En este artículo, exploraremos en profundidad la solución tecnológica de Holtek para el desarrollo de candados pasivos NFC, una innovación clave en el ámbito de la cerrajería inteligente y la seguridad electrónica. A diferencia de los sistemas convencionales, estos dispositivos destacan por su capacidad de operar sin baterías ni fuentes de alimentación externas, basando su funcionamiento exclusivamente en la captura de energía del campo cercano emitida por un dispositivo móvil.
A lo largo de este documento, analizaremos minuciosamente la arquitectura de hardware centrada en microcontroladores de ultra bajo consumo, el robusto sistema de seguridad mediante algoritmos de código variable (hopping code) y los complejos desafíos de gestión energética resueltos mediante diseños de antenas helicoidales y circuitos de almacenamiento de alta eficiencia. Este diseño de referencia no solo ofrece una alternativa sostenible y libre de mantenimiento, sino que proporciona un marco técnico sólido para implementar soluciones de acceso seguro en el Internet de las Cosas (IoT).
Tabla de Contenidos
Introducción
La disminución en el coste de las cerraduras inteligentes ha aumentado su aceptación general por parte de los consumidores. Esto ha llevado al desarrollo de muchos tipos de cerraduras inteligentes similares, una de las cuales es el candado pasivo NFC. El candado pasivo NFC, en comparación con los candados tradicionales, es una cerradura electrónica libre de mantenimiento que ofrece las ventajas de alta fiabilidad, ausencia de requisitos de batería, ahorro de energía y protección ambiental.
La solución de candado pasivo NFC de Holtek utiliza el MCU Flash A/D de bajo consumo, el HT66L2550A, como MCU controlador principal. Esto implementará la transmisión de datos bidireccional NFC utilizando un IC de tag NFC BC45B4211, comunicándose a través de la interfaz I2C. Se utiliza un controlador de puente en H de 1 canal, el HT7K1201, para accionar un motor de engranajes para el desbloqueo. Un convertidor buck, el HT7463C, proporciona energía al MCU controlador principal y al controlador de puente en H de 1 canal al reducir la energía proporcionada por el suministro de energía inversa NFC a través de un circuito buck DC-DC.
Características de la Solución
- Baja corriente de encendido del MCU: fSYS se origina desde el LIRC por defecto.
Después del encendido, fSYS se origina desde el LIRC por defecto. La corriente máxima de funcionamiento es de solo 6µA a VDD=3V. Habrá un tiempo de retardo de 500ms durante la inicialización del MCU. En este momento, el consumo de energía del MCU es menor, por lo tanto, el condensador se cargará rápidamente. Esto aumentará la estabilidad de la comunicación NFC y mejorará la velocidad de carga del condensador. Después de esto, fSYS se establecerá en 8MHz para una comunicación y procesamiento de datos más rápidos. - MCU de bajo consumo: El MCU tiene una baja corriente de funcionamiento, alimentado por VOUT del IC de etiqueta NFC BC45B4211.
Al capturar la energía del campo NFC, el IC de etiqueta NFC BC45B4211 puede proporcionar una salida de 3V (Máx.) @ Iload=1mA a través de VOUT. El MCU tiene una corriente de funcionamiento máxima de 0.84mA a VDD=3V a una frecuencia fSYS=8MHz. Por lo tanto, el MCU puede ser alimentado directamente por la salida VOUT del IC de etiqueta NFC BC45B4211, asegurando una comunicación de alta velocidad entre el MCU y el IC de etiqueta NFC para garantizar un desbloqueo rápido. - Alta seguridad: Encriptación por código variable (hopping code), los datos transmitidos cambian irregularmente, mejorando la seguridad del desbloqueo.
El algoritmo de encriptación hopping es un algoritmo de encriptación no lineal, y sus datos encriptados se denominan código hopping. Su método de codificación no es fijo, por lo tanto, la transmisión de datos tiene una seguridad extremadamente alta. Cada transmisión de datos es única, irregular y no repetida, de modo que los datos encriptados no pueden ser capturados ilegalmente ni copiados por equipos de copia. La longitud de los datos encriptados por el algoritmo es de 64 bits, que consta de un código hopping de 32 bits y un código fijo de 32 bits. Para un tiempo de desbloqueo de aproximadamente 1s, el tiempo de descifrado más largo es de aproximadamente 2^32 × 1s ≈ 136 años. Por lo tanto, tales cerraduras pueden prevenir los métodos de fuerza bruta de descifrado por escaneo de código. - Visualización del progreso de desbloqueo: La APP móvil muestra el progreso del desbloqueo para ayudar a los usuarios a encontrar la ubicación de detección óptima.
