Bir süpermarketteki self-checkout kasasından geçtiyseniz ve tüm ürünlerinizi bir tepsiye yerleştirdiğinizde bunların ekranda otomatik olarak nasıl göründüğünü gördüyseniz , RFID'nin nasıl çalıştığını zaten görmüşsünüz demektir. Bu sihir veya teknolojik telepati değil: doğrudan temas olmadan nesneleri tanımlamanıza olanak tanıyan radyo frekansına dayalı bir sistemdir ve bunu evde basit bir Arduino ve RC522 gibi ucuz bir okuyucu ile tekrarlayabilirsiniz.
Bu kılavuzda, Arduino ve RC522 RFID okuyucu kullanarak etiket okuma ve yazma işlemlerini adım adım öğrenecek , RFID'nin tam olarak ne olduğunu, hangi sistem türlerinin mevcut olduğunu, pasif kartların nasıl çalıştığını, MIFARE Classic 1K kartının belleğinin nasıl organize edildiğini ve erişim kontrol sistemi veya şarj edilebilir toplu taşıma kartı gibi gerçek dünya projelerini nasıl oluşturacağınızı anlayacaksınız. Rahatınıza bakın, çünkü konuyu ayrıntılı ancak açık ve anlaşılır bir şekilde ele alacağız.
RFID teknolojisi nedir ve nasıl çalışır?
Radyo frekanslı tanımlama veya RFID, nesnelerin radyo yoluyla iletilen benzersiz bir tanımlayıcı kullanılarak tanınmasını sağlayan bir sistemdir . Bu tanımlayıcıya genellikle UID (Benzersiz Kimlik) denir ve etiketin kimliği olarak düşünülebilir. Sistemin tamamı iki ana unsurdan oluşur: RFID etiketi (veya transponder) ve RFID okuyucu (alıcı-verici).
RFID etiketleri birçok farklı biçimde karşımıza çıkar: kredi kartı benzeri plastik kartlar, anahtarlıklar, hırsızlığı önlemek için ürünlere yapıştırılan yapışkan etiketler ve hatta hayvanların derisinin altına yerleştirilen kimlik tespit çipleri. İç yapılarında hepsi aynı bileşenleri paylaşır: bir anten ve bilgi depolayan ve okuyucuyla iletişim kuran küçük bir çip.
Yalnızca okunabilir etiketler (UID'si fabrikada programlanmıştır ve değiştirilemez) ve okuma/yazma etiketleri (RC522 modülü gibi uygun bir okuyucu ile hem veri okunabilir hem de yazılabilir) mevcuttur . Bu, yeniden şarj edilebilir toplu taşıma kartları, ön ödemeli bakiyeli erişim kontrol sistemleri, zaman ve devam sistemleri ve daha fazlası gibi uygulamaları mümkün kılar.
Öte yandan, RFID okuyucu veya alıcı-verici cihazımız var. Bu cihaz sadece veri almakla kalmaz, aynı zamanda radyo frekanslı elektromanyetik alan da yayar . Bu alan, pasif etiketlerin nasıl çalıştırıldığını ve kart ile okuyucu arasında bilginin nasıl alışveriş edildiğini anlamak için çok önemlidir.
RFID etiketlerinin güç kaynağı ve çalışma prensibi
Çok sık sorulan bir soru şudur: Süpermarket ürünlerindeki RFID etiketlerinde veya giriş kartlarında pil yoksa, çalışmak için gereken enerjiyi nereden alıyorlar? Bunun cevabı şudur: Bu etiketlerin çoğu pasiftir ve okuyucu tarafından oluşturulan alandan kaynaklanan elektromanyetik indüksiyonla çalışır.
Pasif bir etiketi okuyucuya yaklaştırdığınızda, anteni modül tarafından üretilen elektromanyetik alana girer (örneğin, RC522 durumunda 13,56 MHz'de). Bu alan, etiketin anteninde bir akım oluşturur ve bu akım, dahili çipi anlık olarak çalıştırmak için kullanılır . "Uyandıktan" sonra, çip okuyucuya geri gönderdiği sinyali modüle eder (buna geri saçılım denir), UID'yi ve varsa bellekte saklanan diğer verileri kodlar.
