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Sistema de Seguridad con Acceso por Medio de Aplicativo Móvil

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Academic year: 2020

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Fecha de aceptación:

*Estudiante de Tecnología en Electrónica, Universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, Bogotá DC, Colombia, e-mail:cris.g2026@gmail.com

**Docente de Tecnología en Electrónica, Universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, Bogotá DC, Colombia, e-mail: hjeslavab@udistrital.edu.co

SISTEMA DE SEGURIDAD CON ACCESO POR MEDIO DE APLICATIVO

MOVIL

SECURITY SYSTEM ACCESSIBLE THROUGH MOBILE APPLICATION

Cristian Arley Gonzalez Gonzalez*, Hermes Javier Eslava Blanco**.

Resumen: El artículo realizado describe el diseño e implementación de un sistema de

seguridad donde su foco central es la tarjeta Raspberry pi 2, la cual permite el ingreso, testeo

de sensores y transmisión de una cámara pi; de un lugar determinado.

Para poder acceder al lugar se es necesario contar con dos validaciones que permiten el

ingreso. La primera validación es un lector RFID y la segunda un aplicativo móvil donde se

ingresa un usuario y contraseña. Si se tienen estas dos validaciones el sistema permitirá el

acceso al lugar.

El sistema está acompañado con el testeo de 3 sensores (movimiento, humo y apertura), los

cuales se monitorean con scripts en Python ,que están activos en tiempo real y continuo

mientras el sistema esté conectado, cuando algún sensor es activado se envían una alerta

por correo electrónico indicando que sensor se activo.

Para poder constatar que sucede con la alerta del sensor se implemento una Cámara Pi

NoIR Infrarroja que es una cámara propia de raspberry, la cual transmite en vivo (un

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Fecha de aceptación:

la raspberry con un servido de uv4l el cual transmite en vivo la cámara pi, esta visualización

se puede ver en el aplicativo android.

Palabras clave: RFID, SPI, Raspberry, Script.

Abstract: The article made describes the design and implementation of a system of security

where its central focus is the card Raspberry PI 2, which allows the income, testing of sensors

and transmission of a camera pi; a specific place.

To gain access to the place it is necessary to have two validations that allow the admission.

The first validation is a RFID reader and the second a mobile application where you enter a

username and password. If you have these two validations the system will allow access to the

site.

The system is accompanied with the testing of 3 sensors (movement, smoke and opening),

which are monitored with scripts in Python ,which are active in real time and continuous while

the system is connected, when a sensor is activated are sent an email alert indicating that

sensor is active.

To be able to say that happens with the alert of the implement sensor is a Camera Pi NoIR

infrared camera is an own of raspberry, which transmits live (a streaming) by means of UV4l

driver; This program enables you to bind the camera connected to the raspberry with a served

of uv4l which transmits live the camera pi, This display can be seen in the Android

application.

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Fecha de aceptación: 1. Introducción:

Un grave problema que aqueja a la sociedad hoy en día es la inseguridad, cada vez

debemos estar más pendientes de nuestras cosas ya sea en la calle, en el hogar o en

nuestro lugar de trabajo. [1]

Con este enfoque se decidió realizar el prototipo de un sistema de seguridad dirigido a

lugares pequeños; se quiso que el sistema abarcara diferentes campos de seguridad, como

un sistema de acceso, implementación de sensores y visualización de una cámara remota;

además que sea un dispositivo simple de utilizar y agradable para el usuario.

Iniciando por la parte del acceso donde se vio que al implementar dos validaciones para

poder ingresar incrementaba el factor de seguridad, por lo que se decidió implementar un

lector RFID y un aplicativo móvil; en caso de que se logre ingresar se utilizaron dos sensores

para alertar estos movimientos, uno de apertura y uno de movimiento estos sensores al ser

activados enviaran un correo electrónico que advertirá que se ha activado alguno de estos

sensores, también se implemento un sensor de humo que alerta del mismo modo su

activación ya que también es conveniente para cuidar nuestro lugar.

Finalmente se implemento que si se activaba un sensor, se pudiera corroborar que sucedía

en el lugar, por lo que se implemento una cámara pi NoIR Infrarroja que transmitiera por

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Fecha de aceptación:

2. Marco de referencias

2.1 Módulos

Los módulos utilizados son el RFID-RC522 y el modulo HC-06 implementados en la parte

que permite el acceso. Siendo el RFID la validación física y el HC-06 el enlace con el

aplicativo para la validación digital.

