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Casa inteligente y segura

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CONTROL Y AUTOMATIZACION

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Casa inteligente y segura

  1. 1. Casa inteligente y segura (fase 2)
  2. 2. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Ricardo Duarte Jáquez Rector David Ramírez Perea Secretario General Manuel Loera de la Rosa Secretario Académico Francisco López Hernández Instituto de Ingeniería y Tecnología Luis Enrique Gutiérrez Casas Coordinador General de Investigación y Posgrado Ramón Chavira Chavira Director General de Difusión Cultural y Divulgación Científica
  3. 3. Universidad Autónoma de Ciudad Juárez Jesús Rodarte Dávila Jenaro Carlos Paz Gutiérrez José Saúl González Campos Ramsés Román García Martínez Ingeniería y Tecnología Coordinación General de Investigación y Posgrado Casa inteligente y segura (fase 2) Lisbeily Domínguez Ruvalcaba Coordinadora de la colección
  4. 4. Rodarte Dávila, Jesús; Paz Gutiérrez, Jenaro Carlos; González Cam- pos, José Saúl; García Martínez, Ramsés Román. Casa inteligente y segura (fase 2) / Jesús Rodarte Dávila, Jenaro Car- los Paz Gutiérrez, José Saúl González Campos, Ramsés Román García Martínez. Ciudad Juárez, Chih. : Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, 2013. (Colección Textos Universitarios, Serie Investigación) 40 p.; 30 cm. Incluye bibliografía Colección Reportes Técnicos de Investigación Isbn: 978-607-7953-80-7 Serie IIT, Vol. 10. isBn: 978-607-520-019-4 Contenido: 1.– Planteamiento. 2.– Metodología. 3.– Resultados. 4.– Conclusiones. D. R. © Rodarte Dávila, Jesús; Paz Gutiérrez, Jenaro Carlos; González Campos, José Saúl; García Martínez, Ramsés Román. La edición, diseño y producción editorial de este documento estuvo a cargo de la Direc- ción General de Difusión Cultural y Divulgación Científica, a través de la Subdirección de Publicaciones.
  5. 5. Índice Resumen 7 Abstract 9 Palabras clave 10 Usuarios potenciales 10 Reconocimientos 10 I. Introducción 11 I. Planteamiento 1.1 Antecedentes 13 1.2 Marco teórico 15 1.2.1 Arduino 15 1.2.2 Processing 17 1.2.3 Sensores de movimiento 18 1.2.4 Comunicación inalámbrica 19 II. Metodología III. Resultados IV. Conclusiones Referencias Anexo a – atmega8 36 Anexo b – transmisor y receptor 37 Anexo c – codificador y decodificador 38
  6. 6. 7 Resumen L a domótica (casa robot) abarca todas las fases de la tecnología del hogar inteligente, incluidos los sensores altamente sofisticados y los controles que automatizan la temperatura, iluminación, sistemas de seguridad y muchas otras funciones. De alguna manera estos objetivos se integran con la visión propuesta por la computación ubicua, la cual establece como un parámetro deseable el que un sistema tenga una alta integración con el entorno para volverse prácticamen- te “invisible” al usuario final, es decir, se promueve la funcionalidad de un sistema sin que exista una percepción evidente por parte de quien lo utiliza. Hemos intentado con el diseño conceptual utilizado en este proyecto cumplir con estas expectativas. El diseño del sistema considera ofrecer una solución de bajo costo, implementable con elementos comunes en el mercado e integrando el uso de software y hardware libres, los cuales permiten su adquisición a precios económicos, como es el caso de Arduino, o gratuito, como es el caso de Processing. Al mismo tiempo, este tipo de he- rramientas permite su modificación para adecuarse en caso necesario a necesidades específicas, por estar disponibles bajo licencias open-source. El sistema de seguridad implementado para esta fase 2 (dos) de “Casa Inteligente y Segura”, está integrado por una red de sensores de movimiento PIR, los cuales se comunican en forma inalámbrica con la placa Arduino mediante el uso de circuitos de comunicación RF basados en el transmisor TWS-434A y el receptor RWS-434, complementados con el codificador HT12E y el decodificador HT12D, La elección de los sensores se realizó pensando en una relación costo-beneficio, ya que este tipo de sensores de movimiento se basan en la detección de cambios de radiación infrarroja en el entorno, lo cual a través de los años ha demostrado ser una manera confiable y económica de monitorear intrusiones en espacios protegidos. Una vez, que los datos provenientes de los sensores se reciben en la placa Arduino, el programa del micro controlador gobierna la lógica del sistema para actuar como una interfaz entre el hardware y el software, este último que es ejecutado en una computa- dora. La comunicación hacia la computadora se da con el protocolo serial y la aplicación que recibe los datos en la computadora ha sido desarrollada en el lenguaje Processing. Esta aplicación muestra una interfaz visual, recreando un modelo virtual del interior
  7. 7. 8 Casa inteligente y segura (fase 2) de una casa y donde, a través de mensajes en tiempo real, se declaran las alertas en el caso en que alguno de los sensores en la red detecte algún movimiento intrusivo. Creemos que el desarrollo de este proyecto ha alcanzado sus objetivos al implemen- tar un sistema de seguridad para uso en el hogar que favorece las comunicaciones inalámbricas y así integrarse de manera más transparente al entorno del usuario. De manera similar intenta ser autónomo y requerir el mínimo de atención para seguir funcionando adecuadamente. En cualquier caso es posible ampliar el alcance de este proyecto aprovechando la infraestructura ya propuesta. Por ejemplo, la comunicación de los datos desde la placa Arduino hacia la computadora puede realizarse también en forma inalámbrica e incluso directamente a través de internet. De esta manera, la computadora puede localizarse físicamente lejos de la casa, en cualquier parte donde se juzgue conveniente, para mostrar el estado de los sensores en tiempo real. Otro aspecto importante en el diseño de la aplicación es la facilidad que brinda el lenguaje Proces- sing para compilar la aplicación como un programa ejecutable en forma local o como un applet de Java para ser ejecutado por un navegador de Internet. Esto permitiría que la aplicación misma pueda utilizarse directamente desde cualquier computadora con conexión a Internet, ampliando las posibilidades de su uso.
