No.427

อภิรักษ์ นามแถ่ง

aphirak@se-ed.com

 

 

 

 

 

โดยทั่วไปแล้วตามเคหสถานจะใช้การป้องกันโดยล็อกด้วยกุณแจ แต่หากท่านเป็นคนหนึ่งที่มีปัญหากับการหาลูกกุญแจไม่เจอ หรือตัวกุญแจเองอยู่ในที่มืดทำให้ไขกุญแจได้ไม่สะดวก ปัญหาต่างๆ เหล่านี้จะหมดไปหากท่านใช้ระบบผ่านเข้าออกประตูด้วย RFID

 

          โดยส่วนมากระบบรักษาความปลอดภัยในบ้านของเราจะเป็นการใช้กุญแจ แต่ถ้ามีผู้เข้าออกประตูเพียงไม่กี่คนคงจะไม่มีปัญหามากเท่าไหร่นัก แต่หากมีหลายคนการเข้าออกหรือการรักษาความปลอดภัยอาจจะทำได้ยากมากขึ้น การแก้ไขปัญหาในจุดนี้บางท่านอาจจะใช้การเข้าออกประตูโดยการกดรหัสผ่าน ซึ่งข้อเสียการกดรหัสนี้ คือ บุคคลภายนอกสามารถแอบมองดูรหัสแล้วมากดเข้าในภายหลังได้ /p>

 

          แนวทางการแก้ไข คือ ต้องทำให้การเข้าประตูมีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้น หลายท่านอาจจะนึกถึงรีโมตคอนโทรลควบคุมการเปิดประตู แนวทางนี้อาจจะป้องกันจากบุคคลอื่นได้ดีพอสมควรเพราะรหัสจะถูกส่งผ่านคลื่นความถี่ แน่นอนว่ารีโมตคอนโทรลจำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ในการทำงาน และนี่ก็เป็นจุดอ่อนของระบบนี้ เพราะหากประจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่อ่อนหรือหมดจะทำให้รีโมตไม่สามารถใช้ได้ ดังนั้นการแก้ปัญหาทั้งหมดนี้จะต้องใช้อุปกรณ์ที่ไม่มีการติดต่อทางกายภาพและไม่ใช้แบตเตอรี่ ซึ่งนั่นก็คือ RFID

 

          อุปกรณ์หลักของระบบประกอบไปด้วยโมดูลตัวอ่านและ “แท็ก” (tag) ภายใต้มาตรฐานที่เป็นเทคโนโลยี RFID (Radio Frequency Identity) แต่ละแท็กจะถูกเข้ารหัส (encoded) ด้วยเอกลักษณ์ที่ไม่ซ้ำกัน เมื่อแท็กถูกนำมาไว้ในระยะที่โมดูลตัวรับสามารถตรวจจับได้ มันจะถูกกระตุ้นด้วยสนามแม่เหล็กจากโมดูลตัวรับ จากนั้นแท็กจะส่งรหัสส่วนตัวไปยังโมดูลตัวรับเพื่อทำการตรวจสอบรหัสว่าถูกต้องหรือไม่ ระบบนี้นิยมนำไปใช้ในการควบคุมการทำงานของประตูไฟฟ้า เนื่องจากสะดวกต่อการใช้งานและเหมาะสำหรับระบบรักษาความปลอดภัย

 

          ในโครงงานนี้เป็นการหยิบเอา RFID Card Reader/Detector ที่ควบคุมด้วย MFRC522 (ดังแสดงในรูปที่ 1) ซึ่งปัจจุบันถูกนำไปใช้อย่างกว่างเนื่องจากมีราคาที่ไม่แพงและใช้งานง่าย มีย่านการอ่านและเขียนที่ความถี่ 13.56MHz ผู้ผลิตชิปนี้ คือบริษัท NXP (http://www.nxp.com)

 

 

 

 

หลักการทำงาน

 

 

 

รูปที่ 2 วงจรสมบูรณ์

 

 

          รูปที่ 2 เป็นวงจรสมบูรณ์ของโครงงานนี้ หัวใจหลัก คือ Arduino UNO ทำหน้าที่เป็นตัวประมวลผลทางด้านฮาร์ดแวร์ การทำงานหลักๆ ได้แก่ รับข้อมูลกับโมดูล RFID, รับคำสั่งจาก Keypad แสดงสภาวะการทำงานผลผ่านทาง LCD และกำหนดสภาวะเอาต์พุต การเชื่อมต่อระหว่าง Arduino UNO กับ โมดูล RFID จะใช้มาตรฐานการสื่อสารแบบ SPI (การสื่อสารแบบนี้จะใช้ทั้งหมด 3 ขา คือ MOSI, MISO และ SCK) รวมกับขาควบคุมอีก 2 ขา (NSS และ RST) รวมขาสัญญาณทั้งหมดเป็น 5 ขา และขาไฟเลี้ยงอีก 2 ขา รวมทั้งหมด 7 ขา ได้แก่