2.1.1 Modulo RFID

El modulo RFID-RC 522 es un módulo que utiliza 3.3V como voltaje de alimentación, con una

velocidad de lectura de 13.56Mhz y se controla a través del protocolo SPI, por lo que es

compatible con casi cualquier microcontrolador, Arduino o tarjeta de desarrollo (conexión con

raspberry en tabla 1). El RC522 utiliza un sistema avanzado de modulación y demodulación

para todo tipo de dispositivos pasivos de 13.56Mhz. Ideal para dispositivos portátiles o

tarjetas.[2][3]

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Fecha de aceptación: 2.1.2 Modulo Bluetooth HC-06

Figura 1: Modulo HC-06[5]

Para la segunda parte del acceso se implemento un modulo bluetooth HC-06(figura 2), un

modulo que sirve solo como esclavo [5], que convierte la señal recibida por bluetooth en

serial; lo cual encajaba perfectamente para el sistema de seguridad, este modulo es fácil de

configurar con la raspberry ya que solo se debe cambiar la velocidad de lectura de la

raspberry por el serial a 9600 baudios

2.2 Sensores

Los sensores que se utilizaron fueron los que se encuentran generalmente en este tipo de

dispositivos los cuales son, un sensor de movimiento, un sensor de humo y uno de apertura

(proximidad magnética)

2.2.1 Sensor de movimiento

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Fecha de aceptación:

El sensor de movimiento utilizado es el sensor de movimiento infrarrojo HC-SR501;un sensor

infrarrojo que abarca un ángulo de 110° configurable a detecciones entre 3 y 7 metros(con la

resistencia regulable de sensibilidad mostrada en la figura 2 ), se alimenta a 5 voltios y tiene

una salida de 3.3voltios [6][7] de fácil lectura y manipulación con la Raspberry. En la tabla 1

se muestra otras características de este sensor.

Tabla 2. Características del sensor HC.SR501 [7]

2.2.2 Sensor de proximidad magnético

Figura 3: Sensor de Proximidad Magnético ZDD-412M [8]

El sensor de la figura 4 es el utilizado para saber si la puerta se abre sin las validaciones es

decir si es violentada la puerta para entrar, este sensor funciona reaccionando ante los

campos magnéticos de imanes permanentes y de electroimanes. Si se acerca un campo

magnético al sensor de proximidad, las láminas se unen por magnetismo y se produce un

contacto eléctrico.[9] al quitarse el imán se produce una apertura con lo que se entiende que

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Fecha de aceptación: 2.2.3 Sensor de humo y gases tóxicos MQ-135

Figura 4: composición del sensor humo y gases nocivos MQ-135 [10]

El sensor MQ-135 (figura 4) es un sensor que tiene menor conductividad si el aire está

limpio, al detectar gas, amoníaco, sulfuro y CO2 aumenta su conductividad [10] lo que

genera una señal en sus salidas, ya que tiene salida digital y análoga, esta sensibilidad se

puede ajustar con una resistencia variable que tiene en la parte posterior, este sensor es

bastante simple y fácil de manejar con la raspberry en la tabla 3 se muestran algunas

especificaciones del sensor.

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Fecha de aceptación: 2.3 Streaming

Para la parte del streaming se utilizo la cámara propia de Raspberry pi NoIR Infrarroja y uv4l

como software para realizar la transmisión

2.3.1 Cámara pi

Figura 5: Cámara Pi NoIR Infrarroja[11]

Se utilizo la Cámara Pi NoIR Infrarroja (figura 5) ya que al no tener filtro infrarrojo es perfecta

para tomas con muy pocas luz, posee un sensor 5 megapíxeles, Su sensor es capaz de

captar imágenes fijas con una resolución de 2592 x 1944, además de grabar vídeos en alta

definición de hasta 1080p a 30 fotogramas por segundo. Se conecta a la Raspberry Pi a

través de los pines CSI libres, utilizando la interfaz de control I²C.[12]

2.3.1 software para el streaming

Para realizar el streaming con la cámara pi se utilizo uv4l driver, que es un conjunto de

drivers que controlan y comunican la cámara pi a un servidor propio de uv4l llamado “uv4l

streaming server” en el cual podemos ver una transmisión en vivo.[13]

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Fecha de aceptación:

Es importante tener en cuenta que para poder tener una buena transmisión de streaming se

debe contar con un ancho de banda de subida óptima para esto es necesario conocer 3

factores.

