Acest ă codare este adesea folosit ă pentru transmiterea de date de
la transponder către cititor, bazat pe încărcare a modulației, utilizând o subpurtătoare.
Codarea unipolară RZ
Un 1 binar este reprezentat de un semnal "high " în timpul primei perioade de jumătate de bit, un
binar 0 este reprezentat de un semnal "low " care durează întreaga durată a bitului.
Codarea DBP
Un 0 binar este codificat printr -o tranziție a oricărui tip în perioada de ju mătate de bit, iar un 1 binar
este codificat de lipsa unei tranziții. În plus, nivelul este inversat la începutul fiecărui perioadă de
bit, astfel încât pulsul de bit să poată fi ma i ușor reconstituit în receptor (daca este necesar).
Codarea Miller
Un 1 bi nar este reprezentat de o tranziție a fiecărui tip în perioada de jumătate de bit , iar un 0 binar
este reprezentat de continuarea nivelului 1 pe următoarea perioadă de bit. O secvență de zero,
creează o tranziție la începutul unei perioade de bit , astfel î ncât impulsul de bit să poată fi mai ușor
de reconstituit în receptor (dacă este necesar).
Codarea Miller modificată
În această variantă a codării Miller, fiecare tranziție este în locuită cu un impuls "negativ". Codarea
Miller modificat ă este foarte potrivit ă în sistemele RFID cuplate inductive pentru transferul de date
de la cititor la transponder. Datorită duratei scurte a pulsului (𝑡𝑝𝑢𝑙𝑠≪ 𝑇𝑏𝑖𝑡) este posibil să se
asigure o alimentare continuă a transponder ului din câmpul RF al cititorului chiar și în timpul
transferului de date.
Codarea diferen țială
Fiecare 1 binar care urmează a fi transmis determină o schimbare (comutare) la nivelul semnalului,
în timp ce nivelul semnalului rămâne neschimbat pentru un zero binar. Co dificarea diferențială
poate fi generată foarte simplu dintr -un semnal NRZ prin utilizarea unei porți XOR și a unui flip –
flop D.
Codificarea puls -pauză
În co darea pulse -pauză (PPC) un 1 binar este reprezentat de o pauză de durată t înainte de următorul
puls; un 0 binar este reprezentat de o pa uză de durată 2t înainte de următoarul puls.
Această procedură de codare este p opulară în sisteme le RFID cuplat e inductiv cu transfer de date de
la cititor la tra nsponder. Datorită duratei scurte a pulsului (𝑡𝑝𝑢𝑙𝑠≪ 𝑇𝑏𝑖𝑡) este posibil să se asigure o
alimentare continuă a transponder ului din câmpul RF al cititorului chiar și în timpul transferului de
date.
37
Energia este radiată de la o antenă în zona înconjurătoare sub formă de unde electromagnetice.
Prin influențarea atentă a unuia dintre cei trei parametri de semnal – puterea, frecvența, poziția de
fază a unei unde electromagnetic, mesajele pot fi codificate și transm ise către orice punct din zonă.
Procedura de influențare a undelor electromagnetice prin mesaje ( date) se numește modulare, și o
undă electromagnetică ne -modulată este numită purtătoare.
Analizând caracteristicile unui val electromagnetic în orice punct al zonei, putem reconstrui mesajul
prin măsurarea schimbării puterii de recepție, a frecven ței sau a poziției fazei a undei . Această
procedură este cunoscută sub denumirea de demodulare.
Tehnologia radio clasică este în mare măsură preocupată de procedurile de modulare analogică.
Având ca bază c ele tr ei variabile principale ale unei unde electro magnetice, există următoarele:
-modularea amplitudinii
-modularea frecvenței
-modularea de fază
Toate celelalte proceduri de modulare care exist ă, sunt derivate din acestea 3.
Procedurile utilizate în sistemele RFID sunt procedurile de modulare digitale ASK ,FSK și PSK .
38
Securitatea sistemelor RFID
Similar cu orice alt sistem de telecomunicații și tehnologia inform ației, de asemenea sistemele
RFID se confruntă cu riscul potențial de a fi spionat e sau manipulat e. Se vor prezenta în continuare
potențialele riscuri cu privire la utilizarea sistemelor RFID și proceduri le criptografice pentru
protejarea sisteme lor de atacuri comune.
Privind contextul aplicației într -un sistem deschis RFID, putem observa că implică de obicei două
părți cu interese divergente. Operatorul de sistem formează o parte ac tivă și asigură infrastructura,
adică cititorul și sistemul de fundal. Partea activă alimentează de asemenea transponderu l, dar și
administrează și utilizează datele asociate sau stocat e pe transponder. Deci acesta controlează toate
datele înregistrate de sistemul RFID și modul în care sunt folosite.
Pe de altă parte, avem utilizatorul sistemului RFID, de obicei un c lient sa u un operator de sistem.
Utilizatorii formează o parte pasivă. Chiar dacă partea pasiv ă deține transponderele nu este
întotdeauna în măsură să influențeazeze utilizarea transponderelor sau utilizarea datelor înregistrate
.
Într-un sistem închis, de ex. controlul fabricării într -o companie prin RFID, p artea activă și partea
pasivă nu sunt separate. Operatorul de sistem este, de asemenea, utilizatorul sistemului. În plus, este
posibil să existe terță parte, cum ar fi un hacker sau un concurent, încercând să obțină acces
neautorizat la datele stocate în transponder sau în sistem sau chiar să manipuleze datele în avantajul
său personal.
Introducerea pe scară largă a sistemelor RFID pentru etichetele produselor, pașapoar telor
electronice și altor certificate ID, ca și biletele fără contact aduce confort publicul ui larg.
Protejarea sferei private a individu lui este o dezbatere importantă. Se referă în principal la temerea
că noua tehnologie R FID ar putea fi folosită pentru colectarea nedorită a datelor personale, ceea ce
înseamnă că pa rtea activă poate spiona sfera privată . În ultimii ani, inițiativele privind drepturile
civile și organizațiile de protecț ie a consumatorilor au încercat să informeze opinia publică cu
privire la riscurile potențiale legate de utilizarea pe scară largă a sistemelor RFID.
39 Fig 4. 1 Sistem tipic RFID [4]
1.Atac asupra sisteme lor RFID
Figura de mai jos arată câteva tipuri de atacuri principale asupra diferitelor c omponente ale unui
sistem RFID. În general, atacurile pot fi direcționate către transponder, cititor sau, de asemenea, la
interfața RF între transponder și cititor.
