SPI
===========================
Serial Peripheral Interface (SPI) merupakan komunikasi serial synchronous yang biasa digunakan untuk jarak dekat.
SPI banyak digunakan untuk menghubungkan mikrokontroler dengan sensor ataupun IC lainnya.
SPI memiliki arsitektur master-slave yang terdiri dari biasanya satu master dan beberapa slave seperti pada Figure [fig:spi_wiring].
![Figure [fig:spi_wiring]: Arsitektur bus SPI](spi_wiring.jpg width=500px)
SPI merupakan komunikasi [full duplex](https://id.wikipedia.org/wiki/Duplex).
Setiap slave memiliki jalur SS-nya masing-masing, jadi jika ada 3 slave, maka diperlukan 3 pin SS.
SPI memiliki 4 sinyal yaitu:
* **SCK**: Serial Clock (output dari master)
* **MISO**: Master In Slave Out (data output dari slave ke master)
* **MOSI**: Master Out Slave In (data output dari master ke slave)
* **SS**: Slave Select (output dari master sebagai indikasi data sedang di-transfer)
Protocol SPI cukup berbeda dengan protocol serial yang lain, karena pada SPI tidak ada konsep seperti transmit dan receive data.
Konsep yang digunakan yaitu pertukaran data antara master dan slave secara bersamaan.
Baik master maupun slave memiliki shift register untuk menyimpan data yang akan dipertukarkan seperti pada Figure [fig:spi_register].
Shift register tersebut dihubungkan melalui jalur MOSI dan MISO sehingga membentuk ring untuk pertukaran data.
Ketika pertukaran data terjadi, data bit di shift register master akan berpindah ke shift register slave dan juga sebaliknya.
Perpindahan data bit tersebut terjadi setiap clock SCK.
Walaupun SPI menggunakan konsep pertukaran data, tetapi pada praktiknya tidak semua data yang dikirim atau diterima dari slave berguna.
Dengan kata lain data tersebut bisa saja dummy atau 0 atau 1.
Hal ini bisa terjadi karena slave belum menerima perintah apapun dari master sehingga belum ada data yang harus dikirim ke master.
![Figure [fig:spi_register]: Register pada device SPI](spi_register.jpg width=400px)
Figure [fig:spi_protocol] menampilkan contoh protocol SPI.
Ketika komunikasi terjadi, SS bernilai LOW karena biasanya sinyal ini bersifat active-low.
Master mengirim data byte 0x53 ke slave, kemudian slave mengirim data byte 0x46 ke master.
Data bit dikirim setiap ada rising edge dari clock SCK, tetapi bisa juga setiap ada falling edge tergantung konfigurasi yang dimiliki oleh masing-masing mikrokontroler.
Urutan data yang di-transfer adalah LSB first, tetapi bisa juga MSB first tergantung konfigurasi yang dimiliki oleh masing-masing mikrokontroler.
![Figure [fig:spi_protocol]: Protocol SPI. Sumber: [SparkFun](https://learn.sparkfun.com/tutorials/serial-peripheral-interface-spi/all)](spi_protocol.jpg width=400px)
RFID RC522
===========================
RFID RC522 merupakan modul untuk membaca atau menulis tag RFID.
Tag RFID yang kompatibel dengan modul ini yaitu tag dengan frekuensi 13.56MHz standar ISO 14443A.
Modul ini dapat berkomunikasi dengan mikrokontroler menggunakan interface SPI.
Selain itu, modul ini juga support komunikasi yang lain yaitu I2C dan UART.
![Figure [fig:rc522]: Modul RFID RC522](rc522.jpg width=300px)
Untuk menggunakan modul ini sudah terdapat library Arduino yang mudah digunakan.
Library yang akan digunakan pada tutorial ini dapat di-download dari [sini](https://github.com/miguelbalboa/rfid).
Dengan menggunakan library, maka akan sangat mudah sekali untuk menggunakan modul ini.
Kita tidak perlu mempelajari pertintah-perintah SPI dari datasheet, dan tidak perlu membuat sendiri fungsi-fungsi untuk kontrol modul ini.
Contoh Program
===========================
Pada contoh program ini, kita akan mempelajari dua contoh program yang menggunakan SPI untuk berkomunikasi dengan RFID RC522.
Pada contoh pertama, kita akan membaca UID dari tag RFID, kemudian ditampilkan pada serial monitor.
Pada contoh kedua, kita akan membaca UID dari tag RFID, kemudian membandingkan UID tersebut dengan UID yang tersimpan di program.
Jika UID sesuai ataupun tidak sesuai, maka akan ada indikator LED yang berkedip.
