Exposé zur Seminararbeit

Transkript

1 PLATEN-GYMNASIUM ANSBACH QUALIFIKATIONSPHASE 2011/2013 Exposé zur Seminararbeit aus dem Wissenschaftspropädeutischen Seminar des Leitfachs Physik mit dem Rahmenthema: Elektronische Helferlein Mikrosysteme im Alltag Thema: Entwicklung und Umsetzung eines kostengünstigen Schließsystems basierend auf der Technologie NFC Von Jonas Weiß

2 Themafindung Der Übertragungsstandard NFC ist in der heutigen Zeit eine immer häufiger eingesetzte Technik und wird in der Zukunft eine große Rolle spielen. Angewendet wird dieser Übertragungsstandard zum Beispiel bei dem neuen Personalausweis. So kann man hier durch bloßes Hinhalten an ein geeignetes Lesegerät beispielsweise sein Alter verifizieren. Neben der Bundesrepublik Deutschland wollen auch die Sparkassen diese zukunftsorientierte Technologie einführen. Im Frühjahr 2012 wurde ein Pilotversuch im Raum Hannover gestartet, bei dem zahlreiche Kunden eine neue Geldkarte erhalten hatten, mit der sie an zahlreichen Orten Geldbeträge bis zu 20,00 drahtlos bezahlen konnten. Nach dem Erfolg dieses Projekts werden nun die Sparkassen im August Millionen Sparkassen-Cards austauschen. Hier schließt dann auch das nächste große Einsatzgebiet, in dem NFC eine große Rolle spielt, nahtlos an Smartphones. Zwar war früher der Übertragungsstandard NFC bei Handys eher selten anzutreffen, dank rapide fallender Chippreise und immer höher technologisierter Smartphones ist NFC heutzutage fast schon Standard. So finden sich gerade im Handymarkt schon zahlreiche höchst interessante Ideen, wie man diese Technologie in Zukunft einsetzen kann. Neben einfachen Bezahlapps, die technisch der Geldkarte der Sparkasse ähneln, bietet Nokia zum Beispiel schon einen mobilen Lautsprecher an, zu dem Musik per NFC-fähiger Handys drahtlos übertragen werden kann. Aber auch in allen anderen Branchen, wie etwa der Werbeindustrie, wird NFC in naher Zukunft Einzug halten. Die Problematik, welche man vermutlich bei fast allen neuen Technologien findet, ist natürlich, dass es bisher nur sehr wenige, meistens mit hohen Kosten verbundene Einsatzmöglichkeiten gibt und diese sich auch oftmals noch in der Entwicklung befinden. Um diesem Umstand entgegenzuwirken hat sich daher 2004 das sogenannte NFC-Forum gegründet. Dieses Forum, welches mittlerweile aus über 160 Mitgliedern besteht, darunter zahlreiche namhafte Firmen wie Sony, Nokia, NXP oder Microsoft, hat sich unter anderem zum Ziel gesetzt technische Standards für die NFC-Technologie zu beschließen und festzusetzen sowie Hersteller und Verbraucher über diese Technologie aufzuklären. 1

3 Fragestellung Da es, wie bereits angeführt, auf dem Markt bisher nur sehr wenige Anwendungsmöglichkeiten und zudem meistens mit Preisen ab 300 nur sehr teure Produkte gibt, habe ich mir für meine Seminararbeit die Frage gestellt, wie man unter Einsatz der NFC-Technologie ein einfaches und kostengünstiges Schließsystem entwickeln kann, mit dem durch drahtloses Berühren eines NFC-Chips beispielsweise eine Haustür geöffnet werden kann. In einem weiteren Schritt werde ich dann versuchen, ob die auf NFC basierende Schließsystemanlage auch mit einem Handy an Stelle des NFC-Tags bedient werden kann. Die Vorteile solch eines Systems liegen natürlich klar auf der Hand - das Aufschließen wird dadurch deutlich vereinfacht und der Schlüsselbund wird noch leichter. Forschungsstand NFC ist die Abkürzung für Near Field Communication, was auch schon gut erklärt wofür dieser Übertragungsstandard benutzt werden kann, nämlich für den berührungslosen Austausch von Daten über geringe Distanzen von bis zu 10 Zentimetern. Die NFC-Technologie ist ein Teilbereich der RFID-Technologie und zeichnet sich im Gegensatz zu dem RFID-Standard unter anderem durch die stark limitierte Reichweite und die dadurch erhöhte Sicherheit aus. Methodik und technische Realisierung Der Grundbaustein meines Projekts ist ein Arduino Uno, basierend auf einem ATmega328 Microcontroller, in Kombination mit einem NFC-Shield, welches ein Erweiterungsboard ist, das von der Firma Seeed Studio hergestellt wird. Die Arduino-Plattform ist ein Open-Source Projekt, welches aus Hard- und Software besteht. Die Programmierung erfolgt in C und C++. Zudem wird die Softwareentwicklung dank der zahlreichen sowohl von Arduino als auch von dem Hersteller des NFC-Shields bereitgestellten Bibliotheken, vereinfacht. Als Tag werde ich einen Mifare-One RFID-Tag verwenden, der für die NFC-typische Übertragungsfrequenz von 13,56 MHz geeignet ist. Dieser NFC-Tag ist ein passiver Transponder, welcher eine eindeutige ID-Nummer besitzt und auf dem die Daten gespeichert und dann wieder ausgelesen werden können. 2

