ARD VIB 01 - Piezo Vibrationssensor

Abb. 1: Piezo Vibrationssensor ARD VIB 01

Autor:	Niklas Reeker
Studiengang:	Business and Systems Engineering
Modul:	BSE-M-2-1.03, Hausarbeit in Angewandte Informatik
Betreuender Professor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Semester:	Sommersemester 2024
Abgabetermin:	28.07.2024

Einführung

In diesem Artikel wird die Verwendung des RFID-KITs mit einem Mifare RC522 Empfänger näher erläutert. RFID (Radio Frequency Identification) ist eine Technologie zur drahtlosen Identifikation und Authentifizierung von Objekten mittels Radiowellen. Das Mifare RC522 Modul ermöglicht es, RFID-Tags zu lesen und zu schreiben, und wird häufig in Zugangskontrollsystemen, Bibliothekssystemen und bei der Verfolgung von Gegenständen eingesetzt.

Der Artikel gibt einen Überblick über die grundlegenden Komponenten des RFID-KITs, erklärt die Funktionsweise des Mifare RC522 Empfängers und beschreibt detailliert, wie das Modul in verschiedenen Projekten integriert und programmiert werden kann. Ziel ist es, dem Leser dieses Artikels eine umfassende Anleitung zur erfolgreichen Implementierung von RFID-Lösungen mit dem Mifare RC522 zu bieten.

Aufgabenstellung

Lesen Sie mit dem RFID Lesegerät die Daten der RFID Karte und des RFID-Tags aus.

Anforderungen 

Tabelle 1: Anforderungen

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Die Daten eines RFID-Tags müssen mittels RFID Empfänger Modul RC522, Arduino und Simulink eingelesen werden.	1
2	Der Messbereich muss bestimmt werden.	1
3	Die empfangenen Daten müssen referenziert werden.	1
4	Der ID muss einem Nutzernamen zugeordnet werden.	1
5	Ein Piepton muss anzeigen, wenn ein RFID-Tag gelesen werden kann.	1
6	Der Nutzername der RFID-Karte und des Tags müssen auf dem LCD-Display korrekt angezeigt werden.	1

• Thema/Fragestellung: Bestimmen des Messbereichs und Identifikation von RFID-Tags mit dem RFID-KIT und Mifare RC522 Empfänger.
• Hypothese: Die Identifikation und Authentifizierung von RFID-Tags erfolgt im Bereich von 4 cm bis 10 cm zuverlässig und fehlerfrei.
• Einordnung in den Lehrplan: Die Anwendung des RFID-KITs mit Mifare RC522 Empfänger ist relevant für den Bereich der drahtlosen Kommunikation und Automatisierung in der Informatik. Sie bietet praktische Erfahrungen in der Implementierung von RFID-Technologie, die in modernen Zugangskontrollsystemen und Inventarverfolgungssystemen weit verbreitet ist. Anhand dieses Praxisbeispiels werden in der Lernveranstaltung "Angewandte Informatik" folgende Lernziele vermittelt:
  
  • mit der Versionskontrolle SVN nachhaltig Quelltext entsprechend der Programmierrichtlinien schreiben, sichern, kollaboriert bearbeiten und Konflikte lösen.
  • in einer mathematisch orientierten Systax (z. B. MATLAB®) mit Vektoren und Matrizen rechnen, Programmteile in Funktionen auslagern, Zweige und Scheifen programmieren, Daten importieren und visualisieren.
  • die Mikrocontrollerplattform Arduino modellbasiert mit Simulink programmieren, so dass Sensoren eingelesen und Aktoren angesteurt werden können.

Des Weiteren wird ein tiefes Verständnis für die Sensortechnologie und ein Aufbau von einer Schaltung mit dieser gelehrt.

Projektbeschreibung

Ein RFID-Empfänger besteht aus einer Kupferspule, die ein magnetisches Feld erzeugt. Der RFID-Tag, der ebenfalls eine Kupferspule enthält, nutzt dieses Magnetfeld, um eine Spannung zu induzieren, die den integrierten Chip im Tag aktiviert. Der aktivierte Chip sendet dann einen einzigartigen Code per Funk aus. Da der Tag die Energie aus dem Magnetfeld des Empfängers bezieht, benötigt er keine eigene Stromversorgung. Diese Technik ermöglicht eine einfache und wartungsfreie drahtlose Identifikation und Authentifizierung von Objekten.
Im nachfolgenden ist eine Liste mit den zum Aufbau der Schaltung benötigten Komponenten dargestellt:

Tabelle 2: Materialliste

#	Anzahl	Material
1	1	Arduino Uno R3
2	1	RFID-KIT mit Mifare RC522 Empfänger
3	1	LCD Modul 16x02 I2C
4	1	PC mit MATLAB/Simulink R2023b
5	1	Streckbrett
6	5	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm

Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software

In diesem Abschnitt werden die in Tabelle 2 aufgelisteten Hard- und Softwarekomponenten näher erläutert.

