Apriporta RFID parte 2 - il software

In questa seconda parte completo il primo post sull'apriporta rfid descrivendone brevemente il codice.

Chiamata al server esterno

Al momento della "strisciata" con il badge rfid viene chiamato un servizio web esterno che effettua la validazione del codice rfid letto.
La chiamata è una semplice http get a un pagina web alla quale vengono passati il codice rfid letto e il gate, ovvero il codice della postazione.
Questo perchè il sistema è stato pensato per gestire un set di porte, gestite centralmente con un unico database.
La chiamata è del tipo GET /presenze.aspx?code=XXX&gate=YYY, dove XXX è il codice rfid e YYY è il codice della postazione.
Il servizio chiamato restituisce un "OK" se il codice rfid è valido, in tutti gli altri casi è sufficiente che la pagina web restituisca una stringa diversa.
Per questioni di sicurezza, al fine di avere sempre garantita l'apertura della porta  anche in caso di assenza di connettività verso il server, ho previsto fino a 10 card "master" il cui identificati rfid è cablato nel codice: in questo caso se viene rilevata uno di questi codici, la porta viene aperta istantaneamente senza alcun tipo di verifica sul server remoto. Queste card andranno utilizzate solo dai proprietari del sistema, mentre l'abilitazione di tutte le altre card potrà essere fatta dinamicamente attraverso il database.

Configurazione

per la configurazione sono necessarie alcune costanti:

• const IPAddress server(82,63,171,50) : indirizzo del nostro server
• const int       serverPort = 80 : porta del server
• const String    gate = "SEDE1" : identificativo della postazione (gate)
• byte            mac[] = { 0x90, 0xA2, 0xDA, 0x0F, 0xE5, 0x0F } : mac address della ethernet shield (attenzione: deve coincidere con quello riportato sull'etichetta sul dietro della scheda)
• const String master0 = "2590ab25" : identificativo della card master (fino a 10)
• const int       activateTime = 1000 : tempo di attivazione del relè (consigliato >500ms)

Attenzione: se lavorate con ip address statico, settate la variabile myip[] e scommentate la riga successiva, altrimenti verrà acquisito un indirizzo dinamico via dhcp

  byte myip[] = { 10, 10, 30, 89 };   
 // Ethernet.begin(mac, myip);

Funzionamento

Il main è un ciclo infinito:

viene fatto lampeggiare il led, viene letto l'rfid, vengono aspettati 200ms e poi si ripete nuovamente il ciclo.

In caso di lettura di un rfid, viene verificato se il codice coincide con una delle card master, in tal caso viene attivato immediatamente il relè. Se il codice non è relativo a una card master, allora viene invocato il servizio esterno chiedendo la verifica sul codice rfid letto. Se la risposta è affermativa allora viene eccitato il relè.

Lo sketch

Scarica qui lo sketch completo

Non posto la parte serve in quanto davvero semplice. Nel mio caso si trattava di una pagina aspx che andava a effettuare una query su una tabella contenente le card abilitate. Al momento della chiamata veniva inoltre scritta una tabella di log riportante codice, ora, gate ed esito.

Apriporta RFID parte 1 - il progetto

Ho avuto qualche richiesta di pubblicazione del progetto apriporta rfid, che avevo brevemente postato tempo fa su youtube.

Il progetto è un derivato diretto dal progetto di rilevazione presenze, dal quale eredita la gestione dell'Rfid e della chiamata http per validare il dato.
Ovviamente trattandosi di un apri porta è presente in più un relè che serve ad eccitare l'apriporta.

Come funziona un apriporta

Per aprire una porta con arduino è necessario che questa sia dotata di una serratura elettrica. Nella maggiorparte dei casi le porte di ingresso degli uffici sono dotati di un incontro elettrico. L'incontro non è la serratura, bensì il "fermo" che sta sulla parte opposta, sulla quale il catenaccio aperto dalla maniglia va ad incastrarsi. Nelle porte normali non elettrificate questa componente è fissa ed è semplicemente un foro, mentre nelle porte elettrificate diventa una parte mobile che può essere sbloccata elettricamente permettendo alla porta di essere aperta.
Per chi interessa c'è un bel video della Viro che spiega come montarne uno. Tra l'altro il costo è veramente ridottissimo, circa 30 euro uno di buona marca.

Di fatto per arduino l'incontro elettrico viene "nascosto" dietro un relè da eccitare per qualche decina di millisecondi, al quale sarà collegato appunto l'incontro elettrico.

Per questo progetto non ho utilizzato il classico arduino uno, bensì un arduino mega, in quanto avevo la necessità di tenermi la porta aperta (scusate il gioco di parole visto che si tratta di un apriporta...) in caso di future espansioni di questo progetto.

