Desarrollo de un Sistema de Seguridad para Automóviles con IOT y Smartphone

Desarrollo de Sistema de Seguridad para Automóviles con IOT y Smartphone

Lina María Toquica Ramírez 20102005082

Michael Leandro Guzmán Ruiz 20101005063

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA Bogotá D.C.

DESARROLLO DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD PARA AUTOMÓVILES CON IoT Y SMARTPHONE

Proyecto de Grado

Para optar por el título de Ingeniero Electrónico

ING. Julián Rolando Camargo López

Director del proyecto

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA Bogotá D.C.

NOTA DE ACEPTACIÓN

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FIRMA DEL DIRECTOR DEL PROYECTO

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FIRMA DEL REVISOR

Dedico este proyecto primeramente a Dios por darme la oportunidad de vivir y por estar conmigo en cada paso que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y por haber puesto en mi camino a aquellas personas que han sido mi soporte y compañía en mi vida. A mi madre, Luz Elena, a mis abuelos, Gerardo y Eunice, y a mis tíos Andrés, Wilson y John Jairo por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor. A toda mi familia y a mis amigos, de quienes he recibido siempre cariño y

apoyo sincero. Lina María.

Dedico este proyecto a toda mi familia, especialmente a mis padres, Clara y Misael, a mis abuelos, Magdalena y José Antonio y a mi tía Paola, gracias por todo el amor y el apoyo que me

han brindado. Michael Guzmán

Agradecimientos

Este proyecto es el resultado del esfuerzo conjunto de los que formamos este grupo de trabajo, por esto agradecemos sinceramente:

A Dios, por protegernos durante todo nuestro camino y darnos la sabiduría y fuerzas para superar obstáculos y dificultades.

A nuestras familias, quienes a lo largo de toda nuestras vidas han apoyado y motivado nuestra formación académica, creyeron en nosotros y no dudaron de nuestras habilidades.

A nuestros profesores, quienes se tomaron el arduo trabajo de transmitirnos sus conocimientos y quienes nos encaminaron por el camino correcto.

A nuestros compañeros de estudio y amigos, por su compañía, sus enseñanzas y brindarnos alegrías a lo largo de nuestra formación.

Al director del proyecto, por su confianza y orientación a lo largo del proyecto para el cumplimiento de los objetivos.

Resumen

El presente proyecto de grado pretende desarrollar una aplicación Smartphone para advertir cualquier irregularidad con la integridad de un automóvil utilizando el internet de las cosas (IOT). Para alcanzar dicho objetivo se propuso trabajar en varias etapas. Inicialmente, fue necesario identificar el problema y por medio de éste buscar una solución práctica, económica y accesible. Se establecieron los objetivos y la guía de trabajo en general. Se realizó la selección, pruebas de funcionamiento de los sensores que fueron utilizados en el sistema propuesto y conexión con el sistema embebido RASPBERRY PI B+ a través de PYTHON. Luego se implementó el algoritmo para el reconocimiento facial que fue utilizado en la apertura de puertas, también realizado en PYTHON. Una vez validado el comportamiento de lo anteriormente descrito, se elaboró la aplicación móvil para la interacción con el usuario, a través de ANDROID STUDIO, el entorno de desarrollo integrado para la plataforma Android. Finalmente, se realizó la integración de los sensores con el sistema embebido y así, con la aplicación para el completo funcionamiento del sistema de seguridad. Se hicieron pruebas del sistema ubicando la red de sensores estratégicamente en un automóvil, comprobando así el funcionamiento de cada uno de los sensores y se realizó también la conexión establecida con el sistema embebido encargado de subir los datos obtenidos a la nube, finalmente se verificó el correcto funcionamiento de la aplicación que se encarga de generar alguna acción a causa de los datos obtenidos de la nube. Se realizó la documentación de cada una de las etapas y procesos que se desarrollaron. Los resultados mostraron que el sistema presenta una muy buena respuesta, ya que la interfaz de la aplicación permite que su manejo sea sencillo, además envía las alertas de forma satisfactoria y las características tanto en hardware como en software de la raspberry pi permitieron diseñar el sistema de apertura de puertas planteado.

Abstract

This project aims to develop a Smartphone application to warn the user about any irregularity with the integrity of an automobile by using the internet of things (IOT). To achieve this objective, it was proposed to work in several stages. Initially, it was necessary to identify the problem and through it, to seek a practical, affordable and accessible solution. Objectives and guiding work in general were established. The selection, performance tests of the sensors that were used in the proposed system and connection to the embedded RASPBERRY PI B + through PYTHON system was performed. Then, the facial recognition algorithm was used in the opening of doors, and it was also made in PYTHON. Once validated the behavior described above, the mobile application for user interaction was made through ANDROID STUDIO, integrated development environment for the Android platform. Finally, the sensors integration with embedded system was done and thus, with the application for the complete operation of the security system. Tests placing the sensor network strategically in a car system were made, checking the operation of each one of the sensors and the connection was also established with the embedded system responsible of uploading to the cloud the obtained data, finally, the proper functioning of the application responsible for generating an action was verified because of the cloud data. Documentation of each of the stages and processes that developed was performed. The results show that the system has a very good response, since the application interface allows its simple handling. Also, it sends alerts satisfactorily and its hardware and software features in raspberry pi allowed us to design the planned opening doors system.

Tabla de contenido

Introducción ... 14

1. Fundamentos Preliminares ... 15

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: ... 15

1.2. JUSTIFICACIÓN ... 16

1.3. OBJETIVOS ... 18

1.3.1. OBJETIVO GENERAL ... 18

1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 18

1.4. METODOLOGÍA: ... 18

1.4.1. FASE DE DISEÑO. ... 18

1.4.2. FASE DE IMPLEMENTACIÓN. ... 18

1.4.3. FASE DE EVALUACIÓN. ... 19

2. Marco Referencial ... 21

2.1. ESTADO DEL ARTE: ... 21

2.2. MARCO TEÓRICO. ... 24

2.2.1. CONVERGENCIA DEL SECTOR AUTOMOTRIZ CON EL SECTOR ELECTRÓNICO. 24 2.2.2. REDES DE SENSORES. ... 26

2.2.3. PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMÁGENES. ... 30

2.2.4. SISTEMAS EMBEBIDOS. ... 33

2.2.5. INTERNET DE LAS COSAS IOT ... 35

3. DISEÑO ... 39

3.1. DIAGRAMA DE BLOQUES. ... 39

3.2. ALCANCES Y LIMITACIONES. ... 41

3.2.1. ALCANCES: ... 41

3.2.2. LIMITACIONES ... 42

3.3. RECURSOS ... 42

3.3.1. HUMANOS. ... 42

3.3.2. FÍSICOS Y MATERIALES... 43

3.3.3. ECONÓMICOS ... 43

4. Implementación ... 44

4.1. SELECCIÓN Y PRUEBA DE SENSORES. ... 44

4.1.1. SENSOR CAPACITIVO TTP223B. ... 44

4.1.3. SENSOR DE ULTRASONIDO HC - SR04 ... 46

4.1.4. ACELERÓMETRO ADLX345 ... 46

4.1.5. RFID ... 47

4.2. UBIDOTS Y RASPBERRY. ... 48

4.2.1. UBIDOTS ... 48

4.2.2. RASPBERRRY PI. ... 50

4.3. SENSORES, PYTHON Y RASPBERRY. ... 53

4.3.1. SENSOR CAPACITIVO TTP223B. ... 53

4.3.2. SENSOR DE MOVIMIENTO PIR HC-SR501 ... 55

4.3.3. SENSOR DE ULTRASONIDO HC - SR04 ... 56

4.3.4. ACELERÓMETRO ADXL345 ... 57

4.4. RECONOCIMIENTO FACIAL Y RFID ... 59

4.4.1. RFID ... 59

4.4.2. RECONOCIMIENTO FACIAL... 61

4.5. DESARROLLO DE LA APLICACIÓN ANDROID. ... 66

4.5.1. HERRAMIENTAS Y TECNOLOGÍAS UTILIZADAS PARA LA APLICACIÓN. ... 66

4.5.2. FASES DE IMPLEMENTACIÓN ... 68

5. Evaluación ... 82

5.1. UBICACIÓN ESTRATÉGICA E LA RED DE SENSORES EN EL AUTOMÓVIL: ... 82

6. Análisis de Resultados ... 84

7. Conclusiones ... 87

Trabajos Futuros ... 88

Referencias... 89

ANEXOS ... 94

ANEXO A-LIBRERÍAS SENSORES PYTHON. ... 94

ANEXO B- IMPLEMENTACIÓN PYTHON ... 101

ARQUITECTURA ANDROID STUDIO... 105

Índice de Figuras

FIGURA 1. AUTOMATIC [10] ...¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.