Kızılötesi gibi teknolojilerin aksine, etiket ve okuyucu arasında doğrudan görüş hattı gerekmez : radyo frekansı belirli malzemelere nüfuz edebilir, ancak davranışı frekansa, metalin varlığına, suya vb. bağlıdır. Okuyucu, geri saçılan sinyali yakalar, yorumlar ve ardından verileri bir mikrodenetleyiciye (Arduino, ESP8266 veya ESP32 gibi) veya bir bilgisayara gönderir.
Frekansa göre RFID sistemlerinin türleri
Radyo frekans spektrumu çok geniştir ve radyo dalgaları tüm frekanslarda aynı şekilde davranmaz . Bu nedenle, RFID'de uygulamaya bağlı olarak farklı bantlar kullanılır. Okuyucu ve etiket, tıpkı bir radyonun doğru istasyona ayarlanması gerektiği gibi, aynı frekansta çalışacak şekilde tasarlanmalıdır.
Genel olarak, RFID sistemlerini kullandıkları banda göre üç ana kategoriye ayırabiliriz:
- Düşük frekans (LF)Yaklaşık 125-134 kHz.
- Yüksek frekans (HF)Yaklaşık 13,56 MHz, MIFARE ve NFC gibi teknolojileri içerir.
- Ultra yüksek frekans (UHF)Yaklaşık 433 MHz ile 860-960 MHz arasında.
Düşük frekanslı (LF) RFID sistemleri
Düşük frekanslı RFID sistemleri nispeten uzun dalga boyuna sahip olduklarından, meyve veya içecek gibi ince malzemelere ve yüksek su içeriğine sahip nesnelere daha iyi nüfuz edebilirler . Ayrıca ince metallerin yakınında da oldukça iyi performans gösterirler.
Ancak bu avantajın önemli sınırlamaları da vardır: tipik menzil sadece birkaç santimetredir ve veri iletim hızı düşüktür; bu da bellek kapasitesinin azalmasına ve etiket maliyetlerinin artmasına neden olur . Bu sistemler genellikle basit erişim kontrolü, eski yakınlık anahtarları ve hayvan etiketleme için kullanılır.
Yüksek frekanslı (HF) RFID ve NFC sistemleri
13,56 MHz'lik yüksek frekans bandı, muhtemelen "yapımcı" ve kendin yap projeleri seviyesinde en popüler olanıdır, çünkü MIFARE kartları ve birçok cep telefonunun temassız ödemeler için kullandığı NFC (Yakın Alan İletişimi) teknolojisi burada bulunur.
HF sistemleri metal yakınında ve orta ila yüksek su seviyelerinde iyi çalışır ve ideal koşullar altında genellikle birkaç santimetreden yaklaşık bir metreye kadar bir menzil sağlar . Veri hızları mütevazı kalır ancak tanımlama, erişim ve küçük veri aktarımı uygulamaları için yeterlidir. Birçok küresel standart HF'ye dayanmaktadır ve bu da ekipman ve kartların birlikte çalışabilirliğini kolaylaştırmaktadır.
Ultra yüksek frekanslı (UHF) RFID sistemleri
Spektrumun diğer ucunda ise birkaç santimetreden 20 metrenin üzerine kadar mesafelere ulaşabilen UHF sistemleri yer almaktadır. Bu sistemler, örneğin depolarda envanter yönetimi, etkinliklerde insan sayımı veya yarışlarda sporcuların bitiş çizgisini geçerken sürelerinin ölçülmesi gibi durumlarda, birçok etiketin hızlı ve uzaktan okunması gerektiğinde idealdir.
Dezavantajı ise, daha kısa dalga boyuna sahip oldukları için sinyalin daha fazla zayıflaması ve metal ve suya daha az etkili bir şekilde nüfuz etmesidir . Buna rağmen, gişe sistemlerinde, park yeri erişim kontrolünde ve büyük ölçekli lojistik takibinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
RC522 RFID modülü: özellikleri ve pinleri
Arduino projeleri için en popüler okuyuculardan biri, NXP MFRC522 çipine dayanan RC522'dir. Çok uygun fiyatlı ve yaygın olarak kullanılan bu modül, MIFARE kartlarıyla yüksek frekansta (13,56 MHz) çalışır ve uyumlu etiketlere hem okuma hem de yazma imkanı sağlar.