Ecco la lista della spesa:

• 1 Arduino Mega 2560 R2
• 1 proto shield
• 1 ethernet shield (without poe)
• 1 scheda relè 5v
• 1 alimentatore 12v
• 1 display 16x2
• 1 modulo rfid 522
• 1 level converter
• 1 buzzer
• 1 led
• cavo di rete cat 5

Il cavo di rete ci servirà in quanto il modulo rfid, il led di controllo e il buzzer saranno montati lontani dalla centralina arduino. Questo perchè nella mia installazione il modulo rfid/led/buzzer sono all'esterno della porta di casa, sotto il citofono, mentre la centralina arduino + relè sono all'interno. Un po' per questioni di sicurezza (ci vuole un secondo a cortocircuitare un relè e aprire la porta), un po' perchè la parte elettronica principale preferivo non esporla alle intemperie e agli sbalzi termici (vivo in Trentino, qui d'inverno fa anche -10°C).
Non sottovalutate i cavi troppo lunghi, ho scritto un interessante post in passato, ci sono disturbi di tutti i tipi in agguato, nell'insieme questo è un progetto davvero molto sensibile ai disturbi.
Per questo ho usato twistare i segnali sulla massa in modo indipendente, nell'utilizzare il cavo di rete.

Sull'utilizzo del level converter ho scritto un precedente post, se non fosse chiaro l'utilizzo prego darvi una rapida letta.

Wiring

Per l'assemblaggio ho usato una scatola di derivazione dove ospitare l'arduino, la scheda di rete, il relè, mentre all'esterno ho utilizzato una scatola stagna per campanelli, dove viene ospitato il lettore rfid, il led e il buzzer.
Per la connessione tra le 2 scatole ho usato 2 cavi di rete cat 6, per un totale di 16 poli disponibili, di cui però ne ho usato solo una parte

Cavo 1 (cavo di rete cat 6): si usano tutte le coppie

ARDUINO          LEVEL CONVERTER                                                            RFID
50 (miso)   --->  B4 level converter     A4 ---> Marrone (twistato con B/marrone + 3.3V) --> miso 
51 (mosi)   --->  B3 level converter     A3 ---> Verde (twistato con B/verde +3.3v)      --> mosi 
8  (sda)    --->  B2 level converter     A2 ---> Arancio                                 --> sda  
9  (rst)    --->  B/Arancio                                                              --> rst  
52 (sck)    --->  Blu  (twistato con B/blu gnd)                                          --> sck  
+3.3V       --->  B/verde + B/marrone + pin LV scheda level converter                    --> +3.3V 
gnd         --->  B/blu + pin GND scheda level converter                                 --> gnd  
+5V         --->  pin HV scheda level converter

Cavo 2 (cavo di rete cat 6): si usano solo 3 cavi

ARDUINO
2  (+buzzer) --->  B/Verde   cavo 2   ----> +buzzer
53 (+led)    --->  Verde     cavo 2   ----> +led
Gnd          --->  B/Marrone cavo 2   ----> resistenze 100 ohm verso polo (-) buzzer e led
           

Connessione alla scheda Rfid (cavo 1)

arancio   ---| SDA
blu       ---| SCK
verde     ---| MOSI
marrone   ---| MISO
non coll. ---| IRQ
b/blu     ---| GND
b/arancio ---| RST
b/verde   ---| +3.3V

Buzzer e led (Cavo 2)


      LED               BUZZER
     +   -             -      +
     |   |             |      |
  verde  |             |   B/verde
         |             |
         +-100R-+-100R-+
                |
                |
               gnd
            B/Marrone
           
Connessione al relè

Arduino                 Relè
7 Polo controllo Blu -> In1 
Gnd Bianco           -> Gnd 
+5V Rosso            -> Vcc

Display

Ho utilizzato un display 16x2 montato su un connettore che ne permettesse facilmente la rimozione.
Questa componente è opzionale, ma direi indispensabile in una prima fase di test, in quanto permette agevolmente di capire se arduino è collegato in rete, se ha preso l'indirizzo dal dhcp, se l'rfid legge, ecc.

