Многофункциональное устройство контроля доступа в помещение на
жүктеу/скачать 1.94 Mb.
|
Проектный разделРазработка электрической схемы и выбор необходимых компонентов В качестве основы, которая будет контролировать всю работу устройства, был выбран микроконтроллер серии Arduino UNO R3, лицевая часть которого представлена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 – Лицевая сторона Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 - это устройство на основе микроконтроллера ATmega328. В его состав входит: 14 цифровых входов/выходов под номерами 0-13 (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов, на плате обозначены со знаком “~”), 6 аналоговых входов A0-A5, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем для внутрисхемного программирования (ICSP) и кнопка сброса. Для начала работы нужно подать питание от AC/DC-адаптера или батарейки, или через USB-кабель от персонального компьютера. Порт AREF задает опорное напряжение аналоговых входов. Порт IOREF позволяет платам расширения подстраиваться под рабочее напряжение Arduino. Он необходим для совместимости плат расширения как с 5 вольт (В) Arduino на базе микроконтроллеров AVR, так и с 3.3В платами Arduino Due. Основные характеристики Arduino Uno R3 представлены ниже. Рабочее напряжение питания 5В, рекомендуемое напряжение питания от 7 до 12В, предельное напряжение питания в диапазоне 6-20В. 14 цифровых входа/выхода, 6 аналоговых входов, максимальный ток одного вывода равен 40 мА, максимальный ток вывода 3.3V равен 50 мА. У микроконтроллера присутствует Flash-память на 32 килобайт (КБ) (ATmega328), используемая при создании программ, из которых 0.5 КБ используются загрузчиком, а также электрически стираемая энергонезависимая перезаписываемая память EEPROM на 1 КБ. Тактовая частота кварцевого резонатора 16 МГц. Для реализации радиочастотной идентификации был выбран RFID- модуль RC522. Его характеристики представлены ниже. Напряжение питания 3,3 B, потребляемый ток не более 30 мA, рабочая полоса частот 13,55–13,57 МГц, считывается на расстоянии 0–25 мм, физический размер считывателя 40 x 60 мм, рабочая температура от 20 до 80С°. Сопровождаемые карты: классы S50, S70, Ultralight, Pro, DESFire; типы Mifare S50, Mifare S70, Mifare UltraLight, Mifare Pro, Mifare DESfire. Скорость передачи информации 106, 212, 424, 848 кбит/с. Шифрование Security Features Mifare classic™(термин Mifare может только компания NXP Semiconductors, а также компании, имеющие лицензию от NXP на производство чипов). Метки MiFare Classic работают на высокочастотных радиоволнах, в частности на частоте 13,56 МГц. Это та же частота, на которой работают устройства с поддержкой Near Field Communication (NFC). В RFID-метках отсутствует микропроцессор и защищенный элемент, способный к аутентификации. RFID-метки MiFare были введены NXP Semiconductors в 1995 году, и с тех пор было продано более миллиарда меток во всем мире. Действуя в качестве систем контроля доступа и электронных кошельков, метки привлекли внимание исследовательских групп, которые провели многочисленные исследования, касающиеся безопасности, которые предлагают метки. MiFare Classic реализуют собственный криптографический алгоритм под названием CRYPTO-1. Это потоковый шифр с 48-битным секретным ключом, который используется для обеспечения конфиденциальности данных и взаимной аутентификации между меткой и считывателем. Внешняя схема устройства для считывания RFID-меток представлена на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 – Считыватель RC522 Контакты и сигналы RFID RC522: VCC — Питание 3.3V; RST — Reset. Линия сброса, вход; GND — Ground. Земля; MISO — Master Input Slave Output — данные от ведомого ведущему, выход SPI; MOSI — Master Output Slave Input — данные от ведущего к ведомому, вход SPI; SCK — Serial Clock — тактовый сигнал, вход SPI; SDA — Slave Select — выбор ведомого, вход SPI; IRQ — линия прерываний, выход. Считыватель поддерживает интерфейсы SPI, UART и I2C через которые происходит обмен данными с другими приборами. На плате модуля RFID RC522 установкой логических уровней на специальных выводах микросхемы выбран интерфейс SPI. С одним Arduino могут работать несколько приборов, подключенных к шине SPI. Подключение модуля RC533 к Arduino Uno производится соответственно таблице 2.1. Для нормальной работы представленного выше модуля выход IRQ не подключается к Arduino. Таблица 2.1 – Подключение RC522 к Arduino Uno
В комплекте с данным модулем входит белая пластиковая карта Mifare Classic 1K или метка в виде брелка, изображенная на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 – RFID-метка Mifare 1K Внутри нее находятся антенна и микросхема Mifare S50, содержащая память и радиочасть. Размер памяти 1 килобайт, тип EEPROM. Она разделена на 16 секторов, состоящих из 4 разделов. В каждом разделе три информационных части и одна для ключей. Внутри одной части есть 16 байт памяти. Срок хранения данных 10 лет, количество циклов перезаписи 100000. Уникальность карточки Mifare обеспечивается присвоением изготовителем номера, используемого в качестве идентификационного кода. Для защиты данных в микросхеме карты использовано аппаратное шифрование. Во время работы данные с карточки поступают на считыватель только после взаимной идентификации кода, записанного в сектор памяти карточки и хранящегося в считывателе. Для работы в среде