 

• ขา MOSI เชื่อมต่อกับขา 11 ของ Arduino UNO
• ขา MISO เชื่อมต่อกับขา 12 ของ Arduino UNO
• ขา SCK เชื่อมต่อกับขา 13 ของ Arduino UNO
• ขา NSS เชื่อมต่อกับขา 10 ของ Arduino UNO
• ขา RST เชื่อมต่อกับขา 9 ของ Arduino UNO
• ขา VCC เชื่อมต่อกับขา 3.3V ของ Arduino UNO
• ขา GND เชื่อมต่อกับขา GND ของ Arduino UNO

 

          การเชื่อมต่อกับ LCD ใช้การสื่อสารอนุกรมแบบ I2C (Inter-Integrated Circuit) ซึ่งการสื่อสารแบบนี้จะใช้เพียง 2 ขาเท่านั้น หากเทียบกับการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่าง LCD กับ Arduino นั้นจะใช้ขาเยอะมาก (อย่างต่ำ 6 ขา) ทำให้เปลืองขาที่อาจจะต้องไปใช้งานกับอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่นๆ ดังนั้นจะมีการพัฒนานำเอา I2C มาประยุกต์ใช้งานกับ LCD โมดูล เพื่อที่จะลดจำนวนขาที่ต้องใช้จำนวนมาก ให้เหลือเพียง 2 สายเท่านั้น คือขา SCL และ SDA นอกจากนี้ยังสามารถนำขาดังกล่าวนี้ติดต่อกับอุปกรณ์อื่นที่ใช้ I2C ได้บนสายเดียวกันด้วย

 

          หัวใจของ I2C โมดูล คือไอซี PCF8574 ซึ่งทำหน้าที่รับสัญญาณอินพุต I2C มาจาก Arduino จากนั้นจะกำหนดสภาวะเอาต์พุตสำหรับสั่งงาน LCD ให้ทำงานตามคำสั่ง ในส่วนของ PCF8574 จะมีเอาต์พุตทั้งหมด 1 ไบต์ (สามารถใช้ได้เพียง 8 ขา หรือ 8 บิตนั่นเอง) ดังนั้นเราจึงสามารถสั่งงาน LCD ได้เพียงโหมด 4 บิตเท่านั้น

 

          จากรูปที่ 2 ให้สังเกตดูที่ IC1 ที่ขา A0, A1 และ A2 (ขา1-3) ขาดังกล่าวนี้เป็นการกำหนดตำแหน่ง (Address) เป็นการกำหนดตำแหน่งของ LCD เพื่อเข้าถึงการสั่งงาน LCD ได้ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้นว่าขา I2C นี้เราสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้หลายตัว ดังนั้นจึงต้องกำหนดตำแหน่งของอุปกรณ์ไว้ด้วย ตัวอย่างเช่น หากงานของท่านจำเป็นต้องใช้ LCD หลายตัว Address นี้เพื่อเลือกควบคุมจอ LCD ตัวใดตัวหนึ่งได้ จะเห็นว่าโครงงานนี้จะเชื่อมต่อลงกราวด์ของวงจร นั่นแสดงว่าผู้เขียนกำหนดตำแหน่งให้เป็น “000” นั่นเอง ที่ขา 3 ของแอลซีดีจะต่อกับ VR1 (10K) เพื่อทำการปรับระดับความเข้มของตัวอักษรบนหน้าจอ LCD

 

          การกระตุ้นให้รีเลย์ทำงานจะกำหนดพอร์ต AD0 ของ Arduino ให้มีสภาวะเป็นลอจิกสูง (High) เพื่อขับให้รีเลย์ทำงาน โดยจะใช้ไดโอดป้องกันการยุบตัวของสนามแม่เหล็กด้วย ที่เอาต์พุต COM3 จะเชื่อมต่อกับขาคอนแทกต์ COM, NO และ NC เพื่อให้ผู้ใช้เลือกนำไปใช้งานตามความต้องการ

           

          การสแกนปุ่มกด Arduino UNO จะส่งลอจิก “1” ออกไปเอาต์พุต IO2-IO4 ทีละขา สั่งไปยังขาคอลัมพ์ (C1-C3) ของคีย์แพด หากมีการกดสวิตช์ปุ่มใดก็ตามลอจิกจากคอลัมพ์นั้นๆ จะถูกส่งไปยังขาอินพุต IO5-IO8 แถว (R1-R4) ด้วยหลักการนี้จึงทำให้ไมโครคอนโทรลเลอร์รู้ว่าผู้ใช้กดปุ่มใด

 

 

 

