После нескольких лет работы по RFID тематике и разработки разнообразных считывателей для моделей транспондеров популярных стандартов типа Mifare, EMMARINE, TIRIS… меня часто начал озадачивать такой вопрос – буквально в последний год широкую популярность приобрели разного рода эмуляторы под тэги популярных протоколов и разнообразные копировальщики ключей/брелков.

Учитывая большое количеcтво доступных в продаже спец микросхем популярных протоколов RFID и дешевых ридеров, широкого распространения оборудования типа цифровых осцилографов, сниферов и спектроанализаторов, данный вопрос стал для многих разработчиков более актуальным. Тогда я решился сделать для одного из проектов протокол для обмена отличающийся от описанных выше стандартов.

Безусловно данная идея не решает глобальных проблем защищенности новой системы и может быть проанализирована другими разработчиками при наличии оборудования, однако суть в том, что все это не совпадает с существующими стандартами и все железки копировальщиков не позволят по-быстрому скопировать и воссоздать подобный алгоритм. Разумеется подобная система не преподносится тут не как полное решение проблем безопасности, а как опыт адаптации RFID под закрытую систему. Хорошим плюсом в вопросе безопасности среди прочих подобных беспроводных систем является сама технология низкочастотных RFID – она не позволяет считать тэги на большом расстоянии.

Пассивные тэги достаточно маломощны и нуждаются для своего питания в достаточно мощном генераторе считывателя, особенности распространения радиоволн на данных частотах также ограничивают пределы работы данной системы. Реальная дальность считывания транспондеров редко превышает 20см для 125 Кгц стандартов типа EmMarine, скажем стандарта EM4001, для других протоколов типа Mifare (13,56Мгц) может быть побольше (1,5 метра для iso15693). Можно добиться большего расстояния считывания для низкочастотных ридеров если увеличить размеры катушки и напряжение питания, соответственно и мощность ридера. Однако такие системы имеют громоздки и как правило их тяжело сделать портативными. Как правило, такие системы реализуются только стационарно – скажем для автомобилей.

Итак, теперь собственно по архитектуре нашей RFID системы. Для экспериментов был выбран контроллер atmel atmega8. Для целей изготовления транспондера это кажется несомненным излишеством. Однако в данном случае решалась первостепенная задача разработки нового интерфейса на готовой отладочной платке c atmega с последующим портированием данного кода на более дешевые контроллеры типа tiny13. Для транспондера алгоритм работы был построен на основе режима ШИМ генерации при помощи таймера T1 в режиме CTC с прерыванием и сбросом по совпадению с OCR1. Данные для передачи транспондера считываются из EEPROM при включении питания контроллера. Всего транспондер передает 10 байт. Содержимое EEPROM транспондера можно видеть на рисунке 1. Первый байт 0xE7 является обязательным заголовком пакета, так как его наличие проверяется в первую очередь при разборе пакета считывателем.

Первые 8 байт являются содержимым пакета транспондера, последние 2 байта содержат контрольную сумму CRC16 первых восьми байт пакета. Для примера в нашем транспондере были записаны такие данные – пакет 0xE7, 0x05, 0xE8, 0x93, 0x43, 0x7F, 0x20, 0xFF и соответственно контрольную сумму 0xF5 0xA8. Для изготовления собственного уникального транспондера нужно кроме первого байта 0xE7 записать семь следующих байт в EEPROM, после чего рассчитать контрольную сумму для первых восьми байт. После этого записать в EEPROM два байта CRC16 в конце пакета. Первый байт оставляем без изменений - 0xE7. При включении транспондера данные этих байт разбиваются по битам и кодируются соответствующей длиной импульса в соответствии со значением регистра OCR. Для передачи используются 2 частоты 2Кгц и 5Кгц для передачи логических “0” и “1”. Кроме того данные разделяются импульсами синхронизации – стартовые метки пакетов.

Рис.1 Содержимое пакета транспондера.

Рис.2 Дамп передачи транспондера на экране виртуального осцилографа.

Схему транспондера можно увидеть на рисунке 3. Частота задающего генератора 8Мгц. Питание контроллера +5В. Можно использовать контроллер mega8 с маркировкой “L” тогда питание можно осуществлять от литиевой батарейки 3в (параметры для такого чипа +2,7…. +3,5). Вместо данного транзистора можно использовать любой другой маломощный NPN транзистор. Катушка транспондера была намотана на оправке диаметром 50мм проводом 0,22мм и насчитывает 50 витков. На данный момент транспондер сделан активным - с внешним питанием. На следующем этапе планируется сделать пассивный вариант транспондера, что достаточно просто – сделать развязку для питания от данной катушки, добавить диоды моста выпрямителя и стабилизатор.

Рис.3 Схема транспондера.

Теперь поговорим о схеме считывателя для данного транспондера. Схема была адаптирована на основе раннее использованного считывателя для карт EMMARINE. Часть схемы с генератором на 74hc4060 можно на данном этапе смело удалять, так как пока мы используем активную метку. Однако эта часть схемы нам понадобится в дальнейшем, когда мы будем делать пассивную метку и нам потребуется получить питание от считывателя. В остальном схема не имеет существенных отличий от схемы считывателя для EMMARINE: пассивный пиковый детектор – фильтр – усилитель – компаратор. Схема имеет максимально возможную простоту и позволяет считывать данные транспондера на расстоянии 10-12см при хорошо настроенных контурах.

