Spis treści:
Zamki elektromagnetyczne coraz częściej stosowane są w obiektach prywatnych. W połączeniu z klawiaturą lub czytnikiem kart RFID stanowią wygodne połączenie, które pozwoli nam na przydzielenie dostępu do danych pomieszczeń wybranym osobom. Dzisiaj zbudujemy taki system i sprawdzimy jego funkcjonalność. Gotowi? To do dzieła!
Główne założenia projektu:
- Blokowanie dostępu do pomieszczenia dla osób nieuprawnionych,
- Możliwość przypisania dostępu nawet kilkudziesięciu osobom,
- Szybka reakcja na przyłożenie taga RFID,
- Sygnalizowanie statusu zamka za pomocą diod LED.
Niezbędne podzespoły
Projekt oparty będzie o miniaturową płytkę uruchomieniową Arduino Pro Mini. Płytka ze względu na małe rozmiary zmieści się w kompaktowej obudowie, jednak prototyp wykonamy na Arduino Uno. Aby zrealizować zamknięcie pomieszczenia skorzystamy z gotowego modułu elektromagnesu, który można łatwo przykręcić do dowolnej powierzchni, co bardzo ułatwi nam późniejszą pracę. Elektromagnes będzie sterowany przez przekaźnik, który będzie dostawał sygnał od Arduino, jednak aby autoryzacja była możliwa, musimy odczytać ID tagu RFID. Odczyt z tagu realizujemy za pomocą modułu RC522. Lista podzespołów dostępna jest poniżej:
- Arduino Uno R3
- Arduino Pro Mini 5V/16MHz
- Zasilacz 12V do zasilenia całego układu
- Gniazdo DC do połączenia układu z zasilaczem 12V
- Elektromagnes 12V do zamykania drzwi
- Moduł przekaźnika do sterowania elektromagnesem
- Moduł RC522 z dodatkowymi tagami
- Dioda LED RGB ze wspólną katodą
- Rezystory 220 Ohm 3 sztuki
Budowa prototypu na płytce stykowej
W przypadku jakiegokolwiek błędu łatwo będziemy “mogli się poprawić”. Na początku nie użyliśmy przekaźnika i elektromagnesu; do sygnalizacji użyliśmy diody LED. Połączenie powinno wyglądać tak, jak na grafice poniżej:
Gniazdo podpinamy do VCC i GND płytki stykowej, VCC z płytki stykowej podłączamy do złącza VIN w Arduino, a GND z płytki stykowej do GND Arduino. Diodę symulującą przekaźnik przez rezystor 220 Ohm podłączmy do pinu 8. W diodzie RGB nóżkę odpowiedzialną za czerwony kolor podłączamy przez rezystor 220 Ohm do pinu 7, a nóżkę odpowiedzialną za zielony kolor do pinu 6. Moduł RC522 podłączamy do Arduino według poniższego schematu:
SDA —-> Pin 10
SCK —-> Pin 13
MOSI —->Pin 11
MISO —-> Pin 12
IRQ —-> Nie podłączamy
GND —-> GND
RST —-> Pin 9
3.3V —-> 3.3V w Arduino (układ pracuje na napięciu 3.3V, podłączenie go do 5V może spowodować uszkodzenie.)
else if (content.substring(1) == "DRUGIE ID") // !!!TUTAJ WPISZ ID DRUGIEGO TAGA!!!
Jeśli chcemy dodać jeszcze kilka tagów, to musimy skopiować całą instrukcję warunkową i zmienić tylko identyfikator, który podstawiamy do porównania. Sam instrukcja warunkowa to ten element kodu:
else if (content.substring(1) == "DRUGIE ID") // !!!TUTAJ WPISZ ID DRUGIEGO TAGA!!!
