339 - Fakulta strojní - VŠB-TU Ostrava

XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
339
Identification System with iButton
Systém pro řízení identifikace pomocí iButton
WOJCIASZYK, Petr
Ing.,
Katedra ATŘ-352, FS, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba,
[email protected],
http://www.vsb.cz/~woj022
Abstrakt: projekt se zabývá identifikací uživatelů přiřazením určitých informací konkrétnímu
uživateli. Jako přenosné identifikační prvky byly v práci použity paměťové prvky iButton firmy
Dallas Semiconductor, které mají zajištěnou bezpečnost svým jedinečným sériovým číslem.
Prvky byly vyvinuty pro síť 1-Wire, po které komunikují s řídicím zařízením. Možnosti prvků
iButton, jejich zapojení do sítě 1-Wire a programový přístup k nim jsou popsány v úvodu
příspěvku.
Práce dále popisuje navržený modul použitý k vytvoření 1-Wire sítě a taky především jako
ovládání dveřního zámku. Bylo vytvořeno schéma sítě, elektronické schéma ovladače
dveřního zámku a jeho deska plošných spojů, osazená elektronickými součástkami.
Projekt také popisuje vytvořenou aplikaci pro uložení vybraných informací o uživateli
na prvek iButton, jejich přečtení z prvku iButton a aplikaci pro kontrolu dveřních zámků spolu
s evidencí vstupů oprávněných uživatelů do chráněné místnosti.
Klíčová slova: identifikace, iButton, Dallas, 1-Wire
1 Prvky iButton
iButton je 16mm paměťový čip chráněný v antikorózním ocelovém pouzdře. Protože je
toto unikátní pouzdro velmi odolné, mohou být informace přenášeny spolu s majitelem prvku
nebo s objektem. Ocelový “knoflík“ (obr. 1.1) je velmi robustní, aby odolal krutým
podmínkám vnějšího prostředí, dostatečně odolný na to, aby mohl být každodenně nošen
uživatelem jako digitální doplněk např. jako prsten, klíčenka, peněženka, hodinky, kovová
karta nebo odznak. Pouzdro (MicroCan) se vyrábí ve dvou standardech tloušťky – F3 (obr.
1.2) a F5 (obr. 1.3). Na každém pouzdře jsou uvedeny informace podle obr. 1.4 v tabulce 1.1.
Obrázek 1.1
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
Obrázek 1.2 F3 MicroCan
340
Obrázek 1.3 F5 MicroCan
Tab. 1.1 Značení
YYWW = rok,týden výroby
XXX
CC = CRC
NNN – uživatelský kód
SSSSSSSSSSSS = 12-ti místné sériové číslo
F3 – pouzdro F3
RR = Verze balení
F5 – pouzdro F5
FF = family kód
ZZZZ = typové číslo součástky
Obrázek 1.4 Značení
Každá paměť prvku iButton začíná pamětí ROM (Read Only Memory – laserem
vypálenou v továrně již při výrobě čipu) o velikosti 8 byte, kde nejnižší byte je family
(rodinný) kód, pak 6 byte sériového čísla v hexadecimálním tvaru (podle kterého je možné
komunikovat s prvkem v síti 1-Wire s více zapojenými prvky) a nejvyšší byte je CRC (Cyclic
Redundancy Code). Její struktura je na obr. 1.5.
Obrázek 1.5 Struktura sériového čísla
Za pamětí ROM jsou pak tři druhy paměti podle typu prvku iButton: EPROM
(Electrically Programmable Read Only Memory), EEPROM (Electrically Erasable
Programmable Read Only Memory) a NVRAM (Non-Volatile Random Access Memory).
K zapisovatelným pamětem je možný přístup až po kontrole paměti ROM.
Uvnitř pouzdra je možné najít různé typy prvku iButton (tab. 1.2).