Program RC522 Serial Monitor
---------------------------
Pada contoh program ini, kita akan membaca UID dari tag RFID, kemudian ditampilkan pada serial monitor.
Untuk dapat menjalankan contoh program ini diperlukan beberapa komponen:
* Development board ESP32
* RFID RC522
* Breadboard
* Kabel jumper
Ilustrasi koneksi dari komponen-komponen ke ESP32 ditampilkan pada Figure [fig:spi-rfid-rc522-bb].
Pin yang digunakan untuk menghubungkan komponen-komponen ke ESP32 ditampilkan pada Table [tab:wiring_1].
![Figure [fig:spi-rfid-rc522-bb]: Rangkaian breadboard untuk program RC522 dengan serial monitor](spi-rfid-rc522-bb.jpg width=400px)
RC522 Pin | ESP32 Pin
-----------|------------------
SDA | D21
SCK | D18
MOSI | D23
MISO | D19
RST | D22
3.3V | 3.3V
GND | GND
[Table [tab:wiring_1]: Koneksi RC522 ke ESP32]
Listing [lst:rc522_serial] menampilkan contoh program RC522 dengan serial monitor.
Berikut ini penjelasan cara kerja program tersebut:
* Pada **line 1-2**, kita meng-import library untuk SPI dan RC522. Library RC522 dapat di-download dari [sini](https://github.com/miguelbalboa/rfid)
* Pada **line 5-6**, kita mendefinisikan pin untuk RST dan SS dari modul RC522.
* Pada **line 9**, kita melakukan deklarasi objek untuk RC522 dengan dua argumen input yaitu pin RST dan SS.
* Pada **line 14-18**, kita melakukan inisialisasi serial, SPI, dan RC522.
* Pada **line 25-26**, kita melakukan pendeteksian apakah ada tag RFID baru. Jika tidak ada tag RFID baru yang terdeteksi, maka akan keluar dari loop (skip kode di bawahnya) dengan perintah `return`. Hal ini dilakukan agar tidak terjadi pembacaan berulang-ulang jika user menempelkan tag RFID (yang sama) cukup lama pada reader.
* Pada **line 29-30**, kita melakukan pembacaan isi tag RFID yang terdeteksi. Jika pembacaan gagal, maka akan keluar dari loop.
* Pada **line 33-37**, kita hanya mengambil informasi UID-nya saja dari hasil pembacaan RFID, kemudian disimpan pada variable `uid`.
* Pada **line 39**, kita stop pembacaan tag RFID tersebut.
* Pada **line 42-43**, kita kirim UID yang terbaca ke serial monitor.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ C linenumbers
#include
#include
// Pin untuk MFRC522
#define RST_PIN 22
#define SS_PIN 21
// Deklarasi object untuk MFRC522
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);
void setup()
{
// Inisialisasi serial
Serial.begin(9600);
// Inisialisasi SPI
SPI.begin();
// Inisialisasi MFRC522
mfrc522.PCD_Init();
}
void loop()
{
// Reset loop jika tidak ada kartu RFID baru yang terdeteksi
// Hal ini dilakukan agar proses di dalam loop ini tidak berjalan terus menerus
if (!mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())
return;
// Melakukan pembacaan kartu RFID
if (!mfrc522.PICC_ReadCardSerial())
return;
// Membaca UID dari kartu RFID
unsigned long uid = 0;
uid |= mfrc522.uid.uidByte[0] << 24;
uid |= mfrc522.uid.uidByte[1] << 16;
uid |= mfrc522.uid.uidByte[2] << 8;
uid |= mfrc522.uid.uidByte[3];
// Stop pembacaan kartu RFID
mfrc522.PICC_HaltA();
// Print UID ke serial monitor
Serial.print("Card detected, UID: ");
Serial.println(uid, HEX);
}
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
[Listing [lst:rc522_serial]: Contoh program RC522 serial monitor]
Figure [fig:spi-rfid-rc522] menampilkan hasil program RC522 dengan serial monitor.
Setiap ada tag RFID yang terbaca, maka UID dari tag tersebut akan ditampilkan pada serial monitor.
![Figure [fig:spi-rfid-rc522]: Hasil program RC522 dengan serial monitor](spi-rfid-rc522.gif width=640px)
Program RC522 LED
---------------------------
Pada contoh program ini, kita akan membaca UID dari tag RFID, kemudian membandingkan UID tersebut dengan UID yang tersimpan di program.
Jika UID sesuai, maka LED hijau akan berkedip.
Jika UID tidak sesuai, maka LED merah akan berkedip.
