KeyDuino est une plateforme de développement NFC qui permet de créer facilement et rapidement des prototypes. Cette carte ne consiste pas en un produit terminé pour telle ou telle application et nécessite en fonction du projet à réaliser d’y ajouter des équipements matériels ou logiciels à sécuriser À ce titre, la question de la fiabilité et de la protection de vos développements à partir de la plateforme est importante et est de votre entière responsabilité, au même titre que l’usage des applications que vous développerez. Par ce document, nous vous apportons quelques clefs nécessaires au bon fonctionnement de vos projets.
KeyDuino peut être un outil puissant, c’est pourquoi il nous revient collectivement de respecter, lors de son utilisation, les valeurs qui ont mené à sa création : la création d’une communauté de bidouilleurs/geeks/passionnés et surtout responsables s’attachant à développer des projets sympathiques, à partager les compétences et bonnes idées Dès lors, n’oubliez pas que les tentatives de hack sur des systèmes ne vous appartenant pas vont à l’encontre de « l’état d’esprit KeyDuino ». et que seul on va plus vite mais ensemble, on va plus loin !
KeyDuino Team
1) Introduction à la RFID Présentation globale La RFID (Radio Frequency Identification) est une technologie bien implantée dans de nombreux secteurs. Cette technologie existe depuis les années 1970, mais s'est surtout développée à la fin des années 1990.
Les systèmes utilisant la RFID sont composés de deux parties : un lecteur, qui va venir apporter l’énergie, et un transpondeur (un tag). Ces derniers communiquent par liaison radio fréquences.
On distingue 3 catégories d’applications : La RFID LF (Low Frequency) : de 125 à 135 kHz et ayant une portée de moins de 10 centimètres. Elle est principalement utilisée dans les badges d’accès.
La RFID HF (High Frequency) : sur une fréquence de 13,56 MHz. La RFID HF est notamment utilisée dans les passeports biométriques et sert de base à la technologie NFC (Near Field Communication) présente dans de très nombreux produits.
La RFID UHF (Ultra High Frequency): en Europe, sa fréquence est de 868 MHz. La portée est étendue à une dizaine de mètres. Cette technologie est notamment utilisée pour la traçabilité en logistique, ainsi que pour dresser des inventaires.
La structure d’un transpondeur est extrêmement simple. Il s’agit uniquement d’une antenne reliée à une puce.
Le lecteur se couple au transpondeur et envoie de l’énergie au transpondeur dont le processeur est alors alimenté. Dans ce document, nous parlerons uniquement de tags passifs (non alimentés de façon interne).
En termes de couplage, il en existe deux types; • le couplage magnétique (H) dans le cas d’un champ dit proche (de quelques centimètres à 1.5m). Les fréquences utilisées sont les LF et HF. Les antennes sont alors constituées de boucles inductives. • le couplage électrique (E) pour le champ dit lointain (jusqu’à 6 mètres). Les fréquences en jeux sont l’UHF. Les antennes sont alors des dipôles ou des patchs.
La NFC La NFC, ou Near Field Communication (Communication en Champ Proche), est une technologie standardisée de communication sans-fil à courte portée, permettant des transactions, de l'échange de données numériques, et la connexion d'appareils électroniques par un simple contact. La NFC est compatible avec des centaines de millions de smartphones, cartes sans-contact, et lecteurs déjà déployés dans le monde entier.
2) Introduction à KeyDuino Généralités sur KeyDuino KeyDuino est une carte électronique programmable utilisant l’environnement Arduino (une plateforme de développement open source) et permettant de créer des interactions avec la technologie NFC. Il est possible d’imaginer de nombreux scénarios d’utilisation des cartes KeyDuino dans de multiples domaines (transfert d’informations par NFC, identification sur une chaine de production,…). :
L’objectif principal de KeyDuino est de proposer une solution de prototypage rapide, plus spécifiquement dans le domaine de la sécurité. En effet, grâce aux nombreuses entrées sorties (E/S) dont disposent les cartes, connecter un actionneur, mécanique par exemple, est une chose facile. Dès lors, interagir sur une gâche de fermeture de porte, un verrou électronique, un starter de voiture, (…), est possible. La technologie NFC prend tout son intérêt dans ce type d’applications. La lecture en champs proche permet d’opter pour une identification par carte, par badge et surtout via une bague NFC ou un smartphone.
Fréquence en jeu Connaitre la fréquence de fonctionnement de KeyDuino va vous permettre de comprendre quel type de tags la carte pourra lire et ceux avec lesquelsi il sera impossible de communiquer. Pour préciser, l’antenne de KeyDuino et son circuit d’accord sont calibrés pour une fréquence de 13.56Mhz, soit la fréquence de la RFID HF (excluant de fait la lecture de tags LF ou UHF).
