RFID
Mit RFID-Chips (radio frequency identification) lässt sich ein digitaler Schlüssel bauen, um zum Beispiel Türen abzusichern. Die eindeutige ID zur Identifikation ist auf einem blauen Chip oder einer weißen Karte gespeichert und soll von diesem bzw. dieser an einen Empfänger gesendet werden. Daher werden diese im folgenden als RFID-Sender bezeichnet.
Da der RFID-Sender über keine eigene Spannungsquelle verfügt, sendet der RFID-Empfänger zunächst über die rechteckige Spule Radiowellen, welche Energie transportieren. Diese empfängt der RFID-Sender (blauer Chip oder weiße Karte), woraufhin er seine eizigartige ID zurücksendet. Diese wird wiederum von der Rechteckspule empfangen und elektronisch so aufbereitet, dass man am Arduino die ID lesen kann.
Die Verbindung mit dem Arduino erfolgt über ein Serial Peripheral Interface (SPI) (weitere Informationen unten), weshalb die meisten Pins am Arduino festgelegt sind (siehe unten). Der RST-Pin und der SDA-Pin lassen sich ggf. noch ändern.
Wichtig: Der Mikrocontroller auf dem RFID-Chip arbeitet mit einem Logiklevel von \(3,3 \, V\) und würde durchbrennen, wenn man ihn an 5 V anschließt. Der Arduino verfügt direkt neben dem 5 V-Anschluss auch über einen 3,3 V-Anschluss.
Der IRQ-Pin des RFID-Empfängers wird nicht benötigt und kann ignoriert werden.
Zur Programmierung kann man die bloße Anwesenheit eines RFID-Senders abfragen oder die ID eines RFID-Senders. Die Anwesenheitsabfrage unterscheidet nicht, welcher RFID-Sender anwesend ist, sie liefert also bei jedem RFID-Sender true zurück. Sinnvoller ist also in den meisten Fällen die Abfrage der einzigartigen ID des RFID-Senders, um diese abspeichern und im nächsten Programm darauf reagieren zu können. Ein Beispielprogramm zeigt die folgende Abbildung.
Fehlerquellen: Bei der Programmierung gibt es zwei Fehlerquellen zu beachten, die man möglichst vermeiden sollte:
- Werden die Befehle
gib IDundgib Anwesenheitkurz hintereinander verwendet, wird der zweite Befehl nicht funktionieren, weil dazu (durch die Implementierung im Hintergrund) immer eine neue Karte erkannt werden muss. -
Für den Vergleich von vorgegebener ID und eingelesener ID muss für beide eine Variable vom Typ Zeichenkette angelegt werden, damit Nepo keinen Fehler anzeigt. Das unten abgebildete Beispiel erzeugt also einen Fehler. (Hintergrund: Wenn die vorgegebene ID nicht als Zeichenkette (String) definiert wird, wird sie als sogenanntes Character-Array behandelt. Da die eingelesene ID aber vom Typ String ist, sollen sozusagen Äpfel mit Birnen verglichen werden.)
Der Vergleich von vorgegebener ID und eingelesener ID erzeugt hier einen Fehler.
Diebstahlsicherung
Ein Anwendungsgebiet von RFID-Chips ist die Verhinderung von Diebstählen. Dazu bekommen die Waren (z. B. Klamotten) eine Sicherheitsetikette mit einem RFID-Sender, der normalerweise beim Bezahlen entfernt oder durch einen starken Magneten zerstört wird. Geschieht dies jedoch nicht, ertönt beim Verlassen des Geschäfts ein Alarmton, weil der intakte RFID-Chip vom RFID-Empfänger im Eingang erkannt wird.
Baue und programmiere selbst eine Anlage zur Diebstahlsicherung.
Katzentür
Baue und programmiere einen Prototypen für eine Katzentür, die sich automatisch öffnet, wenn die Katze (mit RFID-Chip am Halsband) sich der Tür nähert.
Erweiterung: Schließe einen weiteren RFID-Empfänger am Arduino an (siehe Informationen unten). Einer der RFID-Empfänger soll sich draußen, der andere drinnen befinden. Programmiere nun drei Modi, zwischen denen sich hin- und herschalten lässt:
- Standard: Tür geht immer auf,
- Tag: Tür geht nur von innen nach außen auf (alle Katzen sollen raus),
- Nacht: Tür geht nur von außen nach innen auf (alle Katzen sollen rein).
Serial Peripheral Interface (SPI)
Das Serial Peripheral Interface (engl. für serielle periphäre Schnittstelle) ist ein Bus-System, um Daten zwischen Mikrocontrollern und integrierten Schaltkreisen nach dem Master-Slave-Prinzip auszutauschen. Der Master ist hier immer der Arduino, die Slaves sind die angeschlossenen Bauteile. Für die Kommunikation werden neben zwei Leitungen zur Spannungsversorgung (5 V bzw. 3,3 V und GND) vier weitere Leitungen benötigt:
- Serial Clock. Auf dieser Leitung gibt der Master den Takt an, in dem die Bits gesendet werden.
- Master Out, Slave In. Auf dieser Leitung sendet der Master Informationen, die die Slaves empfangen.
- Master In, Slave Out. Auf dieser Leitung empfängt der Master Informationen, die die Slaves senden.
- Slave Select. Diese Leitung wird vom Master auf ein GND-Potential (logisch 0) gebracht, um dem damit verbundenen Slave mitzuteilen, dass die folgenden Informationen an ihn gehen sollen. Im Gegensatz zu den ersten drei Leitungen erhält jeder Slave einen eigenen SS-Pin am Master, damit dieser sie einzeln ansprechen kann (siehe Abb. unten).
Da das RFID-Modul aus diesem Abschnitt auch über den I2C-Bus angesteuert werden kann, haben zwei Pins eine mehrfache Funktion. Insbesondere entspricht der SDA-Pin (im I2C-Bus die serielle Datenleitung) bei der Ansteuerung über den SPI-Bus dem SS-Pin (siehe components101.com).