FIGURA 2. FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR ULTRASONIDO [41]. ... 28

FIGURA 3. FUNCIONAMIENTO INTERNO SENSOR CAPACITIVO [42]. ... 28

FIGURA 4. SISTEMA MICRO ELECTROMECÁNICO PARA LA ACELERACIÓN EN 1 EJE [43]. ... 29

FIGURA 5. SENSOR DE MOVIMIENTO [60]. ... 29

FIGURA 6. LBP 3X3 [46]. ... 32

FIGURA 7. VECINOS CALCULADOS CON EL OPERADOR [46]. ... 32

FIGURA 8. IMÁGENES LBP DE UNA IMAGEN MODIFICADA ARTIFICIALMENTE [46]. ... 33

FIGURA 9. DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO DE UN MÓDULO TÍPICO DE SE [34]. ... 35

FIGURA 10.ESCENA DEL EMERGENTE IOT [35]. ... 36

FIGURA 11. LOGO UBIDOTS [50]. ... 37

FIGURA 12. IMAGEN OBTENIDA DE UBIDOTS [52]. ... 37

FIGURA 13. DIAGRAMA DE BLOQUES FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE SEGURIDAD PARA AUTOMÓVILES. ... 39

FIGURA 14. CIRCUITO DEL SENSOR TTP223B [64]. ... 44

FIGURA 15. SENSOR TTP223B [64]. ... 44

FIGURA 16. CIRCUITO DEL SENSOR HC-SR501 [64.] ... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 17. SENSOR PIR HC-SR501 (VISTA SUPERIOR E INFERIOR) [65] ... 45

FIGURA 18. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR HC - SR04 [66].¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 19. SENSOR HC - SR04 [66]. ... 46

FIGURA 20. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ADLX345 [67].¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 21. ACELERÓMETRO ADLX345 [67]... 47

FIGURA 22. MÓDULO RFID-RC522 ... 48

FIGURA 23. INTERFAZ DE INSCRIPCIÓN EN UBIDOTS [68] ... 48

FIGURA 24. INTERFAZ DE CREACIÓN DE FUENTES [69] ... 49

FIGURA 25. CREACION DE UNA VARIABLE EN UBIDOTS [70]. ... 49

FIGURA 26. ID DE LA VARIABLE [70]. ... 50

FIGURA 27. ID DE LA VARIABLE [60]... 50

FIGURA 28.RASPBERRY PI MODELO B+ [61]. ... 52

FIGURA 29.DISTRIBUCIÓN DE LOS PINES DE LA RASPBERRY PI [61]. ... 52

FIGURA 30. ADAPTADOR WIFI TP-LINK TL-WN725N ... 53

FIGURA 31.CONEXIÓN DEL SENSOR CAPACITIVO TTP223B A LA RESPBERRY PI ... 54

FIGURA 32.CÓDIGO EN PYTHON PARA EL SENSOR TTP223B ... 54

FIGURA 33.VARIABLE DEL SENSOR CAPACITIVO EN UBIDOTS ... 55

FIGURA 35. CÓDIGO EN PYTHON DEL SENSOR DE MOVIMIENTO HC-SR501 .. 55

FIGURA 36. VARIABLE DEL SENSOR DE MOVIMIENTO EN UBIDOTS ... 56

FIGURA 37. CONEXIÓN DEL SENSOR DE ULTRASONIDO HC - SR04 ... 56

FIGURA 38. CÓDIGO DEL SENSOR DE ULTRASONIDO ... 57

FIGURA 39. VARIABLE DEL SENSOR DE ULTRASONIDO EN UBIDOTS ... 57

FIGURA 40. CONEXIÓN DEL ACELERÓMETRO ADXL345 ... 58

FIGURA 41. CÓDIGO DEL ACELERÓMETRO ADXL345¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 42. VARIABLE DEL SENSOR DEL ACELERÓMETRO EN UBIDOTS¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 43. MENÚ PARA HABILITAR I2C EN RASPBERRY PI ... 58

FIGURA 44. CÓDIGO DEL ACELERÓMETRO ADXL345 ... 59

FIGURA 45. VARIABLE DEL SENSOR DEL ACELERÓMETRO EN UBIDOTS... 59

FIGURA 46. CONEXIÓN DEL MÓDULO RFID A LA RASPBERRY PI ... 60

FIGURA 47. MENÚ PARA HABILITAR SPI EN RASPBERRY PI ... 60

FIGURA 48. CÓDIGO DEL MÓDULO RFID... 61

FIGURA 49. MENÚ DE CONFIGURACIÓN DE RASPBERRY PI ... 62

FIGURA 50. CARACTERÍSTICAS DE DOS RECTÁNGULOS (A), CARACTERÍSTICAS DE TRES RECTÁNGULOS (B), CARACTERÍSTICAS DE CUATRO RECTÁNGULOS (C) [72] ... 62

FIGURA 51. CÓDIGO PARA RECONOCER ROSTROS. ... 63

FIGURA 52. EXTRACCIÓN DEL ROSTRO EN LA IMAGEN ... 63

FIGURA 53. CÓDIGO PARA REALIZAR EL ENTRENAMIENTO. ... 64

FIGURA 54. IMÁGENES PARA EL ENTRENAMIENTO DEL SISTEMA DE RECONOCIMIENTO FACIAL. ... 64

FIGURA 55. CÓDIGO PARA REALIZAR LA IDENTIFICACIÓN. ... 65

FIGURA 56. PRUEBA DEL RECONOCIMIENTO FACIAL DEL PERSONAJE ENTRENADO. ... 66

FIGURA 57. DATOS PORCENTUALES SOBRE LA DISTRIBUCIÓN DE VERSIONES DE ANDROID, ENERO DE 2016 [73]. ... 67

FIGURA 58. INTERFAZ GRÁFICA DE BIENVENIDA. ... 68

FIGURA 59. PÁGINA 000WEBHOST.COM ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 60. CREACIÓN DE CUENTA 000WEBHOST. ... 69

FIGURA 61. CARACTERÍSTICAS Y UTILIDADES DE LA CUENTA. ... 70

FIGURA 62. CREACIÓN DE LA BASE DE DATOS MYSQL. ... 70

FIGURA 63. ESTRUCTURA BASE DE DATOS. ... 71

FIGURA 64. CONEXIÓN CON LA BASE DE DATOS. ... 72

FIGURA 65. ADMINISTRADOR DE ARCHIVOS PHP. ... 72

FIGURA 66. COMPROBACIÓN CONEXIÓN BASE DE DATOS. ... 72

FIGURA 67. ESTAMENTO SQL INSERT... 73 FIGURA 68. COMPROBACIÓN INSERCIÓN DATOS. .... ¡ERROR! MARCADOR NO

FIGURA 69. CONEXIÓN BASE DE DATOS Y CADENA JSON PARA OBTENER DATOS.