{
digitalWrite(8,HIGH); //Włączamy przekaźnik
digitalWrite(7, LOW); //Podajemy na pin 7 stan niski, dioda przestaje świecić się na czerwono
digitalWrite(6, HIGH); //Podajemy napięcie na pin 6, powoduje to zaświecenie się diody na zielono
delay(10000); //Zamek jest odbezpieczony na 10 sekund
digitalWrite(8,LOW); //Wyłączamy przekaźnik
digitalWrite(6, LOW); //Podajemy na pin 6 stan niski, dioda przestaje świecić się na zielono
digitalWrite(7, HIGH); //Podajemy napięcie na pin 7, dioda zaświeca się na czerwono
}
Przekaźnik kluczem do sukcesu
Przekaźnik to rodzaj włącznika, który załącza się poprzez podanie prądu na złącza elektromagnesu, który to z kolei pełni funkcję zworki pomiędzy pinami. Dzięki wyjątkowej budowie przekaźniki są niezwykle bezpieczne w użytkowaniu i zmniejszają ryzyko uszkodzenia mikrokontrolera przy przełączaniu dużo wyższych prądów.
Ze względu na to, że nasz elektromagnes pracuje na napięciu 12V, a płytka na napięciu 5V, potrzebujemy pomocnika, którym jest właśnie przekaźnik. Zacznijmy od wykonania połączenia – układ musi wyglądać jak grafice poniżej:
Dużo się nie zmieniło, prawda? Musimy tylko pamiętać, że przekaźnik działa na innym napięciu niż moduł RFID, więc nie możemy podłączyć obu modułów do jednego złącza zasilania. Przekaźnik musimy następująco:
VCC —-> 5V
SIG —-> Pin 8
GND —-> GND
Podłączenie elektromagnesu
Tak jak wcześniej opisywaliśmy przekaźnik po podaniu sygnału stworzy zworkę, która połączy sygnał. Do włączania i wyłączania elektromagnesu musimy przeciąć jeden z przewodów zasilających elektromagnes i obie końcówki podłączyć do przekaźnika. My zrobimy to na linii VCC. Moduły przekaźników mają najczęściej trzy wyjścia do sterowania wyższym prądem. Do dyspozycji jest wyjście COM, czyli wspólne, wyjście NC, czyli normalnie zamknięte i wyjście NO, czyli normalnie otwarte. Standardowo bez podania prądu na przekaźnik pomiędzy pinem NC a COM może przechodzić prąd. Po zasileniu przekaźnika następuje rozłączenie COM z NC, COM wtedy łączy się z NO. Połączenie COM z NO jest aktywne do czasu zasilenia przekaźnika. Zasadę działania łatwo zapamiętać patrząc na poniższą grafikę:
Jeśli znamy już zasadę przełączania wyjścia w przekaźniku, to możemy przejść do połączenia. Całość musimy podłączyć jak na grafice poniżej pamiętając, że elektromagnes musi być zasilany napięciem +12V.
Możemy się zastanawiać: dlaczego nie podłączyliśmy elektromagnesu do NO tak, aby włączał się po podaniu sygnału? Odpowiedź jest banalna – gdy urządzenie podłączone do przekaźnika przez większość czasu musi być włączone (a tutaj tak będzie), to nie ma powodu, aby marnować prąd, który przekaźnik będzie zużywał podczas utrzymywania połączenia pomiędzy NO a COM. Tutaj połączenie jest domyślne i nie zużywa prądu, Wybiegając w przód mamy też pewność, że jeśli ktoś uszkodzi nasz mikrokontroler, to i tak nie dostanie się do pomieszczenia. Dlaczego? Ponieważ przekaźnik będzie przekazywał prąd podtrzymujący cały czas działanie elektromagnesu.