Genellikle okuyucu cihazın kendisi, bir kredi kartı ve bir RFID anahtarlık içeren bir kit halinde satılır. Bu kartlar tipik olarak 1K veya 4K MIFARE Classic kartlardır ve ulaşım, erişim kontrolü ve düşük maliyetli çözümlerde son derece popüler bir standarttır. RC522, yüksek frekanslı bir elektromanyetik alan üretir ve pratikte, teorik olarak biraz daha uzağa ulaşabilse de, kullanışlı menzili yaklaşık 3-5 cm'dir.
Mikrokontrolcü ile iletişim söz konusu olduğunda, RC522 öncelikle SPI (Seri Çevresel Arayüz) üzerinden entegre edilmiştir ve 10 Mbps'ye kadar hızları destekler. Ayrıca I2C ve UART'ı da destekler, ancak çoğu Arduino projesinde bu bağlamda daha yüksek hızı ve basitliği nedeniyle SPI kullanılır.
Elektriksel olarak, modül 2,5V ile 3,3V arasında bir besleme voltajında çalışır. Kart üzerinde genellikle 3,3V'a bağlanmak için açıkça işaretlenmiş bir VCC pini bulunur. Doğrudan 5V ile beslemeyin , aksi takdirde hasar riskiyle karşı karşıya kalırsınız. Olumlu tarafı ise, mantık seviyeleri genellikle 5V'a karşı toleranslıdır, bu nedenle temel testler için seviye dönüştürücüler olmadan Arduino UNO dijital pinlerine bağlanabilir, ancak profesyonel bir tasarımda seviyelerin uyarlanması tavsiye edilir.
RC522 modülünün sabitlenmesi
Tipik bir RC522, mikrodenetleyiciye 8 bağlantı pini içerir:
- VCCGüç kaynağı, 2,5 V ile 3,3 V arasında olmalıdır.
- RST: sıfırlama pini; seviyeyi DÜŞÜK/YÜKSEK olarak ayarlayarak modülün kapatılmasına ve yeniden başlatılmasına olanak tanır.
- GND: Dünya'nın kütlesi veya referans noktası.
- IRQEtiket okuyucu alanına girdiğinde mikrodenetleyiciyi uyarabilen kesme pini.
- MISO / SCL / TX: Çok işlevli pin; örneğin SPI'da MISO, I2C'de SCL veya UART'ta TX gibi.
- MOSI: SPI üzerinden ana cihazdan köle cihaza veri çıkış hattı.
- SCK: SPI arayüz saati.
- SS / SDA / RX: SPI'da slave seçim pini, I2C'de SDA veya UART'ta RX.
Arduino UNO ve diğer ATmega328P tabanlı kartlarda SPI pinleri donanım tarafından zaten tanımlanmıştır, bu nedenle SPI kullanımı için tipik bağlantı şeması şu şekildedir:
- VCC → Arduino'dan 3,3 V.
- GND → Arduino GND.
- SCK → UNO/Nano'da 13 numaralı pin.
- MOSI → UNO/Nano'da 11 numaralı pin.
- MİSO → UNO/Nano'da 12 numaralı pin.
- SS (SDA) → pin 10 (veya SS olarak seçtiğiniz pin, ancak bunu kodda belirtmeniz gerekiyor).
- RST → Örneğin, Arduino pin 9.
- IRQ → İsteğe bağlıdır, kesme kullanılmıyorsa bağlantı yapılmadan bırakılabilir.
Arduino Mega, Leonardo veya Micro gibi kartlarda SPI hatları farklı pinlerde veya ICSP konektöründe olabilir, bu nedenle herhangi bir kablolama yapmadan önce resmi dokümanlardaki eşdeğerlik tablosunu kontrol etmek önemlidir.