Abb. 2: Arduino Uno R3

Arduino Uno R3
Der Arduino Uno R3 ist ein Mikrocontroller-Board, das auf dem ATmega328P basiert. Es verfügt über 14 digitale Ein-/Ausgangspins, 6 analoge Eingänge, einen 16 MHz Quarzoszillator, eine USB-Schnittstelle, eine Strombuchse, eine ICSP-Stiftleiste und einen Reset-Button. Der Arduino wird über die Arduino IDE oder Matlab Simulink in Verbindung mit dem Arduino Hardware Support Package programmiert und ist in der Lage, verschiedene Sensoren und Module anzusteuern und Daten zu verarbeiten.

Abb. 3: Mifare RC522 RFID-Kit

RFID-KIT mit Mifare RC522 Empfänger
Das RFID-KIT mit Mifare RC522 Empfänger besteht aus einem RFID-Modul und RFID-Tags. Der RC522 Chip kommuniziert über SPI mit dem Arduino. Der Empfänger erzeugt ein magnetisches Feld, das vom RFID-Tag aufgenommen wird. Der Tag benötigt keine eigene Stromversorgung, da er die Energie aus dem Magnetfeld bezieht. Der im Tag integrierte Chip wird aktiviert und sendet einen eindeutigen Code aus, der vom RC522 erfasst und an den Arduino weitergeleitet wird.

Abb. 4: LCD Modul 16x02 I2C

LCD Modul 16x02 I2C
Das LCD Modul 16x02 I2C ist ein Display-Modul mit 16 Spalten und 2 Zeilen. Es verwendet die I2C-Schnittstelle, die nur zwei Datenleitungen benötigt, wodurch die Anzahl der benötigten Pins am Arduino reduziert wird. Das Modul ermöglicht die Darstellung von Textinformationen, wie z.B. Benutzername und RFID-Tag-ID. Durch die Integration mit dem Arduino lassen sich die auf dem LCD angezeigten Informationen einfach programmieren und anpassen.

Simulink R2023b Simulink R2023b ist eine grafische Programmierumgebung zur Modellierung, Simulation und Analyse dynamischer Systeme. In diesem Projekt wird Simulink verwendet, um die vom Arduino empfangenen RFID-Daten zu visualisieren und zu verarbeiten. Mit Simulink lassen sich verschiedene Algorithmen zur Datenverarbeitung implementieren und Simulationen durchführen, um das Verhalten des Systems zu analysieren und zu optimieren.

Steckbrett
Ein Steckbrett (Breadboard) ist ein wiederverwendbares Prototyping-Tool, das es ermöglicht, elektronische Schaltungen ohne Löten aufzubauen. Es besteht aus einer Vielzahl von Löchern, in die Komponenten und Verbindungsdrähte gesteckt werden können, um elektrische Verbindungen herzustellen. Das Steckbrett erleichtert das Experimentieren mit verschiedenen Schaltungen und das schnelle Anpassen von Verbindungen, ohne dass dauerhafte Änderungen vorgenommen werden müssen.

Technische Daten

Nachfolgend sind die Technischen Daten des Primärsensors aufgetragen:

Tabelle 3: Technische Daten des Primärsensors

Messbereich	2,5 cm bis 10 cm
RFID Set für Arduino	90° Stiftleiste bereits angelötet
Chipsatz	MFRC522
Norm	ISO, IEC 14443A, Mifare
Protokoll	SPI
Betriebsspannung	3.3V
Frequenz	13,56 MHz
Stromaufnahme	13-26mA
Stromaufnahme Standby	10-13mA
Betriebstemperatur	-20 bis 80°C

Pinbelegung

Im Folgenden wird die Pinbelegung des RFID-KITs mit Mifare RC522 Empfänger und dessen Verbindung zum Arduino Uno R3 dargestellt. Diese Tabelle zeigt, welche Pins des RFID-Moduls mit welchen Pins des Arduino verbunden werden müssen, um eine korrekte Funktion zu gewährleisten.

Tabelle 4: Pinbelegung des RFID-KITs

Pin	Belegung	Signal
1	SDA	Pin 10
2	SCK	Pin 13
3	MOSI	Pin 11
4	MISO	Pin 12
5	IRQ	Nicht verwendet
6	GND	GND
7	RST	Pin 9
8	3.3V	3.3V

Diese Belegung stellt sicher, dass das RFID-Modul korrekt mit dem Arduino verbunden ist, sodass die Kommunikation zwischen den beiden Geräten reibungslos funktioniert.

Funktionsweise Primärsensor und Messschaltung

Abb. 5: RFID-Transpondererkennung

In diesem Kapitel werden der Primärsensor und die Messschaltung beschrieben. Dabei wird unter anderem auf den Aufbau und die Funktionsweise des Sensors eingegangen.

