2020年10月12日 星期一

六、6-6 RFID/MFRC522 電子標籤UID讀取實習


在Arduino的世界中有一款型號為MFRC522的模組，可用來讀取一些RFID電子標籤，尤其是符合IOS14444A或是稱為Mifare規範的電子標籤，而這一種規範的電子標籤遍佈在我們的身邊，例如常見的優遊卡、一卡通、智慧信用卡、門禁卡或是學生證等等，都是屬於這類的系統，有興趣多了解一些這類的RFID的讀者可到下面筆者的部落格去看一看，應該會有一個更清楚的概念。

照片三_2

圖六、6-6_1 各式IOS14444A/Mifare規範電子標籤


在本實習中會示範如何使用ESP8266連接MFRC522這塊RFID讀寫器模組，並讓ESP8266以伺服器的腳色供使用者用手機等行動通信裝置連線上後，在螢幕上顯示MFRC522所讀取到的RFID電子標籤UID號碼。

RFID相關知識部落格網址：

https://htcarduino.blogspot.com/2020/06/rfid.html


◎ 功能與動作說明：

1、以ESP8266建立一無線WiFi AP存取點(即Soft--AP模式)，這個AP存取點的SSID名稱為『ESP_softAP01』，而且不使用連線密碼。

2、此AP存取點內建伺服器的IP位址為：[ 192.168.4.1 ]。

3、當有客戶端(Client：手機、平板或筆電)裝置以瀏覽器連線上此伺服器時，會將接在ESP8266上的MFRC522這塊RFID讀寫器模組所讀取到的RFID電子標籤UID號碼顯示在手機瀏覽器的螢幕上。

4、如果客戶端裝置持續的連線，則系統會以固定的時間(在此為3秒)持續測試及讀取RFID電子標籤的UID號碼，並主動傳送給客戶端裝置。


圖六、6-6_2  MFRC522/RFID讀寫器模組與客戶端瀏覽器連線後預期畫面


  上面的【圖六、6-6_2】是本範例程式在客戶端瀏覽器連線後預期出現的畫面，畫面的左半部是正常讀取到電子標籤或卡片的結果，一般會讀取到4個位元組的UID標籤序號值，不過目前也有一些卡片的UID是6個位元組。而右半部的內容則是讀取失敗或是沒有診測到卡片的存在，如果同一張卡片一直放在RC522模組板上也會得到同樣的結果，同樣的卡片必須拿開後再次靠近，才能再次讀取到卡片的UID值，。


◎電路圖：

圖六、6-6_3 MFRC522與NodeMcu SPI匯流排介面電路圖

圖六、6-6_4  MFRC522與WeMos D1/R2 SPI匯流排介面電路圖


上面的【圖六、6-6_3】與【圖六、6-6_4】分別是MFRC522與NodeMcu 及WeMos D1/R2 SPI匯流排介面接線的電路圖，讀者可依自己所使用的ESP8266模組種類去連線。MFRC522/RFID讀寫器模組使用的是所謂的SPI匯流排介面，它與ESP8266模組電路連接方式如下表：


/* wiring the MFRC522 to ESP8266 (ESP-12/E)

【RC522】 【ESP8266】

RST     =  GPIO5

SDA(SS) =  GPIO4 

MOSI    =  GPIO13

MISO    =  GPIO12

SCK     =  GPIO14

GND     =  GND

3.3V    =  3.3V


要注意的是這塊模組的工作電壓為3.3V，如果接到5V便可能有燒毀之虞！至於NodeMcu上腳位與標準ESP8266的對應則如下所示：


【NodeMcu】  【ESP8266】

D1     =  GPIO5(RST)

D2   =  GPIO4 (SS)

D7     =  GPIO13(MOSI)

D6     =  GPIO12(MISO)

D5     =  GPIO14(SCK)


◎ 程式列表與說明：

  1. #include <ESP8266WiFi.h>

  2. #include "index.h"

  3.  

  4. #include <SPI.h>

  5. #include "MFRC522.h"

  6.  

  7. /* wiring the MFRC522 to ESP8266 (ESP-12)

  8. RST     = GPIO5

  9. SDA(SS) = GPIO4 

  10. MOSI    = GPIO13

  11. MISO    = GPIO12

  12. SCK     = GPIO14

  13. GND     = GND

  14. 3.3V    = 3.3V

  15. */

  16.  

