Integração dos Leitores RFID no autómato programável

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1 Integração dos Leitores RFID no autómato programável Neste breve documento são apresentados os equipamentos disponibilizados, as suas características e modos de funcionamento. Serão descritos os diferentes passos, para a integração dos leitores RFID no autómato programável. Autómato programável: O autómato programável disponibilizado para a realização do projecto é da marca Telemicanique, modelo Modicon TSX Premium e é composto pelos seguintes módulos: Fonte de alimentação: TSX PSY1620 Processador: TSX P57202 Ligação Ethernet: TSX ETY110WS Comunicação: TSXSCY21601 (RS232 e RS485) PCMCIA Card: TSX SCP111 (RS232), TSXSCP114 (RS485) Para a configuração e programação do autómato programável, utilizou-se o Software PL7 V4.1, programa desenvolvido pela Telemicanique. Este permite configurar todos os módulos do autómato, bem como realizar toda a sua programação. Leitor RFID: O leitor RFID utilizado no projecto é da marca FEIG modelo ID ISC.PR101-A. Figura 1 Leitor RFID. Tem apenas uma interface visual com o utilizador, um sinal luminoso constituído por um LED, que indica os 3 estados possíveis, verde significa funcionamento normal, vermelho quando detecta uma etiqueta e laranja quando o leitor inicializa. As suas características são apresentadas na tabela seguinte.

2 Frequência Tipo de etiqueta Antena Alcance Interface de Comunicação Ligação Alimentação 13.56MHz Passivas Internas Baixo (7 a 10 cm) RS 232 ou RS485 9-pin D-sub fêmea 2 a 24V CC Tabela 1 Características do Leitor RFID. Apresenta 4 modos de funcionamento de transmissão de dados entre o leitor e o host (termo utilizado para designar dispositivo ao qual leitor se encontra ligado), sendo eles, ISO15693 Host Comands, Scan Mode, Configuration Commands e Control Commands. Configuration Commands Quanto à configuração (Configuration Commands), está organizada em blocos de 16 bytes, sendo 2 deles para CRC. Os blocos de configuração podem ser guardados, em 2 locais distintos, na memória RAM ou na memória EEPROM. Na memória RAM, a configuração enviada pelo host é actualizada imediatamente, e perde-se caso o leitor seja desligado. Na memória EEPROM, para que a configuração fique activa é necessário reinicializar o leitor, e está não se perde após ser desligado. Os comandos disponíveis neste modo estão descritos na tabela 2. Set Default Configuration Coloca 1 ou todos os blocos de configuração com os valores de origem (RAM ou EEPROM) Read Configuration Write Configuration Save Configuration Lê um bloco de configuração (RAM ou EEPROM) Envia um bloco de configuração (RAM ou EEPROM) Guarda 1 ou todos os blocos de configuração na memória RAM ou EEPROM Tabela 2 Funções disponíveis no modo Configuration Commands. Control Commands Quanto ao modo de controlo (Control Commands), permite realizar algumas funções tais como, determinar velocidade de transmissão, reset leitor, etc. Encontra-se na tabela W as funções disponíveis.

3 Baud Rate Detection Determina a velocidade de comunicação (RS-232/RS-485) Start Flash Loader CPU Reset Inicia a actualização do firmware Reinicializa o CPU do leitor Get Software Version Determina a versão do software do leitor, o seu tipo e o tipo de etiquetas que são suportadas pelo software Get Reader Info RF Reset RF ON/OFF Set Output Determina a versão do firmware do leitor, o seu tipo e o tipo de etiquetas que são suportadas pelo firmware A antena é desligada por 15 milissegundos Liga ou desliga a antena Controla o LED Tabela 3 Funções disponíveis no modo Control Commands. ISO15693 Host Comands O ISO15693 Host Comands consiste num conjunto de comandos que permite a troca de dados entre o host e as tags através do leitor. A troca de dados pode ser feita de 3 formas diferentes: Addressed Mode: Antes de ler ou escrever numa etiqueta é necessário conhecer o seu UID. Para tal é enviado um comando Inventory, e se uma etiqueta estiver ao alcance do leitor retorna o seu UID. As funções de leitura e escrita seguintes para essa tag têm de incluir o seu UID. Non-Addressed Mode: Não é necessário conhecer o UID da etiqueta, é útil quando há apenas uma etiqueta ao alcance do leitor. Selected Mode: Tal como no Non-Addressed Mode é necessário enviar um comando Inventory para conhecer o UID da etiqueta. Posteriormente é enviado o comando Selected com esse UID. Assim a leitura e escrita para essa etiqueta que se realize a seguir não necessita de incluir o UID. Inventory Stay Quiet Lock Multiple Blocks Read Multiple Blocks Write Multiple Blocks Select Reset to Ready Retorna todos os UID das etiquetas ao alcance do leitor Coloca a etiqueta em modo silencioso Bloqueia um ou mais blocos de dados (contra escrita) Lê um ou mais blocos de dados Escreve num ou mais blocos de dados Selecciona a etiqueta (coloca em Select State) Coloca a etiqueta em Ready State Get System Information Lê informação do sistema da etiqueta Get Multiple Block Security Status Lê o estado de segurança dos blocos de dados (se estão ou não protegidos contra escrita) Tabela 4 Funções disponíveis modo ISO15693 Host Comands.