MFRC522 kütüphanesinin kurulumu ve temel etiket okuma
MFRC522 sıfırdan programlanabilse de, iç iletişimi oldukça karmaşıktır; bu nedenle , GitHub'da ve Arduino IDE'nin kütüphane yöneticisinde bulunan Miguel Balboa tarafından geliştirilen kütüphaneyi kullanmak yaygın bir uygulamadır . Bu kütüphane, okuyucuyu başlatmak, kartları algılamak, sektörleri doğrulamak ve blokları okumak veya yazmak için gerekli tüm işlemleri kapsar.
Arduino IDE'den yüklemek için, Kütüphane Yöneticisini açın, "MFRC522"yi arayın ve topluluk tarafından sürdürülen sürümü (GitHub Topluluğu) seçin . Ayrıca, IDE ile birlikte gelen SPI kütüphanesini de eklemeniz gerekir.
Kurulum tamamlandıktan sonra, bir etiketin UID'sini okumak için basit bir kod örneğindeki tipik akış şu şekildedir:
- Kitapçıları dahil edin. SPI.hy MFRC522.h.
- Okuyucunun kullanacağı RST ve SS pinlerini tanımlayın.
- Bu pinleri kullanarak bir MFRC522 nesnesi oluşturun.
- setup() fonksiyonunda Serial, SPI ve okuyucuyu aşağıdaki şekilde başlatın: PCD_Init().
- loop() fonksiyonunda şunu kullanın: PICC_YeniKartMevcut mu() Yakınlarda bir kart olup olmadığını öğrenmek için ve PICC_ReadCardSerial() Temel verilerinizi okumak için.
- UID'ye şu şekilde erişin: mfrc522.uid.uidByte ve mfrc522.uid.size ile boyutlandırılır.
- Plak şirketiyle iletişimi arayarak sonlandırın. PICC_HaltA().
Bu tür bir şema , birden fazla kartın veya anahtarlığın UID'sini elde etmek ve hızlı testler yapmak için mükemmeldir ; örneğin, yalnızca okunan UID'nin yetkilendirilmiş UID'ler listesiyle karşılaştırıldığı basit erişim kontrolü için idealdir.
MIFARE Classic 1K kartlarındaki bellek yapısı
RC522 ile birlikte genellikle gelen kartlar tipik olarak MIFARE Classic 1K kartlarıdır . Bu kartlar, hiyerarşik olarak sektörlere ve bloklara ayrılmış 1 KB'lık bellek sunar ve herhangi bir şey yazmadan önce anlaşılması gereken oldukça kendine özgü bir anahtar ve izin sistemine sahiptir.
Toplam bellek, 0'dan 15'e kadar numaralandırılmış 16 sektöre bölünmüştür. Her sektör, o sektör içinde 0'dan 3'e kadar etiketlenmiş 4 blok içerir. Her blok 16 bayt veri depolar , yani 0'dan 15'e kadar numaralandırılmış 16 pozisyon; dolayısıyla her sektör 64 bayt sunar.
Sektör başına dört bloktan yalnızca üçü kullanıcı verilerini depolamak için tasarlanmıştır: her sektörün 0, 1 ve 2 numaralı blokları (özel özelliklere sahip olan 0 numaralı sektör hariç). Her sektörün son bloğu olan 3 numaralı blok, son blok olarak bilinir . Bu blok, şifreleme anahtarlarını ve o sektörde hangi işlemlerin yapılmasına izin verildiğini kontrol eden erişim bitlerini depolar.
Fragmandaki 16 bayt şu şekilde bölünmüştür:
- Anahtar A: 6 bayt.
- Erişim KoşullarıOkuma/yazma izinlerini, kimlik doğrulamasını ve anahtar görünürlüğünü tanımlayan 3 bayt.
- Kullanılmayan bayt (U): Kullanılmayan 1 bayt.
- Anahtar B: 6 bayt.
Modüllerle birlikte fabrikadan gelen kartlarda genellikle A ve B anahtarları FF FF FF FF FF FF olarak başlatılır ; bu da son derece güvensizdir, çünkü standardı bilen herkes kartın içeriğini doğrulayabilir ve değiştirebilir. Kendin yap projelerinde nispeten yaygın bir uygulama, tüm sektörlerde aynı anahtarları kullanmaktır, ancak gerçek güvenlik için çeşitlendirme daha iyi olacaktır.