Fig 4. 2 Opțiuni de atac pe sistemele RFID
Atacurile pot fi efectuate din mai multe motive. Acestea pot fi grupate în patru tipuri de atac:
1. Spionarea: Atacatorul încearcă să obțină acces neautorizat la informații și datele fișierului
active și pasiv.
2. Înșelătorie: Atacatorul încearcă să alimenteze informații incorecte în sistemul RFID pentru a
înșela partea activă, adică operatorul de sistem RFID sau partea pasivă, adică utilizatorul
sistemul RFID.
3. DOS(Denial of service) : Acest tip de atac afectează disponibilitatea funcțiilor sistemului
RFID.
4. Protecția confidențialității : atacatorul consideră că sistemul RFID reprezintă o amenințare
pentru intimitatea sa și încearcă să se protejeze împotriva atacurilor asupra sistemului RFID.
Atac asupra transponderului
De obicei, transponderul este ușor accesibil. Pe mărfuri și bilete, este întotdeauna disponibil pentru
atacator, și în cele mai multe cazuri chiar și fără restricții de timp. Prin urmare, există o gamă largă
de atacuri cu grade diferite de eficacitate.
Mai jos sunt prezentate câteva atacuri asupra transponderului.
a.Distruger ea permanentă a transponderului
40 Cel mai ușor atac împotriva unui sistem RFID este distrugerea mecanică sau chimică a
transponderului. De exemplu antena poate fi ușor tăiată . Cipul poate fi ușor distrus.
Un transponder poate fi, de asemenea, distrus prin expunerea la un câmp puterni c. Prin urmare, ISO
/ IEC 14443 sau ISO / IEC 15693 specifică o intensitate maximă a câmpului de 12 A / m la o
frecvență de 13,56 Mhz pentru transpondere cuplate în mod inductiv.
Dacă transponderul cu această frecvență este int rodus într -un câmp cu o intensitate semnificativ mai
mare, căldura reziduală produsă la regulatorul de șunt nu poate fi suficient disipată și transponderul
va fi distrus termic.
Dacă nu există transmițător suficient de puternic disponibil pentru această g amă de frecvențe,
transpo nderul poate fi de asemenea pus într-un cuptor cu microunde.
b. Ecranarea transponderului
Un atac foarte eficient este utilizarea suprafețelor metalice pentru a opri un transponder de undele
magnetice sau electromagnetice de la cititor . În cel mai simplu caz, este suficient să se înfășureze o
folie în jurul transponderul, de ex. folie de aluminiu de uz casnic.
Pentru transp ondere cuplate inductiv, antena circuitul ui rezonant poate fi puternic afectată prin
utilizarea unei supr afețe metalice în împrejurimile sale imediate. În plus, câmpul magnetic al
cititorului este scăzut datorită pierderilor de curent în folia de metal.
Prin urmare, adesea este suficient să se fixeze pe o parte transponderul o suprafață metalică. Se
reflectă câmpurile electromagnetice ale unui sistem UHF (de ex. 868 MHz) și le păstrează în mod
eficient departe de transponder. În cel mai favorabil caz, un transp onder pasiv nu va fi nici măcar
alimentat cu o putere suficientă pentru a opera cipul .
Acest tip de atac poate fi folosit pentru a întrerupe temporar operarea transponderului. Dacă e scutul
eliminat, transponderul funcționează din nou fără restricții.
c. Clonarea transponderului
Există diferite proceduri complexe de stocare a informațiilor privind tran sponderele. Cel mai de
bază-transponderul numai pentru citire – are doar un singur identificator care este numărul serial al
transponderului.
Dacă un transponder read -only intră în câmpul suficient de puternic al unui cititor, acesta începe
imediat să tra nsmită în mod intermitent numărul său de serie care poate fi ușor citit de orice cititor
adecvat.
Atacatorul poate folosi acum componentele discrete pentru a construi un transponder numai pentru
citire (clonă de transponder) și înlocui PROM -ul care conțin e numărul serial al transponderului cu o
memorie multi -programabilă (EPROM) sau mai mult – cu o serie de întrerupătoare DI P. Dacă
atacatorul citește apoi numărul serial al unui transponder poate programa ace st număr serial în clona
de transponder.
În cazul în care transponderul este introdus în câmpul unui cititor, poate trimite numărul de serie
citit anterior de la transponderul autentic și astfel pretinde prezența acestui transponder autentic la
cititor.
Cititorul nu este capabil să determine dacă numărul serial recepționat în prezent a fost trimis de un
transponder autentic sau de o clonă a transponderului. Atacatorul nu trebuie să aibă acces fizic la
transponder, ci trebuie doar să utilizeze un cititor potrivit pentru a intra în intervalul de cit ire al
transponderului care trebuie clonat, fără a fi detectat.
41
Transponderele cu memorii ce pot fi scrise formează următorul nivel de funcționalitate.
De asemenea, un atacator poate manipula cu ușurință datele stocate pentru avantajul său personal
sau pr oducerea de copii ale transponderului atacat prin citirea datelor și copierea lor la alte
transpondere.
Cu toate acestea, clonarea transponderelor poate fi prevenită eficient utilizând autentificarea și
transmiterea criptată a datelor.
Aplicații RFID ca re sunt ușor accesibile pentru atacatori, cum ar fi sistemele de intrare sau
sistemele de bilete trebuie să evitate, în general, transponderele read -only sau accesul necriptat la
date.
Atac asupra interfeței RF
Sistemele RFID sunt sisteme radio și comunică prin unde el ectromagnetice. Prin urmare, un
atacator este probabil să încerce și să atace un sistem RFID prin interfața RF. Un astfel de atac este
atractiv, deoarece nu necesită nici un acces fizic la cititor sau transpo nder, și poate fi efectuat de la
distanță. În prezent, sunt cunoscute următoarele atacuri care au fost investigate:
a.Interceptarea comunicării între cit itor și transponder (ascultare)
Deoarece sistemele RFID comunică cu unde electromagnetice, sistemele pot fi interceptate în
general cu mijloace foarte elementare.
