本文旨在補充《超圖解Arduino互動設計入門》第18章「RFID無線識別裝置與問答遊戲製作」單元，書本採用的RFID讀卡機模組是採用9600bps, TTL序列通訊介面，RFID的通訊頻率為125KHz。這種模組的接線和程式都很簡單，每當感測到RFID卡，讀卡機就把卡片的識別碼送往序列埠。
市售Arduino套件裡面的RFID模組，多半是Mifare（讀音：my-fare）規格，跟書本的不一樣，因此本文將補充說明Mifare的基本原理及其模組的接線，以及讀取卡片識別碼的程式。
Mifare是NXP（恩智普）半導體公司推出的非接觸型IC卡（也就是外表沒有金屬接點的卡片），在市場上獲得廣泛的採用，像是停車場的感應幣（token）、現金卡（如：台灣的悠遊卡）、員工識別證…等等。Mifare卡有不同的系列，如：Mifare Classic, Mifare UltraLight, Mifare Pro…等，主要的差別在於資料安全加密和驗證的等級。
Mifare卡內建EEPROM，應用程式可對它寫入和讀取數據，例如：停車票卡可紀錄車主的停車時間。Mifare還具備「防衝突處理」機制，也就是避免訊號干擾：若多張卡片同時出現在偵測範圍，Mifare讀寫器將能逐一選擇卡片進行處理。例如，假設超級市場裡的每個商品都貼上RFID標籤，結帳櫃台的RFID讀取設備若具備防干擾機制，將能自動掃描堆放在購物推車裡的所有商品，結帳人員不必再手動逐一掃描商品條碼，也不會重複計算。附帶一提，所有符合ISO/IEC 14443-A標準規範的RFID卡片都要有防衝突處理功能，而Mifare是依循ISO/IEC 14443-A規格建立的非接觸式IC卡。
底下是Mifare裝置的概略圖，它的卡片屬於被動式、無內建電源（也稱為「無源」），卡片所需的電力來自讀寫器的電磁場。
啟動RFID讀寫器之後，讀寫器的天線將不停地發送電磁波，每當卡片進入此電磁場，卡片內部的線圈和電路將與此電磁場產生共振，從而獲得電能。無線充電器也是透過電磁感應、非直接連線方式獲取能量，RFID讀寫器和卡片兩端的線圈（天線）相當於變壓器裡的主線圈和副線圈（請參閱「測試Palm Touchstone（點金石）無線充電模組」貼文。
依照感應距離，非接觸型IC卡分成緊耦合型（close-coupled，需要緊貼感測器）、接近式（proximity，10cm以內）和鄰近式（vicinity，50cm以內），Mifare屬於接近式，這種類型的卡片簡稱為PICC（Proximity IC Card，接近式IC卡），讀寫器則簡稱PCD（Proximity Coupling Device，接近型耦合器）。
另一方面，某些RFID的應用場合，標籤的尺寸大小有固定的標準，像信用卡和金融卡，這一類的卡片長、寬和厚度，都要遵循國際ID-1標準（85.6 × 53.98 × 0.76mm），目前的技術沒有辦法把電池塞入這麼薄的卡片，所以非接觸型卡片只能採用無線供電方案。
當卡片被電磁能啟動（activate）之後，將等待接收與回應來自讀寫器的命令。微控器和Mifare讀寫器之間採用TTL數位訊號傳遞資料，為了用電波傳送數位訊號，必須將數位訊號加上載波調變，Mifare的載波頻率是13.56MHz。上圖的射頻訊號波形只是描述概念，數位訊號在調變成電波之前，從讀寫器發送的訊號會採用米勒（Miller）編碼，而從卡片發出訊息則經過曼徹斯特（Manchester）編碼。讀寫器在操作卡片時，都會經過三次雙向認證，互相驗證使用的合法性，而且通訊過程中的所有數據都經過加密，以確保安全。
Mifare讀寫器模組與Arduino接線示範
本單元使用的Mifare RFID-RC522讀寫器模組的外觀與接腳定義如下，模組採用的MFRC522晶片本身有支援UART, I2C和SPI介面，但是本文採用的程式庫僅支援SPI介面。
Arduino Uno板的接線示範如下，SPI介面的晶片線選擇通常接在Arduino數位10腳，但這不是強制性的，模組的Reset腳也可以接在其他腳位：
操控Mifare模組的MFRC522程式庫
本單元程式採用Miki Balboa開發的這個MFRC522程式庫來操控Mifare模組，若不使用程式庫，我們需要詳閱MFRC522晶片的規格書，了解讀寫器、卡片和微控制器之間的數據通訊流程，以及晶片內部的暫存器的指令位址，才能動手撰寫程式。
下載程式庫之後，請將它解壓縮到Arduino的libraries資料夾，再開啟Arduino IDE，即可從主功能表的「檔案→範例→MFRC522」指令底下找到一些範例程式。
底下列舉本單元使用到的MFRC522程式物件的方法和屬性：
- MFRC522物件.PCD_Init()：初始化MFRC522讀卡機模組