Ayrıca, sektör 0'ın 0. bloğu özeldir: kartın UID'sini (genellikle bu MIFARE Classic kartlarda 4 bayt) ve üretici verilerini saklar . Bu blok pratikte salt okunur olarak kabul edilir; üzerinde değişiklik yapılması kartı geri döndürülemez şekilde bozabilir.
Sektördeki A ve B tuşlarını değiştirin.
Bir Arduino ve RC522 projesinde MIFARE kartını anlamlı bir şekilde kullanmak istiyorsanız, yapmanız gereken ilk şey varsayılan tuşları değiştirmektir . Bu, okuyucuya ve standart kütüphaneye sahip herhangi birinin yetkisiz olarak kartınızla oynamasını önler.
Belirli bir sektörün (örneğin, 15. sektörün) anahtarlarını güncellemenin temel fikri şu şekildedir:
- Kodda geçerli olan tuşları tanımlayın (değiştirilmemişse fabrika varsayılan değerleri).
- Bu sektörde kullanmak istediğiniz yeni Anahtar A ve Anahtar B anahtar kelimelerini tanımlayın.
- Bu sektör için römork blok numarasını hesaplayın, bu numara şudur: sektör * 4 + 3 (15. sektör, 63. blok için).
- Öncelikle mevcut A anahtarını kullanarak kimlik doğrulaması yapın. PCD_Authenticate() römork bloğu hakkında.
- Fragman bloğunu okuyun MIFARE_Okuma() içeriğinizi almak için.
- Yeni anahtarlara karşılık gelen baytları bir arabellekte değiştirin.
- Gerekirse tekrar kimlik doğrulaması yapın (örneğin, B anahtarıyla).
- Güncellenmiş fragman bloğunu aşağıdaki şekilde yazın: MIFARE_Yazma().
Bu işlem sırasında, işlem tamamlanana kadar kartı okuyucudan çıkarmamak çok önemlidir , çünkü sondaki bloğa yapılan yazma işleminin kesintiye uğraması sektörün erişilemez hale gelmesine neden olabilir. Anahtarlar değiştirildikten sonra, bu sektördeki gelecekteki işlemlerde bu yeni anahtarları kullanmak için Arduino kodunu da güncellemeniz gerekecektir.
Okuma ve yazma blokları: bir ulaşım kartını simüle etme
MIFARE Classic ile okuma ve yazma işlemlerinin oldukça açıklayıcı bir uygulaması, yeniden şarj edilebilen bir toplu taşıma kartının davranışını simüle etmektir . Fikir basit: kart, belirli bir blokta bir dizi yolculuğu saklar ve sistem, yolculuk yüklemenize (yeniden şarj etmenize) veya kullanmanıza (otobüse veya tramvaya binerken doğrulama) olanak tanır.
Bu amaçla, örneğin 15. sektör kullanıcı verileri için ayrılabilir ve veri bloklarından biri (örneğin, 60. blok) yolculuk sayacını saklamak için kullanılabilir. Mevcut yolculuk sayısı bloğun 0. baytında saklanır. Bloğun geri kalan baytları diğer veriler için kullanılabilir veya basitçe sıfırda bırakılabilir.
Yeniden yükleme bölümü için tipik kod akışı şu şekilde olacaktır:
- Tanımlamak Anahtar A ve Anahtar B Söz konusu sektörü koruyan mevcut düzenlemeler (örneğin, önceki adımda değiştirdiğimiz düzenlemeler).
- Sektör numarasını, veri bloğunu (60) ve sonlandırıcı bloğu (63) tanımlayın.
- İlk baytı seyahat sayısını temsil edecek şekilde 16 baytlık bir dizi (blockData) tanımlayın.
- Kart okuyucuya her yaklaştırıldığında, 60. bloğu okuyun. MIFARE_Read() fonksiyonunu kullanarak mevcut seyahatleri alıyoruz.
- Şarj etmek için gereken yolculuk sayısını (örneğin, 10) okunan değere ekleyin.
- Verileri güncelleyin. Yeni sefer sayısıyla bloğu doldurun.
- İlgili son blok için A anahtarıyla kimlik doğrulaması yapın.
- Blok 60'ı şu şekilde yazın: MIFARE_Yazma().