Interceptarea comunicării între cititor și transponder este prin urmare, una dintre cele mai
proeminente amenințări la adres a tehnologiei RFID. Intervalele date pentru sistemele RFID variază
între câțiva centimetri (de exemplu, ISO / IEC 14443, 13,56 MHz) și câțiva metri (ISO / IEC
18000 -6, 868 MHz) și se aplică comunicării active care necesită ca transponderul să fie furnizate cu
energie și să genereze mai multe volți la antenă.
Receptoarele radio necesită doar o tensiune de ieșire a antenei, care ar e un ordin de mărime mai mic
pentru a primi semnale utile. Acest lucru oferă motive rezonabile de a suspecta că comunicarea
poate să fie interceptat ă pasiv de la o distanță mult mai mare.
La 13,56 MHz comunicarea de sistemelor cuplate inductiv poate fi totuși interceptată la o distanță
de 3 m. Pentru o lățime de bandă a receptorului de doar câțiva kHz, semnalul purtător nemodulat a l
unui cititor poate fi detectat la o distanță de sute de metri.
Cu toate acestea, interceptarea cu succes a comunicării complete între cititorul și transponder este
afectată de lățimea de bandă a receptorului mai mare, care poate varia între aproximativ 100 kHz și
câteva MHz. Pe de o parte, tensiunea de intrare necesară la receptor crește . Pe de altă parte,
interferențele cresc la aceeași rată datorită transmițătoarelor foarte puternice în această gamă de
frecvențe scurte.
b. Întreruperea comunicării între cititor și transponder prin blocare;
O metodă foarte simplă, dar eficientă pentru întreruperea transmisiei de date între transponder și
cititorul este să se utilizeze bruiajul arbitrar pentru a trimite un semnal de interferență.
Cu privire la spect rul frecvenței unui sistem RFID, vedem că, pe lângă semnalul purtător al
cititorul ui foarte puternic utilizat de sistemele pasive RFID pentru alimentarea transponderului cu
energie , apar două benzi laterale foarte pușin modulate și care sunt generate de modulatorul de
sarcină al transponderului (pentru .cuplaj inductiv ).
42 Pentru a putea suprapune semnalul purtător al unui cititor puternic și astfel interfe rența cu
transmiterea datelor de la cititor la transponder (down -link), distanța, puterea de transmisie și
câștigul antenei, respectiv diametrul antenei (pentru cuplarea inductivă) trebuie să corespundă cel
puțin cu cele ale cititorului utilizat. Spre deosebire de acest lucru, interferența cu semnalul de
răspuns slab al transponderului și, astfel, cu transmisia de date de la transponderul la cititor (up –
link) necesită mult mai puțin efort.
Este important să subliniem că dispozitivele de blocare sunt sisteme radio și, prin urmare, în
majoritatea țărilor , operarea unor astfel de dispozitive este ilegală.
c.Extinderea intervalului de citire pentru a putea scoate un transpon der de la distanță, fără să fie
detectat;
Extinderea intervalului de citire a unui cititor ar putea fi o opțiune interesantă pentru un atacator. În
acest fel, atacatorul ar putea să citească transponderul de la o distanță sigură, fără a fi detectat. In
orice caz, în special în ceea ce privește intervalul de citire, oportunitățile tehnice și limitele fizice
ale sistemelor RFID sunt dese ori supraestimate.
În cazul cuplajului inductiv, dacă un transponder este mutat dincolo de intervalul normal de citire al
unor astfel de sisteme RFID, comunicarea poate fi perturbată din două motive diferite. Unul dintre
posibilele motive este faptul că transponderul pur și simplu nu primește suficientă energie de la
antena pentru a putea opera. Un alt motiv posibil este faptul că deși transponderului îi este furnizată
suficientă putere pentru a funcționa, amplitudinea generată de modularea sarcinii nu ma i este
suficientă de mare pentru a fi detectat ă de către cititor. Distanța maximă din sursa de alimentare se
numeste gama de energie a sistemului; spre deosebire de modularea sarcinii , adică distanța maximă
dintre transponder și ant ena de citire la care c ititorul încă este capabil să detecteze modularea
sarcinii transponderului.
Dacă distanța citită a cititorului trebuie să fie mărită, trebuie să creștem gama de energie a
cititorului, de asemenea. Acest lucru se poate face prin creșterea diametrului anten ei cititorului și a
curentului din antena transmițătorului (adică puterea de transmisie a cititorului). Mai rămâne
problema că, chiar și pentru o distanță constantă între transponder și antena cititorului, pentru o
creștere a diametrului antenei cititorului, inductanța magnetică reciprocă va scădea și la fel și
puterea semnalului de modulație a sarcinii.
În plus, o putere de transmisie mai mare a cititorul va crește și zgomotul generat de transmițător în
domeniul de frecvență a benzilor laterale de modulare a sarcinii. În consecință, există o limită
rapidă care ne cesită o intensificare a efortului tehnologic pe ntru a putea primi semnalul de
modulația a sarcinii a transponderului
d. blocarea unui cititor cu atacuri DOS;
Cititoarele RFID moderne pot comunica cu ușurință cu un număr mai mare de transpondere în
câmpul de interogare. Aici, cititorul folosește un algoritm anti -coliziune pentru selectarea unui
transponder individual pentru a comunica cu acest transponder. Pen tru unele aplicații este suficient
să
să stabilească numerele de serie ale transponderelor situate în intervalul de citire, datele fiind
stocate într -o bază de date (de exemplu date despre produs pentru un EPC).
[4]
e.utilizarea nedetectată a unui transponder la distanță printr -un atac de releu.
Acesta este un tip special de atac în cazul în care atacatorul poate extinde aproape în mod deliberat
intervalul dintre
43 cititor și transponder prin interpunerea unui dispozitiv de transmisie (releu). Atacantul "împrumută"
transponderul și utilizează releul pentru a simula pentru cititor că transponderul în sine este localizat
în intervalul de interogatoriu al cititorului. Pentru aceasta, atacatorul nu are nevoie de acc es fizic la
transponder, dar trebuie doar să fie situată în intervalul de citire al transponderului. De obicei,
proprietarul transponderului nu observă atacul sau doar o lungă perioadă de timp după atac, de
exemplu, dacă transponderul atacat a fost utiliza t pentru a efectua tranzacții supuse unor taxe (cum
ar fi cumpărăturile sau biletele de tren).
Atacul de releu necesită două componente diferite care sunt legate prin intermediul comunicațiilor
radio.
Aproape de cititor, va exista o componentă (fantomă,proxy) care este capabilă să recepționeze
semnalele cititorului și să genereze o modulare a sarcinii pentru a putea să comunice cititorului și
astfel să simuleze un transponder.