  8. 8. 9 Abstract H ome Automation (House robot) covers all phases of smart home technol- ogy, including highly sophisticated sensors and controls to automate tem- perature, lighting, security systems and many other functions. Somehow these objectives integrate with the vision proposed by the ubiquitous computing, which establishes as a desirable parameter that a system has to have a high integration with the environment to become almost “invisible” to the end user. For instance, it promotes full system functionality with none or minimal notice from whom is using it. We have tried with the conceptual design used in this project to meet these expectations. The design of the system offers a low-cost solution, implementable with common elements in the market and by integrating the use of free hardware and software, which allows their acquisition at affordable prices, as it is the case of Arduino, or just for free, as it is the case of Processing. At same time, these kinds of tools allow cus- tomizations to fit, if necessary, special needs. This is possible due they are developed under an open-source licensing. The security system implemented for this phase 2 (two) of “Smart and safe house”, is integrated with a network of motion detection PIR sensors, which communicate wirelessly with the Arduino board through the use of circuits of RF communication based on the TWS-434A transmitter and the RWS-434 receiver, complemented with the HT12E encoder and the HT12D decoder. The choice of sensors was made by thinking in the cost-benefit ratio, considering that this type of motion sensors are based on the detection of changes in the infrared radiation at the environment, which has proven over the years to be a reliable and economical way of sensing intrusion into protected spaces. Once data from the sensors are received in the Arduino board, program in the microcontroller governs the logic of the system to act as an interface between the hardware and the software, with the latter executed in a computer. The computer communication is achieved by using a serial protocol and the application, which re- ceives the data in the computer, has been developed in the Processing language. This application shows a visual interface that recreates a virtual model of a house interior
  9. 9. 10 Casa inteligente y segura (fase 2) and raises an alert, through messages generated in real time, in the case of one of the sensors in the network detects some intrusive motion. We believe that the development of this project has achieved its objectives about implementing a security system for home usage that favors wireless communica- tions, and thus would be integrated more transparently into the user environment. At same time, it tries to be autonomous and to require a minimum attention to con- tinue functioning properly. In any case, it is possible to extend the scope of this project by taking advantage of the already proposed infrastructure. For instance, the data communication from the Arduino board to the computer can also be made wirelessly, and even directly through the Internet. In this way, the computer can be physically located away from home, just anywhere where it seems to be needed, to display the status of the sensors in real time. Another important aspect in the design of this ap- plication is the provided by the Processing language to compile the application as a stand-alone executable or as a Java applet to be executed from a Web browser. This would allow that the application itself could be used directly from any computer with Internet connectivity, thus extending the possibilities of its use. Palabras clave Domótica, seguridad, detección de movimiento. Usuarios potenciales Este proyecto puede servir como referencia para personas que desean incursionar en la aplicación de dispositivos electrónicos para implementar sistemas de seguridad en el hogar, especialmente si se desea un sistema de bajo costo y con la utilización de componentes open-source tanto de hardware como de software. De igual manera puede servir como antecedente a otros investigadores que desean incorporar algunos de los elementos descritos en este proyecto para aplicarlo en otras áreas donde se requiere utilizar sistemas de recolección de datos desde sensores, en forma inalám- brica, para diferentes usos. Reconocimientos Nuestro especial reconocimiento al alumno Ramsés Román García Martínez por su dedicación en la implementación del prototipo en esta fase 2 del proyecto “Casa inteligente y segura”. Asimismo, agradecemos a la UACJ por el financiamiento otor- gado a este proyecto.
  10. 10. 11 I. Introducción S abemos que en esta sociedad hay un gran índice de delitos de robo a casa- hogar, los cuales además han aumentado considerablemente en los últimos años, tanto en su número como en los niveles de violencia, ya que no es infre- cuente que se lleven a cabo incluso con las personas afectadas siendo reteni- das en el interior de su hogar durante el momento del robo. Esto ha ocasionado que se construyan sistemas, basados en el uso de la tecnología, que permitan prevenir o disuadir a los delincuentes de cometer estos actos ilícitos. Es precisamente con los avances tecnológicos recientes, que cada vez se pueden implementar sistemas más complejos y sofisticados, aunque también en una variedad suficiente como para ser accesibles a diferentes niveles de presupuestos y necesidades específicas del usuario final. Por ejemplo, puede haber una amplia variedad en cuanto a la cantidad y carac- terísticas de los sensores incluidos, en el tipo de transmisión de datos, como lo sería mediante la utilización de cables o radiofrecuencia, entre otros factores. El propósito de este proyecto es el de implementar un sistema de seguridad, que ayude al usuario a prevenir el delito de robo en su hogar y que esté construido bajo las premisas de que se pueda utilizar con la infraestructura presente en un hogar común de clase media, que ofrezca una mayor seguridad y que se apegue a un presupuesto económico. En forma general, el diseño del sistema tiene los siguientes elementos: los sensores seleccionados serán los encargados de percibir, mediante un cambio de tem- peratura, si hubo algún movimiento intrusivo y de esta manera enviarán las señales adecuadas a los transmisores, los cuales se encargarán de que estos datos puedan ser recibidos y después procesados por un micro controlador. Finalmente se podrán visualizar los resultados en una computadora mediante el uso de un software que indicará exactamente qué sensor fue el que registró actividad o movimiento. Para la aplicación de este proyecto se tuvieron que aplicar diversas técnicas de co- municaciones en cuanto a la transmisión inalámbrica entre el transmisor y el recep- tor; para el desarrollo del programa del micro controlador fue necesario aplicar téc- nicas de sistemas digitales y finalmente, para la parte del software en la interfaz con el usuario se utilizó el lenguaje Processing, el cual está basado en Java, debido a su característica de ser software libre y a su facilidad de creación de contenido visual.