... 73

FIGURA 70. VALIDACIÓN DE CADENA JSON. ... 74

FIGURA 71.USUARIO REGISTRADO EN LA BASE DE DATOS. ... 75

FIGURA 72. (A) INGRESO USUARIO REGISTRADO. (B) USUARIO Y CONTRASEÑA INCORRECTA. ... 75

FIGURA 73. (A) INTERFAZ REGISTRAR. (B) TABLA CON LOS DATOS PROPORCIONADOS POR EL USUARIO. ... 76

FIGURA 74- INTERFAZ GRÁFICA ACTIVAR SISTEMA. ... 76

FIGURA 75. VARIABLE ACTIVAR SISTEMA.¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 76. LIBRERÍAS UBIDOTS. ... 77

FIGURA 77. OBTENCIÓN DE ID DEL USUARIO. ... 77

FIGURA 78. ID DE LA VARIABLE MOVIMIENTO. ... 77

FIGURA 79. PERMISOS DE USO DE INTERNET [78]. ... 77

FIGURA 80. CLASE ASYNCTASK PARA OBTENCIÓN DE VARIABLE MOVIMIENTO. ... 78

FIGURA 81. CLASE ASYNTASK PARA EL ENVÍO DE VARIABLES. ... 78

FIGURA 82. (A) ESPECIFICACIONES DE LA VARIABLE ONOFF. (B) ULTIMOS DATOS OBTENIDOS DESDE ANDROID. ...¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 83. CÓDIGO PARA ENVIAR NOTIFICACIONES. ... 79

FIGURA 84. NOTIFICACIÓN EN LA BARRA DE ESTADO SENSOR DE MOVIMIENTO ACTIVADO ... 80

FIGURA 85. INTERFAZ DE ALERTAS... 80

FIGURA 86. OPCIÓN SHARE (COMPARTIR). ... 81

FIGURA 87. IMAGEN OBTENIDA EN LA APLICACIÓN DESDE DROPBOX. ... 81

FIGURA 88. VARIABLE ALARMA UBIDOTS OBTENIDA DESDE ANDROID.¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 90. UBICACIÓN DEL SENSOR DE ULTRASONIDO. ... 82

FIGURA 91. UBICACIÓN DEL SENSOR CAPACITIVO. ... 82

FIGURA 92. UBICACIÓN DEL MÓDULO RFID. ... 83

FIGURA 93. UBICACIÓN DE LA CÁMARA. ... 83

FIGURA 89. IMÁGENES DE PRUEBA DE APLICACIÓN PARA EL SISTEMA DE SEGURIDAD PARA AUTOMÓVILES. ..¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. Índice de Tablas TABLA 1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MÓDULO WIFI¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. TABLA 2. COSTOS. ... 43

Introducción

El uso de automóviles es muy común en el mundo actual, pues existe una gran variedad de ellos en el mercado y es por esta razón que la industria automovilística se renueva a pasos agigantados realizando mejoras a sus productos. La mayoría de estas mejoras están dirigidas al campo de la seguridad garantizando la integridad del automóvil y agregando un valor importante al vehículo [1].

Hasta la década de 1960 un auto convencional estaba básicamente conformado por componentes mecánicos; la integración de componentes electrónicos inicia su ascenso en los años setenta En promedio, un nuevo vehículo integra más de 40 millones de unidades de control electrónico, 8 mil metros de cables y más de 10 millones de líneas de código software [2]. Por esta razón se puede afirmar que el vehículo actual se parece cada vez más a una computadora y cada vez menos a los diseños surgidos al principio del siglo XX. Esta nueva capacidad de los vehículos de procesar información y de adaptarse al ambiente convierte a este sistema complejo en un sistema complejo adaptable [3].

1.

Fundamentos Preliminares

1.1.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

A pesar de los importantes avances tecnológicos, la cantidad de hurtos de automóviles y sus partes es exorbitantemente alta. En los últimos cinco años en Colombia se han denunciado como hurtados 44.490 automotores (art. 239 del Código Penal Colombiano –Ley 599 de 2000–); por este delito se han capturado en el país, en estos años, 3.783 personas, y por receptación, 13.259; además, se han recuperado por la Policía un total de 34.272 automotores (1.267 de otros países).[5]

Esta problemática se nutre, en gran medida, del aumento del parque automotor a nivel mundial, la inserción del vehículo como parte de la cotidianidad y su uso cada vez más extendido; todo sumado a la connotación social que tiene la adquisición y uso de un vehículo (considerado como un sinónimo de estatus). Este fenómeno de incremento es origen de recursos para los criminales y organizaciones delincuenciales, y también fuente de atención analítica para los criminólogos y las autoridades [5].

Debido al alto costo del uso de parqueaderos públicos es muy frecuente que la gente estacione su auto en las aceras de la calle por cuestión de economía pero se expone a situaciones de inseguridad y se arriesga la integridad del auto, haciendo importante el papel de los sistemas de alarmas y seguridad de los vehículos.

apertura. También incluyen un sistema de disparo por rotura de cristales que puede ser por sonido, ultrasonido, rotura de pista sensible, etc.

Los vehículos modernos incorporan también un sistema de bloqueo de arranque en la llave original llamado transponder. Con este sistema el vehículo no puede ser encendido con otra llave que no sea la original. Pero a pesar de la existencia de este tipo de sistemas de seguridad, a nivel local los autos que posee la población son en su mayoría de gama media y gama baja por lo que no tienen sistemas de seguridad completos y eficaces. Al instalar una alarma convencional se requiere en muchas ocasiones intervenir el sistema eléctrico, lo que puede causar conflictos y costos elevados, y pueden llegar a ser ineficaces si el usuario se encuentra a una distancia considerable.

Este trabajo propone un sistema de seguridad basado en el concepto del internet de las cosas (IOT) que definido por CISCO es la reunión de personas, procesos, datos y cosas para hacer conexiones en red más relevantes y valiosas que nunca, convirtiendo la información en acciones que crean nuevas capacidades, experiencias más enriquecedoras, y oportunidades económicas sin precedentes para las empresas, los individuos y los países [6].

Este sistema aprovechará los datos proporcionados por sensores estratégicamente colocados en el auto que serán procesados y guardados en una nube en internet, a partir de un sistema embebido que se conecta a internet a través de un módulo WIFI. Además, este sistema propone la apertura de las puertas por medio de reconocimiento facial de usuarios previamente registrados, de modo tal que si un individuo no registrado intenta intervenir de alguna forma el vehículo, el sistema hará una captura de imagen del rostro de éste, para que así el propietario del vehículo tome las acciones pertinentes con la información suministrada.

Para la interacción con el usuario se desarrollará una aplicación para Smartphone la cual permitirá dar aviso sobre algún riesgo para la integridad del auto, aprovechando de esta forma la permanente conexión a internet móvil con que, según el Ministerio de Tecnologías de la Información y las comunicaciones (TIC), cuentan aproximadamente 5.170.887 usuarios en el país [7].

1.2. JUSTIFICACIÓN

de un sistema de seguridad para un automóvil que permita, por medio de una aplicación, para Smartphone advertir cualquier irregularidad con la integridad del auto, garantiza poner en práctica el manejo de tarjetas de desarrollo como microcontroladores y sistemas embebidos, obtención de datos conseguidos a partir de las herramientas que ofrece la instrumentación industrial como los sensores, y el uso del procesamiento digital de imágenes para reconocimiento facial.

Por tal circunstancia, este proyecto debe encadenar las múltiples áreas de conocimiento de la ingeniería electrónica enfocándolas a un objetivo común que es el desarrollar un sistema de seguridad que mejorará las condiciones de vida de las familias que posean un vehículo en las ciudades donde se presentan graves problemas de inseguridad.

La idea así se presenta como un desarrollo conjunto en el que se hará un uso práctico de lo aprendido durante las diferentes clases de la ingeniería y cuyo principio será proporcionar soluciones para la culminación de este proyecto. Con el desarrollo de un sistema como el propuesto, se puede intensificar e incentivar la aplicación de la electrónica en la realización de nuevos proyectos que ayuden a mejorar el bienestar del ser humano y dar soluciones prácticas a problemas que se presentan en el día a día de la sociedad contemporánea.

A nivel socio-económico se puede observar que es evidente como el desarrollo de las nuevas tecnologías ha influido directamente en la vida de las personas y el enfoque de la sociedad, lo que hace indispensable la participación de la ingeniería en los diferentes procesos cotidianos que se llevan hoy día. Una manera de hacerlo es con la contribución a los desarrollos de las nuevas tecnologías y la implementación de éstas y esto se logra fundamentalmente por medio de lo que el campo ingenieril aporta a la vida cotidiana. Con el desarrollo de un sistema como el propuesto se puede innovar y dar solución a un problema de seguridad cotidiana por medio de los sistemas embebidos y el procesamiento digital de imágenes. Además permite brindar al usuario la comodidad y practicidad de tener las alertas en sus celulares o tabletas de cualquier posible perjuicio a su automóvil.

producen cierto nivel de interés y expectativa, por lo tanto también se hace necesario para los autores adicionar conceptos afines. Por otra parte, es importante la realización de este proyecto para contextualizar las necesidades de trabajar en equipo, y a su vez entender todo el proceso que esto conlleva, como lo es la planeación y ejecución de los métodos de trabajo, que además de ser importantes en la ingeniería hacen parte indispensable de la formación como seres humanos en diferentes situaciones de la vida cotidiana.