Можно еще дальше упрощать схему оставив только детектор и фильтр, поставить один транзистор на выходе который будет играть роль компаратора, но я не стал так делать. На выходе мы получаем двоичный сигнал прямоугольной формы в соответствии с кодированными длительностями импульсов передаваемых транспондером. Допустимые отклонения номиналов элементов при котором схема работоспособна 5-10%. Питание контроллера и операционника +5В. Частота кварца задающего генератора контроллера 12Мгц. Выход компаратора на LM358 подключен к ножке внешнего прерывания контроллера INT0. В программе контроллера настроен вызов прерывания по нарастающему фронту на ножке внешнего прерывания INT0. В обработчике прерывания происходит проверка синхронизирующих импульсов а затем проверка заголовка пакета и запись содержимого в буфер контроллера. Данные считанных пакетов передаются по интерфейсу RS232 на ПК. Для настройки терминалки указываем следующие параметры: скорость 57.6Kb/s, 8 бит данных, 1стоп бит, без контроля четности.

При приеме пакета контроллер рассчитывает контрольную сумму принятых байт и передает данные в терминалку (пакет и CRC). В случае совпадения контрольных сумм расчитанной контроллером и принятой в пакете выводится сигнал на ножку PORTB.0 (14) контроллера (LED1 на схеме). Можно подключить в данную точку пищалку со встроенным генератором или светодиод через сопротивление. При считывании корректного ключа контроллер запрещает внешние прерывания и делает задержку 1с перед следующим считыванием. Предусмотрен также режим работы данного считывателя в качестве основы RFID замка. Для этого необходимо в EEPROM контроллера считывателя записать полностью байты дампа транспондера - 10 байт. Данные пишутся в EEPROM считывателя точно также, как в EEPROM транспондера. В данном случае при считывании очередного транспондера и совпадении его с записанным в EEPROM считывателя выводится сигнал на ножку PORTB.1 (15) контроллера (LED2 на схеме). В данную точку можно подключить светодиод через сопротивление или выходной ключ (транзистор) на реле исполнительного устройства. Теперь мы получили RFID замок под конкретный ключ и обычный считыватель в одном флаконе.

Рис.4 Схема считывателя RFID меток. (увелчить схему)

Итак, подведем промежуточные итоги. Изготовлен собственный ридер и транспондер под данный считыватель. Мы защитили свое оборудование от посторонних устройств работающих с популярными протоколами RFID. Следующим шагом будет изготовление пассивной метки для нашего считывателя как делают известные производители промышленных транспондеров и портирование кода оборудования на более дешевые модели контроллеров. В архиве к статье прилагаю прошивки для транспондера и считывателя.

Скачать прошивку:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера

Характеристики:
Частота метки: 125 кГц
Источник питания: +5 В постоянного тока
Выводимые данные: последовательно, 2 400 б/с 8N1. Выдается 10-цифровой серийный номер метки.

Рисунок 1: Рисунок 2:

Введение

Данный RFID-считыватель работает с метками частотой 125 кГц в картах размером с кредитную карточку и 125 кГц брелоках (Рисунок 1). При этом используется протокол EM4100 . Когда вы приближаете RFID-метку на близкое расстояние (4-5 см) к катушке считывателя (L1), считыватель считает 10-цифровой уникальный идентификатор метки и передаст его как ASCII символы через последовательных выход со скоростью 2 400 бит в секунду.

В схему входит сигнализатор, который издает прерывистые звуковые сигналы, когда метка успешно считывается.

Описание

Я попытаюсь в нескольких словах объяснить, как работает RFID-считыватель. Контроллер ATtiny13 используется функцию PWM для создания прямоугольного импульсного сигнала частотой 125 кГц. Данный сигнал выходит с вывода PB0. По заднему фронту импульса на выводе PB0 (Логический ноль "0"), транзистор T1 закрыт. Таким образом, катушка L1 возбуждается через резистор R1 (номиналом 100 Ом) от напряжения +5V. Когда импульс на выводе PB0 растет (Логическая единица "1") транзистор T1 открывается и один из выводов катушки L1 соединяется с землей GND. К катушке L1 параллельно подсоединяется конденсатор C2, создавая LC генератор. Данные переключения катушки L1 от логической единицы к логическому нулю происходят 125 000 раз в секунду (125 кГц).

Рисунок 3: Колебания сигнала частотой 125 кГц, которые передаются от катушки L1 и конденсатора C2.