A doua componentă (parazi t) constă într -un transmițător capabil să încarce un transponder cu
puterea necesară pentru a funcționa, precum și demodularea unei modulații a sarcinii
transponderului și, astfel, simularea unui cititor , cum se poate vedea în figura de mai jos.
Fig 4. 3 Un atac de releu pretinde unui cititor că un transponder de la distanță se află în intervalul de
citire al cititorului. În acest fel, atacatorul poate solicita acțiuni care altfel necesită apropierea fizică
a transponderului la cititor
Cea mai simplă opțiune este acum demodularea în proxy( fantomă ) a datelor primite de la cititor sau
44 transponder și apoi să tran smită fluxul de date primit unu -la-unu prin intermediul comunicației
radio către parazit , care în final trimite fluxul de date către transponder
Pe de altă parte, datele de interogare trimise de către transponder vor fi demodulate în parazit și
fluxul de date primit va fi transmis unu-la-unu prin intermediul comunicației radio către
fantomă (proxy) care, la rândul său, transmite datele mai departe către de cititor folosind
modulul area în sarcină (figura de mai jos ). Cititorul presupune că transponderul este într -adevăr
situat în intervalul de interogare al cititorului și , prin urmare, se efectuează tranzacția completă
între transponder și cititor.
Fig 4. 4 Un sistem analogic de releu poate fi realizat foarte ușor prin transmiterea unui flux de date
demodulat între „fantomă‖ și „parazit‖
45
2.Protecția prin măsuri criptografice
Sistemele RFID sunt din ce în ce mai utilizate în aplicații de înaltă securitate, cum ar fi sistemele de
acces și sistemele de efectuare a plăților sau de emitere a biletelor. Cu toate acestea, utilizarea
sistemelor RFID în aceste aplica ții necesită utilizarea unor măsuri de securitate pentru a proteja
împotriva atacurilor tentate, în care oamenii încearcă să înșele sistemul RFID pentru a obține acces
neautorizat la clădiri sau pentru a beneficia (bilete) fără plată.
Sistemele RFID de înaltă securitate trebuie să aibă o apărare împotriva următoarelor atacuri
individuale:
• eliminarea unui transportator de date pentru a clona și / sau a modifica datele;
• plasarea unui transportator de date străine în zona de interogare a unui citito r cu intenția de a
obține accesului neautorizat la o clădire sau primirea de servicii fără plată;
• interceptarea pe comunicații radio și reluarea datelor, pentru a imita un autentic
Atunci când se selectează un sistem RFID, trebuie luate în considerare funcțiile criptologice.
Aplicații care nu necesită o funcție de securitate (de exemplu automatizarea industrială ,
recunoașterea instrumentului) ar fi făcut e inutil de costisitoare prin încorporarea procedurilor
criptologice.
Pe de altă parte, în aplicații de securitate ridicată (de exemplu, sisteme de plată) omisiunea
procedurilor criptologice poate fi foarte costisitoare dacă transponderele manipulate sunt folosite
pentru a câștiga accesul la servicii fără autorizație.
O procedură de acest fel este autentificarea simetrică reciprocă.
Autentificarea reciprocă între cititor și transponder se bazează pe principiul tri -trecerii de
autentificare reciprocă în conformitate cu ISO / IEC 9798 -2, în care ambii participanți la
comunicare verifică cealaltă part e despre cunoașterea unei chei criptologice secrete. Aceasta
procedura are următoarele avantaje :
• Cheile secrete nu sunt transmise niciodată pe undele radio, ci doar numere aleatoare criptate sunt
transmise.
• Două numere aleatoare sunt întotdeauna cri ptate simultan. Acest lucru exclude posibilitatea de a
efectua o transformare inversă folosind un număr aleatoriu pentru a obține tokenul 1, cu scopul de a
calcula cheie secreta
• Tokenul poate fi criptat folosind orice algoritm.
• Utilizarea strictă a numerelor aleatorii din două surse independente (transponder, cititor) înseamnă
că înregistrarea unei secvențe de autentificare pentru redarea la o dată ulterioară (atac de replay) ar
eșua.
• O cheie aleatorie (cheia de sesiune) poate fi calculată din nu merele aleatoare generate, pentru a
asigurarea criptologică a transmiterii ulterioare a datelor
46
Fig 4. 5Procedura de autentificare reciprocă între transponder și cititor
47
Accesul î n garaj folosind tehnologia RFID
Se va proiecta u n sistem de acces în garaj care va oferi utilizatorului 2 opțiuni.
Inițial, sistemul este in starea blocat , ledul roș u fiind aprins când nu există niciun stimul extern.
Opțiunea 1
Utilizatorul vrea să aiba acces in garaj folosind technologia RFID. Acesta trebuie să apese tasta 1
din tastatura keyp ad. Sistemul așteaptă 3 secunde , apoi la apropierea cardului de acces corect, ledul
verde se va aprinde timp de 5 secunde , permițând utilizatorului să acceseze garajul.
În cazul in care utilizatorul nu are cardul de acces correct, ledul ro șu va clipi de 4 ori, informând
faptul ca nu este permis accesul.
Opțiunea 2
Utilizatorul vrea să aiba acces in garaj folosind un cod de acces. Acesta trebuie sa apese tasta 2 din
tastatura keypad. Sitemul va aștepta furnizarea codului de acces unic, iar în cazul în care utilizatorul
îl tastează correct, ledul verde se va aprinde timp de 5 secunde, permițând utilizatorului să acceseze
garajul.
În cazul în care codul furnizat de util izator nu este cel corect, ledul ro șu va clipi de 4 ori, informând
faptul ca nu este permis accesul.
Orice altă tastă apasată cu privire la opțiune, va face ca ledul roșu să clipească o data , informând
utilizatorul că nu a furnizat o opțiune valabilă.
De menționat este faptul că s -au folosit în cod câteva mesaje cu privire la acces prin monitorul
serial.
Monitorul serial este o fereastră pop -up separată care acționează ca un terminal separat care
comunică prin primirea și trimiterea datelor seriale.
Mesaje le folosite în cod
" Opț iune 1 – acces prin RFID" – utilizatorul a dorește să acceseze garajul prin cardul RFID.
"Acess permis î n garaj prin card -ul RFID" – utilizatorului îi este permis accesul în garaj deoarece a
furnizat tag -ul corect.