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un sistema de seguridad basado en el concepto del internet de las cosas (IOT) haciendo uso de la adquisición de datos proporcionados por sensores instalados en el vehículo y una aplicación para Smartphone que permite la interacción con usuario.

1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Realizar la selección de los diferentes sensores adecuados para el sistema, haciendo un estudio de la posible ubicación espacial de estos quienes que conformaran la red y que transmitirán datos adquiridos.

• Realizar la conexión entre la red de sensores y el sistema embebido para adquirir y procesar los datos.

• Crear un sistema de apertura de puertas a partir del reconocimiento facial de usuarios registrados a partir de la toma de imágenes por medio de una cámara digital.

• Generar una aplicación para Smartphone, la cual permite la interacción entre el usuario y el sistema de seguridad.

1.4. METODOLOGÍA:

Para alcanzar los objetivos propuestos en este proyecto que en general busca desarrollar una aplicación para Smartphone para advertir cualquier irregularidad con la integridad del automóvil, se propuso trabajar en tres fases. (i) Fase de diseño, (ii) Fase de Implementación y, (iii) Fase de Evaluación.

Para la creación de esta idea fue necesario identificar el problema descrito anteriormente y por medio de éste buscar una solución práctica, económica y accesible. En esta etapa se describió el problema, los objetivos y la guía de trabajo en general así como se hizo necesaria la escritura del anteproyecto presentado anteriormente.

1.4.2. FASE DE IMPLEMENTACIÓN.

En esta fase se presenta el aspecto práctico del proyecto en donde se desarrolló nuestra idea enmarcada en alcanzar el objetivo general. Para desarrollar el sistema se crearon varias etapas:

Realizar la selección de los diferentes sensores adecuados para el sistema, haciendo un estudio de la posible ubicación espacial de estos quienes que conformaran la red y que transmitirán datos adquiridos. En esta etapa se realizó la selección y pruebas de diferentes sensores que fueron utilizados en el sistema. De la misma forma se realizaron estudios previos al medio donde se ubicaron las cámaras y sensores, como por ejemplo la iluminación a la que estarán expuestos los equipos y el suministro de energía para el correcto funcionamiento de estos.

Conexión entre la red de sensores y el sistema embebido. Durante esta etapa se realizó la conexión entre la red de sensores y el sistema embebido RASPBERRY PI.

Procesamiento de la información adquirida. Luego de realizar la conexión entre sensores y la tarjeta de desarrollo, se prosiguió a almacenar y procesar la información adquirida y subirla a internet.

Toma y procesamiento de la imagen para el reconocimiento facial. Se adquirieron imágenes por medio de la cámara para realizar el análisis de parámetros y características de rostros que se implementaran en el sistema para el correcto funcionamiento de apertura de puertas.

Integración de la red de sensores, la tarjeta de desarrollo y la aplicación. En esta etapa se integraron cada una de las etapas anteriores para conformar el sistema completo.

1.4.3. FASE DE EVALUACIÓN.

Finalmente, una vez desarrollada la idea principal del proyecto, se hizo la consolidación de la información obtenida y se presentarán en forma de evidencias así:

- Prueba en un automóvil.

Se hará una presentación a partir de un video, del sistema funcionado correctamente en un automóvil, demostrando todas las ventajas que conlleva. Se responderán preguntas y se aclararán todas las dudas que puedan surgir frente al proceso de desarrollo y el funcionamiento de nuestro sistema de seguridad.

- Documentación.

2.

Marco Referencial

2.1. ESTADO DEL ARTE:

El presente estado del arte tiene como fin presentar de forma general los esfuerzos realizados por diferentes instituciones, autores o grupos para solucionar el problema de inseguridad presentado en el sector automovilístico. De esta forma se analizará dicha situación desde lo identificado en primer lugar en relación al sector automotor, luego desde la incorporación de IOT en este campo tecnológico y se concluirá con la revisión de la literatura y trabajos investigativos enfocados en estos campos.

Actualmente existen varios tipos de alarmas y sistemas de seguridad para automóvil tales como alarmas de sonido y parpadeo de luz, diversos sistemas que permiten bloquear el volante o la palanca de cambios, sistemas con GPS, entre otros. La clasificación de sistemas de seguridad y alarmas que se brinda en la página web Moto Rusa en Argentina al usuario actualmente. Por ejemplo, en cuanto a una alarma básica se ofrece con servicio de sirena y bloqueo de motor que se activa y se desactiva usando un control remoto manual. En las alarmas de dos vías, se presenta un sistema de seguridad vehicular que puede contar con controles bidireccionales, estos métodos de alarma cuentan con un sistema de comunicación muy eficiente entre el dispositivo de seguridad y el mando que lo controla y asimismo, el mando recibe órdenes de la alarma y ésta también puede recibir órdenes del mando para conocer el estado del vehículo.

con localizador GPS que se encarga de comunicar las coordenadas GPS del auto enviando SMS al móvil.

Los sensores que incluyen las alarmas para auto pueden ser de diversos tipos. Sensores de impacto que detectan cualquier golpe que reciba el auto. Sensores de proximidad estos mediante un radar perimetral vigilan el entorno del auto, sin necesidad de que nadie la toque. Sensores de movimiento e inclinación que emplean detectores de mercurio para proteger al auto contra ladrones con grúa y hoy en día ya se encuentran disponibles los sensores por acelerómetro que detectan diferencias de aceleración lo que hacen que se detecten movimientos en cualquier sentido incluso protegiendo el robo de las ruedas del auto.

Además se cuenta con sensores de corte de alimentación que detectan si se desconecta la batería. Sensores de botón para las puertas, baúl y capot y sensores de Micrófono: para proteger los cristales. Finalmente, otros sensores utilizados son los sensores volumétricos o de ultrasonido que se encargan de proteger los cristales y si se deja un vidrio abierto no permite que nadie introduzca una mano para robar algo dentro del vehículo y sensores de puesta en contacto que detectan la puesta en marcha del vehículo[8].

A pesar de que en Colombia se consiguen este tipo de sistemas, la información que se obtiene de las empresas es limitada por lo que se la información se obtiene de la página web de la tiende Moto Rusa que ofrece información más detallada sobre el tema.

En este momento, las aplicaciones del internet de las cosas son muy numerosas, ya que es un concepto relativamente nuevo (más que todo en Latinoamérica), cada día los ingenieros experimentan más y más con nuevos posibles aplicativos en esta área. Por ejemplo Dave Evans de Cisco (2011) menciona algunos ejemplos en su documento Internet de las cosas Cómo la próxima evolución de Internet lo cambia todo [9]. A continuación se mencionan estos ejemplos:

La vaca sagrada: en esta idea se plantea insertar sensores en las orejas del ganado, la idea de este proceso es que el dueño del ganado pueda monitorear la salud y el movimiento de este para poder obtener carne más saludable y de mejor calidad. En promedio cada vaca genera alrededor de 200 Megabytes de información al año [9].

Warden Road pagan por este servicio USD 0,03. Vale la pena aclarar que la zona más pobre entre las anteriormente mencionada es Dhariva, y es claro que estos pagan 37 veces más por el agua, que es una necesidad humana básica. Y la explicación de porqué existe esta diferencia de precios es que en la zonas más pobres es más costoso prestar servicios, ya que en estas zonas se presentan situaciones de robo, infraestructuras ineficientes y pérdidas de agua [9].

Gracias a sus sensores omnipresentes y a sistemas conectados, IOT proporcionará a las autoridades más información y control a fin de identificar y corregir estos problemas. De esta forma, será posible que los servicios públicos funcionen con más rentabilidad y así exista un incentivo adicional para mejorar las infraestructuras de los vecindarios más pobres. El aumento de la eficacia permitirá disminuir los precios [9].

Mejor calidad de vida para los ancianos: ya que la población de ancianos es bastante elevada, se puede crear un dispositivo portátil que permita monitorear los signos vitales de una persona y envíe alertas a los médicos encargados de su salud, o pueda percibir si alguna persona que algún impedimento tenga algún inobediente y pueda ser asistido [9].