Untuk dapat menjalankan contoh program ini diperlukan beberapa komponen:
* Development board ESP32
* RFID RC522
* 1 buah LED
* 1 buah resistor 100Ω
* Breadboard
* Kabel jumper
Ilustrasi koneksi dari komponen-komponen ke ESP32 ditampilkan pada Figure [fig:rfid-rc522-led-bb].
Pin yang digunakan untuk menghubungkan komponen-komponen ke ESP32 ditampilkan pada Table [tab:wiring_1] dan Table [tab:wiring_2].
![Figure [fig:rfid-rc522-led-bb]: Rangkaian breadboard untuk program RC522 dengan LED](rfid-rc522-led-bb.jpg width=400px)
Sensor/Actuator Pin | ESP32 Pin
---------------------|------------------
LED merah | D25
LED hijau | D26
[Table [tab:wiring_2]: Koneksi LED ke ESP32]
Listing [lst:rc522_led] menampilkan contoh program RC522 dengan LED.
Cara kerja program tersebut sama dengan program RC522 dengan serial monitor terutama pada bagian RC522.
Perbedaannya yaitu pada perbandingan UID yang terbaca dengan UID yang didaftarkan, kemudian penambahan kode untuk LED.
* Pada **line 9-10**, kita mendefinisikan pin untuk LED.
* Pada **line 23-28**, kita mengkonfigurasi GPIO untuk LED, kemudian menulis nilai awal ke GPIO untuk mematikan LED tersebut.
* Pada **line 52-73**, kita membandingkan UID dengan nilai UID yang diinginkan. Ketika tag RFID dengan UID tersebut terbaca, maka LED hijau akan berkedip 3 kali. Sebaliknya, jika UID lain yang terbaca, maka LED merah akan berkedip 3 kali.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ C linenumbers
#include
#include
// Pin untuk MFRC522
#define RST_PIN 22
#define SS_PIN 21
// LED pin
#define RED_LED_PIN 25
#define GREEN_LED_PIN 26
// Deklarasi object untuk MFRC522
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);
void setup()
{
// Inisialisasi SPI
SPI.begin();
// Inisialisasi MFRC522
mfrc522.PCD_Init();
// Konfigurasi GPIO pin sebagai output untuk LED
pinMode(RED_LED_PIN, OUTPUT);
pinMode(GREEN_LED_PIN, OUTPUT);
// Set nilai LED ke kondisi off
digitalWrite(RED_LED_PIN, HIGH);
digitalWrite(GREEN_LED_PIN, HIGH);
}
void loop()
{
// Reset loop jika tidak ada kartu RFID baru yang terdeteksi
// Hal ini dilakukan agar proses di dalam loop ini tidak berjalan terus menerus
if (!mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())
return;
// Melakukan pembacaan kartu RFID
if (!mfrc522.PICC_ReadCardSerial())
return;
// Membaca UID dari kartu RFID
unsigned long uid = 0;
uid |= mfrc522.uid.uidByte[0] << 24;
uid |= mfrc522.uid.uidByte[1] << 16;
uid |= mfrc522.uid.uidByte[2] << 8;
uid |= mfrc522.uid.uidByte[3];
// Stop pembacaan kartu RFID
mfrc522.PICC_HaltA();
// Pengecekan UID
if (uid == 0xD265ADBB)
{
// Jika UID benar, maka kedipkan green LED
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
digitalWrite(GREEN_LED_PIN, LOW);
delay(100);
digitalWrite(GREEN_LED_PIN, HIGH);
delay(100);
}
}
else
{
// Jika UID salah, maka kedipkan red LED
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
digitalWrite(RED_LED_PIN, LOW);
delay(100);
digitalWrite(RED_LED_PIN, HIGH);
delay(100);
}
}
}
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
[Listing [lst:rc522_led]: Contoh program RC522 LED]
Figure [fig:rfid-rc522-led] menampilkan contoh program RC522 dengan LED.
Ketika tag RFID yang sudah terdaftar dibaca oleh reader tersebut, maka LED hijau akan berkedip 3 kali.
Sebaliknya, ketika tag RFID yang tidak dikenal dibaca oleh reader tersebut, maka LED merah akan berkedip 3 kali.
Aplikasi dari contoh sederhana ini dapat diterapkan pada door access ataupun sistem parkir berbasis RFID.
![Figure [fig:rfid-rc522-led]: Hasil program RC522 dengan LED](rfid-rc522-led.gif width=640px)
Repository Kode Program
===========================
Kode program untuk RC522 dengan serial monitor dan RC522 dengan LED dapat didapatkan di repository ini: [spi-rfid-rc522](https://github.com/klinikarduino/esp32/tree/main/spi-rfid-rc522) dan [rfid-rc522-led](https://github.com/klinikarduino/esp32/tree/main/rfid-rc522-led).