" Acces nepermis in garaj folosind card -ul RFID" – utilizatorului nu îi este permis accesul în garaj
deoarece nu a furnizat tag -ul corect.
" Optiunea 2 – Acces prin cod" – utilizatorul a dorește să acceseze garajul prin codul uni de acces.
"Acess permis in garaj prin cod ul furnizat " – utilizatoru utilizatorului lului îi este permis accesul în
garaj deoarece a furnizat codul corect.
"Acess nepermis in garaj prin codul furnizat" – utilizatorului nu îi este permis accesul în garaj
deoarece nu a furnizat codul corect.
48 "Nicio optiune va labila de acces" – utilizatorul nu a furnizat o opțiune valabilă de acces.
Pentru realizarea acestui proiect se va folosi :
-microcontroler Arduino UNO ;
Fig 5. 1 Arduino Uno [18]
-cititor RFID MFRC522
Fig 5. 2 RC522[19]
-4 x 4 Membrane Keypad;
49
Fig 5. 3 Keypad 4 x 4[20]
-RFID tag MF1S503
Fig 5. 4 RFID TAG[21]
Cititorul RFID MFRC522
Este un sistem RFID care asigură comunicarea la o fre cvență de 13.56 MHz, iar memoria acestuia
este de tip read/write.
Transmiță torul inter al acestui cititor este capabil să acționeze antena de citire/scriere, folosită
pentru comunicarea de c arduri ISO/IEC 14443 A/MIFARE ș i fără un a nsamblu de circuite
adiționale active. Modulul de recepție oferă o implementare eficientă pentru demodularea ș i
decodarea semnalelor.
[22]
ISO/IEC 14443 reprezintă un standard pentru cardurile de identificare, cardurile de circuite
integrate contactless ș i cardurile de proximitate.
MFRC522 suporta comunicare contactless si foloseste viteze de transfer MIFARE de pana la 848
kBd, in ambele di rectii.
1 kBd(kilo baud) = 1 kps( kilo bit /s)
Acest sistem contine urmatoarele interfete de host :
-Serial Peripheral Interface (SPI)
Interfața seriala SPI (Serial Peripheral Interface) este o interfața sincronă standard de mare viteză,
ce operează în m od full duplex. Ea este folosită ca sistem de magistrală serială sincronă pentru
transmiterea de date, unde circuitele digitale pot să fie interconectat e pe principiul master -slave.
[23]
-Serial UART (similar cu RS232 , cu niveluri de tensiune care depind de tensiune de alimentare a
pinului)
Universal asynchronous receiver/transmitter (UART), este un dispozitiv hardware pentru
comunicarea seriala asincrona, in care formatul de date si viteza de transmisie sunt confi gurabile.
[24]
50
-I2C
Inter -Integrated Circ uit (I2C ) este o magistrală sincronă multi -master ce funcționează pe principiul
master –slave. Fiecare dispozitiv conectat la I2C are o adresă unică și poate lucra c a transmițător
sau receptor. [25]
Caracteristici ș i beneficii MFR C522
– distanta de operare tipica, pentru citire/scriere este de 50mm, in functie de dimensiunea antenei ;
-suporta ISO/IEC 14443 A/MIFARE ș i NTAG ;
-drivere de ieș ire cu buffer pentru conecta rea unei antene folosind un numă r minim de componente
externe ;
-suporta interț ete host;
-SPI până la 10Mbit/s ;
-I2C Interfață C -bus până la 400 kBd în modul rapid, până la 3400 kBd în modul de mare viteză ;
-UART serial RS232 până la 1228,8 kBd ;
-resetarea hard cu funcție redusă de putere ;
-buffer FIFO;
-timer pro gramabil ;
-pini I/O programabili ;
-oscilator intern pentru conectarea la cristalul de cuartz 27.12 MHz ;
-procesor CRC ; [22]
Schema bloc MFRC522
Interfața analogica se ocupă de modularea ș i demodularea semnalelor analogice.U ART -ul
contactless administrează cerinț ele protocolului pent ru protocoalele de comunicatie î n cooperare cu
host-ul.Bufferul FIFO asigură transferul de date rapid între host și UART.Mai multe interfeț e de
host sunt implementate pentru cerințele clienț ilor.
Fig 5. 5 Schema Bloc simplificata MFRC522 [22]
51
RFID tag MF1S503
Acest tag este alcatuit din :
-1 kB EEPROM ;
-conexiunea RF ;
-Unitatea de control digital ;
Energia si datele sunt transmise prin intermediul antenei ce conține o bo bină cu un număr mic de
spire.Această antena este conectată direct la MF1S503.
Conexiunea RF conț ine :
-Modulator/demodulator
–Redresor
–Regenerator de clock
–Power -On Reset (POR)
–Regulator de tensiune ;
Radiolocator î mpotriva cioc nirilor: Multiple carduri pot să fie folosite î n campul respectiv
Autentif icarea: Aceasta procedură asigură faptul că accesul la un bloc este posibilă numai prin cele
2 chei specific e pentru fiecare bloc.
Unitatea Aritmetico -Logica : Valorile sunt stocate intr -un format spe cific redundant si poate face
incrementare sau decrementare.
Unitatea de criptare : Asigură criptarea datelor
EEPROM: 1 kB este organizat î n 16 sectoare, fiecare sector avâ nd 4 blocuri. Fiecare bloc este
alcătuit din 16 bytes. Ultimul bloc al fiecă rui sec tor este numit ―trailer‖ ș i contine 2 chei secrete
plus conditii de acces programabile pentru fiecare bloc din sectorul respectiv. In Fig 6.6 se poate
observa diagram bloc a tag -ului MF1S503
[25]
52 Fig 5. 6 Diagrama bloc MF1S503 [26]
4×4 Membrane Keypad
Keypad -urile de tip matrice folosesc o combinație de 4 randuri și 4 coloane pentru a asigura stă rile
butoanelor la disp ozitivul host(microcontroler). Înauntru fiecă rui si mbol se afla un buton de apasare
, cu un capat conectat la un rand, iar celalat capat conectat la o coloana.Conexiun ile se pot observa
în Fig 5.7 [27]
Fig 5. 7 Conexiunile matricii keypad -ului[28]
Pentru ca microcontrolerul să identifice butonul care este apăsat, evaluează fiecare coloana (pinii 1 –
4) dacă este in starea low sau high la un moment dat, apoi evaluează starea fiecărui rând ( pinii 5 –
8).În funcț ie de starea coloa nelor, microcontrolerul poate să pr oceseze ce buton este apă sat.