La ubicación, el tamaño y la forma de la antena NFC de diferentes marcas/modelos de teléfonos son diferentes. La intensidad de detección NFC se ve afectada por factores como la distancia de detección, la ubicación de detección y los ángulos de detección. Mostrar el progreso del desbloqueo a través de la APP móvil puede ayudar a los usuarios a buscar la ubicación de detección NFC óptima para proporcionar suficiente energía para una alta tasa de éxito de desbloqueo. - Compensación de temperatura: El MCU contiene un sensor de temperatura utilizado para obtener la temperatura ambiente.
En un entorno de baja temperatura, a medida que disminuye la capacitancia del condensador de almacenamiento de energía y aumenta la corriente de funcionamiento del motor, se debe aumentar el voltaje de carga del condensador de almacenamiento de energía para garantizar un desbloqueo exitoso. El sensor de temperatura integrado en el MCU se utiliza para obtener la temperatura ambiente. El voltaje de carga del condensador de almacenamiento de energía se ajusta en tiempo real según la temperatura ambiente. Esto puede reducir el tiempo de desbloqueo al tiempo que garantiza la tasa de éxito de desbloqueo del candado.
Principios de Operación
Los candados pasivos NFC son cerraduras inteligentes que combinan la tecnología de Comunicación de Campo Cercano (NFC) y una función de cerradura electrónica. El principio de funcionamiento consiste en capturar energía del campo cercano y luego implementar la interacción de datos mediante tecnología NFC. Por lo tanto, los usuarios pueden interactuar con la cerradura utilizando dispositivos habilitados para NFC, como teléfonos móviles, para ejecutar la vinculación, el desbloqueo, el reseteo, la desvinculación y otras operaciones. Para mejorar la seguridad, la cerradura utiliza un algoritmo de encriptación hopping para proteger la información transmitida de ser copiada ilegalmente.
Descripción Funcional
Características de la solución
- Voltaje de operación: 2.2V~3.3V
- Corriente de operación: 250mA (Máx. en condición de desbloqueo)
- Tiempo de desbloqueo: <3s
- Protocolo de comunicación: ISO/IEC 14443A
- Control del motor: Controlador de puente en H de 1 canal
Funciones de la solución
El candado pasivo NFC consta de una placa de control principal y una placa de módulo NFC. El HT66L2550A se utiliza como el MCU controlador principal. Un controlador de puente en H de 1 canal, el HT7K1201, se utiliza para controlar un motor de engranajes. Un convertidor buck, el HT7463C, proporciona el suministro de energía al MCU controlador principal y al controlador de puente en H de 1 canal al reducir la energía proporcionada por el suministro de energía inversa NFC a través de un circuito buck DC-DC. El módulo NFC, que utiliza el IC de etiqueta NFC BC45B4211, se utiliza principalmente para transmitir y recibir datos con un teléfono móvil y el MCU controlador principal, y capturar la energía proporcionada por el suministro de energía inversa NFC.
Descripción del Hardware
El IC de etiqueta NFC BC45B4211 en el módulo NFC puede implementar la comunicación NFC y la captura de energía a través de una antena de comunicación NFC. Antes de que el MCU utilice el HT7463C como función reductora DC-DC, el suministro de energía del MCU será proporcionado por VOUT del IC de etiqueta NFC BC45B4211. La antena de captura de energía del módulo NFC se utiliza para proporcionar la entrada de energía para los condensadores de almacenamiento de energía en la placa de control principal.
El circuito de captura de energía en la placa de control principal se utiliza para capturar la energía del campo NFC y luego almacenarla en dos condensadores de 1000µF/16V. El voltaje del condensador se introduce en el pin PB3/AN3 después de pasar a través de una resistencia divisora de voltaje. Utilizando su ADC, cuando el MCU determina que el voltaje del condensador ha alcanzado un valor que puede desbloquear o resetear, el MCU habilitará el HT7463C. Ahora, el circuito buck DC-DC reducirá la energía capturada para proporcionar un suministro de energía estable para el sistema de control principal, y el MCU puede implementar acciones de desbloqueo o reseteo utilizando el circuito de accionamiento del motor.