  17. #define RST_PIN  5  // RST-PIN für RC522 - RFID - SPI - Modul GPIO5 

  18. #define SS_PIN  4  // SDA-PIN für RC522 - RFID - SPI - Modul GPIO4 

  19.  

  20. MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // Create MFRC522 instance

  21.  

  22. String softSsid = "ESP_softAP01";

  23. //String softSsid = "ESP"+String(ESP.getChipId());

  24. const char* softPassword = "12345678";

  25.  

  26. WiFiServer server(80);

  27.  

  28. String tmpString = "";    // html網頁程式字串變數

  29. unsigned int count = 0;   // 測輛次數值

  30. int rTime=3;              // 網頁更新時間

  31. String uid=""; 

  32.  

  33.   // 初始化程式區setup()開始 :

  34. void setup() 

  35. {

  36.     Serial.begin(115200);

  37.     Serial.println();

  38.  

  39.   Serial.println("Setting soft-AP Mode... ");

  40.   pinMode(2,OUTPUT);

  41.  

  42.   boolean result=WiFi.softAP(softSsid);

  43.   if(result==true)

  44.   {

  45.     Serial.println("soft-AP ready!");

  46.     Serial.print("softAP = ");

  47.     Serial.println(softSsid);

  48.     Serial.print("softIP = ");

  49.     Serial.println(WiFi.softAPIP());

  50.   server.begin();

  51.   }  

  52.   else

  53.     Serial.println("soft-AP failed"); 

  54.   

  55.   SPI.begin();           // Init SPI bus

  56.   mfrc522.PCD_Init();    // Init MFRC522

  57.   Serial.println("Ready!");

  58.   Serial.println("======================================================"); 

  59.   Serial.println("Scan for Card and print UID:");

  60.     digitalWrite(2,1);

  61. } // setup()結束

  62.  

  63. // 主迴圈 loop()開始 :

  64. void loop() 

  65. {

  66.     // Check if a client has connected

  67.     WiFiClient client = server.available();

  68.     if (!client)    

  69.       return;  

  70.   count++;

  71.     tmpString = MAIN_page;    // 取出html網頁回應程式

  72.     tmpString.replace("%rTime%", String(rTime) ); // 帶入測量的時間值到網頁html程式中

  73.   digitalWrite(2,0);

  74.   // Look for new cards

  75.     uid="未偵測到卡片!";

  76.   for(int i=0;i<(rTime/0.05);i++)   // 依照網頁更新的時間來決定是否偵測到卡片

  77.   {

  78.     if ( mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())

  79.     {

  80.       if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) 

  81.         Serial.println("Read DIU Error!! ");

  82.       else

  83.       {

  84.   // Select one of the cards

  85.   // Show some details of the PICC (that is: the tag/card)

  86.          Serial.print("Card UID:");

  87.         dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size);

  88.       }

  89.   mfrc522.PICC_HaltA(); // Halt PICC

  90.   mfrc522.PCD_StopCrypto1();  // Stop encryption on PCD

  91.     }

  92.     delay(50);

  93.   }

  94.  

  95.     tmpString.replace("%uid%", String(uid) );    // 帶入測量的UID到網頁html程式中

  96.     tmpString.replace("%count%", String(count) ); // 帶入測量次數

  97.  

  98.     client.flush();

  99.     client.print( tmpString );

  100.       

  101.     digitalWrite(2,1);

  102.     delay(500);

  103. } // loop() 結束

  104.  

  105. // 將偵測到的卡片UID轉換至網頁變數(uid)內並顯示在Arduino IDE的監控視窗:

  106. void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize) {

  107.   uid="";

  108.   for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) {

  109.     if(buffer[i] < 0x10)      // 如果卡號小於16(0f)在前面補0

  110.       uid+=" 0";

  111.     else

  112.       uid+=" ";

  113.     uid+=String(buffer[i],HEX);

  114.   }

  115.     Serial.println(uid);

  116. }

  117.  

  118. const char MAIN_page[] PROGMEM = R"=====(

  119. HTTP/1.1 200 OK

  120. Content-Type:text/html

  121. Connection: close

  122.  