4 Zuerst werde ich den genauen technischen Aufbau, insbesondere auch die Sicherheitsaspekte der NFC-Technologie analysieren, da diese dann grundlegend für die darauffolgende Programmierung sind. Im Weiteren werde ich die NFCspezifischen Programmierteile an Hand zahlreicher Beispielprogramme, welche von Seeed Studio bereitgestellt werden, untersuchen und in meinem Programm einzusetzen. Ziel ist ein Programm zu schreiben, mit dem ein bestimmter Schlüssel auf den Tag geschrieben wird, welcher dann wiederum mit bestimmten anderen Keys ausgelesen werden kanm. Hierdurch erreicht man dann auch die nötige Sicherheit, welche eine Schließanlage bieten muss. Als nächstes soll sich die Schließanlage, welche auf dem NFC- Übertragungsstandard basiert natürlich auch in der Realität bewähren. Als Stromquelle möchte ich hierbei die Stromzufuhr des elektrischen Türöffners benutzen, welche in der Regel 8-12 Volt Gleichspannung beträgt und zunächst per Spannungsregler auf die maximalen 5 Volt des Arduino Uno heruntergeregelt werden muss. Der nächste Schritt wird dann sein, dass ich an einem der analogen Ausgänge des Uno s den Türöffner steuere und so bei erfolgreicher Authentifizierung des NFC-Tags mit dem NFC-Shield per Relais- oder Transistorschaltung die Tür öffnen lasse. Übersicht über das zeitliche Vorgehen Nachdem ich mich in letzter Zeit besonders in den technischen Aufbau des NFC- Tags und in die Sicherheitsaspekte eingelesen habe, wird nun der Schwerpunkt meiner weiteren Arbeit darin liegen das Programm zu entwickeln, mit dem ich den NFC-Tag beschreiben werde, und anschließend die Schaltung in Verbindung mit dem elektrischen Türöffner zu realisieren. 3

5 Zeitplan Phase Abschluss der Einarbeitung in die technischen und sicherheitsrelevanten Aspekte der NFC-Technologie Erstellung des Programms zum Beschreiben des NFC-Tags Technische Konzeption und praktische Realisierung der Schließanlage in Verbindung mit dem elektrischen Türöffner Anfertigung der Seminararbeit Zeitpuffer Geplanter Zeitraum Juni Juni und Juli Ende Juli bis Anfang August August bis Anfang September Anfang September bis Ende Oktober 4

6 Vorläufige Gliederung der Seminararbeit 1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1 Aufbau eines NFC-Tags 2.2 Gewährleistung einer sicheren Datenübertragung 2.3 Technische Realisierung der Kommunikation zwischen NFC-Tag und NFC-Shield 2.4 Einblicke in die momentanen Anwendungsgebiete der NFC- Technologie 3. Programmierung des Arduino-Systems 3.1 Grundlagen zu der Arduino-Plattform 3.2 Wichtige Aspekte bei der Programmierung Das Key- und Berechtigungssystem Entwicklung eines sicheren Schlüssels unter Berücksichtigung der Übertragungsgeschwindigkeit 3.3 Realisierung in Kombination mit einem Smartphone 4. Entwicklung einer Schaltung in Kombination mit einer Schließanlage 5. Fazit über die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich einer weiteren Anwendungsmöglichkeit der NFC-Technologie besonders unter den Aspekten der Sicherheit und der anfallenden Kosten Vorläufige Bibliographie Bartmann, E., Die elektronische Welt mit Arduino entdecken, 1. Auflage, o reillys basics, Köln, 2011 Kampe, I., NFC-Telefon als PACE-fähiges Lesegerät für elektronische Ausweisdokumente, Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät II Institut für Informatik, Berlin, 2010 Plötz, H., Mifare Classic Eine Analyse der Implementierung, Humboldt- Universität zu Berlin Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II Institut für Informatik, Berlin,

7 Langer, J., Roland, M., Anwendungen und Technik von Near Field Communication (NFC), 1. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2010 Seeed Wiki, NFC Shield, Internetseite (Stand: ) NFC Forum, The NFC Forum, Internetseite (Stand: ) Herms, M., Ritter, A., Ausarbeitung zum Vortrag RFID und NFC im Seminar Cross Media, o.o., 2004 Eldaba, A., How to Use NFC Shield with Arduino and Demo Code?, Future Electronics Egypt Ltd. (Arduino Egypt), o.o., 2012 Ladyada.net, MiFare Classic and Ultralight Cards, Internetseite (Stand: ) Finkenzeller, K., RFID-Handbuch: Grundlagen und praktische Anwendungen von Transpondern, kontaktlosen Chipkarten und NFC, 5. Auflage, Carl Hanser Verlag, München, 2008 Sawall, A., Sparkassen starten NFC-Payment im Sommer 2012, Golem.de, Internetseite, vom (Stand ) 6