RFID-считыватель передает энергию к транспондеру (метке) путем создания электромагнитного поля. Передача энергии между RFID-считывателем и меткой происходит на том же принципе, что и работа трансформаторов, преобразующих напряжение 220 В сети переменного тока в 12 В переменного тока, благодаря магнитному полю, которое создает первичная обмотка. В нашем случае первичная обмотка – это RFID-считыватель, а вторичная обмотка – это RFID-метка. Разница лишь в том, что в схеме RFID-считывателя нет стального магнитопровода между двумя катушками (одна катушка располагается на стороне считывателя, а другая катушка в RFID-метке). Компоненты D1 ,C3 и R5 составляют демодулятор AM сигнала (AM = Амплитудная модуляция).

Передача данных между метками и считывателем.

Как метки передают данные в считыватель? Очень просто! Когда метка хочет передать логический ноль "0" в считыватель, она прилагает "нагрузку" к своей линии источника питания для получения большей энергии из считывателя. Это вызывает небольшое падение напряжения на стороне RFID-считывателя. Этот уровень напряжения является логическим нулем "0" (смотрите рисунок 4). Одновременно с передачей считывателем сигнала частотой 125 кГц, он считывает напряжение передаваемого сигнала через фильтры D1, C3 и R5, C1. Когда метка снижает напряжение, как было сказано ранее, считыватель считывает данное падение напряжение как логический ноль "0". Если метка не требует дополнительной энергии, она не вызывает падение напряжения. Это соответствует логической единице "1" (Рисунок 3). Длина "единиц" или "нулей" зависит от скорости передачи последовательной передачи данных. Например, для несущей частоты 125 кГц мы не получаем скорость передачи данных 125 000 бит в секунду! Передача данных от метки в считыватель изменяется от 500 до 8 000 бит в секунду.

Рисунок 4: Снимок экрана передаваемых данных...10101... Рисунок 5

• 125 кГц RFID-метка передает 64 бита.
  1. Первые 9 бит – это стартовые биты передачи (всегда "1").
  2. Следующие 4 бита – это младшие биты идентификатора пользователя (D00,..., D03).
  3. Следующий 1 бит (P0) – это бит контроля четности предыдущих 4 бит.
  4. Следующие 4 бита – это старшие биты идентификатора пользователя (D04,..., D07).
  5. Следующий 1 бит (P1) – это бит контроля четности предыдущих 4 бит.
  6. Следующие 4 бита – это первая часть 32-битного серийного номера метки (D08,..., D11).
  7. Бит PC0 – это бит контроля четности битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36 (биты располагаются в одной колонке).
  8. Биты PC1, PC2, PC3 представляют собой биты четности следующих трех колонок.

Верификация данных выполняется с помощью контроллера ATtiny13, путем вычисления бита контроля четности каждой строки и каждой колонки с битами четности, которые получены в передаваемых данных RFID-метки.

Изготовление катушки

Катушка имеет диаметр 120 мм и 58 витков. На всякий случай, оставьте немного медного провода для дополнительных 2-3 витков (всего 60-61 витков). Для достижения максимального расстояния между RFID-меткой и считывателем (между меткой и антенной-катушкой считывателя) вам необходимо откалибровать катушку. Если подключить осциллограф в общую точку соединения R1 и L1 вы увидите место, помеченное красным кружком на рисунке слева. Это означает, что катушка L1 должна быть откалибрована.

Как откалибровать катушку L1?

Включите RFID-считыватель:

1. После подключения щупа осциллографа в общую точку R1, L1 попытайтесь медленно удалить или добавить немного медной проволоки (увеличить или уменьшить количество витков) катушки, пока шум не будет устранен.

2. Если вы не имеете осциллограф, тогда попытайтесь переместить RFID-метку близко к катушке L1, пока метка не будет распознана считывателем. Если ваша метка будет обнаружена на расстоянии 2 см от катушки L1, тогда попытайтесь добавить несколько витков медной проволоки для катушки L1, чтобы убедиться в обнаружении метки на более длинном расстоянии (например, 3 см).

Попытайтесь выполнить те же действия, удалив витки медной проволоки с катушки L1. Таким образом, вы получите максимальный диапазон расстояния между метками и катушкой L1.

Я изготовил катушку L1 диаметром 120 мм с 58 витками, но впоследствии захотел сделать ее более меньшего размера. Поэтому я согнул катушку пополам так, чтобы она стала похожа на "цифру восемь" (по форме напоминает восьмерку) и выполнил повторную калибровку. Таким образом, катушка L1 на рисунках фактически имеет диаметр менее 120 мм.

Катушка L1 на рисунке имеет диаметр 60 мм и почти 116 витков.

Программирование ATtiny13

Набор битов конфигурации (фьюзов) для ATtiny13: High Fuse: 0x1F и Low Fuse: 0x7A . Данный набор настроек ATtiny13 работает с внутренним генератором частотой 9.6 МГц. Функция деления на 8 системного тактового генератора отключена.

Прошивка версии v1.00 занимает 1024 байт и занимает 100% Flash-памяти контроллера ATtiny13. Возможно переход на любой другой 8-выводный AVR, такой как ATtiny85, будет хорошей идеей, если вы захотите добавить некоторые функции в исходный программный код.