 Velocidad a la que deseamos grabar (FPS)

 Resolución, calidad y algoritmo de compresión que usemos. Esto nos dará el tamaño

de un cuadro de video, en promedio (Bytes)

 El porcentaje de actividad de la escena que nos dice que tanto cambia un cuadro

respecto a otro.

Con estos datos podremos suponer un ancho de banda suficiente para una transmisión

fluida de video, con la siguiente formula. [14][15]

𝐵𝑊 = 𝐹𝑃𝑆 ∗ 𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠 ∗ %𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 8

Formula 1 Formula de ancho de banda [15]

2.4 aplicativo móvil

2.4.1 Software de aplicativo móvil

El aplicativo android se desarrollo en APP Inventor una plataforma online de Google

enfocada a aplicaciones desarrolladas por estudiantes, donde se crean aplicaciones a modo

de puzle, ya que se conectan ciertas piezas que en conjunto realizan una tarea, su

programación es visual y muy intuitiva y aunque es simple de entender se pueden generar

aplicaciones con un buen grado de complejidad.[16]

2.5 Hardware

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Fecha de aceptación:

Figura 6: Raspberry pi 2 model b [15]

La Raspberry Pi 2 model B (figura 6) es la segunda generación de Raspberry Pi. Sustituye el

original Frambuesa Pi Modelo B +, desde el 1 de febrero de 2015. Tiene Un CPU de

900MHz de cuatro núcleos ARM Cortex-A7,1 GB de RAM y 4 puertos USB, Debido a que

tiene un procesador ARMv7, se puede ejecutar toda la gama de distribuciones ARM GNU /

Linux, incluyendo Snappy, Ubuntu core, así como Windows 10.[17]

3. Metodología

Figura 7: Diagrama de bloques de la solución

El proyecto se realizo en tres etapas mostradas a continuación, la primera fue la parte que

permite acceder al lugar representado el proceso para poder abrir la puerta en la figura 7

con los bloques verdes, posteriormente se trabajaron los sensores en la figura 7 se muestra

(11)

Fecha de aceptación:

su proceso en los bloque azules y se finalizo con la cámara y el streaming que se muestra su

proceso en la figura 7 con los cuadros morados.

3.1 Programación para la parte de acceso

Para esta etapa lo primero que se realizo fue la comunicación entre el RFID y la Raspberry

como lo dice su hoja de datos [2] el protocolo que comunicación es el SPI cuando se conecta

el RFID al los Gpios pertinentes, se activa la comunicación por SPI desde “raspi-config

después de esto descargamos “python-dev” y la librería de “SPI-pyhon” la cual permite

manipular el modulo por medio de Python; después instalamos “MFRC522-python” ,la cual

nos establece la comunicación directa con el modulo que usamos, y se termina con la librería

bcm2835” que es una librería en c que completa la comunicación entre la raspberry y el

RFID con esta librería viene un programa de utilidad básica de detección de tarjetas, este

archivo es el que entramos a modificar en este script lo que hacemos es que al detectar la

tarjeta correcta activa una función definida en un segundo script (blue) que es la lectura del

HC-06 como se ve en la figura 8 (código completo en el anexo 1).

En el script de blue se define la función puerta, cuya función es que al ser activada por RFID

lea el Gpio de serial y al detectar el dato correcto active el relay que desactiva el electroimán

de la puerta lo que permite el ingreso y se termine esta función para continuar leyendo el

RFID, su comportamiento se representa en la figura 8 (código completo en el anexo 2

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Fecha de aceptación:

Figura 8 diagrama de flujo para el acceso

Ahora para esta etapa solo falta la aplicación móvil que permite el acceso con el HC-06, este

aplicativo móvil se hizo con APP inventor en la cual primero llamamos en una lista con los

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Fecha de aceptación:

posteriormente llenamos los datos y al coincidir con lo configurado, se llama el bluetooth para

enviar un carácter que es el que activa a “blue” como se ve en la figura 11.