4 O leitor RFID possui 2 protocolos de comunicação de troca de dados com o host: Standard Protocol: suporta tramas de dados até 255 bytes Figura 2 Standart Protocol. Advanced Protocol: para tramas superiores a 255 bytes Figura 3 Advanced Protocol. Byte (s) Descrição STX Indica uma trama com mais de 255 bytes (Advanced Protocol) ALENGTH Número de bytes da trama incluindo STX, ALENGTH e CRC16 LENGTH Número de bytes da trama incluindo LENGTH e CRC16 COM-ADR Endereço do leitor caso esteja ligado a um barramento (RS-485) CONTROL-BYTE Define o comando a executar STATUS Inclui uma mensagem de estado do leitor DATA Campo opcional com tamanho variável (depende do comando) CRC16 Polinómio x16 + x12 + x5 + 1 (Valor inicial 0xFFFF) Tabela 5 Descrição da trama do protocolo de comunicação do leitor RFID. No que diz respeito ao protocolo de comunicação, optou-se por utilizar o Standard Protocol, uma vez que a troca de dados que se espera para esta aplicação não ultrapassará os 255 bytes e dado que o Modbus permite receber ou enviar no máximo 250 bytes de uma só vez. Quanto ao modo de funcionamento, serão implementadas apenas as funções Inventory, Read Multiple Blocks e Read Multiple Blocks do modo ISO15693 Host Comands, e a função CPU Reset do modo Control Commands. Para a familiarização com os leitores RFID, utilizou-se o Software ID ISOstart, programa desenvolvido pela FEIG Electronic. Este permite testar a comunicação com os transponders, realizar upgrade de firmware, ler e alterar a configuração dos leitores. Cada vez que uma função é executada, é possível visualizar o protocolo de comunicação entre o computador e o leitor RFID, bem como as tramas trocadas entre eles. Isto possibilita o estudo da formação das tramas, de envio e resposta por parte do host. Na figura seguinte encontra-se a interface gráfica apresentada ao utilizador. Do lado esquerdo encontram-se os vários modos de funcionamento apresentados anteriormente, do lado direito as funções disponibilizadas por

5 cada modo e no fundo o protocolo de comunicação, as tramas recebidas e enviadas. De notar que o modo Test and Measurement é implementado pelo programa, apenas para detectar etiquetas que estejam ao alcance do leitor RFID e consiste no envio periódico do comando Inventory. Figura 4 Interface gráfica do Software ID ISOStart. No que diz respeito ao transpoder disponibilizado para a realização do projecto, é o modelo Tag-it HF-I Plus da Texas Instruments. Esta etiqueta tem capacidade de dados de 256 bytes particionados em blocos de 4 bytes, ou seja, 64 blocos de dados. Figura 5 Peça com etiqueta RFID embutida.