Проект спроектирован: Вассилис Серасидис (Vassilis Serasidis ) 18 августа 2012 года
Язык программирования: С
Среда разработки:
Микроконтроллер: ATtiny13 (внутренний генератор 9.6 МГц)

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	МК AVR 8-бит	ATtiny13	1			В блокнот
IC2	Операционный усилитель	LM358	1			В блокнот
IC3	Линейный регулятор	LM78L05	1			В блокнот
T1	MOSFET-транзистор	BS170	1			В блокнот
T2	Биполярный транзистор	BC547B	1			В блокнот
D1	Выпрямительный диод	1N4148	1			В блокнот
C1	Конденсатор	12 нФ	1			В блокнот
C2	Конденсатор	1.5 нФ	1			В блокнот
C3	Конденсатор	4.7 нФ	1			В блокнот
C4, C5	Электролитический конденсатор	100 мкФ	2			В блокнот
C6	Конденсатор	100 нФ	1			В блокнот
R1	Резистор	100 Ом	1			В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	390 кОм	1			В блокнот
R4, R8	Резистор	33 кОм	2			В блокнот
R5	Резистор	270 кОм	1			В блокнот
R6	Резистор

Метка EM4100 хранит 64 бита данных, значит, конструкция должна содержать 64-битный сдвиговый регистр, составленный из восьми 8-битных регистров 74HC165. Регистр перезагружается после каждых 64 сдвигов, чтобы сбросить данные и начать сначала. Данные на входах регистра следующие:

• Паттерн синхронизации: девять единиц
• Идентификатор производителя/версии: 2 блока по 5 бит, из которых 4 бита - данные, а пятый - четность
• Уникальный идентификатор: 8 блоков по 5 бит, из которых 4 бита - данные, а пятый - четность
• Контрольная сумма: 4 бита четности, подсчитанные по столбцам
• Стоп-бит: «0»

Даже метки с шифрованием уязвимы для множества атак. Кроме того, становится все легче эмулировать метки на смартфонах с поддержкой NFC (которые обычно работают на 13,56 МГц). Просто правильно напишите приложение для модуляции поля, и вы сможете делать все, что хотите.

В качестве стандартной отмазки напомню, что автор (И переводчик! - Прим. перев. ) не несет никакой ответствености за последствия использования информации из данной статьи. Читатель должен сам отвечать за все свои действия.

Корпус

Иногда очень везет. Красивый корпус не помешал бы именно сейчас, когда прототип закончен, а печатная плата заказана. И именно в это время Флеминг закончил собирать и запустил станок лазерной резки OSAA PhotonSaw . После года работы над проектом лазер готов вырезать свои первые детали. Флемминг и Рун делают последние юстировки и ставят на место алюминиевую крышку лазерного шкафа. Вы можете себе представить, как все мы были рады видеть, что эта штука работает.

С работающим станком мы получили возможность протестировать наш проект в реальной жизни. Корпус для нашей RFID-метки сделали из 2-миллиметрового огрстекла. Этот корпус - первый объект, сделанный на PhotonSaw, да!

Родилась идея расположить катушку на внешней стороне корпуса. Сперва было решено использовать половину высоты корпуса, но это не работало на практике (дополнительные отверстия в длинных сторонах, таким образом, не используются). Катушка просто великолепно разместилась по периметру всего корпуса, хотя у меня были сомнения, не будет ли прямоугольная обмотка (105x55 мм) слишком большой для нормальной электромагнитной связи.

Тестовая катушка была намотана, без всяких расчетов, проводом 0,4 мм в 66 витков. И, очевидно, нам опять повезло, потому что катушка получилась точно такой как надо, индуктивностью 645 мкГн, с подключенной меткой давая резонансную частоту 125,2 кГц. Тест на дверном считывателе показал, что прототип работает просто прекрасно с этой катушкой.

С катушкой снаружи корпуса толщину последнего можно уменьшить. Внутренняя толщина теперь зависит только от высоты деталей на плате, и с учетом толщины платы должна составлять около 6 мм. Кроме того, было бы хорошо добавить гравировку. Флемминг предложил скруглить боковые стороны корпуса из эстетических и эргономических соображений. Изогнутый корпус также будет лучше защищать боковые стороны катушки, потому что там, где нет сильного натяжения, витки провода любят вылезать наружу.

Станок PhotonSaw еще не совсем в нормальном состоянии: гравировка на верхней крышке значительно съехала. Необходимо его окончательно отладить перед изготовлением финальной версии корпуса. Изогнутые контуры также подверглись ошибке расчета в программном обеспечении, так как луч не вернулся в начальное положение после прохода замкнутой траектории. Но во всяком случае, кривые выглядят действительно гладкими.

Сборка печатной платы

Прибыла заказанная плата:

Сборка была не очень сложной. На плату по трафарету нанесли паяльную пасту, разместили все детали, а затем запаяли в самодельной печи.

Через разделительную емкость (47 пФ имеют сопротивление примерно 27 кОм на частоте 125 кГц) и защитные диоды ток поступает на шины питания. Энергии, поступающей с катушки, хватает на поддержание напряжения питания около 1 В. Ток может достигать 250-500 мкА. Удивительно, но микросхемы 74HC, похоже, работают при таком питании. К сожалению, при таком напряжении происходят довольно странные вещи. Микросхемы 74HC имеют внутреннюю схему сброса, и нужно убедиться, что она срабатывает. Обратите внимание, что отключение защитных диодов не помогает. На входах микросхем есть внутренние защитные диоды, которые в этом случае открываются и выполняют ту же работу.