  11. 11. 12 Casa inteligente y segura (fase 2) El funcionamiento detallado del sistema se explica en los próximos capítulos, en donde se describirá individualmente cada componente utilizado, así como el funcio- namiento del programa desarrollado para el micro controlador y la aplicación grafica que permite observar los resultados en Processing.
  12. 12. 13 II. Planteamiento 1.1 Antecedentes L os sistemas de seguridad han sido una necesidad en el hogar durante los últi- mos años, por lo que a través del tiempo han existido varios tipos de sistemas de seguridad que varían en el nivel de protección y en sus características físicas. A medida que las sociedades evolucionaron, las causas que generan la inseguridad se hicieron más complejas. Cuando hacemos referencia a un sistema de seguridad no estamos hablando únicamente de sensores, cámaras y alarmas, sino también de puertas blindadas, persianas protegidas o rejas de seguridad. Los sistemas de seguridad han evolucionado de la siguiente manera: primero se utilizaron medios físicos tales como cerraduras y rejas que son fácilmente vulnera- bles si se cuenta con tiempo suficiente y se tiene la herramienta necesaria. Cuando se inventaron las primeras cerraduras, éstas eran grandes cajas metálicas que para abrirse necesitaban llaves de hierro grandes y pesadas. A través del tiempo se mini- mizó su tamaño pero de igual manera tienen una gran vulnerabilidad. Después esto ya no fue suficiente, ya que aun así se podía ingresar al hogar asegurado, por lo que se dio un avance tecnológico en la seguridad del hogar mediante los sistemas de segu- ridad electrónicos. Se desarrollaron las alarmas sonoras que tienen la función de ac- tuar como factor disuasivo ante la irrupción de un ladrón. Estos sistemas no cuentan con conexión externa, se trata únicamente de un sistema acústico el cual activa una sirena. En esta época aún se siguen utilizando pero con otras funciones agregadas al sistema o como factor secundario. Después, tras el avance de la electrónica se incorporó el uso del micro controlador, el cual ha sido de gran utilidad en el tema de la seguridad, tanto en los hogares como en un sinnúmero de aplicaciones. Por ejemplo, a las alarmas sonoras se les agregó un microprocesador, el cual se comunica con un llamador telefónico en caso de la in- trusión de algún individuo; esto permitía la comunicación con una estación base de seguridad. En este tipo de sistemas no se garantiza la recepción del aviso del evento, por lo que después a estos sistemas se les agregó la funcionalidad de un microproce- sador con comunicador digital incorporado; en estos casos se recibe una confirmación de que la llamada ha sido recibida.
  13. 13. 14 Casa inteligente y segura (fase 2) Con la evolución de los sistemas de seguridad, también se fueron construyendo dife- rentes sensores con características únicas y de gran utilidad, que es uno de los disposi- tivos esenciales en los sistemas de seguridad actuales. Por ejemplo, se desarrollaron los sensores ultrasónicos, los cuales detectan la variación del sonido como cuando se rompe un cristal y por esta razón suelen colocarse en las ventanas. También se desarrollaron los sensores infrarrojos, los cuales analizan las variaciones térmicas que se producen en un radio específico determinado por el fabricante. También se desarrollaron los sen- sores magnéticos, los cuales son utilizados para puertas y ventanas. Estos sensores consisten en placas imantadas que generan un campo magnético que activa la alarma cuando alguien abre la puerta o la ventana. Estos dispositivos basados en sensores se volvieron indispensables ya que dependiendo de la manera deseada de asegurar el lu- gar y del presupuesto disponible, son utilizados de un tipo u otro según cada caso. Con el desarrollo de los microcontroladores y los diferentes tipos de sensores exis- tentes se dio un gran avance tecnológico y los sistemas de seguridad ahora son menos vulnerables, dependiendo de las características con las que cuenta el sistema. En conjunto con los dispositivos ya mencionados, en los sistemas más complejos, suelen utilizarse circuitos cerrados de televisión (CCTV), el cual consiste en un siste- ma de cámaras situadas a lo largo del lugar a resguardar, conectados a un sistema de vigilancia similar a una televisión. El circuito de televisión puede ser un eficaz siste- ma de vigilancia pero por su costo solo suele utilizarse en ciertos casos, por ejemplo en empresas grandes o en estacionamientos vigilados, pero en los hogares es rara su utilización. Los sistemas de seguridad más utilizados en el hogar son los basados en detec- tores de movimiento. Los sensores de movimiento más utilizados en el hogar son de microondas, pasivos infrarrojos y los ultrasónicos. Los sensores de microondas fueron diseñados específicamente para eliminar el problema de movimientos falsos, estos sensores son útiles en espacios en el hogar donde haya áreas grandes que supervisar debido a que las microondas que envía alcanzan distancias más grandes que los in- frarrojos; el problema es que el costo se eleva, ya que estos sensores tienen un precio más elevado que el pasivo infrarrojo. Aunque la tecnología de los sensores ultrasónicos ya es antigua, ésta sigue siendo usada en sistemas de vigilancia que incorporan el uso de la detección de movimiento, ya que es sencillo percibir cuando se trastorna la frecuencia de las ondas acústicas y con esto se manda una señal para activar la alarma. Aun con el desarrollo de los sensores y su gran demanda en sistemas de seguridad para el hogar, éstos no son imprescindibles ya que el avance tecnológico también ha permitido crear cerraduras electrónicas como una forma de disuasión. Estas pueden contener cerraduras básicas para ingresar llave o pueden incorporar un teclado para introducir una clave de acceso, a lo que se llama cerraduras de combinación numérica, también puede ser mediante acceso biométrico o mediante una cerradura de control remoto. Las cerraduras de combinación numérica operan de manera que se tiene que ingresar un código o contraseña personal de varios dígitos para permitir el acceso. La