6 Implementação: O objectivo principal consiste na integração de 4 leitores RFID da marca FEIG modelo ID ISC.PR101-A, no autómato programável da marca Telemicanique, modelo Modicon TSX Premium. O acesso aos dados deve ser realizado de forma transparente para o utilizador utilizando o protocolo MODBUS/TCP. Para tal será utilizado o Software Modbus Poll, que funcionará como mestre. O MODBUS/TCP é um protocolo de comunicação muito utilizado em dispositivos de automação devido à sua simplicidade e versatilidade. Pode ser utilizado em diferentes meios físicos de comunicação, tal como, Ethernet, RS-232 ou RS-485. Neste projecto irá ser utilizado o MODBUS/TCP sobre Ethernet. Os dados do MODBUS podem ser de 4 tipos diferentes: Discretes. São variáveis de 1 bit e apenas podem ser lidas. Coils. São variáveis de 1 bit e podem ser lidas e escritas. Registers. São variáveis de 16 bits e apenas podem ser lidas. Holding registers. São variáveis de 16 bits de leitura e escrita. Para aceder a estas variáveis, o protocolo MODBUS define endereços de 0 a O MODBUS/TCP consiste numa rede de múltiplos dispositivos ligados por uma rede TCP/IP num modelo mestre-escravo. Um mestre envia um pedido para um cliente e este responde com a informação pedida. Esta troca é feita por meio de tramas MODBUS/TCP numa conexão TCP previamente estabelecida entre mestre e escravo. O estabelecimento e gestão de conexões são feitos pelo protocolo TCP/IP e ocorrem independentemente do protocolo MODBUS. Construção da trama TCP/IP-ethernet: Figura 6 Construção da trama TCP/IP-ethernet. No caso concreto aqui descrito, a Application Layer corresponderá a MODBUS. Desta forma, uma trama MODBUS/TCP terá o seguinte aspecto:

7 Figura 7 Trama Modbus/TCP. Notar que as tramas MODBUS/TCP não possuem um campo para detecção de erros (ao contrário do que se passa em MODBUS) visto que tal se revela desnecessário, uma vez que a stack TCP/IP já inclui muitos mecanismos de detecção de erros. A figura seguinte demonstra as diferenças entre a trama MODBUS e a trama MODBUS/TCP: Figura 8 Diferenças entre trama MODBUS e MODBUS/TCP. Na figura 9, é possível ver as funções de escrita/leitura de saídas/entradas ou variáveis internas usadas na trama de comunicação do protocolo MODBUS/TCP.

8 Figura 9 Funções do Protocolo MODBUS/TCP. De notar que das funções MODBUS/TCP apresentadas, apenas serão utilizadas as seguintes: Read Holding Registers (código da função 03). Esta função permite a leitura de registos de 16 bits (Imput registers). Write Multiple Registers (código da função 16). Esta função permite a escrita de registos de 16 bits (holding registers). Deste modo, definiu-se uma organização dos registos para os 4 leitores RFID, com 2 blocos de dados, isto é 8 bytes de dados. Na tabela 6 apresenta-se a organização apenas para 2 leitores, sendo de forma semelhante para os restantes. Estes parâmetros são configuráveis, não sendo necessário qualquer reorganização dos endereços, está reorganização ocorre de forma dinâmica. Note-se que os registos estão classificados como de leitura (L) e de leitura e escrita (L/W).

9 Endereço Registo Tipo Descrição 300 Comands W Bits 0,1 e 2-> leitor 1: bits 0 e 1: função a realizar, 00- nenhuma função; 01-Função Inventory; 10-Função Leitura; 11-Função escrita. Bit 2: indica erros, 1-erro (trama recebida errada, não existem tag/s ao alcance do leitor); 0-sem erros. Bits 3,4 e 5-> leitor 2; Bits 6,7 e 8-> leitor 3; Bits 9,10 e 11-> leitor Status L Bits 0,1,2 e 3-> leitor 1: bits 0,1 e 2: qual das tag/s pretender escrever (1); bit 3: indica erros, 1-UID tag/s inválido, nenhuma tag/s seleccionada para escrever; 0-sem erros; Bits 4,5,6 e 7-> leitor 2; Bits 8,9,10 e 11-> leitor 3; Bits 12,13,14 e 15-> leitor 4. Leitor 1 Leitor ID tag 1 L UID tag ID tag 2 L UID tag ID tag 3 L UID tag Buffer tag 1 L/W Dados a ler ou escrever da tag Buffer tag 2 L/W Dados a ler ou escrever da tag Buffer tag 3 L/W Dados a ler ou escrever da tag ID tag 1 L UID tag ID tag 2 L UID tag ID tag 3 L UID tag Buffer tag 1 L/W Dados a ler ou escrever da tag Buffer tag 2 L/W Dados a ler ou escrever da tag Buffer tag 3 L/W Dados a ler ou escrever da tag 3 Tabela 6 Organização dos endereços Modbus para os leitores RFID.