Las anteriores son tan solo ideas que Dave Evans, de Cisco, menciona que se pueden llevar a cabo con IOT. Como se mencionó anteriormente las aplicaciones que puede surgir con IOT son innumerables, existen algunas empresas que ya cuentan con varios dispositivos que desarrollaron con este concepto. Un ejemplo de estas empresas es Postscapes [9]. Baby check, traking deportivo, termostatos inteligentes, recordatorio de pastillas, domótica, traking de objetos perdidos, pastillas inteligentes, enchufes conectados, son algunos de los dispositivos que podemos encontrar en postscapes.com (2015).

En cuanto al área automovilística, se ha usado IOT para crear varios dispositivos, como asistentes de conducción y dispositivos que contribuyan a la seguridad. Algunos ejemplos de dispositivos como estos serán mencionados a continuación:

Automatic: es un asistente de conducción inteligente que le puede ahorrar dinero en gasolina, recuerda dónde estacionó, e incluso pedir ayuda en coso de un accidente [10].

su estado mecánico o ver dónde y qué tan rápido el conductor está conduciendo en tiempo real [10].

En cuanto a lo que con seguridad tiene que ver esta empresa fábrica algunos dispositivos de rastreo y asistentes de conducción como lo que se mencionan continuación:

Carlock: da la ubicación del vehículo al usuario por medio de GPS y envía los datos a su teléfono celular (smartphone) [10].

SplitSecond: este dispositivo se encarga de enviar alertas para enviar cualquier tipo de asistencia requerida en caso de que el conductor sufra algún tipo de accidente [10]. Estos dispositivos son de un tamaño bastante cómodo y claramente su diseño permite una instalación simple en cualquier automóvil. A pesar de que son dispositivos bastante útiles, en Colombia son muy pocas las empresas que actualmente prestan servicios de este tipo, además que sus limitan a funciones concretas. Además su precio es considerablemente alto ya que cada uno de estos cuesta alrededor de unos 100 dólares americanos.

2.2.MARCO TEÓRICO.

2.2.1. CONVERGENCIA DEL SECTOR AUTOMOTRIZ CON EL SECTOR ELECTRÓNICO.

Durante el periodo 1960-1969, las empresas del sector automotriz experimentaron el uso de componentes electrónicos. En 1960, Electric Autolite y Delco-Remy iniciaron el uso de transistores con el propósito de regular la energía eléctrica de los interruptores (breaker points). En 1961, Joseph Lucas, Ltd., patentó un sistema de encendido transistorizado que elimina la vieja tecnología de los interruptores. EN 1963, Delco introdujo de una manera comercial el sistema de encendido transistorizado en los modelos Pontiac [13].

En este periodo resulta difícil la integración de los componentes electrónicos en un vehículo automotor. La industria requiere componentes pequeños, de bajo costo, confiables, resistentes, no sensibles a las altas temperaturas y a la vibración que proviene de los motores de combustión y/o de las condiciones de las carreteras.

componentes electrónicos; en consecuencia, se empezó a requerir de nuevos diseños. Con el desarrollo de los microprocesadores o unidades de control electrónico (ECU, por sus siglas en inglés) se inició una fase comercial acelerada de integración.

A principios de la década de 1970, se introdujo el sistema electrónico de inyección de combustible; desde entonces el proceso no se ha detenido: aire acondicionado automático (1971), sistema electrónico de control de frenos (1971), sistema de encendido electrónico (1973) [13].

La integración de los componentes electrónicos en la industria automotriz se produjo como resultado de los siguientes sucesos: I) La intensa competencia al interior del sector automotriz por producir vehículos con atributos novedosos. II) Las exigencias gubernamentales de disminuir los niveles de emisión de contaminantes, lo cual se convierte en un poderoso mecanismo de convergencia; el ejemplo paradigmático es la transición del carburador al sistema electrónico de inyección de combustible (fuel inyection). III) Las mayores exigencias de seguridad por parte de los usuarios y de los gobiernos de países desarrollados provocan la transformación de diferentes áreas funcionales del vehículo, por ejemplo, las bolsas de aire y el sistema de frenos controlado electrónicamente. IV) Los usuarios demandan vehículos con mayor confort, entretenimiento (CD, TV, ipod) e información (GPS). V) A partir de la crisis energética de inicios de 1970 y del incremento en los precios del petróleo, el mercado se inclinó por vehículos con mayor economía de combustible; esta situación provocó reemplazar el carburador y los sistemas mecánicos (pesados) por sistemas electrónicos. VI) La necesidad de resolver desequilibrios tecnológicos de la vieja tecnología asociada con la mecánica y que sólo el nuevo paradigma de la electrónica puede resolver; por ejemplo, utilizando la antigua tecnología no era posible contar con un sistema de encendido más eficiente y de bajo mantenimiento, pero el sistema electrónico de encendido si lo hizo. VII) El incremento en la confiabilidad y la calidad de los componentes electrónicos alientan la incorporación de nuevos y más complejos sistemas que cumplen con un mayor número de funciones. VIII) la madurez de los procesos de manufactura y ensamble de los componentes electrónicos permite diseñar componentes electrónicos altamente específicos en el sector automotriz, como es el caso de la producción del sistema electrónico de inyección de combustible, pues requiere maquinaria de alta precisión y confiabilidad para ser producido [13,14, 15].

dólares, lo que representaba el 5% del costo total de materiales y componentes de un fabricante de vehículos. Para el año 2000, el 20% del costo de un vehículo se relacionaba con los componentes electrónicos (Murray, 2009), lo que representó 1 800 dólares [16].

Actualmente, en un vehículo promedio los componentes electrónicos contribuyen con más del 40% del costo total [17]. En los vehículos híbridos, el peso de los componentes electrónicos en la estructura de costos es aún mayor: el contenido electrónico (incluyendo la batería y el sistema de control de la batería) tiene un valor de 5 900 a 7 800 dólares; esto es, de 40 a 50% del costo total del vehículo híbrido [18]. Sintetizando, la sustitución de componentes mecánicos por componentes electrónicos originó un cambio importante en la estructura de costos del vehículo; a continuación se menciona este proceso.

2.2.2. REDES DE SENSORES.

Una red de sensores se compone de un gran número de nodos de sensores, que están densamente desplegadas ya sea dentro del fenómeno o muy cerca de ella. La posición de los nodos sensores no necesita ser diseñado o pre-determinado. Esto permite el despliegue aleatorio en terrenos de difícil acceso o las operaciones de socorro. Por otro lado, esto también significa que los protocolos de redes de sensores y algoritmos deben poseer capacidades de auto-organización. Otra característica única de las redes de sensores es el esfuerzo cooperativo de los nodos sensores. Nodos sensores están equipados con un procesador de a bordo. En lugar de enviar los datos en bruto a los nodos responsables de la fusión, los nodos sensores usan sus habilidades de procesamiento a nivel local realizan cálculos sencillos y transmitir sólo los datos requeridos y parcialmente procesados.

Las características descritas anteriormente aseguran una amplia gama de aplicaciones para redes de sensores. Algunas de las áreas de aplicación son la salud, militares y de seguridad.

2.2.2.1.

Un diseño de red de sensores está influenciada por muchos factores, que incluyen la tolerancia a fallos; escalabilidad; costos de producción; entorno operativo; topología de la red del sensor; limitaciones de hardware; medios de transmisión; y consumo de energía. A continuación se describen algunos de los factores a tener en cuenta:

- Tolerancia a Fallos:

Algunos nodos de sensores pueden fallar o ser bloqueada por falta de energía, tener daño físico o la interferencia ambiental. El fracaso de los nodos de sensores no debe afectar a la tarea general de la red de sensores. Esta es la cuestión de tolerancia fiabilidad o culpa. La tolerancia a fallos es la capacidad de mantener las funcionalidades de redes de sensores sin ninguna interrupción debido a fallos en los nodos de sensores [20].

- Escalabilidad.

El número de nodos de sensores desplegados en el estudio de un fenómeno puede estar en el orden de cientos o miles. Dependiendo de la aplicación, el número puede llegar a un valor extremo de millones. Los nuevos esquemas deben ser capaces de trabajar con este número de nodos. También deben utilizar la naturaleza de alta densidad de las redes de sensores [20].

- Costos de producción

Dado que las redes de sensores consisten en un gran número de nodos de sensores, el costo de un solo nodo es muy importante para justificar el coste global de las redes. Si el coste de la red es más caro que el despliegue de sensores tradicionales, tampoco costará-justificó la red de sensores. Como resultado, el costo de cada nodo sensor tiene que ser mantenido bajo [20].