  14. 14. 15 II. Planteamiento cerradura por acceso biométrico consiste en una tecnología basada en el reconocimiento de una característica física intransferible de cada una de las personas que habitan en el hogar, como puede ser la huella digital, el rostro, el iris, la voz o la firma. En cuanto a la cerradura de control remoto, éstas aparentan ser cerraduras regulares, pero no utilizan una llave tradicional, sino un pequeño control remoto que, previamente pro- gramado, las abre o cierra como la puerta de un garaje. También suelen usarse tarjetas programadas para abrir puertas, pero éstas son usadas más en hoteles o en empresas grandes. Una desventaja de utilizar cerraduras de alta tecnología en el hogar es que este sistema solo puede ser aplicado en puertas, por lo que se necesitaría contar con una red de sensores para brindar seguridad en los cuartos del hogar. El desarrollo tecnológico de la comunicación inalámbrica también ha contribuido a los sistemas de seguridad ya que esto elimina la necesidad de comunicar todo el sis- tema mediante cables. De esta manera dependiendo del alcance entre transmisor y receptor puede enviarse información a largas distancias mediante repetidores, apar- te de que tienen algunas de las características de los sistemas anteriores, tales como sensores infrarrojos, marcación telefónica a una estación de seguridad o a un teléfono predeterminado, activación de alarmas, entre otros dispositivos. 1.2 Marco teórico 2.2.1 Arduino El micro controlador es la parte esencial de la aplicación encargada de tomar deci- siones mediante un programa de control. En este proyecto se utilizó la placa llamada Arduino [1], la cual proporciona los elementos de interfaz necesarios a la familia de microprocesadores ATmega. De esta forma ya no es necesario agregar elementos en forma individual, tales como el cristal de cuarzo, capacitores, cables y la necesidad de soldar terminales o cables hacia los dispositivos externos, entre otras cosas. Existen algunos micro controladores (Parallax Basic Stamp, Netmedia’s BX-24, entre otros) que ofrecen funciones similares a las del Arduino. Sin embargo, es atrac- tivo utilizar el Arduino debido a que ofrece un costo accesible y es una plataforma de hardware y software abierto, esto es, los esquemáticos o ficheros CAD (Computer Aided Design o diseño asistido por computadora) están disponibles bajo licencia open- source por lo que se pueden modificar, si así se desea, para ajustarse a necesidades específicas [3]. La placa está basada en un circuito impreso que cuenta con el micro- controlador y entradas y salidas analógicas y digitales. Los proyectos en Arduino pue- den ser autónomos o pueden crearse interfaces con otro software a través de comuni- cación serial o protocolos Xbee o Zigbit, entre otros. Su lenguaje de programación está basado en otra placa similar llamada Wiring y es básicamente una versión simple de lenguaje C. Maneja un entorno de desarrollo diseñado expresamente para ser simple o “minimalista”, basado en otro proyecto de software libre llamado Processing. [7].
  15. 15. 16 Casa inteligente y segura (fase 2) El software de Arduino corre en distintas plataformas como Windows, Macintosh OSX, y Linux, a diferencia de otros microcontroladores que están limitados solo a Windows. A continuación se listan algunas de las placas Arduino disponibles [9]: Arduino Mega: placa de micro controlador basado en ATmega1280.ɶɶ Arduino Uno/Diecimila/Duemilanove: placa de microcontrolador basado enɶɶ ATmega168 o ATmega 328. Arduino Bluetooth: placa con un módulo Bluetooth incorporado que permite laɶɶ comunicación inalámbrica. Arduino Pro: utilizado por usuarios avanzados que requieren flexibilidad yɶɶ bajo costo. Viene con el mínimo de componentes. Arduino Nano: placa pequeña y completa, trabaja de manera similar al Ar-ɶɶ duino Duemilanove sólo le falta un toma corriente DC y trabaja con un cable Mini-B USB. Arduino Mini: el micro controlador en el Arduino Mini es físicamente más pe-ɶɶ queño. Es más frágil y fácil de romper en comparación con una placa regular de Arduino. La placa Arduino usada en este proyecto incorpora el convertidor USB (Universal Serial Bus o Bus Universal en Serie) a serial FTDI modelo FT232RL el cual requiere menos componentes externos que el FT232BM. La placa Arduino puede adquirir voltaje de dos maneras: la primera es mediante el puerto USB, por el cual se suministran 5V (volts), o puede ser mediante un regula- dor de voltaje en el rango de 5V a 15V. La manera de adquirir el voltaje se selecciona mediante un jumper (puente) colocado entre el regulador de voltaje y el puerto USB. En la figura 1 podemos observar la placa Arduino. Figura 1. Arduino
  16. 16. 17 II. Planteamiento 2.2.2 Processing El lenguaje de programación utilizado en este proyecto para desarrollar la apli- cación que muestra el comportamiento en tiempo real de los sensores en una com- putadora es llamado Processing [7]. Este lenguaje está basado en Java y tiene como principal objetivo el poder crear fácilmente interfaces gráficas por lo que es adecuado para desarrollar aplicaciones de gran contenido visual. Al ser un lenguaje comple- to puede llegar a facilitar el desarrollo de proyectos donde otras plataformas, como Adobe Flash, también serían candidatas a utilizarse, pero que tienen limitaciones al momento de querer tener un control completo de la funcionalidad esperada. Una particularidad importante de este entorno de desarrollo es que ha sido diseñado para ser simple, llegando a ser “minimalista” si se compara con otros entornos de progra- mación como el Visual Studio de Microsoft o Eclipse y CodeBlocks, entre otros. Las aplicaciones desarrolladas en Processing pueden ser generadas tanto en la for- ma de archivos ejecutables como en applets de Java, los cuales pueden ser integrados en páginas o aplicaciones Web de una manera directa. Gracias a que este entorno esta creado utilizando el lenguaje Java, se incrementan las capacidades del programa, ya que es posible incorporar código Java y mezclarlo con el código propio del programa en Processing, teniendo lo mejor de ambas posibili- dades, la orientación gráfica y facilidad de uso del Processing y la potencia y el hecho de ser de propósito general del Java. El proyecto Processing nació en una sesión de lluvia de ideas en el 2001 cuando los desarrolladores buscaban una mejor manera para probar sus ideas en el código y reducir el tiempo que pasaban programando en C++. Otro de los propósitos era crear un lenguaje para enseñar como programar a los estudiantes de diseño y arte, y una forma más fácil de trabajar con gráficos a los estudiantes más técnicos. Al contrario de los lenguajes convencionales este lenguaje deja atrás las salidas de la consola para centrarse en los gráficos y la interacción. La fase alfa comprendió el periodo de agosto del 2002 hasta abril del 2005, mientras que el beta público fue liberado hasta noviembre del 2008. Desde entonces ha sido uti- lizado por miles de personas en el mundo, mientras que el software era revisado conti- nuamente y varias de las ideas originales se han reforzado y otras han cambiado. Mediante las bibliotecas se ha permitido extender las posibilidades del software, en la actualidad cuenta con más de 100 bibliotecas. El 29 de noviembre de 2008 se lanzó la versión 1.0 del software, ésta significó la estabilidad del lenguaje después de 7 años de trabajo. Nueve años después de sus orígenes ha llegado más lejos de lo que se tenía previsto, alcanzando sus metas y descubriendo que puede ser útil incluso en otros contextos [10]. Es un software que sirve como un cuaderno de bocetos, puede ser utilizado no solo por programadores sino también por artistas o diseñadores profesionales. Fue diseñado específicamente para generar o modificar imágenes, un software tanto para principiantes los cuales pueden desarrollar su aplicación en muy poco tiempo como para usuarios avanzados.