10 Na figura seguinte representa-se arquitectura adoptada, para a integração dos 4 leitores RFID, a integrar no autómato programável. Os 4 leitores RFID serão colocados num barramento RS485, como ilustrado na figura. Autómato Programável RS 485 Leitor RFID 1 Leitor RFID 2 Leitor RFID 3 Leitor RFID 4 Figura 10 Arquitectura adoptada na integração. De seguida, serão apresentados os fluxogramas das funções a implementar. Será ainda apresentado, o fluxograma da evolução do sistema.

11 A função Inventory, permite obter UID das etiquetas ao alcance do leitor. Na figura 7, representa-se o fluxograma desta função. Inicia com a construção da trama com o respectivo pedido, calculando o CRC terminando com a realização do pedido. Figura 11 Fluxograma da função Inventory.

12 A função Read Multiple Blocks, permite a leitura de vários blocos de dados das etiquetas. Na figura 12 representa-se o respectivo fluxograma da função. Figura 12 Fluxograma da função Read Multiple Blocks. A função Write Multiple Blocks, permite escrever dados em vários blocos de dados da etiqueta. Na figura 9, representa-se o fluxograma da mesma. Note-se, que para realizar a função de escrita, torna-se necessário o conhecimento do UID da etiqueta na qual se pretende

13 escrever, UID válido corresponde a ser diferente de zero. Para além disso é necessário especificar qual tag/s que pretende realizar a função de escrita. Figura 13 Fluxograma da função Write Multiple Blocks.

14 A função CPU Reset, reinicializa os 4 leitores. Consiste apenas no envio da trama com o respectivo pedido. Notar que está função realiza-se sempre quando o programa se inicia, não sendo necessário especificar nenhum comando por parte do utilizador. Construir trama com pedido CPU RESET Calcular CRC da trama a enviar Enviar pedido CPU RESET Figura 14 Fluxograma da função CPU Reset. No seguinte fluxograma, representa-se o funcionamento cíclico da evolução do programa.

15 Figura 15 Funcionamento cíclico. Validação da solução: Serão apresentados alguns resultados obtidos na validação da solução apresentada anteriormente. Na figura seguinte, ilustra-se os pedidos realizados pelo utilizador, leitura tag no leitor 1, UID tag/s no leitor 2 e escrita na tag no leitor 3. Nesse mesmo endereço é possível visualizar o resultado dos vários pedidos, não existe tags ao alcance dos leitores.

16 Figura 16 Ilustração pedidos realizados pelo utilizador. Na seguinte figura é possível visualizar os dados lidos pelo leitor 1, e a correcção do respectivo bit de erro. Notar que a leitura e escrita pretende-se para 2 blocos de dados, isto é 8 bytes. Figura 17 Ilustração dados lidos.

17 Na seguinte figura ilustra-se os dados lidos no leitor 1 bem como o UID do leitor 2. Notar a modificação do endereço 300, com a respectiva actualização dos bits de erro. De realçar, que na realização do projecto se assumiu que apenas se teria 3 tags em simultâneo em cada leitor. Desta forma seria possível realizar o pedido do UID de 3 tags. Figura 18 Ilustração dados lidos e UID da tag. Na figura 19, ilustra-se as tags ao alcance do leitor 3. Em caso de escrita o utilizador terá de especificar em qual das tag quer escrever (figura 20). Por fim apenas necessita de indicar os dados que pretende escrever (figura 21). Caso algum destes passos falhe dará origem a um erro que será indicado nos endereços 300 ou 301. Figura 19 Ilustração dos UID das tags no leitor 3.

18 Figura 20 Ilustração da especificação da tag onde irá proceder à escrita. Figura 21 Ilustração de dados a serem escritos.

19 Como forma de verificar se a escrita está a ser realizada correctamente, realizou-se o pedido de leitura no leitor 4 (figura 22). Os dados lidos correspondem aos dados escritos (figura 23). Figura 22 Ilustração pedidos realizados pelo utilizador. Figura 23 Ilustração dados lidos.

20 No diz respeito à programação, de notar, que alocação dos endereços é realizada de forma automática, consoante o número de leitores e o número de blocos de dados pretendidos. Conclusões: A integração dos leitores RFID foi realizada com sucesso. Numa fase inicial apenas se realizou a integração de um dos leitores RFID, utilizando ligação física RS232, tendo existido algumas dificuldades na comunicação. Numa fase posterior, desenvolveu-se o hardware necessário para integrar os 4 leitores adoptado arquitectura apresentada, e procedeu-se à sua integração, não tendo existido grandes dificuldades.