- Limitaciones de hardware:

Un nodo sensor se compone de cuatro componentes básicos: una unidad de detección, una unidad de procesamiento, una unidad de transceptor y una unidad de potencia. También pueden tener componentes adicionales dependientes de aplicación tales como un sistema hallazgo ubicación, un generador de energía y un movilizador [20].

En la actualidad se pueden encontrar diversas formas de captar información del ambiente en el que se desarrolla la humanidad. Es por esto que existen múltiples tipos de sensores que pueden ser utilizados con fines específicos. A continuación se describen algunos de los sensores que fueron utilizados en este proyecto.

- Sensor ultrasonido.

Los ultrasonidos son antes que nada sonido, exactamente igual que los que oímos normalmente, salvo que tienen una frecuencia mayor que la máxima audible por el oído humano. Ésta comienza desde unos 16 Hz y tiene un límite superior de aproximadamente 20 KHz, mientras que nosotros vamos a utilizar sonido con una frecuencia de 40 KHz. A este tipo de sonidos es a lo que llamamos Ultrasonidos.

El funcionamiento básico de los ultrasonidos como medidores de distancia se muestra de una manera muy clara en la siguiente figura, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que rebota sobre un determinado objeto y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor de ultrasonidos [41]:

Figura 1. Funcionamiento del sensor ultrasonido [41].

- Sensor Capacitivo.

Figura 2. Funcionamiento interno sensor capacitivo [42].

Cuando se acerca un material frente a los electrodos, las líneas de campo comienzan a ejercer influencia sobre el material, realizándose así la polarización [42].

- Acelerómetro.

Los acelerómetros son dispositivos electromecánicos que detectan las fuerzas de aceleración, ya sea estática o dinámica. Las fuerzas estáticas incluyen la gravedad, mientras que las fuerzas dinámicas pueden incluir vibraciones y movimiento. Los acelerómetros pueden medir la aceleración en uno, dos o tres ejes. Los de tres ejes son más comunes conforme los costos de producción de los mismos baja [43].

Figura 3. Sistema micro electromecánico para la aceleración en 1 eje [43].

- Sensor de movimiento.

Figura 4. Sensor de movimiento [60].

- Sensores RFID.

Todo sistema RFID se compone de un interrogador o sistema de base que lee y escribe datos en los dispositivos y un "transponder" o transmisor que responde al interrogador [45].

El interrogador genera un campo de radiofrecuencia, normalmente conmutando una bobina a alta frecuencia. Las frecuencias usuales van desde 125 KHz hasta la banda ISM de 2.4 GHz, incluso más. El campo de radiofrecuencia genera una corriente eléctrica sobre la bobina de recepción del dispositivo. Esta señal es rectificada y de esta manera se alimenta el circuito. Cuando la alimentación llega a ser suficiente el circuito transmite sus datos. El interrogador detecta los datos transmitidos por la tarjeta como una perturbación del propio nivel de la señal [45].

2.2.3. PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMÁGENES.

El procesamiento digital de imágenes es un campo de investigación abierto. El constante progreso en esta área no ha sido por sí mismo, sino en conjunto con otras áreas con las cuales está relacionada como las matemáticas, la computación, y el conocimiento cada vez mayor de ciertos órganos del cuerpo humano que intervienen en la percepción y en la manipulación de las imágenes. Aunado a esto, la inquietud del hombre por imitar y usar ciertas características del ser humano como apoyo en la solución de problemas.

interpretación humana, y el procesamiento de datos de la imagen para la percepción de máquina autónoma en el que se incluyen etapas de transmisión y/o almacenamiento de estos datos. La herramienta usada en el tratamiento digital de las imágenes son las matemáticas; los conceptos que se verán son básicos. La computadora y los algoritmos que se implementan sobre éstas también tienen un papel muy importante en la manipulación de las imágenes [31, 32, 33].

2.2.3.1.

El reconocimiento facial basado en las características geométricas de una cara es probablemente el método más intuitivo de reconocimiento facial. Uno de los primeros sistemas de reconocimiento facial automatizado: puntos de marcador (posición de los ojos, los oídos, la nariz) se utilizaron para construir un vector de características (distancia entre los puntos, ángulo entre ellos). El reconocimiento se realizó mediante el cálculo de la distancia euclídea entre vectores de características de una imagen de sonda y de referencia. Tal método es robusto frente a cambios en la iluminación por su naturaleza, pero tiene un gran inconveniente: el registro exacto de los puntos del marcador es complicado, incluso con el estado de los algoritmos de arte. Un vector de características 22-dimensional se utilizó y experimentos sobre grandes conjuntos de datos han demostrado, que las características geométricas por sí solos no llevan la información suficiente para el reconocimiento facial [46].

Recientemente surgieron varios métodos para la extracción de características locales. Para evitar la alta dimensionalidad de los datos de entrada únicas regiones locales de una imagen se describen las características extraídas son más robustas frente a la oclusión parcial, iluminación y pequeño tamaño de la muestra. Los algoritmos utilizados para la extracción de características locales son Gabor Wavelets, discret Cosinus Transform y patrones binarios locales. Es todavía una cuestión abierta la investigación de cuál es la mejor manera de preservar la información espacial en la aplicación de una extracción de características locales, ya que la información espacial es información útil potencialmente [46].

2.2.3.2.

cada píxel, al igual 11001111. Así que con 8 píxeles circundantes que va a terminar con 2 ^ 8 combinaciones posibles, llamados patrones binarios locales o, a veces referido como códigos de LBP. El primer operador LBP descrito en la literatura en realidad usa un barrio fija 3 x 3 como muestra la siguiente figura.

Figura 5. LBP 3X3 [46].

Una descripción más formal del operador LBP se puede dar como:

(1)

Con (xc, yc) como pixel central con intensidad ic Y ip siendo la intensidad del pixel vecino. Y s es la función definida como:

(2)

Figura 6. Vecinos calculados con el operador [46].

El operador es una extensión de los códigos LBP originales, por lo que a veces se llama LBP extendido (también conocida como Circular LBP). Si un punto de coordenadas en el círculo no se corresponde con las coordenadas de imagen, interpolación el punto de LET. La informática tiene un montón de esquemas de interpolación inteligentes, la aplicación Open CV hace una interpolación bilineal:

(3)

Figura 7. Imágenes LBP de una imagen modificada artificialmente [46].

2.2.4. SISTEMAS EMBEBIDOS.

Un sistema embebido (SE) o sistema empotrado lo vamos a definir como un sistema electrónico diseñado específicamente para realizar unas determinadas funciones, habitualmente formando parte de un sistema de mayor entidad. La característica principal es que emplea para ello uno o varios procesadores digitales (CPUs) en formato microprocesador, micro controlador o DSP lo que le permite aportar ‘inteligencia’ al sistema anfitrión al que ayuda a gobernar y del que forma parte. En el diseño de un sistema embebido se suelen implicar ingenieros y técnicos especializados tanto en el diseño electrónico hardware como el diseño del software. A su vez también se requerirá la colaboración de los especialistas en el segmento de usuarios de tales dispositivos, si hubiese lugar a ello [34].

2.2.4.1.

- Tamaño: por lo general deberá ser reducido, aunque también es posible que se desee que adopte un formato estándar: PC-104, Eurocard, etc.

- Margen de temperatura especifico del ámbito de aplicación: o Gran consumo (0ºC hasta 70ºC) o Industrial y automoción. Márgenes de temperatura hasta 125ºC o Aeroespacial o Militar o Electro medicina.

- Consumo de energía: En aplicaciones en las que es necesario el empleo de baterías, se buscará minimizar éste.

- Robustez mecánica: Existen aplicaciones donde los dispositivos sufren un alto nivel de vibraciones, golpes bruscos, etc. En el diseño se deberá tener en cuenta dicha posibilidad.

- Coste: No es lo mismo diseñar un producto a medida con pocas unidades que diseñar un producto para el competitivo mercado del gran consumo. La calibración de los costes es esencial y es tarea de los ingenieros de diseño [34].

2.2.4.2.