รูปที่ 3 ลายวงจรพิมพ์ด้านบนขนาดเท่าแบบ

 

 

  

รูปที่ 4 ตำแหน่งการลงอุปกรณ์ด้านบน

 

 

 

รูปที่ 5 ตำแหน่งการลงอุปกรณ์ด้านล่าง

 

 

การประกอบ

 

      จากรูปที่ 4 และ 5 เป็นตำแหน่งการลงอุปกรณ์ของโครงงานนี้ มีทั้งหมด 3 ส่วน คือ ส่วนควบคุม, ส่วน LCD และส่วนคีย์แพด จะสังเกตว่าลายวงจรนั้นก็มีเพียงด้านเดียว แต่อุปกรณ์จะมีการลงทั้งสองด้าน การลงอุปกรณ์จะค่อนข้างยากกว่าโครงงานทั่วไปสักหน่อย เพราะอุปกรณ์ส่วนใหญ่จะบัดกรีด้านลายวงจรพิมพ์ ดังนั้นจึงต้องสังเกตจุดบัดกรีให้ดีและควรใช้หัวแร้งปลายเล็กๆ เพื่อให้สามารถบัดกรีตำแหน่งใต้คอนเน็กเตอร์ได้ ดังแสดงในรูปที่ 6

 

 

 

รูปที่ 6 การบัดกรีใต้คอนเน็กเตอร์

 

          เนื่องจากอุปกรณ์มีน้อยชิ้น แต่ถึงแม้ว่าอุปกรณ์น้อยชิ้นแต่การลงอุปกรณ์นั้นค่อนข้างยุ่งยากพอสมควร จึงควรต้องลงอุปกรณ์ อย่างไรก็ตามการลงอุปกรณ์ก็ควรเริ่มจากตัวที่มีความสูงน้อยที่สุดก่อน อาทิเช่น ลวดจั๊มและตัวต้านทาน เป็นต้น จากนั้นจึงไล่เรียงตามลำดับความสูงจนกระทั่งครบทุกตัว ในส่วนของไอซี IC1 (PCF8574) เป็นประเภท SMD ควรต้องใช้ความระมัดระวังเรื่องความร้อนขณะบัดกรีด้วย เพราะหากแช่หัวแร้งนานจนเกินไปอาจจะทำให้ IC1 เสียหายได้ แต่ก็อย่ากังวลมากจนเกินไป เพราะอันที่จริงหากไม่แช่หัวแร้งไว้นานๆ ก็คงไม่พังง่ายๆ ครับ

 

          เมื่อลงอุปกรณ์จนครบหมดแล้วให้ตรวจสอบแรงดันในวงจรทั้งหมดเสียก่อน โดยอ้างอิงกับรูปที่ 2 ซึ่งแหล่งจ่ายไฟ5 VDC ต่อเข้า CON2 โดยให้ต้องระวัดระวังเรื่องตำแหน่งขั้วด้วย จากนั้นให้นำโวลต์มิเตอร์มาวัดระหว่างขา 1 และขา 16 ของ IC1 (หรือขา 1 และ 2 ของ LCD) ถ้าถูกต้องแรงดันที่ได้จะต้องเท่ากับ 5 โวลต์ จากนั้นใส่บอร์ด Arduino UNO ลงบนซ็อกเก็ต และวัดแรงดันจุด 3.3V บนบอร์ดเทียบกับกราวด์แรงดันที่ได้จะประมาณ 3.3 โวลต์ ถ้าหากแรงดันแต่ละจุดเป็นไปตามที่กล่าวไว้แสดงว่าพร้อมจะทดสอบการทำงานขั้นตอนต่อไปแล้ว

 

 

  

 

รูปที่ 7 เว็บไซต์สำหรับดาวน์โหลด Arduino IDE เวอร์ชัน 1.6.4

 

 

 

รูปที่ 8 หน้าจอ LCD แสดงข้อความหลังจากเปิดเครื่อง

 

 

 

รูปที่ 9 การเปิด Serial Monitor

 

 

การทดสอบ

  

          เมื่อมั่นใจว่าการลงอุปกรณ์ถูกต้องครบทุกอย่างแล้วให้ใส่อุปกรณ์ที่เหลือทั้งหมดลงตำแหน่ง จากนั้นให้ไปดาวน์โหลดโปรแกรม Arduino IDE เวอร์ชัน 1.6.4 มาไว้ที่เครื่องคอมพิวเตอร์ของท่าน เนื่องจากไลบรารี่ที่ใช้ร่วมกับโครงงานนี้จะรองรับที่เวอร์ชันดังกล่าวนี้ หากใช้เวอร์ชันอื่นอาจจะไม่สามารถใช้งานโปรแกรมนี้ได้ สามารถไปดาวน์โหลดโปรแกรม Arduino IDE เวอร์ชัน 1.6.4 ได้ที่เว็บไซต์ https://www.arduino.cc/en/Main/OldSoftwareReleases#previous (ดังแสดงในรูปที่ 7)