Tabulka 1.2 Různé typy prvku iButton
Typ
Family kód
Sériové číslo
Velikost a typ
paměti [bit]
Počet chráněných
bitů NV RAM [bit]
Hodiny
reálného času
DS1990A
01H
ano
–––
–––
–––
DS1991
02H
ano
512,NVRAM
3*384
–––
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
341
DS1992
08H
ano
1k,NVRAM
–––
–––
DS1993
06H
ano
4k,NVRAM
–––
–––
DS1994
04H
ano
4k,NVRAM
–––
ano
DS1995
0AH
ano
16k,NVRAM
–––
–––
DS1996
0CH
ano
64k,NVRAM
–––
–––
DS1982
09H
ano
1k,EPROM
–––
–––
DS1985
0BH
ano
16k,EPROM
–––
–––
DS1986
0FH
ano
64k,EPROM
–––
–––
DS1971
14H
ano
256,EEPROM
–––
–––
DS1973
23H
ano
4k,EEPROM
–––
–––
DS1920
10H
ano
16,EEPROM
teplotní iButton
DS1921
21H
ano
4k, NVRAM
teplotní iButton
DS1963L,S
1AH,18H
ano
4k, NVRAM
peněžní iButton
2 Adaptéry a čtečky pro iButton
Sériové adaptéry pro rozhraní RS232C (Recommended Standard number 232 revision C)
se vyrábějí v různých modifikacích. Pro "úzký" devíti kolíkový COM (Communication port)
port i pro "široký" 25 kolíkový port, přímo na vložení prvku iButton (obr. 2.1) nebo
k připojení vedení přes RJ11 konektor (obr. 2.2), s konektorem pro vnější napájení nebo bez
(nemožnost zapisovat do prvků iButton s pamětí EPROM).
Obr. 2.1 Adaptér DS1413
Obr. 2.2 Univerzální adaptér DS9097U
Paralelním adaptérem pro LPT (Line Printer Terminal) rozhraní DS1410E-001 je opatřen
objímkou pro vložení prvku iButton a je průchozí pro připojení dalšího zařízení například
tiskárny (obr. 2.3). Adaptér je napájen pouze z LPT portu.
USB adaptér DS1490F využívá možnosti připojení ke stále více se rozšiřujícímu USB
rozhraní. Adaptér je jakýmsi zařízením dva v jednom (2-in-1), protože prvek iButton je volně
přístupný pro přiložení k jiné sondě na čtení prvků iButton (obr. 2.4). Napájení adaptéru i
prvku je prováděno přes USB rozhraní. Adaptér obsahuje LED (Light Emitting Diode) diodu,
která přes průhledné pouzdro indikuje stav adaptéru.
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
Obr. 2.3 Paralelní adaptér DS1410E-001
342
Obrázek 2.4 USB adaptér DS1490F
3 Čtečky, sondy a příslušenství
Sondy mají malou prohloubeninu přizpůsobenou k pouhému přiložení prvku iButton a
k snadnému čistění kontaktů. Sondu lze zamontovat do různých panelů nebo jiných zařízení
(obr. 3.10). Varianta DS9092T (obr. 3.9) má datový kontakt s dotekovou zpětnou vazbou,
která zajišťuje silovou kontrolu zatlačení (a tím kontaktu) prvku iButton do sondy.
Obrázek 3.1 Montáž sondy
Obrázek 3.2 Sondy DS9092 a DS9092T
Další sondy jsou dodávány už jako hotový výrobek, který se připojí k síti 1-Wire nebo
adaptéru přes konektor. Mezi tyto zařízení patří doteková sonda DS9092T v rukojeti
dodávaná pod označením DS9092GT (obr. 3.3) s kabelem délky jeden metr zakončeným
konektorem RJ11. Sonda DS1402 je označována jako BlueDot, protože vnitřní zatlačitelná
část má modrou barvu.
BlueDot
Obrázek 3.3 Sonda DS9092GT
Obrázek 3.4 Sonda BlueDot DS1402
K nošení a skladování prvků slouží klíčenky (obr. 3.4) a identifikační štítky (obr. 3.5).