Descripción de la selección de la antena
Tanto la antena de comunicación NFC como la antena de captura de energía son estructuras helicoidales. Debido a las limitaciones de tamaño e instalación de la PCB de la antena, la antena de comunicación NFC está diseñada como una antena helicoidal con un diámetro de 19.5mm. El número de vueltas de la antena es 5. La inductancia teórica calculada es de 758.41nH (valor medido de 806nH). Para asegurar una frecuencia de resonancia de 13.56MHz, la capacitancia de resonancia externa será de aproximadamente 120pF (considerando la capacitancia de entrada del chip de 50pF).
La antena de captura de energía está diseñada como una antena de doble capa y su valor de inductancia es Lant = 2L(1+k). Consta de dos antenas de capa única con un diámetro de 32mm. El número de vueltas de la antena de capa única es 4.25. El valor de inductancia medido de la antena de captura de energía es de 4.68µH. La capacitancia de resonancia de la antena de captura de energía es de aproximadamente 30pF.
Cálculo de energía
El voltaje de suministro de energía del motor de engranajes está dentro de un rango de 1.5V~4.5V. La corriente de arranque libre es inferior a 110mA y la velocidad nominal es de 60±10rpm.
Cálculo de Energía de Desbloqueo
El voltaje de suministro medido del motor de engranajes es de aproximadamente 3.334V. La corriente máxima es de aproximadamente 214mA (corriente de arranque bajo carga). Un proceso de desbloqueo completo requiere que el motor avance 90°, el programa determina si la rotación hacia adelante ha alcanzado la condición de bloqueo (stall) según los cambios de voltaje del condensador de almacenamiento de energía; si está en condición de bloqueo, el perno de la cerradura puede retraerse; y luego el motor retrocede 65° para que el perno pueda ser empujado hacia atrás durante el cierre. El HT7463C tiene una eficiencia de conversión de hasta el 90%.
La energía que necesita ser almacenada en el condensador debe ser al menos: W ≈ 138.2 × 10^-3 J.
Para asegurar que la operación de desbloqueo se ejecute con éxito, el voltaje de carga del condensador debe ser al menos: U ≈ 11.76V.
Cálculo de Energía de Reseteo
Durante el proceso de reseteo, el motor necesita retroceder 65°. El área de corriente por tiempo es de aproximadamente 10.34mAs.
La energía que el condensador necesita almacenar debe ser al menos: W ≈ 58.55 × 10^-3 J.
El voltaje de carga del condensador debe ser al menos: U ≈ 7.65V.
Descripción del Software
Recursos de software requeridos (HT66L2550A):
- VDD: 3.0V±0.2V
- Frecuencia de operación: 32768Hz, 8MHz
- ROM: 3020×16 utilizados (36% ocupado)
- RAM: 162×8 utilizados (31% ocupado)
- Stack: 6 niveles utilizados
- Timer: STM (temporización de 140ms / 200ms / 600ms)
- Otros periféricos: ADC (PB3/AN3) para medición de energía del condensador.
Bucle Principal
En el bucle principal, el programa recibe y desencripta los datos encriptados enviados por el teléfono. Determina el UID del dispositivo y luego determina el estado de vinculación para ejecutar diferentes procesos de comando. Después de cada operación de detección NFC, solo se puede ejecutar un proceso. Una vez completada una operación, la detección NFC se desconectará. Si se van a ejecutar otras operaciones, los usuarios deben activar la detección NFC nuevamente.
Proceso de Vinculación (Binding): Ejecuta una acción de vinculación primero, luego envía un comando de confirmación. Si el teléfono ha confirmado, el proceso está completo.
Proceso de Desbloqueo: Verifica si el valor de conteo de sincronización está dentro del rango accionable. Obtiene la temperatura ambiente para establecer los parámetros de desbloqueo. Envía el porcentaje de progreso. Acciona el motor cuando el voltaje alcanza el nivel requerido.
Conclusión
Esta solución ha introducido la solución de candado pasivo NFC de Holtek, basada en el MCU HT66L2550A. Utiliza el IC de etiqueta NFC BC45B4211 y el convertidor buck HT7463C para gestionar la energía capturada. El MCU ejecuta acciones de desbloqueo o reseteo accionando un motor de engranajes. Mediante el uso de una APP móvil, los usuarios pueden vincular, desvincular, desbloquear y resetear el candado, asegurando un uso simple y conveniente.
Puede consultar el artículo original en la web de Holtek.
