RFID-KIT mit Mifare RC522 Empfänger

Abb. 1: RFID-KIT mit Mifare RC522 Empfänger

Autor:	Niklas Reeker
Studiengang:	Business and Systems Engineering
Modul:	BSE-M-2-1.03, Hausarbeit in Angewandte Informatik gehalten von 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	PC mit MATLAB/Simulink R2023b
2	1	RFID-KIT mit Mifare RC522 Empfänger
3	1	LCD Modul 16x02 I2C
4	1	Arduino Uno R3
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.

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.

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.

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.

Technische Daten

Messbereich	0 ° .. 180 °
PWM-Modulation	analog
PWM-Pulszykluszeit	20 ms
PWM-Pulsweite	500-2400 ms
Versorgungsspannung	4.0 V .. 7.2 V
Versorgungsstrom	20 mA
Geschwingigkeit	0,12 s/60 ° (@4,8 V, lastfrei)
Drehmoment	1,5 kg/cm (@4,8 V)
Gewicht	9 g
Getriebe	Kunststtoff
Arbeitstemperatur	0 °C .. +55 °C
Abmessungen	22,2 mm x 11,8 mm x 31 mm

Pinbelegung

Pin	Belegung	Signal
1	Versorgungsspannung VCC	5 V
2	Triggereingang	TTL-Pegel
3	Echo, Ausgang Messergebnis	TTL-Pegel
4	Masse (GND)	0 V

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
• Simulink-Modell
• Originaldateien (PAP, Schaltplan,... )

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