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
Obrázek 3.4 DS9093N
343
Obrázek 3.5 Skladovací štítek DS9106S
4 Elektronické obvody pro řízení přístupu
Elektronické obvody pro modul na otevírání dveřního zámku lze vytvořit v různých
modifikacích vyplývajících z modularity systému. Jednou možností je vytvoření doplňujícího
adresovatelného modulu pouze pro výkonové prvky dveřního zámku. Tento modul pak lze
připojit na síť 1-Wire přímo, nebo do vedlejší (aux) větve vytvořeného rozbočovacího modulu
(tento je určen pouze k určení místa připojení prvku iButton do sítě 1-Wire). Druhou
variantou je vytvoření kompletního modulu včetně rozbočovače. Tento modul je jako celek
umístěn v místě určení (obr. 4.1). Blokové schéma propojení jednotlivých částí je na obr. 4.2.
modul
modul
Obrázek 4.1 Schéma připojení modulů
modul
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
344
napájení
VSTUP
1-Wire síť
VÝSTUP
rozbočovač
AUX
MAIN
adresovatelný
spínač
SONDA
výkonové
prvky
zámek
1-Wire síť
Obrázek 4.2 Blokové schéma modulu otevírání zámku
Jako rozbočovač je použit obvod DS2409. Jako adresovatelný spínač je použit obvod
DS2406 nebo DS2405. Těchto elektronických spínačů je použito ke generování logické
úrovně 0, která je určena vstupnímu vývodu TTL (transistor transistor logic) logického
obvodu 74**04 (invertor). Invertovaný signál o úrovni 1 pak spíná tranzistor typu NPN
(BC546A). Na jeho kolektoru je pak umístěn optotriak, který zajišťuje spínání výkonového
triaku a galvanicky odděluje obvody modulu a sítě 1-Wire od spínaných obvodů.
Tímto zapojením lze spínat střídavé obvody i se síťovým napětím do proudu 8 A (např.
osvětlení) změnou hodnoty rezistoru R5 (od 220 Ω pro nízká napětí okolo 10 V až po 2,2 kΩ
pro 220 V). Použití triaků je dáno potřebou spínat střídavé veličiny.
Elektronické schéma z předcházející kapitoly a následující deska plošných spojů byly
vytvořeny ve freewarové verzi programu EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout
Editor) verze 4.09r2 firmy CadSoft (www.cadsoft.de), která je omezená velikostí navrhované
desky plošných spojů (DPS) na 100x80 mm. Elektronické schéma je na obr. 4.3 a vytvořená
DPS (deska plošných spojů) je na obr. 4.4.
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
Obr. 4.3 Elektronické schéma modulu otevírání zámku
Obr. 4.4 Osazení desky plošných spojů
Na obrázcích 4.5 a 4.6 jsou vývody důležitých součástek.
345
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
346
Zapojení vývodů
Pin 1:
Zem
Pin 2:
Data (1-Wire vstup)
Pin 3:
Main 1-Wire výstup
Pin 4:
Aux 1-Wire výstup
Pin 5:
Kontrolní výstup
Pin 6:
Napájení (VDD)
Obr. 4.5 Zapojení vývodů rozbočovače DS2409
Zapojení vývodů
Pin 1:
Zem
Pin 2:
Data
Pin 3:
PIO-A
Obr. 4.6 Zapojení vývodů spínačů DS2406
Tab. 2.1 Seznam součástek
Označení
Typ
Popis
R1
R2, R4
R3
R5
U$1
U$2
U$5
U$7
Q1
U1
U2
IC1
X1,X4
K2,K3
RR 510R
RR 4K7
RR 470
RR W2 E220
DS2409
DS2406 (DS2405)
DS2430A
LED 3MM
BC546A
BTA08-600V
MOC3041
74LS04
ARK210/2EX
RELSIA05-500
WEBP6-4
SIL10PZ
DIL06PZ
DIL14PZ
rezistor 510 Ω
rezistor 4,7 kΩ
rezistor 470 Ω
výkonový rezistor 220 Ω
rozbočovač sítě 1-Wire
adresovatelný spínač sítě 1-Wire
1-Wire EEPROM paměť
LED dioda 3 mm (zelená)
NPN tranzistor
triak 600 V, 8 A, TO-220
optotriak, spínání v nule
6x invertor
Svorkovnice řadová 2x, 5 mm
1x spínací jazýčkové relé, 500 Ω, 5 V
Telefonní zásuvka RJ11 do DPS, 4 pin
precizní patice jednořadá 10 pin
precizní patice 6 pin
precizní patice 14 pin
Počet
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
1
1
1
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
347
5 Aplikace pro řízení přístupu do místnosti
Aplikace pro Windows s grafickým rozhraním byla vytvořena pomocí MFC (Microsoft
Foundation Class) knihovny.