Montaż elementów na płytce PCB
Aby urządzenie działało i wyglądało profesjonalnie, zastosujemy autorskie płytki PCB, które można zamówić na stronie PCBWay. Do budowy układu z płytką PCB będą potrzebne:
- Płytka PCB
- Arduino Pro Mini
- Zasilacz 12V
- Gniazdo DC
- Elektromagnes 12V
- Moduł RC522
- Przekaźnik HLS8L-DC5V-S-C
- Rezystor 4.7 kOhm 2 sztuki
- Diody 1N5819
- Kondensator 100nF
- Stabilizator napięcia 5V
- Złącza ARK 2-pin 2 sztuki
- Tranzystor BC557C
- Diody RGB ze wspólną katodą
- Goldpiny żeńskie 40×1 2 sztuki
Elementy mocujemy na płytce tak, jak na zdjęciu poniżej i lutujemy. Oprócz elementów przylutowanych na stałe montujemy Pro Mini i RC522 za pomocą złączy typu goldpin.
Cała płytka powinna wyglądać tak:
Zamocowanie na ścianie
Po zmontowaniu PCB możemy wybrać na ścianie miejsce, w którym będzie znajdował się nasz zestaw. Teraz wiercimy pięć otworów, tak jak na obudowie – jeden większy dla przewodów na drugą stronę ściany, cztery mniejsze na śruby w kołkach rozporowych. Projekt obudowy dostępny jest na stronie Thingiverse. Po wywierceniu możemy zamocować dolną część obudowy za pomocą śrub. Został nam do przykręcenia elektromagnes. Tutaj jest absolutna dowolność – ja obie części przykręciłem z pomocą krótkich śrub do drzwi i ramy. Jeśli jednak posiadamy drzwi aluminiowe lub z innego materiału niż drewno, to sposób mocowania będzie inny.
Ułożenie w obudowie
Po przykręceniu obudowy przez duży otwór wprowadzamy przewody od elektromagnesu i zasilania. Elektromagnes montujemy do złącza ARK opisanego jako “RELAY #1”. Tutaj akurat nie musimy wprowadzać żadnych modyfikacji w okablowanie – minus elektromagnesu podłączamy do GND przy opisanym wyżej złączu, VCC elektromagnesu podpinamy do VCC złącza. Do gniazda musimy przylutować dwa przewody i podłączyć je do złącz śrubowych w naszej płycie, dzięki czemu będziemy mieli zasilanie. Polaryzacja jest również opisana na PCB. Tak powinna wyglądać płytka w obudowie:
Gdy połączymy wszystkie elementy, to możemy założyć górną część obudowy i włączyć zasilanie. Po wszystkim elektromagnes się aktywuje, a my bez przyłożenia tagu nie będziemy mogli otworzyć drzwi. Ostatnim elementem, który musimy dodać, jest włącznik, który założymy w wewnętrznej stronie pomieszczenia. Będzie on odcinał zasilanie z zasilacza 12V jednocześnie wyłączając elektromagnes.
Elektromagnetyczny zamek do drzwi – FAQ
Co to jest RFID z ang (radio-frequency identification? To komunikacja radiowa charakteryzująca się krótkim zasięgiem. Technologia RFID jest wykorzystywana zarówno do odczytywania, jak i przesyłania danych, a także do zasilania chipów, na których są przechowywane dane. Identyfikacja za pomocą fal radiowych znajduje zastosowanie np. w biurach, obiektach firmowych i wszystkich budynkach, w których jest wymagane potwierdzenie dostępu. Wybrane zamki elektromagnetyczne umożliwiają autoryzację przez RFID, dzięki czemu wyłącznie określona grupa osób ma dostęp do danego pomieszczenia.
Technologia RFID jest wykorzystywana zarówno do odczytu, jak i przesyłania danych na krótkie odległości. Ponadto RFID znajduje zastosowanie w zasilaniu chipów (również na krótkie odległości). Dzięki temu rozwiązaniu można zidentyfikować praktycznie każdy obiekt i osobę. RFID znajduje zastosowanie m.in. w budynkach, do których dostęp ma wyłączenia wybrana grupa osób (posiadających np. TAG RFID). Dodatkowo w obrębie budynków mogą być wydzielone strefy, a nawet pomieszczenie z ograniczonym dostępem. Mogą tam wejść jedynie osoby, które posiadają TAG RFID z odpowiednimi danymi (zapewniającymi dostęp).
