Lettore NFC Elechouse PN532 v3

La tecnologia di comunicazione bidirezionale a corto raggio, più comunemente de-finita NFC, acronimo di Near Field Communication, è una sottocategoria della tecnologia RFID, Radio Frequency Identification, che permette di connettere in modalità wireless due o più dispositivi elettronici posti a breve distanza l’uno dal-l’altro. Poiché i concetti del NFC derivano da RFID è utile introdurre il principio di funzionamento e le caratteristiche di quest’ultima tecnologia per definire in seguito l’NFC.

RFID

La tecnologia RFID viene utilizzata nella logistica, nella distribuzione ma anche più comunemente nei supermercati come sistema per l’inventario dei prodotti e per la prevenzione contro i furti. Un sistema RFID prevede tre elementi principali: i tag

6.6 – Interazione: Modularità

o transponder, un lettore comprendente un’antenna e infine un sistema di gestione dei dati da e verso il lettore.

I tag RFID possono essere attivi o passivi e la differenza tra le due tipologie è data dalla presenza di alimentazione nel primo caso, mentre per i tag passivi l’energia necessaria per lo scambio dei dati viene generata dal lettore. A livello pratico, ciò comporta che i tag attivi possono coprire una distanza di comunicazione molto più estesa rispetto ai tag passivi, arrivando anche oltre i 100 metri. I vantaggi dei tag passivi d’altro canto sono dati dal costo inferiore e dalle dimensioni minori.

I tag RFID passivi, presenti sotto forma di etichette adesive ad esempio, sono co-stituiti da un’antenna sotto forma di avvolgimento di un materiale metallico e da un minuscolo circuito integrato che ha la funzione di memorizzare un codice iden-tificativo del tag ed altri dati utili al loro utilizzo. Poiché i tag non hanno una fonte di alimentazione, l’energia necessaria per rispondere ad un’interrogazione del lettore viene fornita dal lettore RFID, il quale emettendo un campo elettromagne-tico, tramite un processo di induzione, genera nell’avvolgimento presente nel tag una tensione di alimentazione del microchip.

NFC

I tag NFC condividono lo stesso principio di funzionamento dei tag passivi RFID ma sono pensati per un utilizzo a corto raggio in quanto possono essere rilevati entro una distanza teorica massima di 10 cm, che nella pratica si riduce ad un valore massimo di 3−4 cm. La tecnologia NFC opera ad una frequenza di 13,56 MHz. Lo standard attuale supporta velocità di 106 kbit/s, 212 kbit/s e 424 kbit/s, che risultano sufficienti nella maggior parte dei casi, considerato che le informazioni contenute nel microchip possono arrivare fino ad un massimo di 72 kb. In compenso la tecnologia Bluetooth, che opera a distanze inferiori ai 10 metri, può raggiungere una velocità di 2,1 Mb/s.

A differenza dei tag RFID, i dati presenti nel chip dei tag NFC, in assenza di protezione di scrittura, possono essere riscritti da qualunque lettore. La memoria disponibile all’utente può raggiungere un massimo di 9 kB, a seconda dello standard dei tag.

I tag utilizzati all’interno del progetto sono dotati del chip NTAG215 sviluppato da NXP e conformi ai tag NFC Forum Type 2 e allo standard ISO/IEC14443 Type A [27]. Le caratteristiche del chip sono le seguenti:

• Velocità di trasmissione dei dati: 106 kbit/s.

• Codici identificativi univoci, definiti dal produttore, a 7 byte.

• Protezione della scrittura dati tramite password a 32 bit.

• EEPROM di 540 byte, divisa in 135 pagine da 4 byte ciascuna, di cui 504 byte disponibili per operazioni di scrittura e lettura.

I chip NTAG215 sono inoltre dotati di una funzione di anticollisione che permette di gestire contemporaneamente più di un tag. L’algoritmo di anticollisione seleziona ciascun tag singolarmente e assicura la corretta esecuzione di una transazione con il tag selezionato, senza interferenze da parte di altri tag presenti nel campo di lettura di un dispositivo.