Aplikace spojuje úlohu identifikace s NVRAM iButton a ovládání dveřního zámku
pomocí rozbočovače a adresovatelného spínače sítě 1-Wire. Na vhodný prvek NVRAM
iButton (DS1993) lze uložit informace o uživateli (obr. 5.1), lze je z prvku přečíst, zobrazit a
uložit. Použitý prvek má paměť 512 byte, které jsou rozděleny do 16 stránek po 32 byte. Tyto
hodnoty by měly stačit k uložení základních osobních informací o uživateli.
Program dále provádí kontrolu zámků. Po přiložení oprávněného prvku je při kontrole
rozbočovače (plnícího funkci zámku) ověřena autorizace přiloženého prvku, zámek odemknut
a čas otevření uložen.
osobní číslo
stránk a 0
jméno
stránk a 1
príjmení
stránk a 2
fak ulta
stránk a 3
k atedra
stránk a 4
sk upina
stránk a 5
nevyužito
nevyužito
stránk a 15
Obrázek 5.1 Využití struktury NVRAM prvku iButton
První záložka aplikace je konfigurační, kde se nastaví komunikační port pro jednotlivé
úlohy (obr. 5.2).
Obr. 5.2 Konfigurační záložka
Druhou záložkou je aplikace ovládající dveřní zámky. Je tvořena třemi oblastmi:
seznamem rozbočovačů DS2409, které jsou vhodné pro použití kontroly zámku, seznamem
uživatelů, kteří jsou přiděleni k vybranému zámku, a zobrazením času otevření vybraného
zámku. Ukázka je na obrázku obr. 5.3.
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
seznam
rozbočovačů
348
místnost
funkce
zámku
autorizace
seznam
prvků
ovládací
tlačítka
uživatel
doba přístupu
Obr. 5.3 Záložka aplikace ovládání zámků
Rozbočovačům je možno určit zatrhávacím políčkem, zda mají plnit funkci kontroly
zámku. Tato skutečnost je indikována stavy Yes nebo No. Ve třetím sloupci je zobrazena
informace o místnost, která je uložena v paměti umístěné na modulu zámku. Pod výčtem
zámků jsou tlačítka na spuštění, zastavení kontroly zámků a zobrazení starších přístupů.
V seznamu uživatelů je pak podobně jako u zámků možno uživatelům povolit nebo
zakázat přístup do chráněné místnosti ovládané vybraným zámkem.
Ke spuštění a zastavení kontroly modulu jsou určena tlačítka Start a Stop. Start tlačítko
vyvolá thread provádějící algoritmus kontroly a ovládání zámku. Při přístupu oprávněného
uživatele do chráněné místnosti jsou informace o době přístupu, číslo prvku iButton a číslo
uživatele uloženy do souboru se jménem rozbočovače (modulu zámku) a příponou log a
zobrazeny ve spodní části záložky.
Tlačítko Old log zobrazí dialogový box s výpisem předešlých přístupů (výpis log
souboru).
Třetí záložkou je úloha pro ukládání informací o uživateli na iButton prvky. Tato záložka
je rozdělena do tří oblastí. V první oblasti je seznam připojených prvků DS1993 (ty byly
určeny k ukládání informací). V druhé jsou pak vyplňovací pole, do kterých je možno vyplnit
údaje a které lze zapsat na prvek iButton. Ve třetí oblasti jsou pak zobrazeny informace
uložené na iButton prvku. Ukázka je na obr. 5.4.
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
349
Obr. 5.4 Záložka aplikace pro práci s NVRAM paměťovým prvkem iButton
Aplikace používá konfigurační soubor se jménem stejným, jako číslo rozbočovače, a
s příponou txt. V souboru jsou uložena čísla prvků iButton, jejich autorizace a uživatelé. Číslo
prvku následuje za vodícím znakem ! na dalším řádku a může opět obsahovat oddělující
mezery mezi jednotlivými byte. Příklad souboru je na obr. 5.5.
!
4000000025380706
Petr
Wojciaszyk
Y
!
10 00 00 00 52 b7 17 14
Petr
Srek
!