  123. <!DOCTYPE html>

  124. <html>

  125.  <head>

  126.  <meta name='viewport' content='width=device-width, initial-scale=1.0'/>

  127.  <meta charset='utf-8'>

  128.  <meta http-equiv='refresh' content='%rTime%'>

  129.  <style>

  130.    body {font-size:100%;} 

  131.    #main {display: table; margin: auto;  padding: 0 10px 0 10px; } 

  132.  </style>

  133.    <title>Soft AP模式-RFID/RC522電子標籤UID讀取</title>

  134.  </head>

  135.  

  136.  <body> 

  137.    <div id='main'>

  138.      <h2><center>[Soft AP模式] <br>

  139.          RFID/RC522電子標籤UID讀取實習<br></center><br>

  140.        卡片UID序號 =  %uid% <br>

  141.        Card UID =  %uid%<br>

  142.       Count = %count%<br>

  143.       </h2>

  144.    </div> 

  145.  </body>

  146. </html>

  147. )=====";

程式名稱：ESP_CH6_6_6_RC522.ino


在本範例的程式中會引用到兩個外部的函式庫，分別是<SPI.h>及"MFRC522.h"，其中的<SPI.h>是Arduino IDE內建的程式庫，因此可以直接引用沒有問題，但是因為「MFRC522」這塊模組板並不是Arduino IDE中的標準內建元件，所以必須另外加裝相關的函示庫之後才能引用。上面程式中第4、5行便是宣告引用了<SPI.h>與"MFRC522.h"這兩個函式庫。


4. #include  <SPI.h>    // 引入<SPI.h>函式庫

5. #include "MFRC522.h"  // 引入"MFRC522.h"函式庫


要按裝"MFRC522.h"這個函示庫，請先在Arduino IDE中點選上方的【草稿碼】🡺【匯入程式庫】🡺【管理程式庫】，在看到下面的【圖六、6-6_5】程式庫管理員視窗後，在標記1的欄位輸入『MFRC522』搜尋字串，便可以找到標記2的目標函式庫，然後在標記3的地方選擇所需的版本(一般都會選擇最新的版本)，並按下[安裝]鍵，便可成功安裝，如果系統已經安裝過的話就會在標記2中看到「INSTALLED」這樣的訊息文字。


圖六、6-6_5 MFRC522.h函式庫安裝畫面


由於MFRC522使用的是SPI匯流排介面，如果沒有特別指定的話，在初始化時會使用ESP8266內建的MISO(GPI12)、MOSI(GPIO13)及SCK(GPIO14)這3根接腳，不過RST與SS這兩根腳必須另外宣告使用的腳位：


17. #define  RST_PIN  5  // RST-PIN RC522 - RFID  SPI – ESP/ GPIO5 

18. #define  SS_PIN  4  // SDA-PIN RC522 – RFID  SPI – ESP/ GPIO4 


本範例程式的初始化程式區(setup())內容和前面幾個實習非常類似，差別只在下面這兩行用來初始化SPI匯流排與MFRC522的指令而已：


55.       SPI.begin();           // Init SPI bus

56.   mfrc522.PCD_Init();    // Init MFRC522


在主迴圈(loop())程式中一開始同樣是在等待客戶端連線(67~69行)，當有客戶端裝置連線時會先把連線次數(count)加一，並把網頁首頁程式碼MAIN_page[]傳送到「tmpString」這個字串變數中，同時也把測量的時間間隔值(即'rTime')帶入到網頁html程式中：


70.   count++;

71.    tmpString = MAIN_page;    // 取出html網頁回應程式

72.    tmpString.replace("%rTime%", String(rTime) ); 


為了配合網頁自動更新的時間(在此為3秒)，因此我們利用76~93行的for()迴圈流程控制方式去測試，在此特定的時間內是否有卡片出現在MFRC522模組的感應範圍內﹖不過在此之前我們先預設回傳的訊息為沒有偵測到：


75.    uid="未偵測到卡片!";


接著使用下列指令測試是否有新的電子標籤或卡片出現在MFRC522模組的感應範圍內：


78.      if ( mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())


如果有便開始讀取該卡片的UID號碼，假如讀取失敗會將訊息「"Read DIU Error!! "」顯示在Arduino IDE的序列監控視窗中，反之則以16進制的形式列印出卡片的UID號碼，而卡片UID號碼真正的顯示與轉換是由『dump_byte_array()』這個副程式負責：