Сброс по питанию срабатывает только если напряжение питания падает ниже определенного уровня в течение некоторого периода времени. Если напряжение остается слишком высоким, то внутренняя логика может запутаться, потому что некоторые ее части могут быть в неопределенном состоянии, в то время как другие работают должным образом. Необходим внутренний сброс для установки всех микросхем в согласованное состояние. Таким образом, схема будет неустойчиво работать при очень низком напряжении питания.

Симптомы наблюдались следующие: метка работает некоторое время, при этом посылая корректные данные. Если катушку убрать от считывателя, а затем вернуть обратно, можете делать ставки, выключится ли при этом метка. Иногда срабатывает, иногда - нет. Отключение ФАПЧ ухудшает ситуацию. Низкое энергопотребление приводит к тому, что ридер время от времени будет принимать данные от выключенной метки. Вот что значит «энергоэффективная система».

Существует два решения: 1) уменьшить конденсатор в цепи восстановления тактового сигнала до 15 пФ, и 2) включить между питанием и землей резистор 22-100 кОм для сброса лишней энергии. Второй метод приводит к росту утечек во время работы и на самом деле не требуется при уменьшении емкости конденсатора. Тем не менее, он предусмотрен как опция, и это все равно лучше, чем неопределенное состояние микросхем.

Модуляция током или напряжением

Модулятор принес свежую порцию головной боли. Модуляция полностью исчезала при помещении катушки на определенном расстоянии от считывателя. Также это могло случиться при перемещении катушки к ридеру или от него.

Причина оказалась в схеме модулятора. МОП-транзисторы замыкают катушку на резистор определенного сопротивления. Однако, если потребление энергии из контура велико, сопротивление модулятора значительно выше, чем сопротивление цепей питания. Это приводит к тому, что глубина модуляции зависит от потребляемого тока, а это не очень хорошо. Ситуацию ухудшил выбор ограничительного стабилитрона на более низкое напряжение, чем в прототипе.

Было принято решение перевести модулятор из режима модуляции напряжением в режим модуляции током. Для первого режима резистор находился в цепи стока, а теперь он включен между истоком и землей. На этом резисторе будет падать напряжение затвор-исток, пока не останется значение чуть выше порога открывания транзистора (0,9-1,1 В), которое переведет транзистор в линейный режим. Теперь ток через транзистор будет стабильным, независимо от напряжения на стоке.

Тестирование на прототипе показало, что модуляция током работает очень хорошо. Дешевый безымянный считыватель больше не сбоит (ну ладно, может быть один раз на сотню или около того). Можно предположить, что это изменение будет работать чудесно и на других ридерах, и метка теперь, вероятно, сможет работать на большинстве из них.

Законченная версия 1

Можно заметить внесенные изменения на печатной плате. У меня не было 15 пФ SMD-конденсатора, пришлось впаять обычный, с ногами. Модулятор оброс дополнительными резисторами на истоках транзисторов. В целом приемлемо для первой версии.

(картинки кликабельны)

Видео-демонстрация

Заключение

Вы можете подумать, что этот проект, собранный на логике 7400, можно отнести к ретро-схемотехнике, но это не совсем так. Во-первых, современное семейство 74HC не такое уж и старое. Во-вторых, низкопотребляющие схемы всегда актуальны. В-третьих, микросхемы одиночных логических элементов (такие, как использованный триггер Шмитта) часто используются в современных разработках. Часто забывают, что развитие технологий не прекращается и для старых семейств микросхем. Они просто стали менее заметны на фоне общего разнообразия.

Аналоговая часть оказалась сложнее в разработке, чем цифровая. Частично из-за отсутствия спецификаций, но в основном, за счет множества компромиссов, необходимых для соответствия параметрам, и непредвиденных побочных эффектов. Цифровые конструкции имеют относительно мало вариантов, в то время как аналоговые обычно требуют баланса между различными (и часто противоположными) критериями.

Я должен признаться, что микросхемы 74HC сделаны очень, очень хорошо. Разработчики знали, что они делают, и достигли очень низкого энергопотребления. Сперва у меня были некоторые сомнения, сможет ли метка работать от пассивного питания, но после прочтения спецификаций это осталось лишь вопросом правильной схемотехники. Хотя, есть еще возможности для оптимизации различных частей метки.

Теперь посмотрим, как этот проект покажет себя на конкурсе 7400 2012 года. Подача заявок на конкурс заканчивается 31 ноября. Пожелаем автору удачи! - Прим. перев.

Теги: Добавить метки

Из всем полюбившейся (по крайней мере, я на это очень надеюсь) серии «Взгляд изнутри» - больше полугода. Не то, чтобы не было, о чём написать или рассказать, просто одолели дела, которые станут предметом одной из следующих моих статей на Хабре (надеюсь, что её не отправят в утиль, так как посвящена она будет не совсем ИТ-тематике). А пока есть свободная минуточка, давайте разберёмся, что же такое RFID (Radio-frequency identification) – к ним примкнут более простые метки – или как один небольшой шаг в технологиях круто изменил жизнь миллионов и даже миллиардов людей по всему миру.