4000110025380706
Vojtech
Pichl
!
170000002212e112
Petr
Masek
!
4001100025380706
woj022
N
sre004
N
pic008
N
mas069
N
koz133
Obr. 5.5 Soubor .txt
Při výběru rozbočovače je vyplněn seznam uživatelů informacemi z konfiguračního
souboru. Při změně funkce zámku je změněna přípona konfiguračního souboru z txt na lck
nebo naopak. Při změně autorizace je změna provedena v konfiguračním souboru.
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004
350
Do logovacího souboru (taky s číslem jako jménem souboru a příponou log) je vždy
přidán nový řádek s datem, dnem v týdnu, časem přihlášení, získaným číslem přiloženého
prvku iButton a s informací uloženou na stránce paměti prvku iButton, která je určena pro
osobní číslo uživatele. Příklad výpisu tohoto souboru je na obr. 5.6.
21.4.2003
21.4.2003
21.4.2003
21.4.2003
21.4.2003
21.4.2003
21.4.2003
21.4.2003
21.4.2003
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Pondeli
Pondeli
Pondeli
Pondeli
Pondeli
Pondeli
Pondeli
Pondeli
Pondeli
,
,
,
,
,
,
,
,
,
16:2:43.
17:17:25.
18:52:15.
18:52:20.
18:55:4.
18:55:25.
18:55:30.
18:55:37.
19:1:17.
4000000025380706
4000000025380706
4000000025380706
4000000025380706
4000000025380706
4000000025380706
4000000025380706
4000000025380706
4000000025380706
woj022
woj022
woj022
woj022
woj022
woj022
woj022
woj022
woj022
Obr. 5.6 Soubor .log
6 Závěr
Tato práce popisuje vytvořený systém přístupu do chráněné místnosti. Jako přenosné
identifikační prvky byly paměťové prvky iButton firmy Dallas Semiconductor, které mají své
jedinečné sériové číslo, které identifikuje svého uživatele. Tyto prvky jsou vytvořeny pro síť
1-Wire, po které komunikují s řídicím zařízením.
Dále bylo vytvořeno elektronické zapojení, které umožňuje otevírat dveře chráněné
místnosti elektrickým zámkem. Zapojení je umístěno na vytvořené desce plošných spojů,
která se připojuje přes konektory jako přídavný modul do sítě 1-Wire. Bylo také zajištěno
galvanické oddělení obvodů sítě 1-Wire od spínaného okruhu s připojeným elektrickým
zámkem a jeho napájením.
Dále byla vytvořena grafická aplikace v prostředí operačního systému Microsoft
Windows pomocí Microsoft Foundation Class knihovny. Aplikace provádí uložení vybraných
informací o uživateli na prvek iButton a jejich přečtení z prvku iButton, dále pak zajišťuje
kontrolu dveřních zámků spolu s evidencí vstupů uživatelů do chráněné místnosti.
Prezentovaných výsledků bylo dosaženo za finanční podpory MŠMT při řešení
výzkumného záměru MSM 272300012.
7 Použitá literatura
DALLAS SEMICONDUCTOR, Full Datasheet [online], 2002 [2002-05-13]. Dostupný
z www: http://pdfserv.maxim-ic.com/arpdf/DSxxxx.pdf
DALLAS SEMICONDUCTOR, Book of iButton Standards [online], 2002 [2002-04-26].
Dostupný z www: http://www.ibutton.com/ibuttons/standard.pdf
DALLAS SEMICONDUCTOR, TMEX Runtime Environment Version 3.20 Reference
Manual [online], 2002 [2002-11-14]. Dostupný z www:
ftp://ftp.dalsemi.com/pub/auto_id/licensed/tm320rte.pdf
KAČMÁŘ, D. Jazyk C. 1. vyd. Praha: Computer Press, 2001. 190 s. ISBN 80-7078-569-1.
MICROSOFT, Microsoft Developer Network Library [počítačový program]. Verze 4.94.
USA, 2002.
ZUSKA, J. A PETŘÍK, D. Discodriver-světelné efektové zařízení. Praktická elektronika
Aradio, 1996, roč. I, č.8, s.9 – 13. ISSN 1211-328X.