  17. 17. 18 Casa inteligente y segura (fase 2) Processing es un lenguaje de programación de código abierto para las personas que desean crear imágenes, animaciones e interacciones. Inicialmente fue desarrolla- do para enseñar los fundamentos de programación dentro de un contexto visual. Es un entorno de programación multimedia y gráfico [4]. Algunas características que tiene este programa son las siguientes [7]: Es Gratuito y de código abierto.ɶɶ Se pueden crear programas interactivos usando 2D o 3D.ɶɶ Tiene integración con OpenGL.ɶɶ Está disponible en GNU/Linux, Mac OS X, y Windows.ɶɶ Está basado en Java. Se pueden utilizar clases de Java.ɶɶ Cuenta con una interfaz sencilla manteniendo lo esencial.ɶɶ Se pueden producir aplicaciones locales oɶɶ applets. Entre las bibliotecas ya integradas, cuenta con funciones para importación deɶɶ archivos XML y SVG, exportación a formatos PDF y DXF, así como funciones para trabajar con video, redes y comunicación serial. 2.2.3 Sensores de movimiento Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible que es función de la variable medida. Estas va- riables de instrumentación adquiridas por el sensor, son transformadas en variables eléctricas. El sensor sugiere un significado extenso: La ampliación de los sentidos para adqui- rir un conocimiento de cantidades físicas que, por su naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos. Hoy en día existen varios tipos de sensores y con variadas aplicaciones, en este caso, respecto al proyecto, los sensores de movimiento son muy utilizados en la segu- ridad del hogar o en circuitos cerrados de televisión. Hay varios tipos de sensores de movimiento basados en la tecnología de los rayos infrarrojos o las ondas ultrasónicas para poder captar en tiempo real los movimientos que se generan en un espacio de- terminado. Los sensores de movimiento son uno de los dispositivos más reconocidos e importantes dentro de la seguridad electrónica, y esto porque si una persona se mue- ve en el rango del sensor de movimiento, se activa la alarma. Los sensores infrarrojos son más baratos que los sensores de microondas y los sensores ultrasónicos. Los sen- sores infrarrojos son regularmente más pequeños y muy confiables [6]. El sensor PIR (Pasive-infra-red o infrarrojo pasivo), es un dispositivo piroeléctrico que mide cambios en los niveles de radiación infrarrojo emitida por los objetos a su alrededor, a una distancia máxima de 6 metros. Como respuesta al movimiento, el sensor cambia el nivel lógico de una terminal, por lo cual su uso es extremadamente simple. Adicionalmente es un sensor de bajo costo y reducido tamaño muy utilizado
  18. 18. 19 II. Planteamiento en sistemas de alarmas, iluminación controlada por movimiento y aplicaciones de robótica. El sensor PIR cuenta solamente con tres terminales. Dos de ellas se utilizan para la alimentación y la restante es la salida de detección de movimiento o pin de salida. El voltaje de alimentación es de 5 Volts, el rango de medición es de hasta 6 metros, la salida que se obtiene, en cuanto al voltaje, es de un estado lógico de una terminal TTL (Transistor Transistor Logic) y tiene una polaridad de activación de salida seleccionable así como un mínimo de tiempo de calibración. En la siguiente figura (figura 2) se observa la manera de conectarse de este sensor. Figura 2. Salida y alimentación del PIR P0 Voltaje de salida hacia el microcontrolador Vss Gnd 5V Vdd Los dispositivos piro-eléctricos, como el sensor PIR, poseen elementos fabricados de un material cristalino que genera una carga eléctrica cuando se expone a la radiación infrarroja. Los cambios en la cantidad de radiación producen cambios de voltaje, los cuales son medidos por un amplificador. El PIR contiene unos filtros especiales lla- mados lentes de fresnel que enfocan las señales infrarrojas sobre el elemento sensor. Cuando las señales infrarrojas del ambiente donde se encuentra el sensor cambian rápidamente, el amplificador activa la salida para indicar movimiento. Esta salida permanece activa durante algunos segundos. Respecto a su calibración, al energi- zarse el sensor PIR requiere de un tiempo de preparación para comenzar a operar de manera adecuada. Esto se debe a que tiene que ocurrir la adaptación a las condi- ciones propias de operación del ambiente donde fue instalado. Durante este periodo el sensor aprende a reconocer el estado de reposo o no movimiento del ambiente. La duración de esta calibración puede estar entre 10 y 60 segundos y es altamente reco- mendable la ausencia de personas en el lugar de instalación mientras se calibra.