En lo que se refiere al software, se tendrán requisitos específicos según la aplicación. En general para el diseño de un SE no se dispone de recursos ilimitados sino que la cantidad de memoria será escasa, la capacidad de cálculo y dispositivos externos será limitada, etc. Podemos hablar de las siguientes necesidades:

 Trabajo en tiempo real.

 Optimizar al máximo los recursos disponibles.

 Disponer de un sistema de desarrollo específico para cada familia de microprocesadores empleados.



2.2.4.3.

Figura 8. Diagrama de bloques simplificado de un módulo típico de SE [34].

2.2.5. INTERNET DE LAS COSAS IOT

IoT se refiere a un paradigma emergente que consiste la reunión de personas, procesos, datos y cosas para hacer conexiones en red más relevantes, convirtiendo la información en acciones que crean nuevas capacidades, experiencias más ricas y oportunidades económicas sin precedentes para las empresas, los individuos y los países [35, 36]

El origen de la IoT se ha atribuido a los miembros de la Auto-ID Center del MIT, la comunidad de desarrollo de la identificación por radiofrecuencia (RFID), alrededor del año 2000. Su idea era visionaria: se dirigen a descubrir información sobre un objeto etiquetado navegado en una dirección de internet o de una entrada de base de datos correspondiente a un RFID particular. Para hacer frente a la idea anterior, trabajaron en la elaboración del código electrónico de producto (EPC), es decir, un identificador universal que proporciona una identidad única para cada objeto físico, con el objetivo de difundir el uso de la RFID en redes en todo el mundo. Hoy en día, el concepto de las cosas es más general y no se limita a RFID solamente. Una cosa puede ser cualquier objeto real/física (por ejemplo, RFID, sensores, actuadores, elementos inteligentes), sino también una entidad digital / virtual, que se mueve en el tiempo y el espacio y puede ser identificada por los números de identificación asignados, nombres o direcciones de ubicación [37].

asociación ''un dispositivo / una función'' desaparece, sino todo el conjunto de objetos se convierte en el lugar en el que se activa la función, resultando todo ampliamente distribuidos [39].

El escenario emergente IOT se representa en la Fig. 9 Los dispositivos inteligentes se forman el llamado enjambre sensorial y serán la mayoría del sistema. Serán muy heterogéneas en términos de capacidades de recursos, tiempo de vida y tecnologías de la comunicación. Se superarán los dispositivos clásicos tales como teléfonos inteligentes y tabletas, que, por el contrario, formarán un camino para acceder a Internet. En el núcleo, en lugar de tener sistemas de computación tradicionales, la nube proporcionará la abstracción de un conjunto de equipos y ofrecerá servicios de computación y almacenamiento. Se prevé que el número de cosas conectada superará los 7 billones de dólares en 2025, con una estimación de unos 1.000 dispositivos por persona. Una parte de ellos será usable [27], pero la mayoría estará en la infraestructura.

Figura 9. Escena del emergente IoT [35].

2.2.5.1.

Figura 10. Logo UBIDOTS [50].

UBIDOTS es un servicio en la nube que permite almacenar datos de sensores y visualizarlos en tiempo real a través de una página web. También se puede configurar alertas Email o SMS dependiendo del valor de tus sensores, como por ejemplo "Envíame un SMS cuando mi garaje esté abierto" o "Envíame un Email cada vez que haya un movimiento en mi habitación"[51].

UBIDOTS posee una amplia colección de dispositivos compatibles entre ellos se encuentra RASPBERRY PI y Arduino. También posee amplias librerías y conexiones con lenguajes de programación como Python, Java, PHP, entre otros. Para la extracción y utilización de las variables que allí se encuentran se puede hacer conexión con aplicaciones Android por medio de Android Studio.

Figura 11. Imagen obtenida de UBIDOTS [52].

2.2.6. APLICACIONES ANDROID

basadas en la web multiteléfono. También es posible usar las bibliotecas Qt gracias al proyecto Necesitas SDK.

El desarrollo de aplicaciones para Android no requiere aprender lenguajes complejos de programación. Todo lo que se necesita es un conocimiento aceptable de Java y estar en posesión del kit de desarrollo de software o «SDK» provisto por Google el cual se puede descargar gratuitamente [53]. Todas las aplicaciones están comprimidas en formato APK, que se pueden instalar sin dificultad desde cualquier explorador de archivos en la mayoría de dispositivos.

2.2.6.1.

Android Studio es un entorno de desarrollo integrado para la plataforma Android. Fue anunciado el 16 de mayo de 2013 en la conferencia Google I/O, y reemplazó a Eclipse como el IDE oficial para el desarrollo de aplicaciones para Android. La primera versión estable fue publicada en diciembre de 2014 [53].

Está basado en el software IntelliJ IDEA de JetBrains, y es publicado de forma gratuita a través de la Licencia Apache 2.0. Está disponible para las plataformas Microsoft Windows, Mac OS X y GNU/Linux [53].

- Plataformas soportadas.

Android Studio está disponible para Windows 2003, Vista, 7, 8 y GNU/Linux, tanto plataformas de 32 como de 64 bits, Linux con GNOME o KDE y 2 GB RAM mínimo y Mac OS X, desde 10.8.5 en adelante [53].

2.2.6.2.

Bases de datos.

Una base de datos es una colección de información organizada de forma que un programa de ordenador pueda seleccionar rápidamente los fragmentos de datos que necesite. Una base de datos es un sistema de archivos electrónico [57].

-

MySQL.

Es un sistema de gestión de bases de datos relacional, multihilo y multiusuario con más de seis millones de instalaciones [58]. MySQL AB —desde enero de 2008 una subsidiaria de Sun Microsystems y ésta a su vez de Oracle Corporation desde abril de 2009— desarrolla MySQL como software libre en un esquema de licenciamiento dual [58].

Para la creación de esta idea fue necesario identificar el problema descrito anteriormente y por medio de éste buscar una solución práctica, económica y accesible. En esta etapa se describió el problema, los objetivos, alcances, limitaciones y la guía de trabajo en general así como se hizo necesaria la escritura del anteproyecto escrito anteriormente.

3.1. DIAGRAMA DE BLOQUES.

A continuación se presenta en la figura 12 el diseño propuesto en un diagrama de bloques y una descripción general de la funcionalidad de cada bloque.

Figura 22. Diagrama de Bloques funcionamiento del sistema de seguridad para automóviles.

- Sensores.

- Cámara digital.

La cámara utilizada en este proyecto se encarga de obtener imágenes para poder entrenar el sistema de reconocimiento facial y de obtener imagen del entorno donde se encuentra el vehículo cada cierto tiempo. La cámara utilizada es la cámara estándar para RASPBERRY Pi que cuenta con una gran resolución y alta definición para aplicaciones de seguridad [63].

A continuación se enuncian las características de la cámara seleccionada para el proyecto: • Tamaño: 25mm x 20mm x 9mm

• Peso: 3g aproximadamente • Resolución: 5 Megapíxeles.

• Tamaños de imagen: 2592 x 1944 imágenes estáticas,

• Video: 1080p, 720p60 o 640x480p60/90 a 30 fps. (marcos por segundo) [63].

- Administración de energía.

Se requiere una fuente de alimentación que provea a los dispositivos (sensores, y tarjeta principal) ubicados en el automóvil, energía para su activación y funcionamiento. Por esta razón se utilizará la fuente de energía con la que cuentan los automóviles, para el suministro de energía que necesita cada dispositivo. En caso de que los sensores estén demasiado alejados de la fuente principal, se podría considerar una fuente de energía externa de ser necesario.

- Tarjeta principal (RASPBERRY Pi):

La Tarjeta principal utilizada es RASPBERRY PI B+ [61], es la encargada de obtener los datos recolectados por los sensores y subirlos a la nube (UBIDOTS), haciendo uso del lenguaje de programación PYTHON. Su función también es obtener datos proporcionados por la aplicación Android que se encuentran en la nube, para realizar diferentes acciones como obtener imágenes con la cámara integrada a la tarjeta, encender una alarma sonora conectada de igual forma a esta y encender y apagar el sistema. La tarjeta principal es utilizada para depurar el algoritmo de detección de rostros y de reconocimiento facial.

UBIDOTS es un servicio en la nube que le permite almacenar y analizar información de sensores en tiempo real [64]. De esta manera, la información adquirida por los sensores seleccionados anteriormente y que han sido conectados a la tarjeta de desarrollo RASPBERRY PI B+ [61], serán almacenados en este servidor aprovechando las facilidades de conexión entre la RASBERRY y UBIDOTS.

