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
Transcript
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.
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 340
Obrázek 1.2 F3 MicroCan 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 342
Obr. 2.3 Paralelní adaptér DS1410E-001 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.
Obrázek 3.3 Sonda DS9092GT Obrázek 3.4 Sonda BlueDot DS1402
BlueDot
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 343
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 modul
Obrázek 4.1 Schéma připojení modulů
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004 344
rozbočovač
VSTUP
VÝ
STUP
AUX MAIN
adresovatelnýspínač SONDA
výkonovéprvky
1-Wire síť 1-Wire síť
zámek
napájení
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 345
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.
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 Počet R1 RR 510R rezistor 510 Ω 1 R2, R4 RR 4K7 rezistor 4,7 kΩ 1 R3 RR 470 rezistor 470 Ω 1 R5 RR W2 E220 výkonový rezistor 220 Ω 1 U$1 DS2409 rozbočovač sítě 1-Wire 1 U$2 DS2406 (DS2405) adresovatelný spínač sítě 1-Wire 1 U$5 DS2430A 1-Wire EEPROM paměť 1 U$7 LED 3MM LED dioda 3 mm (zelená) 1 Q1 BC546A NPN tranzistor 1 U1 BTA08-600V triak 600 V, 8 A, TO-220 1 U2 MOC3041 optotriak, spínání v nule 1 IC1 74LS04 6x invertor 1 X1,X4 ARK210/2EX Svorkovnice řadová 2x, 5 mm 1 K2,K3 RELSIA05-500 1x spínací jazýčkové relé, 500 Ω, 5 V 1 WEBP6-4 Telefonní zásuvka RJ11 do DPS, 4 pin 4 SIL10PZ precizní patice jednořadá 10 pin 1 DIL06PZ precizní patice 6 pin 1 DIL14PZ precizní patice 14 pin 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
nevyužito
nevyužito
skupina
katedra
fakulta
príjmení
jméno
stránka 0
stránka 1
stránka 2
stránka 3
stránka 4
stránka 5
stránka 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 348
seznam rozbočovačů funkce
zámku
místnost
seznam prvků
autorizace
uživatel
doba přístupuovládací tlačítka
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 Y woj022 Petr Wojciaszyk ! 10 00 00 00 52 b7 17 14 N sre004 Petr Srek ! 4000110025380706 N pic008 Vojtech Pichl ! 170000002212e112 N mas069 Petr Masek ! 4001100025380706 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.
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.