79.    {

80.      if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) 

81.        Serial.println("Read DIU Error!! ");

82.      else      

83. {

84.   // Select one of the cards

85.   // Show some details of the PICC (that is: the tag/card)

86.         Serial.print("Card UID:");

87.        dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size);

88.      }


MFRC522模組在操作時不管是否讀取成功，最後都必須停止感應與讀取的動作，以便可以正確的處理下一次程序；如果不關閉動作，在讀取成功後假如卡片沒有移開，則會不斷的送出同一張卡片的UID號碼而造成困擾。下面的程式便是用來停止MFRC522模組動作之用：


89.  mfrc522.PICC_HaltA(); // Halt PICC

90.  mfrc522.PCD_StopCrypto1();  // Stop encryption on PCD


至於95、96行程式會把『dump_byte_array()』這個副程式轉換的卡片UID結果(即變數”uid”)，與量測次數值(count)分別帶入「tmpString」這個字串變數中的「uid」、與「count」這兩個變數中


95. tmpString.replace("%uid%", String(uid) ); //帶入測量的UID到網頁html程式中

96. tmpString.replace("%count%", String(count) ); // 帶入測量次數


最後執行下列程式，便可以把MFRC522模組量測到的結果回應給連線的客戶端瀏覽器。


99.    client.println( tmpString );  


106~116 行程式是『void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize)』這個副程式的主體部分，這個副程式會將將偵測到的卡片UID號碼轉換至網頁字串變數(uid)，並顯示在Arduino IDE的監控視窗中；此外為了美觀起見，如果該號碼位元組(byte)的值小於16時，會在前面補一個字元’0’，以便每個位元組都是以兩位數16進制的方式呈現出來。


圖六、6-6_6  index.h程式頁面畫面


程式列表的118~147行是ESP8266內建伺服器的網頁首頁程式碼，它們是放在Arduino IDE程式中的「index.h」分頁上(如上圖所示)，整個html程式的字串變數名稱跟之前一樣命名為「MAIN_page[]」。為了能讓客戶端的瀏覽器能更快的取得MFRC522讀取電子標籤的結果，在這裡一樣把更新時間加快到3秒鐘；為了能讓程式更有彈性，所以在此是以參數(即'%rTime%')的方式去定義！


128. <meta http-equiv='refresh' content='%rTime%'>


【圖六、6-6_2】的中標記1也就是本實習名稱的提示訊息部分，是由下面兩行程式完成：


138.     <h2><center>[Soft AP模式] <br>

139.         RFID/RC522電子標籤UID讀取實習<br></center><br>


網頁中MFRC522讀取電子標籤的結果也就是UID值，則是由下面幾行程式負責帶入網頁程式中，而這兩個參數(即「uid」與「count」)的傳遞是由前面介紹的主程式95、96行程式所負責：


140.      卡片UID序號 =  %uid% <br>

141.      Card UID =  %uid%<br>

142      Count = %count%<br>


至於「count」同樣代表網頁更新的次數，也等同於MFRC522讀取電子標籤的次數。


◎ 執行結果：

圖六、6-6_7  MFRC522讀取各種電子標籤UID畫面


【圖六、6-6_7】是使用者客戶端(如手機)瀏覽器與系統連線後，系統上的MFRC522模組測量周邊是否有電子標籤或卡片接近後，所回傳給瀏覽器的畫面，畫面左邊三個頁面是MFRC522模組偵測並讀取到三個不同標籤的UID號碼畫面，而最右邊則是在網頁更新的時間(3秒)內沒有偵測到任何卡片出現，或是上一次測到的卡片沒有移開，仍然在MFRC522模組偵測的範圍內時所出現的訊息。

本實習主要是示範ESP8266如何與MFRC522模組連接，進而讓使用者可以透過WiFi無線傳輸的方式直接與行動通訊裝置連線，當這些通訊連線的基本問題都解決之後，我們可以讓ESP6266從存取點(AP點)的腳色轉換為站點(Station)的腳色，然後連接已經連上網際網路(Internet)的WiFi分享器(或Router)，這樣便可以讓我們這MFRC522/RFID讀寫器裝置成為IOT物聯網的一份子，至於這個系統能夠做那些應用，就要靠讀者們自己動動腦發揮一下創意了！
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