Arduino UNO
Caracteristici:
– este un microcontroler bazat pe ATmega328
-tensiune de lucru 5V
-tensiune de intrare recomandata : 7 -12 V
-limita tensiunii de intrare :6 -20 V
-curent DC pentru pinii I/O : 40 mA
-curent DC pentr u pinii de 3.3V : 50 mA
53 -memorie Flash: 32KB dintre care 0.5KB folositi de catre bootloader
-SRAM: 2 KB
-EEPROM: 1 KB
-viteza de ceas : 16 MHz
– are 14 pini digitali de tip input/output(6 dintre ei pot sa fie folositi ca iesiri PWM )
-are 6 intrari anal ogice
-are un oscilator cristal de 16 MHz
-prezintă o conexiune USB
-are un power jack
-conține un buton de reset
1.Conectare componente
Pentru a reprezenta cum sunt conectate componentele, s -a folosit programul Fritzing.
În figura de mai jos sunt prezentaț i pinii specifici microcontrolerului Arduino Uno.
Fig 5. 8 Arduino Uno pini[28]
Hardware design Arduino UNO
Design -ul de PCB al lui Arduino Uno foloseș te componente SMD (surface Mount Device).
În figu ra de mai jos sunt prezentate câ teva dintre componentele care se gasesc pe PCB.
54
Fig 5. 9 Componente aflate pe Arduino UNO [29]
Sunt prezentate câ teva com ponentele și pachetul de care aparț in.
NCP1117ST50T3G 5V regulator SOT223
LP2985 -33DBVR 3.3V regulator SOT753/SOT23 -5
M7 dioda SMB
LMV358IDGKR dual channel amplifier MSOP08
FDN340P P -channel MOSFET transistor SOT23
ATmega16U2 -MU MLF32 [29]
În figura de mai jos se pot observa schemele pe ntru bridge -ul USB, alimentare ș i microcontroler.
55
Fig 5. 10 Schema USB, alimentare, microcontroller [29]
Microcontrolerul folosit este ATmega328 de 8 -bit. Ace sta face parte din familia AVR ș i contine 3
tipuri de memorie:
Memo ria Flash : 32KB , nonvolatilă, folosită pentru a stoca aplicaț ia.Datele persistă și fără
alimentare cu energie electrică.
Memoria SRAM: 2KB , memorie volatila . Această memorie stochează date care sunt valabile
către aplicație, atâta timp cât este în funcț iune.
Memoria EEPROM : 1KB,memorie nonvolatilă. Aceasta este folosită să stoch eze date care rămân
valabile ș i dupa ce placa nu ma i este alimentată .
Microcontrolerul face parte din pachetul DIP -28, ceea ce ins eamna ca se regasesc 28 pini .Acești
pini includ ș i pini de tipul I/O.
Conectare Membrane Keypad la Arduino UNO
Butoanele de pe o tastatură sunt aranjate în r ânduri și coloane. O tastatură 4 X4 are 4 rânduri și 4
coloane.
Sub fiecare pad este un întrerupător cu membrană. Fiecare comutator dintr -un rând este conectat la
celelalte întrerupătoare din rând printr -o drum conductiv sub pad. Fiecare comutator dintr -o coloană
este conectat în același mod – o parte a comutatorului este conectată la toate celelalte comutatoare
din coloana respectivă printr -o traiectorie conductivă. Fiecare rând și coloană sunt scoase la un
singur pin, pentru un tot al de 8 pini pe o tastatură 4X4. [30]
56
Fig 5. 11 Imagine sub un keypad [30]
Apăsarea unui buton închide c omutatorul între o coloană și un rând, permițând curentului să curgă
între un pin de coloană și un pin de rând. Mai jos se poate observa schema pentru un keypad.
Fig 5. 12 Schema pentru o tastatură 4X4 [30]
Cei 8 pini(numerotati de la dreapta la stanga) ai keypad -ului se vor conecta la microcontroler astfel:
57
Fig 5. 13 Conexiunea KeyPad -ului la Arduino Uno
Pinul 1 -D5; Pinul 2 -D4; Pinul 3 -D3; Pinul 4 -D2; Pinul 5 –A3, Pinul 6 – A2, Pinul 7 –A1, Pinul 8 –
A0
Conectare RFID card reader la Arduino Uno
Fig 5. 14 Conexiune RFID -RC522 si Arduino Uno
RST-D9, SDA -D10, SCK -D13,MOSI -D11,MISO -D12, IRQ –Nefolosit , GND –GND,3.3V -3.3V
RFID -RC522 este conectat la Arduino Uno prin interfata SPI.
Interfața seriala SPI (Serial Peripheral Interface) este o interfața sincronă standard de mare viteză,
ce operează în mod full duplex.
58 SPI-ul are patru semnale logice specifice.
SCLK – Ceas serial (ieșire din master).
MOSI/SIMO – Master Output, Slave Input (ieșire master, intrare slave).
MISO/SOMI – Master Input, Slave Output (intrare master, iesire slave).
SDIO – Serial Data Input/Output
Pentru a î ncepe comunicarea, master -ul mai întâi configurează ceasul, folosind o frecvență mai
mică sau egală cu maximul frecvenței suportata de slave. Aceste frecv ențe sunt de obicei în
intervalul 1 -70 MHz. Atunci master -ul setează slave select -ul pe nivelul LOW pentru chip -ul dorit.
Dacă este necesară o perioada de așteptare (ca la conversia anal og-digitală) atunci master -ul
așteapta cel puț in acea perioadă de timp înainte de a începe ciclurile de ceas.
Transmisia full duplex , in timpul unui ciclu de ceas :
În timpul fiecărui ciclu de ceas SPI, apare o transmisie full duplex:
1.Masterul trimite un bit pe linia MOSI, iar slave -ul îl citește de pe aceeași linie
2. Slave-ul trimite un bit pe linia MISO, iar master -ul îl citește de pe aceeași linie.
Nu toate transmisiile de date necesita toate aceste operații (de ex. transmisia unidirecționala) deși
acestea se petrec.
Transmisia implică existența a doi regiștri de date de o lungime oarecare a cuvântului, cum ar fi opt
biți, unul situat în dispozitivul master și celalalt în dispozitivul slave.