 

          หลังจากนั้นไปดาวน์โหลดไฟล์ที่ใช้ร่วมกับโครงงานที่เว็บไซต์ http://electronics.se-ed.com/download ให้ทำการเปิดไฟล์ SemiRFID.ino พร้อมกับทำการอัพโหลดโปรแกรม เมื่อเสร็จแล้วที่หน้าจอ LCD จะแสดงข้อความ “Access Control” ในบรรทัดแรก (ดังแสดงในรูปที่ 8) จากนั้นให้เปิด Serial Monitor ดังรูปที่ 9

 

 

 

รูปที่ 10 หน้าจอ LCD แสดงข้อความเมื่อหมายเลขแท๊กไม่ตรงกับซอร์สโค้ดที่กำหนด

 

 

 

รูปที่ 11 หมายเลขแท๊กที่ต้องใช้ในการแก้ไขซอร์สโค้ดในบรรทัดที่ 13

 

 

          จากนั้นให้ใช้แท๊กที่มีแต่ไปที่โมดูลรับ RFID หากสามารถอ่านการ์ดได้ ที่หน้าจอ LCD จะแสดงข้อความ “Not allowed!” (ดังแสดงในรูปที่ 10) เนื่องจากหมายเลขการ์ดของเรายังไม่ได้ใส่ไว้ในซอร์สโค้ด หมายเลขจึงไม่ตรงกัน ขณะเดียวกันนั้นที่หน้าต่าง Serial Monitor จะแสดงหมายเลขแท๊กที่ได้รับ (ดังแสดงในรูปที่ 11) ให้ท่านผู้อ่านคัดลอกหมายเลขนั้นไปใส่ไว้ในซอร์สโค้ดบรรทัดที่ 13 หากมาหลายตัวก็สามารถใส่ได้ ซึ่งในบทความนี้จะมีแท๊กทั้งหมด 2 ตัว ในทำนองเดียวกัน ในบรรทัดที่ 18 จะเป็นช่องให้ใส่พาสเวิร์ดของการ์ด ซึ่งในกรณีนี้ผู้ใช้สามารถเลือกใช้หรือไม่ใช้ได้ หากไม่ใช้ก็สามารถคอมเมนต์ที่บรรทัดที่ 23 ได้ ดังแสดงในรูปที่ 12

 

 

 

รูปที่ 12 การกำหนดซอร์สโค้ดเพื่อเลือกใช้หรือไม่ใช้งานในส่วนของพาสเวิร์ด

 

 

          เมื่อแก้ไขซอร์สโค้ดในส่วนของหมายเลขแท๊กเรียบร้อยแล้วก็ให้อัพโหลดโปรแกรมให้กับ Arduino UNO อีกครั้ง คราวนี้ให้เอาการ์ดอันเดิมที่เพิ่มหมายเลขการ์ดไปแล้วก่อนหน้านี้ไปแตะ ในกรณีที่ไม่ได้เปิดใช้งานพาสเวิร์ด หากถูกต้องที่หน้าจอ LCD ในบรรทัดที่ 2 จะแสดงข้อความ "Welcome!" พร้อมกันนั้นจะได้ยินเสียงรีเลย์ทำงาน นั่นแสดงว่าโครงงานพร้อมใช้งานแล้ว หากไม่ถูกต้องให้ตรวจสอบความถูกต้อง

 

          ในกรณีที่เปิดใช้งานพาสเวิร์ดในบรรทัดที่ 1 จะถามพาสเวิร์ด ให้ผู้ใช้ใส่รหัส 4 หลักที่กำหนดไว้ในซอร์สโค้ดไว้ก่อนหน้านี้ หากถูกต้องหน้าจอ LCD ในบรรทัดที่ 2 จะแสดงข้อความ "Welcome!" และรีเลย์จะทำงาน แต่หากพาสเวิร์ดไม่ถูกต้องระบบจะแดงข้อความ “Wrong Password!” ให้ผู้ใช้ใส่รหัสใหม่จนกว่าจะถูกต้อง แต่ถ้าไม่ถูกรีเลย์ก็จะไม่ทำงานและสุดท้ายประตูก็จะไม่เปิดนั่นเอง

 

 

"เพียงเท่านี้ท่านก็จะได้เครื่องที่ใช้ควบคุมการผ่านเข้าออกได้โดยที่ไม่ต้องพกกุญแจอีกต่อไป อีกทั้งยังเป็นระบบที่นับว่าทันสมัยและมีระบบรักษาความปลอดภัยที่สามารถไว้วางใจได้ระดับหนึ่งเลยทีเดียว"