Il dispositivo incaricato di leggere i tag all’interno del cubo si trova su una brea-kout board prodotta da Elechouse e sulla quale si trova il modulo ricetrasmettitore PN532 di NXP, le cui specifiche sono definite in [28]. Le caratteristiche del modulo sono le seguenti:

• Velocità di trasferimento dati massima: 424 kbit/s.

• Interfacce di comunicazione: SPI, I²C, High Speed UART (HSU).

• Microcontrollore 80C51 a 8 bit, con ROM di 40 kB e RAM di 1 kB.

• Distanza di lettura massima: 5 cm.

• Modalità a risparmio energetico: Hard-Power Down Mode (2 µA typ, V_IN = 5 V) e Soft-Power Down Mode (45 µA typ, V_IN = 5 V).

• Tensione di alimentazione da 2,7 V a 5,5 V.

La breakout board su cui si trova il ricetrasmettitore PN532, visibile in figura6.29 ha le seguenti dimensioni 43 × 41 × 4 mm. L’antenna incorporata nel PCB, sotto lo strato bianco consente la lettura di tag NFC fino ad una distanza massima di 7 cm.

Nella pratica si è riscontrato che nel caso dei tag NTAG215 utilizzati, la distanza di lettura massima, in assenza di ostacoli, raggiunge i 45 mm.

Figura 6.29: Modulo NFC Elechouse PN532

Il modulo PN532 potrebbe agire sia come lettore che come trasmettitore, tuttavia tale funzionamento, per quanto riguarda la breakout board, è possibile unica-mente utilizzando l’interfaccia I²C mentre non è pos-sibile ottenere tale comportamento duale attraverso l’interfaccia SPI, utilizzata nel progetto.

La disposizione dei lettori studiata per ciascun cubo è riportata nel grafico in figura 6.30. Come si può notare, ogni cubo utilizza due lettori NFC inclinati di 45^◦ rispetto alla faccia laterale e posizionati negli angoli evidenziati in figura. Per quanto riguarda i tag, ne sono stati utilizzati due tipi diversi, sebbene

basati sullo stesso chip NTAG215 di NXP e di uguali dimensioni, 25 × 25 mm. La

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differenza tra i due è data dalla forma diversa dell’avvolgimento e dalla posizione dell’antenna. Il motivo di questa scelta è dato dalla necessità di poter leggere due tag sovrapposti, situazione che si sarebbe verificata in determinate condizioni, a seconda della combinazione dei cubi, per cui in presenza di due tag identici e perfettamente sovrapposti l’uno con l’altro non sarebbe stato possibile leggerli entrambi.

Lettore NFC Tag NFC

Figura 6.30: Disposizione dei lettori e dei tag NFC all’interno dei cubi.

In ogni cubo sono presenti otto tag NFC, due per ciascuna faccia laterale e la di-sposizione studiata permette ogni possibile combinazione in quanto vi è sempre un lettore contrapposto ad un tag e quindi indipendentemente da come i cubi sono collegati, il sistema è in grado di ricostruire una mappa dei dispositivi collega-ti, conoscendo la loro disposizione e organizzando opportunamente la grafica e i contenuti.

Attraverso l’opportuna disposizione utilizzata per i tag e per i lettori NFC, è stato quindi soddisfatto il requisito di modularità del sistema CuBee. Il motivo per cui si è scelto di adottare questa soluzione, rispetto all’utilizzo dei dati forniti dal magnetometro in combinazione con i sensori Hall, è legato alla possibilità di utilizzare NFC anche per lo scambio di dati dinamici senza la necessità di stabilire una connessione a priori. Essendo oggetto del capitolo successivo, la comunicazione tra i cubi verrà quindi ripresa ed elaborata in seguito.

Per ogni cubo sono stati quindi utilizzati due lettori NFC PN532 collegati al Ra-spberry Pi mediante l’interfaccia SPI. Il collegamento è mostrato nella figura6.31.

I due lettori adoperano la stessa interfaccia SPI del Raspberry Pi e utilizzano uno la linea SPI1 CE1 e l’altro la linea SPI1 CE2.

Figura 6.31: Schema di collegamento dei lettori NFC al Raspberry Pi. Realizzato con Fritzing.