- Değerin doğru şekilde güncellendiğini doğrulamak için tekrar okuyun.
Yolculuk tüketimi kısmı (otobüste doğrulama) için kod neredeyse aynıdır, ancak ekleme yerine sayaçtan bir çıkarılır. Çıkarma işleminden önce, okunan değerin sıfır olup olmadığı kontrol edilir: eğer kalan yolculuk yoksa, erişim reddedilir ve kullanıcıdan yeniden yükleme yapması istenir . Sayaç sıfırdan büyükse, azaltılır, blok yeniden yazılır ve kalan yolculuk sayısı ekranda görüntülenir.
Her iki durumda da MFRC522 kütüphane fonksiyonlarının dönüş kodlarını (örneğin, kimlik doğrulama veya yazma hataları) doğru şekilde ele almak ve her döngünün sonunda PCD_StopCrypto1() ile şifrelenmiş iletişimi ve PICC_HaltA() ile kartın kendisini durdurmak önemlidir.
UID tabanlı basit erişim kontrolü
RC522 ve Arduino kullanan bir diğer klasik proje ise, sunulan kartın UID'sine göre girişin izin verildiği veya reddedildiği basit bir erişim kontrol sistemidir . Bu yaklaşım, kartın dahili belleğini değil, yalnızca benzersiz tanımlayıcısını kullanır ve bu nedenle güvenlik açısından oldukça sınırlıdır, ancak hızlı bir örnek olarak hizmet eder.
Tipik yaklaşım şöyledir:
- Temel kütüphane fonksiyonlarını (PICC_IsNewCardPresent, PICC_ReadCardSerial, vb.) kullanarak kartın UID'sini okuyun.
- Okunan UID'nin baytlarını geçici bir diziye kopyalayın (örneğin, ActualUID).
- Kod içinde, yetkilendirilmiş kartların UID'lerini içeren birkaç dizi tanımlayın (örneğin, User1, User2).
- Bir bayt dizisi karşılaştırma fonksiyonu oluşturun ve bu fonksiyon bir değer döndürsün. İkisi de aynıysa doğrudur..
- ActualUID'yi yetkilendirilmiş her UID ile karşılaştırın ve herhangi bir eşleşme varsa, dijital bir çıkışı etkinleştirin, "Erişim izni verildi" mesajını görüntüleyin veya elektrikli bir kilidi etkinleştirin.
- Eğer bunlardan hiçbiriyle eşleşmiyorsa, “Erişim reddedildi” mesajını gösterin ve sistemi kapalı tutun.
Gerçek dünya ortamında, bu tür bir sistem etiket klonlamaya karşı savunmasızdır çünkü birçok ucuz okuyucu, UID'lerin kopyalanmasına veya taklit edilmesine izin verir. Güvenliği artırmak için, kartın dahili belleğini, özel anahtarları ve muhtemelen güvenliği şu anda yaygın olarak sorgulanan MIFARE Classic'inkinden daha sağlam kriptografik mekanizmaları kullanmak gerekecektir. Yine de, kart okuma iş akışını ve fiziksel aktüatörlerle entegrasyonu öğrenmek için mükemmel bir pedagojik örnektir.
Yukarıdakilerin tümüyle, artık temel RFID kavramlarını sağlam bir şekilde kavradınız, farklı frekans bantlarının nasıl davrandığını anladınız, MIFARE Classic 1K kartının iç işleyişini biliyorsunuz, RC522 modülünün Arduino ile temel bağlantısını ve kullanımını öğrendiniz ve erişim kontrolü veya toplu taşıma kartları gibi gerçek dünya sistemleri oluşturmak için blokları nasıl okuyup yazacağınızı ayrıntılı olarak gördünüz . Buradan sonraki doğal adım, RFID'yi diğer modüllerle (LCD ekranlar, röleler, Wi-Fi, bulut veritabanları) birleştirmek ve akıllı ampulleri kontrol etmeyi öğrenerek , mağazalarda, toplu taşımada ve temassız ödeme cihazlarında her gün gördüğünüz profesyonel sistemlere daha da yakın, daha kapsamlı çözümler oluşturmaktır.