Предисловие

Сразу хотелось бы оговориться.

Перед началом работы над этой статьёй, я очень надеялся, что по микрофотографиям, а особенно по оптике, информации, найденной на просторах Интернета, и некоторому багажу знаний от прошлых публикаций удастся определить, где и какие элементы микросхемы находятся. Хотя бы на «бытовом» уровне: мол, вот это - память, вот это - схема питания, а вот тут происходит обработка информации. Действительно, казалось бы, RFID – простейшее устройство, самый простейший «компьютер», который только можно придумать…

Однако жизнь внесла свои коррективы и всё, что удалось мне найти: общая схема устройства нового поколения меток , фотографии того, как, например, должна выглядеть память – даже не знаю, почему я не уделил этому внимание (может быть ещё представится возможность исправиться?!), ну и скандалы-интриги-разоблачения процессоров A5 от chipworks .

Часть теоретическая

По традиции начнём с некоторой вводной части.

RFID

История технологии радиочастотного распознавания – пожалуй, именно так можно назвать все мыслимые и немыслимые варианты RFID (radio-frequency identification) – уходит своими корнями в 40-ые года XX века, когда в СССР, Европе и США активно велись разработки вообще любых видов электронной техники.

В то время, любое изделие, работающее на электричестве, было всё ещё в диковинку, так что перед учёными лежало не паханое поле: куда не ткни, как в Черноземье, черенок от лопаты – вырастет дерево. Судите сами: свои законы Максвелл предложил всего-навсего полвека назад (в 1884 году). А теории на основе этих уравнений стали появляться спустя 2-3 десятилетия (между 1900 и 1914), в том числе и теории радиоволн (от их открытия, до моделей модуляции сигнала и т.д.). Плюс подготовка и ведение второй мировой войны наложили свой отпечаток на данную область.

В результате к концу 40-х годов были разработаны системы распознавания «свой-чужой», которые были несколько побольше, чем описанные , но работали фактически по тому же принципу, что и современные RFID-метки.

Первая демонстрация близких к современных RFID была проведена в 1973 году в Исследовательской Лаборатории Лос Аламоса, а один из первых патентов на подобного рода систему идентификации получен спустя десятилетие – в 1983 году. Более подробно с историей RFID можно ознакомиться на Wiki и некоторых других сайтах ( и ).

Активные метки за счёт встроенной батарейки имеют существенно больший радиус работы, габариты, более сложную «начинку» (можно дополнить метку термометром, гигрометром, да хоть целый чип GPS-позиционирования) и соответствующую цену.

Классифицировать метки можно по-разному: по рабочей частоте (LF – низкочастотные ~130КГц, HF – высокочастотные ~14MГц и UHF – ультравысокочастотные ~900МГц), по типу памяти внутри метки (только чтение, однократно записываемая и многократно записываемая). Кстати, так любимый всеми производителями и продвигаемый NFC относится к HF диапазону, который имеет ряд хорошо известных проблем.

Прочие метки

К сожалению, стоимость RFID-меток по сравнению с другими видами идентификации довольно высока, поэтому, например, продукты питания и прочие «ходовые» товары мы по-прежнему покупаем с помощью баркодов (или штрих-кодов), иногда QR-кодов, а защиту от краж обеспечивают так называемые противокражные метки (или EAS – electronic article surveillance)

Самых распространённых три вида (все фото взяты с Wiki):

Впереди нас ждёт много чудных открытий, подчас совершенно неожиданных и конечно же hard geek porn в формате HD !

Если кому-то показалось мало теории, добро пожаловать на данный англоязычный сайт .

Часть практическая

Итак, какие метки удалось найти в окружающем нас мире:

Левый столбец сверху вниз: карта московского метро, проездной аэроэкспресс, пластиковая карта для прохода в здание, RFID-метка, представленная компанией Перекрёсток на выставке РосНаноФорум-2011. Правый столбец сверху вниз: радиочастотная EAS-метка, акустомагнитная EAS-метка, бонусный билет на общественный транспорт Москвы с магнитной полосой, RFID-карта посетителя РосНаноФорума содержит даже две метки.

Первой заявлена карточка московского метрополитена – приступим.

В круге первом. Билет московского метрополитена

Сначала вымачиваем карту в обычной воде, чтобы удалить бумажные слои, скрывающие самое сердце данной «метки».

Раздетая карта московского метрополитена

Теперь аккуратненько посмотрим на неё при небольшом увеличении в оптический микроскоп:

Микрофотографии чипа карты для прохода в московский метрополитен

Чип закреплён довольно основательно и хочу обратить внимание, что все 4 «ноги» присоединены к антенне – это нам пригодится далее для сравнения с другой RFID-меткой. Сложив пластиковую основу пополам в месте, где находится чип, и слегка покачав из стороны в сторону, он легко высвобождается. В итоге имеем чип размером с игольчатое ушко:

Оптические микрофотографии чипа сразу после отделения от антенны

Что ж, поиграемся с фокусом:

Изменение положения фокуса с нижнего слоя на верхний

Теперь немного интриг.