  19. 19. 20 Casa inteligente y segura (fase 2) 2.2.4 Comunicación inalámbrica El elemento transmisor (TX) procesa una señal de mensaje con el fin de producir una señal que tenga la mayor probabilidad de pasar fiable y eficientemente a través del canal. Usualmente esto implica la modulación de una señal portadora de una señal de mensaje, la codificación de la señal para ayudar a corregir errores de transmisión, el filtrado del mensaje o señal modulada para delimitar el ancho de banda ocupado, y la amplificación de potencia para superar las pérdidas del canal. En el caso de este proyecto el canal de transmisión será el espacio libre, ya que la transmisión de datos se realizara vía inalámbrica. El receptor (RX) es el dispositivo al cual va dirigida la comunicación del transmi- sor, su función principal consiste en invertir el proceso de modulación del transmisor con el fin de recuperar la señal del mensaje, tratando de compensar cualquier degra- dación de señal introducida por el canal. Normalmente, esto implicará amplificación, demodulación y decodificación y, en general, es una tarea más compleja que el proce- so de transmisión. Es necesaria una perfecta sincronización entre transmisor y receptor [2]. En este proyecto se utilizaron el módulo transmisor TWS-434A y el módulo re- ceptor RWS-434 [8]. El funcionamiento y uso del transmisor TWS-434A es simple, ya que cuenta con cuatro terminales, dos de alimentación, la tercera es la de señal de entrada y la cuarta simplemente es la señal de salida de radiofrecuencia a trans- mitir que se considera como la antena transmisora. La modulación se da en ASK (Amplitude Shift Keying o Desplazamiento de Amplitud) en la frecuencia de 433.92 MHz (Megahertz). Al ser compacto y tener pocas terminales, el transmisor se vuelve un dispositivo fácil de manipular. El transmisor utiliza una alimentación de voltaje entre el rango de 2 volts a 12 volts máximo, la velocidad de transmisión de datos es de máximo 3 Kbps (Kilo Bytes por Segundo). En la figura 3 se muestra el transmisor TWS-434A con sus respectivas terminales. Figura 3. Transmisor TWS-434A
  20. 20. 21 II. Planteamiento Respecto al receptor, de igual manera que el transmisor es compacto y opera en la frecuencia de 433.92 MHz, en modulación ASK, su dimensión es de 43.5 mm (milíme- tros) de largo por 10.5 mm de ancho. A diferencia del transmisor, que contiene cuatro terminales, el receptor contiene ocho terminales, de las cuales cinco terminales son utilizadas para tierra y voltaje, dos terminales son utilizadas para las salidas de datos digitales y la terminal restan- te es utilizada para la recepción de la señal o antena. Opera con un voltaje de alimen- tación entre el rango de 4.5V y 5.5V y al igual que el transmisor tiene una velocidad de transmisión de datos de 3KBps. En la figura 4 se puede observar el diagrama del receptor RWS-434 con sus res- pectivas terminales. Figura 4 Receptor RWS-434 con sus respectivas terminales En lo que respecta a los circuitos codificador y decodificador, estos dispositivos son fundamentales para la comunicación inalámbrica. El codificador que se utilizará en este proyecto es un micro controlador PIC [5] con un empaquetado de 20 pines que contendrá 8 bits de datos y 8 bits de dirección. El decodificador es similar, es decir, un micro controlador PIC pero que es programado para que realice la función de de- codificación, igualmente tiene 8 bits de datos y 8 bits de dirección. Estos circuitos integrados codifican y decodifican una palabra de 12 bits, compues- ta por una dirección de 8 bits y un sección de datos de 8 bits. Con esta cantidad de bits se pueden manejar 256 dispositivos diferentes, enviándoles hasta 16 comandos distintos a cada uno. El transmisor y receptor tienen que estar en la misma dirección para que se logre la comunicación y se puedan transferir los 4 bits de información, por ejemplo, para la dirección 0 se debe colocar en ambos lados de la transmisión un 0 lógico, de A0 a A7. Para las terminales de dirección es importante que tengan un ni- vel ya sea de 5V ó todas a tierra (0 volts), ya que si esto no se hace el funcionamiento puede resultar irregular. Los circuitos utilizados para la transmisión y recepción se muestran en las figuras 5 y 6 respectivamente.