- MFRC522物件.PICC_IsNewCardPresent()：是否感應到新的卡片
- MFRC522物件.PICC_ReadCardSerial()：讀取卡片的資料
- MFRC522物件.PICC_GetType()：取得卡片類型
- MFRC522物件.PICC_GetTypeName()：取得卡片類型名稱
每張Mifare卡片都有個唯一的ID（unique identifier，簡稱UID），當讀寫機讀取到卡片的資料之後，UID的長度和內容，可從底下兩個屬性值取得：
- MFRC522物件.uid.size：包含UID的長度
- MFRC522物件.uid.uidByte：包含UID碼的陣列
讀取Mifare卡片的UID碼
讀取Mifare卡片的流程如下，我們的程式不需要理會其中的「防衝突處理」和「選卡」部份，讀寫器會幫我們搞定，但是在讀取資料之後，我們的程式要發出命令讓卡片進入停止（halt）狀態，避免讀寫器重複讀取同一張卡片：
AK代表select acknowledge，直譯為「選擇應答」，是由卡片發給讀寫器，對於選擇卡片命令的回應，不同類型的Mifare卡片的SAK值不一樣（例如，Mifare Classic的SAK值為0x18），程式可藉此判別感應到的卡片類型。詳細的防衝突處理與SAK值判斷流程，請參閱NXP公司的“MIFARE ISO/IEC 14443 PICC Selection”技術文件（PDF格式）。
讀取Mifare卡片類型及其UID碼的程式如下：
#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h> // 引用程式庫
#define RST_PIN A0 // 讀卡機的重置腳位
#define SS_PIN 10 // 晶片選擇腳位
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // 建立MFRC522物件
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println("RFID reader is ready!");
SPI.begin();
mfrc522.PCD_Init(); // 初始化MFRC522讀卡機模組
}
void loop() {
// 確認是否有新卡片
if (mfrc522.PICC_IsNewCardPresent() && mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {
byte *id = mfrc522.uid.uidByte; // 取得卡片的UID
byte idSize = mfrc522.uid.size; // 取得UID的長度
Serial.print("PICC type: "); // 顯示卡片類型
// 根據卡片回應的SAK值（mfrc522.uid.sak）判斷卡片類型
MFRC522::PICC_Type piccType = mfrc522.PICC_GetType(mfrc522.uid.sak);
Serial.println(mfrc522.PICC_GetTypeName(piccType));
Serial.print("UID Size: "); // 顯示卡片的UID長度值
Serial.println(idSize);
for (byte i = 0; i < idSize; i++) { // 逐一顯示UID碼
Serial.print("id[");
Serial.print(i);
Serial.print("]: ");
Serial.println(id[i], HEX); // 以16進位顯示UID值
}
Serial.println();
mfrc522.PICC_HaltA(); // 讓卡片進入停止模式
}
}
程式第20行宣告一個指向儲存UID值的指標變數（假設UID碼的長度為4）：
第25行的“MFRC522::PICC_Type”代表引用在MFRC522類別（程式庫）裡面定義的PICC_Type這個資料類型，其中的雙冒號（::）代表範圍解析運算子（scope-resolution operator），用來表示“PICC_Type”定義在MFRC522程式庫裡面。如果不用雙冒號指出“PICC_Type”資料類型的來源，程式編譯器會產生未定義之類的錯誤。
上傳程式碼之後，開啟序列埠監控視窗，你可以嘗試一次讓Mifare模組感應多個卡片（筆者同時用3個），它將能逐一顯示每個卡片的類型和UID：
除非這些卡片離開、再次進入感應區，否則它們不會被重複讀取。
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