Ходят слухи, что Микрон разрабатывает и производит чипы для московского метро собственного силам по сходной технологии Mifare (как минимум, различается крепление к антенне – ножки другой формы). 22 августа без объявления войны и вероломно направил обращение в Микрон за разъяснениями, можно ли где-то в принципе увидеть данный чип, к 3.11 ответа не поступило. Один из журналистов (а именно, Александр Эрлих) на форуме IXBT тоже собирался уточнить данную информацию у представителей Микрона, но на данный момент воз и ныне там, то есть официальные представители Микрон уклоняются от ответа на прямо поставленный вопрос.

Рассмотренный выше билет, по всей видимости, изготовлен (или только смонтирован на антенну?) на предприятии Микрон (г. Зеленоград) - см. ссылки ниже - по технологии известной в RFID-кругах фирмы NXP, о чём собственно недвусмысленно намекают 3 огромные буквы и год выпуска технологии (а может и год производства) на верхнем слое металлизации чипа. Если полагать, что 2009 относится к году запуска технологии, а аббревиатуру CUL1V2 расшифровать как Circuit ULtralite 1 Version 2 (данное предположение также подтверждается этой новостью), то на сайте NXP можно найти подробное описание данных чипов (последние две строки в списке)

Кстати, в прошлом году для участников Интернет-олимпиады по Нанотехнологиям была организована экскурсия на завод Микрон (фото- и видео отчёты), поэтому говорить, что там оборудование простаивает смысла нет, но и заявление «дядечки в белом халате», что производят они метки по стандартам 70 нм, я бы поставил под сомнение…

Согласно статистике, собранной после анализа чипов 109 билетов метро (довольно репрезентативная выборка), согласно нормальному распределению шансы найти «необычный» билет ~109^1/2 или около 10%, но они тают с каждым вскрытым билетиком…

Внимательный взгляд уже приметил главное отличие двух чипов Mifare – надпись Philips2001. В самом деле, в далёком 1998 году компания Philips купила американского производителя микроэлектроники – Mikron (не путать с нашим, зеленоградским Микроном). А в 2006 году от Philips отпочковалась компания NXP.

Также несложно заметить пометку CLU1V1C, что, исходя из вышеописанного, означает Circuit ULtralite 1 Version 1C. То есть эта метка является предшественницей Mifare, используемой московским метрополитеном, а, следовательно, совместима с ней по основным параметрам. Однако, как и в предыдущем случае 2001 – это указание на год разработки и внедрения технологии или год производства. Странно, что Аэроэкспресс использует устаревшие метки…

В круге третьем. Пластиковая карта

Как-то раз, решил я одной своей знакомой показать статьи и фотографии на Хабрахабре. После чего спросил, а есть ли у неё какая-нибудь ненужная карта для следующей статьи про RFID. Она к тому времени как раз перебралась учиться в EPFL и подарила мне карточку, по которой осуществляется проход в одно из зданий МГУ. Карта, соответственно, без какой-либо маркировки, и я даже не уверен, что на ней записано хоть что-то, кроме обычно ключа для прохода в здание.
Карточка полностью пластиковая, поэтому сразу кладём её в ацетон буквально на пару десятков минут:

Принимаем ацетоновые ванны

Внутри всё довольно стандартно – антенна да чип, правда, он оказался на маленьком кусочке текстолита. К сожалению, без каких-либо опознавательных знаков – типичный китайский noname. Единственное, что можно узнать об этом чипе и карте, что они изготовлены/относятся к некоторому стандарту TK41. Таких карт полно на распродажах типа ali-baba и dealextreme.

В круге четвёртом. Перекрёсток

Далее я хочу рассмотреть две метки, представленные на выставке РосНаноФорум 2011. Первую из них представили с большим пафосом, сказав, что это чуть ли не панацея от воров и краж в магазинах. Да и вообще, данная метка позволит полностью перевести магазины на самообслуживание. К сожалению, эффективный менеджер оказался чуть более, чем полностью некомпетентен в вопросах школьной физики. И после предложение проверить эффективность его и метки с помощью сильного магнита, приложенного к метке, быстро замял тему…

После пары покупок в SmartShop, у меня в распоряжении осталось несколько меток. Очистив одну из них от клея и белого защитного слоя видим следующее:

Новая метка сети магазинов «Перекрёсток»

Поступаем так же как и Mifare аккуратно отсоединяем от полимерной основы и антенны и кладём на столик оптического микроскопа:

Оптические микрофотографии метки, предполагаемой к использованию в SmartShop

По счастливой случайности (то ли клей подкачал, то ли так задумано), метку удалось оторвать от основы быстро, а поверхность её осталась без каких-либо следов клея. Хотелось бы обратить внимание, что если у Mifare все 4 контакта прикреплены к антенне (по 2 контакта на каждый её конец), то здесь мы видим, что два контакта присоединены к двум небольших площадкам, которые не контактирую с антенной.