  21. 21. 22 Casa inteligente y segura (fase 2) Figura 5. Circuito transmisor Direccióndedispositivo Entrada de datos Enviar GND 1 18 HT12E TWS-418 +5 a +12V +5 a +12V 17,5 cmSalida de datos17 16 1M 15 14 13 12 11 10 A0 VDD DOUT OSC1 OSC2 AD11 AD10 AD9 AD8 TE A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 VSS 2 3 4 5 6 7 8 9 GND GND VCC VCC GND GND ANTENA DATOS Figura 6. Circuito receptor RECEPTOR +5V +5V 47K 17,5 cm GND DIGOUT LINOUT VCC VCC GND GND ANTENA Direccióndedispositivo Salidadedatos Entrada de datosGND GND RWS-418 1 2 3 4 5 6 7 8 1 18 17 16 15 14 13 12 11 10 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 VSS 2 3 4 5 6 7 8 9 VDD VT OSC1 OSC2 D11 D10 D9 D8 DIN HT12D
  22. 22. 23 III. Metodología E n esta sección se describe el funcionamiento del sistema y las partes que lo componen. Se especificará la manera de operación del sistema para que se pueda lograr una transferencia de datos satisfactoria para el sistema de seguridad. En las figuras 7 y 8 se observa el diagrama a bloques del funcionamiento y los componentes que interactúan en el sistema de seguridad. El sistema se divide en dos bloques, el primero (figura 7) consta de sensores conectados a codificadores, desde ahí las señales codificadas son enviadas a los transmisores para su procesamiento en el segundo bloque (figura 8), donde son captadas a través de una antena y se realiza una decodificación que deja los datos listos para ser enviados hacia la placa Arduino. Figura 7 Transmisión de señales desde los sensores Señal emitida de los sensores A y B Señal emitida de los sensores C Y D Codificador HT12-E A Codificador HT12-E B Transmisor TWS-434 A Transmisor TWS-434 B ANTENA ANTENA Figura 8 Recepción de señales y su procesamiento en Processing ANTENA Seña A y B Señal C y D Receptor A RWS-434 Receptor B RWS-434 Decodificador A HT12-D Decodificador B HT12-D ARDUINO Microcontrolador Señales seriales Computadora con Processing Señal A Señal B Señal C Señal D ANTENA
  23. 23. 24 Casa inteligente y segura (fase 2) Se puede apreciar que se tienen dos componentes en cada equipo de transmisión (codificador, decodificador, transmisor y receptor), esto para que cada sensor se pueda comunicar por radiofrecuencia con Arduino. Con este planteamiento se puede lograr un sistema de seguridad estable y que funcione de manera correcta en el hogar sin necesi- dad de tener conectados mediante alambres los sensores y el micro controlador. Las señales que enviarán los sensores hacia el codificador constan de un voltaje aproximado de 3.3 a 5 volts y será enviada cuando el sensor perciba una diferencia de radiación infrarroja. En el segundo bloque del sistema se recibirían datos binarios pero es necesario volver a transformarlos en niveles de voltaje para interactuar con Arduino. La función principal del transmisor, receptor, codificador y decodificador, es la de lograr una trasmisión vía inalámbrica de las señales emitidas por los sensores y que son enviadas hacia el codificador, de esta manera cada sensor tendrá asignado un código bi- nario diferente para su posterior identificación. La función del decodificador es la de ha- cer el proceso inverso, esto es, que sea entendible para el dispositivo receptor que en este caso es el Arduino, la información enviada. En la siguiente figura (figura 9) se muestra gráficamente la interrelación entre los dispositivos de comunicación utilizados. Figura 9. Diagrama del funcionamiento de los dispositivos de comunicación 10101010 Transmisión inalámbrica Señal codificada Señal codificada Señal recibida Señal emitida por los emisores En el siguiente diagrama (figura 10) se puede observar a manera de diagrama de flujo la lógica del programa en el microcontrolador. Se monitorea continuamente el estado de los sensores, que en este caso son cuatro, y en el momento en que se detecta alguna señal de activación, esto es, cuando alguno de los sensores detecta movimien- to, se envía para su procesamiento un paquete de datos hacia la computadora me- diante el canal serial, donde la aplicación mostrará visualmente las alertas.
  24. 24. 25 III. Metodología Figura 10. Lógica del programa en el microcontrolador INICIO Lee terminal del sensor A Sensor A= Activo Envía 5 volts a la salida del microcontrolador Terminal A Envía 0 volts a la salida del microcontrolador Terminal A Envía 0 volts a la salida del microcontrolador Terminal A Envía 0 volts a la salida del microcontrolador Terminal C Envía 0 volts a la salida del microcontrolador Terminal D Manda vía serial 1000001 Manda vía serial 00000000 Manda vía serial 00000000 Manda vía serial 00000000 Manda vía serial 00000000 Lee terminal del sensor B Lee terminal del sensor C Lee terminal del sensor D Serial B= Activo Serial C= Activo Serial C= Activo Envía 5 volts a la salida del microcontrolador Terminal B Envía 5 volts a la salida del microcontrolador Terminal C Envía 5 volts a la salida del microcontrolador Terminal D Manda vía serial 1000010 Manda vía serial 1000011 Manda vía serial 1000100
  25. 25. 26 Casa inteligente y segura (fase 2) Finalmente, el programa que se ejecuta en la computadora se encuentra imple- mentado en Processing y será el encargado de recibir la información proveniente del Arduino y representarla visualmente para mostrar como activados o desactivados los sensores involucrados. Como el monitoreo es en tiempo real, en la pantalla se visua- lizará siempre el estado actual de los sensores, lo cual garantiza un funcionamiento adecuado del sistema de seguridad.
  26. 26. 27 IV. Resultados S e realizó una prueba en ISIS Proteus, para simular el funcionamiento del sistema, ésta se muestra en la figura 11, donde se aprecia el ATmega y 4 LEDs que simulan si algún sensor detecta movimiento o no. En este caso se aprecia que los sensores 2 y 4 envían un voltaje hacia el microcontrolador. También se puede observar el puerto serial, por medio del cual se realizará la trans- misión de datos. Figura 11. Simulación del sistema en ISIS Proteus
  27. 27. 28 Casa inteligente y segura (fase 2) La Figura 4.1 muestra el sensor B en estado lógico alto, por lo que el puerto PB3 estará enviado un voltaje de 5 Volts al puerto PD6, quien a su vez envía en forma serial el código ASCII 66 en caso de estar activado. De manera similar el puerto PB1 envía un voltaje de 5 Volts hacia el puerto PB0, y una señal serial que corresponde al código ASCII 68 en caso de estar activado. Todos los demás puertos se muestran en un nivel lógico bajo. El programa en Arduino enviará un cero si se tiene un nivel bajo en la entrada o un paquete serial que corresponda al código ASCII que representa a dicha entrada. En nuestra simulación esto corresponde a los códigos ASCII 65, 66, 67 ó 68 si está activo el sensor A, B, C o D, respectivamente. En la figura 12 se observa como dependiendo del nivel lógico en la entrada, el programa generará una transmisión serial que se puede observar en la interfaz de consola del Arduino. Figura 12. Consola serial mostrando la salida de Arduino Por ejemplo aquí se muestran las letras A, B, C o D para cada sensor, de manera que al observar el primer cuarteto de bits, este es 00C0, lo que quiere decir que hay un nivel de voltaje alto solamente en la terminal de entrada C. De manera similar el último cuarteto de bits es ABC0, lo cual indica que hay un nivel lógico alto en las terminales de entrada A, B y C. En las figuras 13 y 14 se observa el desarrollo del sistema de comunicación en una tablilla de prueba. Tanto en el equipo transmisor como en el receptor se muestran dos LEDs para representar la salida de los dos bits utilizados por el codificador y el deco- dificador, y observar si hay señal en ambos extremos del sistema, en el mismo bit.