Le tranceiver utilisé pour permettre la lecture des tags est un PN532 connecté en HSU (High Speed Uart). Ce module supporte 7 modes d’opérations différents :
Métal et KeyDuino Le champ magnétique de la NFC ne peut fonctionner à travers le métal. Par conséquent, il est impossible de lire un tag à travers n’importe quel élément métallique via la KeyDuino ou une antenne déportée.
Détruire correctement votre KeyDuino KeyDuino vous permettra de prototyper bon nombre de projets. Néanmoins, dans la précipitation, certaines erreurs classiques peuvent endommager, voire détruire votre KeyDuino. Voici une liste non-exhaustive des erreurs potentielles :
Court circuits : - Faire un court-circuit entre une entrée/sortie et la masse/l’alimentation - Faire un court-circuit entre deux entrées/sorties avec chacune un état différent - Faire un court-circuit entre l’alimentation 5v/3.3v/VIN et la masse
Surtension : - Appliquer une tension supérieure à 5.5volts sur une entrée/sortie - Appliquer une tension supérieure à 5 volts sur la pin 5volts - Appliquer une tension supérieure à 12 volts sur la pin 12 volts / le connecteur DC
Surconsommation : - Consommer plus de 40mA par pin - Consommer plus de 200mA sur l’ensemble des pins - Consommer plus de 2A sur l’alimentation VIN - Consommer plus de 500mA sur l’alimentation 5volts - Consommer plus de 150mA sur l’alimentation 3.3volts
Etonnamment, KeyDuino n’est pas prévu pour fonctionner à des températures extrêmes, des milieux trop humides ou sous des chocs trop importants. Des erreurs classiques telles que mesurer les vibrations à l’intérieur d’un mixer ou la température dans un four peuvent laisser quelques dommages à KeyDuino.
3) Initialiser votre KeyDuino Installer l’environnement Arduino Pour commencer à utiliser et programmer votre KeyDuino, vous aurez besoin de l’environnement de développement (IDE) Arduino. Vous pouvez le télécharger ici : https://www.arduino.cc/en/Main/Software Les codes actuels sont développés avec la version 1.6.5 d’Arduino. Si vous débutez avec Arduino, il est recommandé d’utiliser la même version pour éviter tous problèmes. Décompressez le fichier et installez Arduino.
Télécharger la bibliothèque KeyDuino Pour avoir accès aux codes d’utilisations et à la bibliothèque KeyDuino, il faut premièrement la télécharger sur la plateforme GitHub : https://github.com/mrstein/KeyDuino
Cliquer sur le bouton « Download ZIP », et une fois téléchargé, l’extraire. Dans le répertoire KeyDuino, vous trouverez divers dossiers, comme hardware, qui contient les schémas électroniques notamment. Copiez simplement le sous-dossier KeyDuino, et collez le dans le répertoire « libraries » d’Arduino. La bibliothèque est alors installée ! Il n’y a plus qu’à lancer l’IDE Arduino pour pouvoir l’utiliser. Télécharger l’application KeyDuino Pour utiliser l’application Android développée spécialement pour KeyDuino, télécharger l’apk sur la plateforme GitHub. Vous pouvez également trouver les sources de cette application dans le dossier de la bibliothèque KeyDuino précédemment téléchargé. Signalons que bien malheureusement, les Apple iPhones ne sont pas compatibles avec KeyDuino ou les tags NFC dans leurs versions actuelles.
Installer les drivers KeyDuino Connectez la KeyDuino à un port USB avec le câble fourni. La LED « On » doit s’allumer.
- Mac OS La première fois que vous connectez KeyDuino sur un système Mac OS, le "Keyboard Setup Assistant" s’ouvrira. Il n’y a rien à configurer, il vous suffit juste de fermer la fenêtre
4) Débuter avec votre KeyDuino Identifier un tag Sélectionnez votre port sur lequel est connectée votre KeyDuino. Comme la carte possède le même bootloader qu’un Arduino Leonardo, il devrait être identifié comme un Arduino Leonardo.
Normalement, le sketch de base permet de lire le tag NFC fourni et d’afficher les ID obtenus. Pour voir les informations, cliquer sur « Serial Monitor » en haut à droite de la fenêtre Arduino.
Pour cet exemple, votre baudrate doit être à 115200Baud, par défaut, si vous venez de télécharger Arduino, il devrait être à 9600 : Ill faudra donc le changer en bas à droite de Serial Monitor. Passez à présent l’un des tags fourni prêt de l’antenne de lecture de la KeyDuino, normalement, a plus de 1 centimètre, le buzzer bipe un coup et l’id du tag s’affiche dans la console du moniteur série.
(Optionnel) Connection de votre antenne déportée Si vous avez commandé une antenne déportée avec votre KeyDuino, connectez votre câble selon le schéma joint, vous devez entendre un « clip » lorsque ce dernier est bien enfoncé. C’est tout.
Vous êtes maintenant prêt à utiliser pleinement votre KeyDuino !
5) Utiliser votre KeyDuino
Voici maintenant quelques exemples classiques d’utilisation basique de KeyDuino.