Primärsensor: Mifare RC522 RFID-Empfänger
Der Mifare RC522 RFID-Empfänger besteht aus einem integrierten Schaltkreis (IC) und einer Kupferspule, die als Antenne fungiert. Der Empfänger erzeugt ein elektromagnetisches Feld, welches RFID-Tags in der Nähe aktiviert. Wenn ein Tag in das Feld gelangt, induziert die Antenne des Tags eine Spannung, die den Chip des Tags aktiviert. Dieser Chip sendet daraufhin eine eindeutige Identifikationsnummer (ID) an den RC522 zurück.
Der RC522 erfasst diese ID und kommuniziert sie über die SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) an den Arduino zur weiteren Verarbeitung. Der Empfänger ist darauf ausgelegt, zuverlässig in einem Bereich von 2,5 cm bis 10 cm zu arbeiten.

Abb. 6: technische Darstellung eines passiven RFID-Tags

RFID TAG
Ein passiver RFID-Tag besteht im Wesentlichen aus einem Speicherchip (1), einer Spule (2) und einem Kondensator (3). Diese Kombination bildet einen sogenannten Schwingkreis. Die Spule und der Kondensator bestimmen durch ihre Induktivität und Kapazität die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Die Spule des Tags dient sowohl zur Energieversorgung als auch zum Datenaustausch mit dem RFID-Reader. Das Magnetfeld des Readers induziert eine Spannung in der Spule des Tags, wodurch der Speicherchip aktiviert und die gespeicherten Daten übertragen werden.

Messschaltung
Die Messschaltung umfasst den Mifare RC522 RFID-Empfänger, den Arduino Uno R3 und die dazugehörigen Verbindungen. Der RFID-Empfänger ist über die SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) mit dem Arduino verbunden.

Versuchsaufbau und Durchführung

Versuchsaufbau

Abb. 2: Schaltplan

Abb. 3: Anschlussplan

Abb. 4: Foto des Versuchsaufbaus

Der Versuchsaufbau wird durch einen Schaltplan (Abb. 2), Anschlussplan (Abb. 3) und Foto des Aufbaus (Abb. 4) dokumentiert.

Versuchsdurchführung

Abb. 5: Simulink-Modell

Das Modell zur Datenverarbeitung wurde gemäß Abb. 5 in Simulink aufgebaut. Die Messdaten wurden aufgezeichnet. Ein Video der Versuchsdurchführung findet sich hier.

Modelleinstellungen: Arduino Uno, Solver: Fixed-step, discrete, Abtastrate: 0,001 s

Versuchsbeobachtung

Abb. 6: Darstellung des Rohsignals des IR-Entfernungssensors (rote Kurve)

Abb. 7: Darstellung von dynamischen Messwerten des IR-Entfernungssensors

Das Signal des Sensors weist alle 40 ms systematische Ausreisser auf (vgl. Abb. 6, rote Kurve).

Auswertung

Die Messhypothese wurde verworfen. Der Sensor weist systematische Messwertausreisser auf.

Die Ausreisser lassen sich mit einem Signalfilter eliminieren. Hierzu eignet sich ein Rangordnungsfilter (z. B. Median-Filter). Das Filter wird hierzu auf eine Fensterbreite von 30 Werten eingestellt. Das zufriedenstellende Filterergebnis für statische Werte zeigt Abb. 6 als blaue Kurve. Es konnte mit dynamische Werten verifiziert werden (vgl. Abb. 7). Das Datenblatt ([2, S. 6]) belegt die Messungen und bezeichnet die Messausreisser als "instabile Ausgabe" für maximal 5 ms alle 40 ms. Mit 50 Werten erhöht sich die Filterwirkung, es entsteht jedoch ein Delay von 10 ms. Mit 10 Werten ist die Filterwirkung zu gering.

Zusammenfassung und Ausblick

• Zusammenfassung der Kapitel 1-4
• Diskussion der Ergebnisse
• Ausblick
• Selbstreflexion/Lessons learned

Ergebnisvideo

Binden Sie hier Ihr Ergebnisvideo ein.

Anleitung: Videos im Wiki einbinden

Lernzielkrontrolle

Beantworten Sie in Ihrem Artikel die Lernzielkontrollfragen.

Lernzielkontrollfragen 

1. Wie funktioniert der Primärsensor technisch?
2. Welche Leistungsmerkmale hat der Sensor?
3. Wie funktioniert die Umsetzerschaltung technisch?
4. Wie kommuniziert der Sensor mit dem Arduino?
5. Muss der Sensor kalibriert werden?
6. Wie wird der Messwert in die zu messende physikalische Größe umgerechnet?
7. Was nutzen Sie als Referenz?
8. Benötigt der Sensor eine Kennlinie?
9. Welchen Messbereich hat das Signal am Ende der Messkette?
10. Welche Messunsicherheit und welcher Vertrauensbereich hat das Signal am Ende der Messkette für den gesamten Messbereich?
11. Welche Auflösung hat das Signal am Ende der Messkette? Wodurch wird die Auflösung bedingt?
12. Weist das Signal am Ende der Messkette einen systematischen oder zufälligen Fehler auf?
13. Welche Fehlereinflüsse hat die Messung? Muss z. B. die Temperatur der Messung berücksichtigt werden?

Literatur

Zitieren Sie nach DIN ISO 690:2013-10.

Anhang

Datenblätter

• joy-it Anleitung
• Datenblatt (EN)

Originaldateien

• PAP
• Schaltplan,...

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