Casa inteligente y segura

Casa inteligente y segura (fase 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

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
Lisbeily Domínguez Ruvalcaba
Coordinadora de la colección

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.

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

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

8
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.

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

10
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.

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.

12
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.

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.

14
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

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].

16
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

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.

18
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

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.

20
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

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.

22
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

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

24
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.

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
Terminal A
Terminal A
Terminal C
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
Terminal B
Terminal C
Terminal D
Manda vía serial
1000010
Manda vía serial
1000011
Manda vía serial
1000100

26
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.

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

28
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.

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

30
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.

31
IV. Resultados
Figura 21. Resultados visuales cuando hay movimiento en el sensor “A”

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.

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.

36
Anexo A – Atmega8

37
Anexo B – Transmisor y receptor

38
Anexo C – Codificador y decodificador

Casa inteligente y segura

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (14)

Andere mochten auch

Andere mochten auch (14)

Ähnlich wie Casa inteligente y segura

Ähnlich wie Casa inteligente y segura (20)

Mehr von Judith Torres Pessaressi

Mehr von Judith Torres Pessaressi (14)

Kürzlich hochgeladen

Kürzlich hochgeladen (9)

Casa inteligente y segura