  28. 28. 29 IV. Resultados Figura 13. Prototipo del transmisor Figura 14. Prototipo del receptor En la figura 13 se observa que el dip switch tiene los interruptores 3 y 4 encendi- dos, por lo tanto se estará enviando un voltaje alto hacia los pines 11 y 12 del decodi- ficador, mientras que los pines 9 y 10 estarán conectados a tierra por lo cual no esta- rán emitiendo señal. De manera similar en el receptor (figura 14) se aprecian cuatro LEDs conectados a las salidas del decodificador para mostrar que los bits enviados al receptor llegan de forma correcta. Los circuitos transmisor y receptor diseñados en ISIS Proteus se muestran en las figuras 15 y 16 respectivamente. Figura 15. Diseño del transmisor Figura 16. Diseño del receptor En las figuras 17 y 18 se observan los circuitos finales del equipo de transmisión, lo cual permitió realizar algunas pruebas. Figura 17. Circuito transmisor Figura 18. Circuito receptor
  29. 29. 30 Casa inteligente y segura (fase 2) Por ejemplo, en las imágenes mostradas se observa que dependiendo del pin en el cual se presenta voltaje en el transmisor, el pin correspondiente en el receptor también presenta el mismo voltaje, lo cual se visualiza a través del encendido de un LED. Adicionalmente, para verificar que los sensores estuvieran enviando la informa- ción correcta se realizó una prueba sencilla de movimiento. A la salida se conectó un multímetro para observar el voltaje. En la Figura 19 se observa que se le suministra un voltaje de 4.5 V al sensor y en el multímetro se observa que hay un voltaje de sali- da de 0.00032 volts cuando no hay movimiento, en cambio en la Figura 20 se observa que cuando el sensor percibe movimiento presenta un voltaje de 3.3 volts que puede ajustarse para que alcance un voltaje de 5 volts.0 Figura 19. Sensor cuando no percibe movimiento Figura 20. Sensor al percibir movimiento En cuanto a los resultados visuales mostrados en Procesing, se diseñó el interior de una casa, en donde se simulan 4 sensores colocados en las esquinas de determi- nadas áreas; dependiendo del sensor activo, también se “activa” el sensor virtual en la imagen y se manda un mensaje. Por ejemplo si hay movimiento en el sensor A se envía un mensaje de alerta “movimiento en sensor A” y se enciende el sensor colocado en la posición respectiva, como se muestra en la figura 21.
  30. 30. 31 IV. Resultados Figura 21. Resultados visuales cuando hay movimiento en el sensor “A”
  31. 31. 33 V. Conclusiones E ste proyecto pone en evidencia que es posible implementar un sistema de seguridad basado en sensores de movimiento a un bajo costo y con un mar- gen elevado de confiabilidad. Es posible utilizar componentes electrónicos comunes y plataformas de hardware y software libre, como lo son Arduino y Processing para construir una plataforma que permita integrar una serie de dis- positivos formando una red de seguridad que abarque toda una casa. Al igual que los sensores de movimiento utilizados en este proyecto, se puede agregar un sinnú- mero de otros componentes que puedan sensar diferentes características en puertas, ventanas, techos, rejas, etc. y aprovechar la misma infraestructura para lograr una transmisión inalámbrica a la estación base, localizada en la computadora. Aunque este proyecto se ha enfocado solamente en la transmisión de los sensores a Arduino y luego a la aplicación de monitoreo por medio de un protocolo serial, una po- sible extensión a la idea mostrada en este trabajo sería expandir la implementación a una comunicación utilizando Internet, de manera que la aplicación pudiera estar localizada en cualquier sitio y accesible mediante Internet. Este escenario podría ser útil en contextos donde no fuera deseable que la comunicación se realizara solo en un entorno local. Cabe mencionar que una ventaja de haber desarrollado la aplicación en Processing es que el compilador brinda la opción de generar tanto un programa ejecutable en el sistema operativo, como un applet de Java que es ejecutado desde un navegador de Internet. Esto último hará que la aplicación pueda correr directamente en Internet sin realizar cambios en el código y solo se necesitaría cambiar, como se mencionó anteriormente, el medio de transmisión de datos desde Arduino, en lugar de serial, sería por Ethernet o WiFi.
  32. 32. 35 Referencias Arduino. Recuperado de http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage Bateman A. (2003). “Comunicaciones digitales”. México: Marcombo, 1ª edición. Benzi M. (2009). “Getting Started with Arduino”. USA: O’Reilly Kogler, G. (2008). Recuperado de http://go.yuri.at/p5/tutorial Palacios E. (2006). “Microcontrolador PIC 16F84-desarrollo de proyectos”. México: Alfaomega, 2ª edición. Pallas Areny R. (2003). “Sensores y acondicionadores de señal”. México: Marcombo, 3ª edición. Processing. Recuperado de http://processing.org/learning/ Rentron. Recuperado de http://www.rentron.com/PicBasic/RemoteControl.htm Toimil P. “Tipos, características y diferencias de las placas de Arduino”. (2010). Recu- perado de http://es.makezine.com/archive/2009/08/tipos_caracteristicas_y_dife- rencias_de_pl.html Reas C, Fry B. (2010). “Getting Started with Processing”. E.U.A.: O’Reilly Media, Inc.
  33. 33. 36 Casa inteligente y segura (fase 2) Anexo A – Atmega8
  34. 34. 37 Anexo B – Transmisor y receptor
  35. 35. 38 Casa inteligente y segura (fase 2) Anexo C – Codificador y decodificador

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