Otra de las funcionalidades de UBIDOTS es la de poder obtener y visualizar las variables anteriormente almacenadas a partir de una aplicación Android, y desde esta igualmente se pueden enviar variables para que sean almacenadas.

- Interacción con el usuario. (Aplicación Android).

Para notificar al usuario sobre alguna perturbación en el vehículo, se diseña una aplicación para teléfonos móviles, inicialmente en el sistema operativo Android. Esta aplicación está directamente conectada a la base de datos que proporciona UBIDOTS, donde están almacenadas las variables obtenidas de los sensores.

A partir de los datos obtenidos de UBIDOTS, la aplicación permitirá tomar alguna clase de decisión al respecto, como por ejemplo, si el vehículo está siendo intervenido, se puede obtener una imagen, encender una alerta o enviar un mensaje de auxilio por medio de redes sociales y mensajes de texto. Este tipo de acciones se realizan enviando datos a la nube que son adquiridos de allí por la RASPBERRY.

3.2. ALCANCES Y LIMITACIONES.

3.2.1. ALCANCES:

 El proyecto abarca únicamente la implementación del sistema de seguridad en automotores de gama media y baja en Bogotá, Colombia. A pesar de que existen opciones similares en el mercado, la gran mayoría de ellas se encuentran centradas únicamente para los usuarios de carros gama alta.

3.2.2. LIMITACIONES

 El proyecto se restringe a realizar la parte electrónica del sistema de seguridad y realizar una prueba ubicando los sensores adecuadamente en el auto, pero no se implementará la parte mecánica del vehículo, como abrir partes internas del auto para ingresar los cables, debido a que no se cuenta con el conocimiento requerido para este trabajo.

 El proyecto se limita a un sensor de cada tipo para realizar la prueba y presentación. Para trabajos futuros se pueden implementar dos o más de ellos.  Este sistema se limita a las personas que tengan la capacidad económica de

costear la conexión a internet para su correcto funcionamiento. En caso de que el usuario no tenga conectividad a la red, quedaría excluido de la protección del sistema puesto que las notificaciones llegarían tarde y se perdería su verdadera función.

 En la primera parte de la creación de sistema, sólo se implementará para el sistema operativo Android. Aunque se tiene planeado que a un futuro se pueda implementar para otros sistemas operativos, en principio se diseñará exclusivamente para el sistema Android, debido a que es más simple, más económico y tiene un mayor número de consumidores.

 El sistema de apertura de puertas a partir del reconocimiento facial estará diseñado únicamente para automóviles cuyas puertas cuentan con mecanismos de apertura manual. Para los automotores que cuentan con apertura con asistencia eléctrica, no será posible de implementar debido a que las puertas están conectadas a la unidad de control del auto.

3.3. RECURSOS

3.3.1. HUMANOS.

Se contó con la asesoría del ingeniero Julián Camargo, y el desarrollo del proyecto se llevó a cabo por los estudiantes de ingeniería electrónica de la Universidad Distrital Michael Guzmán y Lina Toquica. Además de las contribuciones hechas por el revisor en la evaluación que realizó, Ingeniero Gustavo Puerto.

Se hará necesaria la adquisición de los sensores seleccionados, la tarjeta de desarrollo, módulo WIFI y la cámara digital. Se contará en la etapa de implementación con un televisor que tenga puerto HDMI para poder programar la RASPBERRY Pi por medio de la interfaz gráfica. De igual forma se necesita para el control de la tarjeta de desarrollo un cargador de 5V que suministre la energía, un mouse y un teclado. Se contó con un automóvil Renault Megane sedan modelo 2002 para realizar las pruebas del proyecto e instalar los dispositivos.

3.3.3. ECONÓMICOS

Para el desarrollo adecuado del sistema propuesto, se contará con el presente presupuesto en el que se muestra el cálculo de los gastos para la obtención de los equipos y materiales necesarios para lograr el objetivo tal y como se muestra a continuación:

Tabla 1. COSTOS.

EQUIPO O MATERIAL PRECIO

RASPBERRY Pi 1 modelo B+. $ 120.000

Adaptador de red WIFI. $ 20.000

Cámara. $ 80.000

Sensores. $ 100.000

Elementos adicionales. $ 50.000

TOTAL $ 370.000

4.

Implementación

Para la selección de los sensores que se implementaron el sistema se tuvieron en cuenta varios aspectos fundamentales. Como primer aspecto, se tuvo en cuenta la dimensión de éstos para facilitar la instalación sobre el automóvil. Como segundo aspecto, se buscaron sensores digitales ya que la RASPBERRY Pi no cuenta con un ADC (conversor analógico digital). Por último, se tuvo en cuenta que éstos contaran con un tiempo de respuesta elevado para poder generar las alertas a tiempo. A continuación se muestran los sensores seleccionados.

4.1.1. SENSOR CAPACITIVO TTP223B.

Este sensor básicamente funciona como un pulsador, cuando su superficie entra en contacto con la piel, la capacitancia cambia y al superar un umbral determinado envía un 1 lógico. Las figuras 13 y 14 muestran el circuito del sensor TTP223b y la estructura física [64].

Figura 33. Circuito del sensor TTP223B [64]. Figura 44. Sensor TTP223B [64].

Como se muestra en la figura 14 el sensor cuenta con 2 pines de alimentación (VCC y GND) y un pin que proporciona la señal digital. Las características principales de este sensor se enumeran a continuación [64].

 Voltaje de operación: 2V ~ 5.5V DC

 Corriente de operación máxima: 3uA (VDD=3V)  Tiempo de respuesta máximo: 220mS (VDD=3V)  Ajuste de sensibilidad con capacitor externo CS  Dimensiones: 23*23 mm

tiempo de respuesta es lo suficientemente bajo para esta aplicación y su tamaño ayuda a que la instalación en cualquier superficie sea simple.

4.1.2. SENSOR DE MOVIMIENTO PIR HC-SR501.

Cualquier cuerpo que tenga una temperatura mayor a 0°K (−273,15°C) emite radiación infrarroja. El sensor HC-SR501 es un sensor PIR (sensor infrarrojo pasivo), estos sensores son capaces de detectar pequeños cambios de en los niveles de radiación infrarroja, lo que se puede traducir en detección de movimiento. Al detectar movimiento este sensor envía un 1 lógico [65]. En la figura 16 se muestra la estructura física del mismo.

Figura 56. Sensor PIR HC-SR501 (vista superior e inferior) [65]

Este sensor cuenta con 2 pines de alimentación (+power y GND) y un pin que proporciona la señal digital de salida. A continuación se muestran las principales características de este sensor.

• Voltaje de operación: 4V ~ 20V DC • Corriente de operación: 65mA • Corriente en reposo: 50uA • Tiempo de respuesta: 200mS

• Ajuste de sensibilidad con potenciómetro • Ajuste de tiempo con potenciómetro • Dimensiones: 32*24 mm

• Salida en alto 3.3V / salida en bajo 0V • Angulo de detección: < 110° [65].

4.1.3. SENSOR DE ULTRASONIDO HC - SR04

Este sensor emite una ráfaga de ultrasonido en una frecuencia que está sobre el rango audible, luego recibe la señal (eco) que retorna cuando esta ráfaga golpea sobre alguna superficie. El HC –SR04 permite obtener el tiempo en retornar la señal y conociendo la velocidad del sonido (340m/s aproximadamente) se puede calcular la distancia a la que está algún objeto. En la figura 17 su estructura física [66].

Figura 67. Sensor HC - SR04 [66].

Este sensor cuenta con 4 pines (figura 21), 2 pines de alimentación (Vcc y GND), un pin que se encarga de recibir el pulso que le indica cuándo emitir la ráfaga de ultrasonido (Trig) y el pin que envía la señal al recibir la ráfaga (echo). A continuación se muestran las principales características del HC - SR0.

• Voltaje de operación: 5V DC • Corriente de operación: 15mA • Tiempo de respuesta: < 100mS • Dimensiones: 45*20*15 mm [66].

Gracias a su principio de funcionamiento, este sensor proporciona medidas que brindan una precisión suficiente para la implantación en este proyecto.

4.1.4. ACELERÓMETRO ADLX345