47 -> RS
43 -> enable
41 -> D4
35 -> D5
33 -> D6
31 -> D7
oltre a gnd e +5V 

Ecco alcune foto della realizzazione:

Nel prossimo post: il software dell'apriporta

Bus SPI e cavi lunghi

Ho recentemente montato una versione del mio progetto di rilevazione presenze con rfid, adattandolo ad apri porta con validazione lato server.
Non ripropongo qui il progetto perchè è una leggerissima variante di quello già postato in precedenza per il rilevatore presenze.
La cosa interessante su cui volevo soffermarmi è la difficoltà di portare lontano le periferiche dalla board arduino, in particolare quelle basate sul bus SPI.
Nel progetto incriminato utilizzavo una mega 2560 con a cavallo una ethernet shield e un relè, che doveva costituire la centralina base del mio apriporta e posizionata all'interno dell'abitazione.
All'esterno dell'abitazione veniva posizionato il lettore rfid rc522, un led e un buzzer di segnalazione.
In mezzo, circa 3m di cavo, su cui girava il bus spi e i pin di controllo per led+buzzer.
Sia la ethernet shield che l'rfid utilizzano il bus SPI, alternandosi tramite attivazione via software (pin SDA).
Ho perso circa 2gg a cercare di capire il perchè il tutto funzionasse perfettamente sul tavolo di casa ma appena montato nella sua sede definitiva smettesse di funzionare, in particolare la schede ethernet che pensavo, essendo montata direttamente sopra la board arduino, dovesse essere l'ultima ad avere problemi.
Il problema è che il bus SPI non è fatto per le grandi distanze, anzi è fatto per gestire collegamenti diretti molto molto brevi tra shield.

Dalle specifiche dello standard SPI:

The serial peripheral interface (SPI) bus is an unbalanced or single-ended serial interface designed for short-distance communication between integrated circuits

Appena si introduce un cavo lungo, anche nell'ordine di 1 o pochi metri, si vanno a introdurre disturbi sul bus SPI che alterano in modo sistematico e a volte randomico il funzionamento.
Il bus SPI infatti "gira" a una frequenza tipicamente 1/4 della frequenza del nostro arduino. Su un arduino Uno o Mega 2560, il clock 16MHz va a formare il clock al SPI  con una frequenze pari a 1/4, ovvero 4MHz. Un segnale digitale a 4MHz su un cavo inadatto o in ambiente rumoroso (cavi 220V nelle vicinanze, citofoni, campanelli, ecc) può essere davvero un gran problema.
Uno dei problemi che riscontravo era che nonostante l'rfid fosse scollegato, il solo cavo volante connesso lato arduino al bus SPI portasse gravi disagi all'ethernet shield posta a 1cm dall'arduino board.

Ci sono vari trick&tips per la soluzione del problema.

Consiglio #1

Attenzione al cavo: evitiamo cavi elettrici sfusi o da antifurto. Un cavo di rete cat5/6 può andare benissimo, meglio se schermato (stp). La particolare conformazione del cavo di rete, a coppie twistate, permette scegliendo bene la combinazione di segnali di proteggersi meglio dal rumore.
Ad esempio accoppiando SCK con GND, MISO con Vdd, MOSI con Vdd ho ottenuto ottimi risultati. Tra tutti quandi direi che il segnale di clock SCK è quello più sensibile al rumore.

Consiglio #2

Un'altro fattore importantissimo da non sottovalutare è la frequenza del clock. Più il cavo è lungo, più effetto capacitivo ed induttivo viene introdotto, alterando la forma del segnale digitale. Quello maggiormente sensibile è proprio il segnale di clock (SCK, a volte indicato come CLK).
La frequenza può però essere ridotta via software, impostando un divisore maggiore della frequenza base.

Questa semplice istruzione ad esempio imposta il clock a 16MHz / 128 = 125KHz

SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV128); 

Altri consigli

Ho trovato vari articoli, ma questo mi è stato particolarmente utile:
http://neophob.com/2012/03/lpd6803-spi-and-long-distance
In particolare qui si cita la necessità di introdurre sui pin dati del spi (miso , mosi e anche sul clock sck) una resistenza di basso valore (33-51-100Ohm) al fine di implementare un terminatore per ridurre le reflextion del segnale.
Nel mio caso non ho provato perchè la semplice adozione del cavo twistato e l'abbassamento del clock ha permesso di far funzionare tutto egregiamente, però immagino che nel caso avessi adottato un cavo più lungo tale consiglio sarebbe stato essenziale.
Altri consigliano di mettere una resistenza tra il SCK e la GND, pari a 1K o più.

Parola d'ordine: SPERIMENTARE!

Rilevatore presenze - parte 4 - il codice (client)

Nel precedente post ho mostrato le porzioni principali del codice su Arduino.

Per effettuare la chiamata al server, viene invocata una chiamata HTTP in modalità GET, ovvero passando i parametri direttamente in query string.

E' previsto un unico tipo di chiamata, usato indifferentemente sia per l'entrata che per l'uscita.