Немножко поиграем с фокусом в разных частях метки:

Меняем фокусировку…

Максимальное увеличение оптического микроскопа

На последнем фото слева вверху, по всей видимости, запечатлён модуль EEPROM памяти, так как он занимает около трети поверхности чипа и имеет «регулярную» структуру.

Много разговоров в последнее время ведется вокруг использования радиочастотных меток, причем в обсуждениях высказываются даже предположения, что при желании люди с определенными навыками владения компьютером могут взломать вашу домашнюю систему и получить полную информацию о ваших вещах.

Я решил сам разобраться в этой технологии. Для этого я заказал нужные компоненты и собрал RFID считыватель своими руками.

В данной статье я расскажу, как собрать работающий считыватель RFID-меток.

Шаг 1

В одной из прочитанных мною статей автор говорил, что его мобильный RFID считыватель работал только на частоте 13,56 МГц (короткая волна), но на частоте 1,25 кГц (длина волны ниже границы АМ-диапазона) не работал. Я же сделал считыватель, работающий на стандартной для всей этой отрасли частоте 125 кГц. Это значит, что для моего считывателя нужна другая комбинация антенны и конденсатора. Это иллюстрируют базовая схема и базовая формула. Чтобы получить нужное значение, выберите соответствующую формулу, подставьте ваши значения и с помощью калькулятора получите результат.

Список компонентов:

• Около 12 м тонкой проволоки, от 22 до 30 калибра (я использовал 30 калибр).
• Любой диод (я использовал красный).
• Один 0,005 мкФ конденсатор или два дисковых конденсатора 0,01 мкФ, соединенных последовательно.
• 2-5 дисковых конденсатора 100 пФ.
• Основание для катушки (любое основание, диаметр катушки должен быть 10 см).
• Печатная плата для прототипирования, для пробных сборок.
• Печатная плата для аккуратной и точной сборки.
• Возможность доступа к считывателю, чтобы снимать показания приемника.
• Элементы питания не потребуются, так как приемник питается беспроводным способом от считывателя.

Шаг 2

Сначала я намотал проволоку на основу примерно 10 см в диаметре (я больше чем уверен, что пара сантиметров плюс-минус роли не сыграют).

Когда проволока была намотана на основание, я сравнил катушку с другими катушками, которые у меня уже были. Так я примерно оценил индуктивность новой катушки – у меня вышло около 330 мкгн.

Я подставил значение 330 мкгн в формулу и полученный результат значил, что для этой катушки нужен 0,005 мкФ конденсатор, чтобы пара катушка-конденсатор «резонировала» на частоте 125 кГц, а тока было достаточно для питания диода.

Прежде чем приступить к пайке, я сделал предварительную сборку на макетной плате.

Шаг 3

На макетной плате сначала соединяем катушку, диод и два дисковых 0,01 мкФ конденсатора (соединены последовательно друг с другом, а затем параллельно с диодом, что дает общую емкость 0,005 мкФ (5000 пФ)), затем включаем считыватель радиометок. При положении считывателя на расстоянии около 10 см от катушки горит диод. Диод горит очень ярко на расстоянии примерно 1,5 см.

Затем я добавил 100 пФ (0,0001 мкФ) конденсатор параллельно электросхеме, это увеличило радиус действия считывателя. Затем я выяснил, что добавив второй такой же конденсатор параллельно всей схеме я еще больше увеличу радиус действия считывателя. А добавление третьего конденсатора, напротив, уменьшило этот радиус. Таким образом, я установил, что емкость 5200 пФ является оптимальной для моей катушки (иллюстрация третьей попытки).

Мой приемник срабатывал бы на 10 см при использовании 0,005 мкФ конденсатора в параллельном соединении с катушкой и диодом, но макетная плата позволила использовать дополнительные конденсаторы и, тем самым, увеличила расстояние до 12,5 см.

Шаг 4

Фотографии наглядно показывают, как увеличивается яркость свечения диода по мере приближения катушки к считывателю.
Это маленькое устройство работает на частоте 125 кГц. Его достаточно просто собрать, используя более-менее подходящие материалы.

Шаг 5

Все компоненты, использованные в пробной сборке на макетной плате, я собрал на печатной плате и спаял их. Потом я приклеил схему к катушке, чтобы все устройство можно было перемещать с места на место просто в руке, без лишних проводов или соединений. Устройство работает нормально. Я ожидал, что оно будет реагировать на все считыватели радиометок в пределах 7-12 см и работающие на частоте 125 кГц.

Шаг 6

Так как я знаю, что максимальное свечение диода на заданном расстоянии достигается при емкости 0, 0052 мкФ, я вставил это значение вместе с длиной волны 125 кГц в соответствующую формулу и получил значение индуктивности 312 мкгн, вместо 330 мкгн, на которые я рассчитывал.

Математические расчёты здесь не играют огромной роли, хотя именно благодаря им я вычислил емкость конденсаторов, подходящих к моей катушке. Это, конечно, можно было выяснить методом проб и ошибок, но на это ушло бы много времени.