Figura 9: Programa de funcionalidad del aplicativo móvil para el acceso en APP inventor

3.2 Programación de los sensores

3.2.1 Sensor de movimiento

Para el sensor de movimiento primero se conectaron los dos pines a la fuente de 5v y el de

salida a un Gpio que se leería como entrada .En general lo que se realizo fue un bucle de

seguimiento sobre el pin de entrada, al ser detectado un movimiento se envía el mensaje

indicando que fue activado este sensor por medio de “mutt-s”, un programa que permite que

la raspberry envié correos electrónicos desde el terminal. La lógica de este sensor se verá

más adelante en la figura 10 ( Código completo implementado en el anexo 3 sensorM.py)

3.2.2 Sensor de proximidad magnético

Lo primero fue conectar este sensor a la Raspberry, el cual necesita conectarse a un Gpio

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Fecha de aceptación:

conecta con tierra se supone que el sensor esta sin presencia de un campo magnético por lo

que se interpretara que el sensor está abierto. Al darse este caso se envía la alerta al correo

electrónico por “mutt-s”. En la figura 10 se verá la lógica de este sensor .(código completo

implementado en el anexo 4 sensorP.py

3.2.3 Sensor de humo y gases tóxicos MQ-135

Al igual que los anteriores sensores lo primero es conectarlo, primero los dos pines a la

fuente y después la salía que en este caso se utilizo la análoga; al sensor detectar algun gas

o CO2 activara su salida análoga estimulando el Gpio, el cual se estará testeando

continuamente y al detectar este evento enviara un correo electrónico con “mutt-s”. En la

figura 10 se verá la lógica utilizada para la lectura de este sensor (código completo

(15)

Fecha de aceptación:

Figura 10: Diagrama de bloques lógica sensores

3.3 Configuración del Streaming

Para poder realizar el Streaming lo primero es conectar la cámara en el puerto especial CSI y

activarla desde “raspi-config”, posteriormente se descargaron los drivers necesarios para que

uv4l driver comenzara a funcionar [13] , al tener todo esto solo basta con abrir el puerto que

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Fecha de aceptación:

de la dirección ip de nuestra raspberry y el puerto de transmisión llegando a la página

principal del servidor de uv4l driver (figura 11).

Figura 11: menú principal de uv4l driver

Al entrar a la sección de streaming veremos nuestra cámara pi transmitiendo lo que está

sucediendo y lo mejor es que la cámara se activa solo al entrar a verla por lo que no gasta

recursos constantemente de la raspberry.

Finalmente se hace la pestaña del aplicativo para poder visualizar el streaming con APP

inventor donde utilizamos un visor web y un botón para refrescar la pagina del streaming

como se ve en la figura 12.

(17)

Fecha de aceptación: 4. Conclusiones

 El sistema cumple con los requerimientos de seguridad y control estipulados,

garantiza el funcionamiento de los sensores de seguridad sin alarmas falsas, y un

acceso sin problemas, todo esto en base a lo probado en casa sobre una maqueta

durante un par de días.

 El tener dos validaciones para poder ingresar hace que el sistema otorgue más

fiabilidad y tranquilidad de que será complicado que alguien logre ingresar sin permiso

al lugar, ya que se pueden usar electro cerraduras de 200 libras hasta 600 libras lo

que hace imposible entrar sin romper la puerta.

 El poder tener un sensor de humo que me alerte a mi correo electrónico de manera

inmediata al detectar humo hace que la reacción pueda ser mucho más rápida lo cual

lleva a salvar todas o gran parte de ellas por atender la emergencia a tiempo según

sea el caso.

 Para poder garantizar un streaming en buenas condiciones se debe tener en cuenta

un ancho de banda suficiente para esto necesitamos 3 datos; los FPS de transmisión

el peso en bits de un cuadro de imagen y el porcentaje de actividad de escena.

los FPS de transmisión es de 30 FPS, el tamaño de transmisión en promedio es de

12kb, y se estima un porcentaje de actividad del 10%, un porcentaje lo suficiente

mente alto para tener una ancho banda más que suficiente (el real es del 5%), con

esto y la formula 1 nos da un ancho de banda de subida mínimo es de 288 Kbps mas

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Fecha de aceptación:

Referencias

[1] Redacción Bogotá,”Aumentaron los índices de inseguridad en Bogotá”, Abril 5 2016,