Informația se transfera începând cu cel mai semnificativ bit MSB(Most Signifi cant Bit , parcurge
bit cu bit până cand se transferă și cel mai nesemnificativ bit LSB(Least Significant Bit) – pentru
același registru.
În această punct, cele două dispozitive master/slave și -au schimbat valorile din regiștri. Imediat
după, fiecare di spozitiv citește valoarea stocată în registrul de date și o prelucrează, cum ar fi
scrierea într -o locație de memorie. Dacă mai sunt date de schimbat, regiștrii de schimb sunt
încărcați cu noi date și procesul se repetă.
[31]
Transmisiile pot include un număr arbitrar de cicluri de ceas. Când transmisia datelor s -a încheiat,
master -ul oprește comutarea ceasului.
Adesea transmisiile sunt cuvinte a opt biți, și master -ul poate iniția multiple transmisii dacă are
nevoie.
Conectare CJMCU -553 modul LED la Arduino Uno
59
Un LED (light -emitting diode) este o diodă semiconductoare ce emite lumină la polarizarea directă
a joncțiunii p -n. Efectul es te o formă de electroluminescență.
LED -ul este o sursă de lumină mică, de cele mai multe ori însoțită de un circuit electric ce permite
modularea formei radiației luminoase. [32]
Spectrul vizibil este partea din spectrul electromagnetic care este vizibilă pentru ochiul uman.
Radiația electromagnetică în această gamă de lungimi de undă se numește lumină vizibilă sau pur și
simplu lumină. Un ochi uman tipic va răspunde la lungimi de undă de la aproximativ 390 la 700
nm. În ceea ce privește frecvența, aceasta corespunde unei benzi de 430-770 THz.
[33]
Culorile care pot fi produse de lumina vizibilă a unei benzi înguste de lungimi de undă (lumină
monocroma tică) se numesc culori spectrale pure. Diferitele intervale de culori indicate în tabelul de
mai jos sunt o aproximare: Spectrul este continuu, fără limite clare între o culoare și alta.
Culoare Lungime de undă Frecvență
Violet 380–450 nm 668–789 THz
Albastru 450–495 nm 606–668 THz
Verde 495–570 nm 526–606 THz
Galben 570–590 nm 508–526 THz
Portocaliu 590–620 nm 484–508 THz
Roșu 620–750 nm 400–484 THz
Tabel 5. 1 Lungimea de undă si frecvența culorilor[33]
60 Fig 5. 15 Conectare modul LED la Arduino UNO
Pinul D6 -Led roșu ,Pinul D7 -Led verde , GND -GND
În final, schema completă va fi cea de jos.
Fig 5. 16 Conectare componente la Arduino Uno
2.Testare componente
Câteva cazuri de test s -au făcut cu privire la conectarea compo nentelor pentru a depista mai uș or
eventuale probleme hardware sau software.
Testare keypad
Pentru a testa faptul că keypad -ul funcționează corespunzător, s-a verificat faptul că pinii sunt
conectați corespunzător, iar citirea de la keypad este corect ă.
61 Un cod simplu, din Anexa 2 s-a folosit, iar fiecare pad în parte s -a apăsat , pentru a vedea pe
monitorul serial dacă este afișat ceea ce trebuie.
Testare MRC522
Pentru a afla UID-ul(unique permanent identification) al tag -ului nostru( urmând a fi folosit mai
apoi în codul sistemului), s -a folosit un cod simplu din Anexa 3. Fiecare card inteligent conține un
cip integrat cu un număr unic de identificare permanentă (UID) dat în timpul procesului de
fabricație.
Acest UID este deseori denumit numarul de serie al cartii (CSN). Numărul serial al cardului nu este
criptat și orice cititor compa tibil ISO poate citi numărul serial al cardului.
Pentru cazul de față, UID găsit este : 61 C5 E2 29 . Mai jos sunt este prezentată organizarea
EEPROM.
Fig 5. 17 Organizare EEPROM
1 kB este organizat î n 16 sectoare, iar fiecare sector are 4 blocuri. Fiecare bloc este alcatuit din 16
bytes.
Testare modul RGB
Modulul RGB a fost testat printr -un cod simplu prezentat in Anexa 4. Acest cod face ca ledul roșu
și ledul verde să clipească alternativ.
62
Concluzii
Proiectul de față a fost creat cu scopul de a oferi o imagine în sfera tehnologiei de identificare prin
radio -frecvență și a construi un exemplu concret de aplicație în domeniul automotive.
De specificat este faptul ca această aplicație se poate aplica ân mai multe domenii, daca este
adaptată corespunzător.
Folosirea software -ului open -source Arduino (IDE) a facilitat scrierea codului și încărcarea acestuia
în plăcuța de dezvoltare cu microcontroler ATmega328. (Arduino Uno). Mediul este scris în Java și
bazat pe procesare și alte programe cu sursă deschisă.