Si noti che non è il client arduino a decidere se si tratta di una timbratura di entrata o di uscita, bensì il server secondo delle logiche applicative ben precise, dovute alla sequenza di chiamate.

La sintassi della chiamata è la seguente:

http://SERVER/presenze.aspx?code=CODICERFID&dataora=DATAORA

dove SERVER è ovviamente l'ip del vostro web server, presenze.aspx il nome della pagina aspx invocata, CODICERFID il codice della tag rfid rilevata e DATAORA la data/ora in formato yyyymmddhhMMss letta dalla rtc shield montata su Arduino.

La risposta del server è una stringa in questo formato

• XyyyymmddhhMMss 

dove:

• X: vale E per entrata, U per uscita
• yyyymmddhhMMss :data/ora del server

Il valore X serve per determinare il messaggio da mostrare all'utente quale conferma della timbratura.

Rilevatore presenze - parte 3 - il codice (client)

Il codice di controllo è molto banale, astraendoci dal funzionamento delle singole librerie.

Vediamo brevemente il controllo delle periferiche:

Buzzer

è basato su un'unico pin. Il buzzer si attiva inviando lo stato HIGH all'uscita. Per ottenerere un beep udibile è sufficiente un impulso di qualche decina di millisecondi. 

const int chipBuzzerPin =2; 

void beep()
{
   digitalWrite(2, HIGH);
   delay(120);   
   digitalWrite(2, LOW);
   delay(120);   
}

void beepLong()
{
   digitalWrite(2, HIGH);
   delay(2000);   
   digitalWrite(2, LOW);
   delay(120);   
}

void setupBuzzer()
{
  pinMode(chipBuzzerPin,OUTPUT);    
  digitalWrite(chipBuzzerPin, LOW);    
}

Rilevazione presenze con Rfid - parte 2 - La postazione di rilevazione

Vediamo nel dettaglio le componenti della postazione di rilevazione:

a) un lettore rfid costituito da una scheda Mifare Rc522 che si trova facilmente su ebay in accoppiata a una card o tag rfid.

La scheda utilizza lo standard SPI per la comunicazione con arduino. il collegamento é quello classico delle periferiche Spi: 2 piedini di alimentazione 3.3V e Gnd, 5 pin per la comunicazione : miso, mosi, sck, sda e rst. In questa scheda esiste un ottavo piedino scollegato denominato NC.

Per il controllo non ci si deve preoccupare perché esistono in rete molte librerie di controllo giá pronte all'uso. Nel mio caso ho preferito prendere una libreria esistente ed includerla nel progetto, in modo da ripulirla dalle funzioni in eccesso.Tuttavia se preferite utilizzarne una fatta e finita cercate in google con le keyword 'MFRC522 library arduino'

b) una scheda real time clock, ovvero un vero e proprio orologio in grado di fornire l'ora e la data. Tale scheda è autonoma in quanto possiede una batteria tampone che gli permette di mantenere l'ora corrente anche in caso di mancanza di tensione. Io ho utilizzato una Shield basata sul chip DS1307. La comunicazione è basata sullo standard I2C.

Questa al libreria utilizzata.

Rilevazione presenze con Rfid - parte 1 - Introduzione

Oggi vorrei descrivere una semplice soluzione pensata per la rilevazione delle presenze in azienda. La soluzione, davvero economica, permette di registrare gli ingressi ed uscite dei dipendenti dotandoli di un chip rfid personale, di quelli che ormai si trovano in tutte le forme: portachiavi, tessere, adesivi, ecc. La registrazione dei dati avviene su un database Sql Server (ma la soluzione é facilmente adattabile ad altri db) e la soluzione é completa di interfaccia web per la consultazione dei report mensili di presenza.

Il sistema di fatto é una piccola soluzione client-server dove il client é costituito da un lettore rfid collegato a un Arduino Uno interfacciato via rete lan con un server Windows, dove i dati vengono scambiati con Arduino mediante un semplice protocollo rest basato su un server IIS. 

Descriverò passo passo tutte le componenti, in modo che possiate facilmente replicare e personalizzare questo progetto.

Cosa serve per iniziare:

• una scheda Arduino Uno (circa € 25)
• una Ethernet Shield  (circa € 30)
• un display lcd grafico 84x48 retroilluminato NOKIA 5110 ( circa € 5) 
• un modulo Lettore RFID mifare RC522 reader (circa € 15)
• una scheda clock  DS 1307 RTC real time clock  (circa € 5)
• un buzzer e una resistenza da 220 Ohm ( < € 1 )
• una protoboard 
• uno o più chip rfid a standard mifare (€ 3 cadauno)

nel prossimo post: la postazione di rilevazione presenze