[Online]. Available: http://www.elespectador.com/noticias/bogota/aumentaron-los-

indices-de-inseguridad bogota-articulo-478939

[2] COMPANY PUBLIC, “MFRC522 Standard 3V MIFARE reader solution”, Septiembre

17, 2014, [Online]. Available:

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/MFRC522.pdf

[3] Arduino,”Mifare MFRC522 RFID Reader/Writer”,[Online]. Available:

http://playground.arduino.cc/Learning/MFRC522

[4] Hello Raspberry Pi,”Raspberry Pi 2 + MFRC522-python, to read RFID tag”,

Octubre 12, 2015,[Online]. Available: http://helloraspberrypi.blogspot.com.co/

2015/10/raspberry-pi-2-mfrc522-python-to-read.html

[5] Erich Styger,”Using the HC-06 Bluetooth Module”, Junio 19, 2013,[Online]. Available:

http://mcuoneclipse.com/2013/06/19/using-the-hc-06-bluetooth-module/

[6] Prometec,”LOS SENSORES PIR”,[Online]. Avaliable:

http://www.prometec.net/sensor-pir/

[7] Marlin P. Jones,”HC-SR501 PIR MOTION DETECTOR”,[Online]. Available:

https://www.mpja.com/download/31227sc.pdf

[8] Tanyx seguridad electrónica,”Sensor magnético de puerta ZDD-412M”,[Online].

Available: http://tanyx.com.ar/productos/alarmas_de_intrusion/ver/40_zdd-412m

[9] Ricardo Franco Mendoza García “Sensor de Proximidad Magnéticos.”,[Online].

Available:http://www.eudim.uta.cl/rmendozag/courses/2012/sistemas_de_sensores_

y_actuadores/sistemas_de_sensores_y_actuadores_03_v2.pdf

[10] Shanghai Total Meter, “MQ135 Semiconductor Sensor for Air Quality Control”,

[Online]. Available: http://www.china-total.com/Product/meter/gas-sensor/MQ135.pdf

[11] Raspberry chop,“La cámara Pi NoIR para Raspberry Pi sale a la venta”,[Online].

(19)

Fecha de aceptación:

[12] El corte ingles, “Pi NoIR - Módulo de cámara infrarroja Raspberry Pi”,[Online].

Available:http://sgfm.elcorteingles.es/SGFM/dctm/MEDIA02/CONTENIDOS/201408/

25/00128656602100_2_.pdf

[13] Linux projects,”How to install or upgrade UV4L on Raspbian Wheezy & Raspbian Jessie” [Online]. Available: http://www.linux-projects.org/modules/sections/index.

php?op=viewarticle&artid=14

[14] Ing. Germán Alexis Cortés Hernández,”Cómo calcular el ancho de banda de un enlace paravideo. Segunda parte” [Online] Available: http://noticias.alas-la.org/version_anterior/

images/descargas/Tutorial-ed-42.pdf

[15] Germán Alexis Cortes Hernandez,”Cálculo del ancho de banda (nominal vs efectivo)”

[Online]. Available:https://www.tecnoseguro.com/analisis/cctv/calculo-del-ancho-de-banda-

nominal-vs-efectivo.html

[16] Antonio Ricoy Riego “Primeros pasos” [Online]. Available:

https://sites.google.com/site/appinventormegusta/primeros-pasos [17] Raspberry pi “RASPBERRY PI 2 MODEL B”[Online]. Available:

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Fecha de aceptación:

(status,TagType) = MIFAREReader.MFRC522_Request(MIFAREReader.PICC_REQIDL) if status == MIFAREReader.MI_OK:

print "Card detected"

(21)

Fecha de aceptación:

ser = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600)

(22)

Fecha de aceptación:

finally:

ser.close() GPIO.cleanup()

3. Script sensor de movimiento (sensorM.py)

# -*- coding: utf-8 -*-

4. Script sensor de proximidad magnética (sensorP.py)

(23)

Fecha de aceptación:

print "El usuario ha forzado la detención del script" GPIO.cleanup()

5. Script Sensor de humo (sensorH.py)

# -*- coding: utf-8 -*-

Figure

Tabla 1 pines de conexión con raspberry. [4]
Figura 1: Modulo HC-06[5]
Tabla 2. Características del sensor HC.SR501 [7]
Figura 4: composición del sensor humo y gases nocivos MQ-135 [10]
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Referencias

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