63
Referinț e bibliografice
[1] http://www.rollsoft.ro/wp -content/uploads/2013/06/RFID1.pdf
[2] http://www.nfcnearfieldcommunication.org/timeline.html
[3] http://www.gs1.me/epc -rfid.ht ml
[4] Giesecke & Devrient GmbH ,Fundamentals and Applicatio ns in Contactless Smart Cards, R adio
Frequency Identification and Near -Field Communication, Ediția a 3 -a, 2010
[5] http://blogrfid.ro/ro/tipuri -de-sisteme -rfid/
[6] http://www.rfidtec.co.za/?m=2
[7] https://endtimestruth.com/rfid/
[8] http://tech -lightenment.blogspot.ro/2011/11/rfid -technology.html
[9] https://ro.wikipedia.org/wiki/Policlorur%C4%83_de_vinil
[10]https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate
[11]https://www.plasticingenuity.com/blog/pet -vs-pvc-plastics -which -mater ial-is-better -for-
packaging
[12]https://en.wikipedia.org/wiki/Conductive_ink
[13]https://en.wikipedia.org/wiki/Flip_chip
[14] http://www.ebacalaureat.ro/c/polimerii -compusi -macromoleculari/889
[15] http://tech -lightenment.blogspot.ro/2011/11/rfid -technology.html
[16] http://i.cmpnet.com/rfdesignline/2010/07/C0591 -Figure2.gif
[17] https://despretot.info/functia -nfc-definitie/
[18] http://digital.csic.es/bitstream/10261/127788/7/D -c-%20Arduino%20uno.pdf
[19] http://www.hacker -maker.com/2015/12/rfid -rc522 -on-raspberry -pi-with-nodejs.html
[20] https://www.seeedstudio.com/Sealed -Membrane -4*4-button -pad-with-sticker -p-668.html
[21] http://www.puntoflotante.net/RFID -RC522 -13.58 -MHZ.htm
[22] https://www.nxp.com/documents/data_sheet/MFRC522.pdf
[23] https://ro.wikipedia.org/wiki/Interfa%C8%9Ba_serial%C4%83_SPI
[24] https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver/transmitter
[25] http://vega.unitbv.ro/~romanca/psci/4 -PSCI -Interf -Comm -MC-4spp.pdf
64 [26] http://www.puntoflotante.net/CARD -TAG -MF1 S503.pdf
[27] https://www.parallax.com/sites/default/files/downloads/27899 -4×4-Matrix -Membrane -Keypad –
v1.2.pdf
[28] https://alselectro.wordpress.com/2012/07/22/arduino -uno-startup -tutorial/
[29]https://www.allaboutcircuits.com/technical -articles/understanding -arduino -uno-hardware –
design/
[30] http://www.circuitbasics.com/how -to-set-up-a-keypad -on-an-arduino/
[31] https://ro.wikipedia.org/wiki/Interfa%C8%9Ba_serial %C4%83_SPI
[32] https://www.odat.ro/led/
[33] https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum
65
Anexe
Anexa 1 –Cod sistem
#include <Keypad.h>
#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>
#define SS_PIN 10
#define RST_PIN 9
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // Creaza o instanta M RFC522
int red = 6;
int green = 7;
char parola[7];
char codacc[7]="1A*D";
char opti une[2];
char optiune1[2]= "1";
char optiune2[2]= "2";
const byte ROWS = 4;
const byte COLS = 4;
char keys[ROWS][COLS] = {
{'1','2','3','A'},
{'4','5','6','B'},
{'7','8','9','C'},
{'*','0','#','D'}
};
byte rowPins[ROWS] = {14,15,16,17};
byte colPins[COLS] = {2,3,4,5};
Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);
void setup()
66 {
Serial.begin(9600); // Initiare comunicare seriala
SPI.begin(); // Initiare magistrala SPI
mfrc522.PCD_Init(); // Initiar e MFRC522
Serial.println();
pinMode (red, OUTPUT);
pinMode (green, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite( red, HIGH);
char tasta = keypad.getKey();
int z=0;
do
{
char tasta = keypad.getKey();
if (tasta != NO_KEY)
{
optiune[z]=tasta;
z++;
Serial.println(tasta);
}
}while (z!=1);
if ( strcmp(optiune, optiune1) == 0 )
{ Serial.println(" Optiune 1 – acces prin RFID");
delay(30 00);
// Cauta noi carduri
if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())
{
return;
}
// Selecteaza un card
if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial())
{
return;
67 }
//UID pe monitor
//Serial.print("UID tag :");
String content= "";
byte letter;
for (byte i = 0; i < mfrc522.uid.s ize; i++)
{
// Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " ");
// Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i], HEX);
content.concat(String(mfrc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " "));
content.concat(String(mfrc522.uid.uidByte[i], HE X));
}
Serial.println();
content.toUpperCase();
if ( content.substring(1) == "61 C5 E2 29" ) //UID al card –
ului de access
{
Serial.println("Acess permis in garaj prin
card-ul RFID");
Serial.println();
digitalWrite( red, LOW);
digitalWrite( green, HIGH);
delay(5000);
digitalWrite( green, LOW);
}
else
{
Serial.println(" Acces nepermis in garaj folosind card -ul
RFID");
for (byte i = 0; i < 4; i++)
{
digitalWrite( red, LOW);
delay(500);
digitalWrite( red, HIGH);
elay(500);
68
}
}
}
else
if ( strcmp(optiune, optiune2) == 0 )
{ Serial.println(" Optiunea 2 – Acces prin cod");//acces prin cod
int j=0;
do
{
char tasta = keypad.getKey();
if (tasta != NO_KEY)
{
parola[j]=tasta;
j++;
Serial.println(tasta) ;
}
}while (j!=4);
Serial.println(parola);
Serial.println(codacc);
if ( strcmp(parola, codacc) == 0 )
{
Serial.println("Acess permis in garaj prin
codul furnizat ");
Serial.println();
digitalW rite( red, LOW);
digitalWrite( green, HIGH);
delay(5000);
digitalWrite( green, LOW);
// digitalWrite( red, HIGH);
}
else
69 {
Serial.println( " Acess nepermis in garaj prin
codul furnizat");
for (byte i = 0; i < 4; i++)
{
digitalWrite( red, LOW);
delay(500);
digitalWrite( red, HIGH);
delay(500);
}
}
}
else
{ Serial.println("Nicio optiune valabila de acces");
digitalWrite( red, LOW);
delay(500);
digitalWrite( red, HIGH);
delay(500);
}
}
Anexa 2 – Testare keypad
#include <SPI.h>
#include <RFID.h>
#include <Wire.h>
#include <Keypa d.h>
#include <EEPROM.h>
#define SS_PIN 10
#define RST_PIN 9
RFID mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);
const byte ROWS = 4;
const byte COLS = 4;
70 char hexaKeys[ROWS][COLS] = {
{'1','2','3','A'},
{'4','5','6','B'},
{'7','8','9','C'},
{'*','0','#','D'}
};
byte rowPins[ROWS] = {14,15,16,17};
byte colPins[COLS] = {2,3,4,5};
Keypad testarekeypad = Keypad( makeKeymap(hexaKeys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);
void setup(){
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
char cust omKey = testarekeypad.getKey();
if (customKey){
Serial.println(customKey);
}
}
Anexa 3 – Aflare cod UID al cardului
#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>
#define SS_PIN 10
#define RST_PIN 9
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);
void setup() {
Serial.begin(9600);
SPI.begin();
mfrc522.PCD_Init();
}
void loop() {
// Cauta carduri noi
if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) {
return;
}
// Selecteaza un card
if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {
return;
}
71 mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid));
}
Anexa 4 Testare modul RGB
void setup() {
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7,OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(6, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(6, LOW);
delay(500);
digitalWrite(7, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(7, LOW);
delay(500);
}
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Univ ersitatea Politehnica din Bucureș ti [626498] (ID: 626498)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.