разработки Arduino можно воспользоваться различными сторонними библиотеками, разработанными для того, чтобы существенно упростить работу со считывателем RC522. Для записи и чтения с карты необходимо знать ее уникальный номер, необходимый для работы системы радиочастотной идентификации. Для этого нужно загрузить программу из списка примеров библиотеки RFID под названием «CardInfo», подключить RC522 к Arduino, и запустить программу в среде разработки Arduino IDE. При нахождении рабочей метки в зоне действия RFID – считывателя на мониторе порта появится информация о карте, представленная на рисунке 2.4. Рисунок 2.4 – Идентификационные номера RFID – меток Программа выводит ряд чисел: 60, 121, 172, 213, 60. Необходимо записать их в обратном порядке. Первое число исключается (контрольная сумма), которое сначала было последним, а оставшиеся числа переводятся в шестнадцатеричный код. Затем они записываются в том же порядке, но без пробелов. Полученное большое число необходимо перевести в десятичный код, вследствие чего получится идентификационный номер карты. С его помощью уже можно проводить различные манипуляции и составлять различные программы, например системы контроля доступа в помещение. Для того, чтобы вводить кодовую комбинацию, можно воспользоваться специально сконструированной для работы с микроконтроллерами матричной клавиатурой, состоящей из 16 кнопок, расположенных в 4 рядах и 4 столбцах, внутренняя схема которой изображена на рисунке 2.5. Рисунок 2.5 – Схема матричной клавиатуры 4х4 Матричные клавиатуры для микроконтроллеров достаточно разнообразны в своем построении. Кроме 16-кнопочных клавиатур существуют решения с 12 или с 4 кнопками, с мембранной подложкой или с простыми кнопками. Для решения поставленных задач, воспользуемся типовым решением в виде матричной клавиатуры из 16 кнопок, виды которой представлены на рисунке 2.6. Для того чтобы подключить матричную клавиатуру к Arduino, от платы выведено 8 контактов, которые подключаются через соединительные провода к цифровым входам микроконтроллера. Рисунок 2.6 – Кнопочная и мембранная клавиатуры 4х4 В устройстве многих электронных замков может присутствовать элемент, воспроизводящий звук. Для этих целей подойдет пьезокерамический излучатель звука (пьезодинамик), который может воспроизвести звук на основе пьезоэлектрического эффекта. Пьезодинамик, изображенный на рисунке 2.7, состоит из металлической пластины, с нанесенной на ней пьезоэлектрической керамики, имеющей токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются контактами пьезоизлучателя, полярность которых — плюс и минус. Если к контактам приложить напряжение, под действием обратного пьезоэлектрического эффекта излучатель начнет воспроизводить звук, а если механически воздействовать на пьезоэлемент, то на его контактах появится напряжение. Чтобы подключить пьезодинамик к микроконтроллеру, контакт, обозначенный знаком «+» подключается к любому цифровому входу, а минусовой контакт к выходу GND. Рисунок 2.7 – Простой пьезокерамический излучатель Удобным способом отображения различной информации, необходимой во время работы устройства контроля доступа, является жидкокристаллический дисплей. Выберем самый простой в управлении символьный дисплей LCD1602 на основе контроллера HD44870, изображенный на рисунке 2.8. На этом рисунке также изображена плата последовательного I2C-интерфейса на основе микросхемы PCF8574AT, с помощью которой можно подключать дисплей к микроконтроллеру через 4 провода. Подключение происходит очень просто: SDA и SCL входы подключаются к входам SDA и SCL микроконтроллера, VCC и GND соответственно к +5В и GND микроконтроллера. Рисунок 2.8 – Дисплей LCD1602 и плата подключения I2C-интерфейса Для наглядности используем модуль RGB-светодиода KY-016, представленный на рисунке 2.9. В этом модуле выводы, отвечающие за передачу цвета, уже подключены через резисторы номиналом 220 Ом, поэтому нет необходимости в отдельных резисторах, чтобы защитить светодиод от выхода из строя. Выводы R, G, B соединяются с цифровыми входами микроконтроллера, а вывод “ - “ к входу GND. Рисунок 2.9 – RGB-светодиод KY-016 Для коммутации различных приборов используется специальный одноканальный модуль реле для микроконтроллеров, изображен на рисунке 2.10, а принципиальная схема устройства – на рисунке 2.11. Рисунок 2.10 – Схематичное изображение реле (вид сверху) В состав реле входят: резисторы номиналом 1 кОм (R1, R2), подтягивающий резистор R3 на 10 кОм, p-n-p транзистор(VT1), обратный диод(VD2) и, реле (К1). VD1 (красный светодиод) – индикация подачи питания на модуль, загорание VD3 (зеленый светодиод) свидетельствует о замыкании реле. Контакты реле показаны на рисунке 2.12. Рисунок 2.11 – Принципиальная схема модуля реле Рисунок 2.12 – Контакты одноканального реле При включении выводы находятся в высокоомном состоянии, транзистор не открыт. Так как транзистор p-n-p типа, то для его открытия нужно подать на базу минус. Для этого нужно использовать функцию digitalWrite(pin, LOW). Реле срабатывает, когда транзистор открыт и через управляющую цепь течет ток. Для отключения реле следует закрыть транзистор, подав на базу плюс при помощи функции digitalWrite(pin, HIGH). Контакты реле NC – нормально замкнутый, SW – контакт переключения, NO – нормально разомкнутый. жүктеу/скачать 1.94 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|