Récupérer l’identifiant (UID) d’un tag
Lors de la manipulation de tags RFID, la première action côté lecteur est généralement de lire l'identifiant unique du tag. L'exemple ci-dessous devrait être compatible avec la plupart des types de tags RFID HF que vous pourriez trouver. Dans l'IDE Arduino, lancer l'exemple tag_identification : File > Examples > KeyDuino > tag_identification Dans cet exemple, la fonction suivante : keyDuino.readTargetID(uid, &uidLength) récupère l'UID du tag présenté à l'antenne du KeyDuino, et stocke ce résultat dans la variable uid (et sa taille dans la variable uidLength).
Lire le contenu d’un tag NDEF
Pour lire les données contenues dans un tag formaté NDEF, lancer l’exemple suivant : File > Examples > KeyDuino > NDEF > read_tag Une fois le code envoyé à la carte KeyDuino, ouvrez le Serial Monitor, et passez un tag sur l’antenne de la carte ; vous devriez alors voir s’afficher les données qu’il contient.
Écrire en NDEF dans un tag
Lancez l’exemple d’écriture dans un tag formaté NDEF : File > Examples > KeyDuino > NDEF > write_tag Choisissez un contenu à écrire dans le tag : URL d’un site web, numéro de telephone, adresse mail … Pour que le contenu soit fonctionnel, il faut qu’il soit correctement formaté. Vous pourrez trouver sur Internet comment fonctionne le protocole NDEF. Vous pouvez ensuite téléverser le programme sur votre KeyDuino, et passer un tag sur l’antenne pour écrire dessus. Testez ensuite avec votre KeyDuino (exemple read_tag) ou un smartphone NFC pour vérifier que le contenu a bien été écrit sur le tag.
Peer to Peer
Pour vous permettre de prendre en main la communication Peer to Peer (P2P) en NFC, nous avons développé un sketch d’exemple pour la carte, ainsi qu’une application mobile Android. Via un smartphone compatible, vous pourrez ainsi communiquer et interagir avec votre KeyDuino depuis l’application : contrôler des pins, lire les valeurs de tension en sortie … La démarche à suivre pour vous procurer l’application Android est décrite en Page 8 de ce document. Le sketch d’exemple se trouve à l’emplacement suivant : File > Examples > KeyDuino > keyduino_android_app
6) Utilisez une shield compatible Arduino Software La carte est totalement compatible d’un point de vue software avec une carte Arduino Leonardo. Dès lors, n’importe quel code fonctionnant sur Leonardo fonctionnera sur KeyDuino. UART Pour faire la connexion avec le PN532 en HSU, nous avons utilisé TX (D1) & RX (D0). Néanmoins comme de nombreuses shield Arduino utilisent l’UART, nous avons déporté D14 & D16 de ICSP pour pouvoir les utiliser en Software UART.
Dans notre cas, la définition de RX et TX se fera de la façon suivante : SoftwareSerial mySerial(14, 16);
SPI Pour pouvoir placer l’antenne, nous avons repositionné le connecteur ICSP utilisé pour le SPI sur une carte Arduino Leonardo. Pour pouvoir l’utiliser ; il y a deux choix : • Utiliser des connecteurs entre le ICSP de la shield et celui de KeyDuino (vous ne serez plus en mesure d’utiliser le software UART et le buzzer !). • Redéfinir le SPI sur d’autre PIN via SoftwareSPI (ex : 13, 12, 11) et effectuer les jonctions avec des connecteurs si c’est nécessaire (quelques shields comme la shield SD n’ont pas de connecteur ICSP).
7) (Optionnel) Utiliser la shield relais Sans alimentation à ses bornes, un relais est bloqué dans sa position Normaly Closed (NC). Dans ce cas, il y a une jonction physique entre le COM et le NC. En mettant une tension à ses bornes (5V dans notre cas), le courant excite une bobine qui vient commuter le contact. Le contact se fait alors entre COM et Normally Open (NO).
Dans notre cas, l’interrupteur ON/OFF correspond à la commande de la pin de la KeyDuino. C’est à dire que si la pin est à l’état haut, il y aura jonction entre NO et COM. Dans la mesure où la shield relais possède 4 relais, cette dernière sera commandée par 4 pins : Relay1 = KeyDuino pin D7 Relay2 = KeyDuino pin D6 Relay3 = KeyDuino pin D5 Relay4 = KeyDuino pin D4
Vous pouvez trouver un sketch d’utilisation dans les exemples de la bibliothèque KeyDuino : File > Examples > KeyDuino > relay_shield Cet exemple permet de fermer l’ensemble des contacts des relais sur l’identification d’un badge (selon un UID spécifique, ou quel que soit l’UID). Vous pouvez donc compiler et téléverser votre programme dans la KeyDuino en ayant sélectionné « Arduino Leonardo » et le port Com utilisé.
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