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DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALARMA INALÁMBRICA PARA PEQUEÑAS EMPRESAS Y HOGARES EN PEREIRA Y
DOSQUEBRADAS
DIANA ALEXANDRA MONTOYA RIVERA COD. 42.136.593
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRÓNICA PEREIRA
2015
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DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALARMA INALÁMBRICA PARA PEQUEÑAS EMPRESAS Y HOGARES EN PEREIRA Y
DOSQUEBRADAS
DIANA ALEXANDRA MONTOYA RIVERA COD. 42.136.593
Trabajo de grado para optar el título de tecnólogo en Mecatrónica
Director: Ingeniero Gabriel Pineda
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRÓNICA PEREIRA
2015
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Nota de aceptación:
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Firma del Presidente del Jurado
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Firma del Jurado
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Firma del Jurado
Pereira, Noviembre de 2015
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RESUMEN
El objetivo de este proyecto es el diseño de un sistema de alarma y video vigilancia inalámbrica, dicha instalación va a permitir controlar de forma remota y en tiempo real a través de la red IP una casa o pequeña empresa, la seguridad de las personas y de los bienes valiosos de su interior. El sistema ha sido pensado para reducir al máximo el cableado y de ésta manera facilitar la instalación, por lo que la comunicación entre los distintos dispositivos se hace de manera inalámbrica por medio de un protocolo descrito en la norma IEEE 802.15.4 llamado ZigBee. La red estará compuesta por varios sensores encargados de medir las variables del entorno como movimiento, gases, humo, vibración y temperatura, cada sensor se conectará a una placa Arduino encargada de procesar, transformar y transmitir dicha información al módulo Xbee. Para integrar dicho sistema se propone una placa de bajo costo llamado RaspBerryPi, en el que se encuentra alojado un servidor el cuál realizará el proceso de control y envío de los datos ya procesados al usuario a través de una aplicación para dispositivos móviles y computadores. Palabras Clave: Seguridad, Tecnología, Comunicación, Red, Cobertura.
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ABSTRACT
The objective of this project is to design an alarm system and wireless video surveillance, the installation will allow remotely controlled a house or a small business as well as the inner goods and the people security in real time via the IP network. The system has been designed to minimize wiring and in this way to facilitate the installation, so that communication between the various devices is wirelessly using a protocol described in IEEE 802.15.4 standard called ZigBee. The network will be composed by using several sensors which measure environmental variables such as movement, gases, smoke, vibration and temperature, each sensor is connected to an Arduino board responsible for processing, transforming and transmitting that information to the XBee module. To integrate that system inexpensive is proposed an plate called RaspBerryPi, which is hosted a server which will perform the control process and it will send the data to processed the user through an application for mobile devices and computer. Keywords: Security, Technology, Communication, Network Coverage.
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CONTENIDO Resumen…………………………………………………………………………….04 Abstract………………………………………………………………………………05 Contenido…………………………………………………………………………….06
Introducción………………………………………………………………………... 13 1 Marco Histórico……………………………………………………………………..15 2 Marco Conceptual…………………………………………………………………..19 2.1Comunicacion Inalámbrica……………………………………………………..19 2.2 Red Inalámbrica de sensores………………………………………………... 24 2.3 Eficiencia Energética………………………………………………………….. 27 3 Encuestas Realizadas………………………………………………………………29 3.1 Análisis de resultados………………………………………………………….29 3.2 Análisis de encuestas realizadas en los hogares…………………………..32 3.3 Análisis de las encuestas realizadas en las empresas…………………….35 4 Análisis y selección de tecnologías……………………………………………….37 4.1 Tecnologías Inalámbricas……………………………………………………..37 4.2 Introducción Zigbee……………………………………………………………40 4.2.1 Series………………………………………………………………………….44 4.2.2 Antenas………………………………………………………………………..45 4.2.3 Comparativa…………………………………………………………………..46 4.2.4 Configuración del dispositivo XBee serie 2………………………………..49 4.3 Placa Receptora……………………………………………………………...50 4.3.1 Elección de la placa receptora……………………………………………...50 4.4 Raspberry PI…………………………………………………………………58 4.5 Placa para módulos sensores………………………………………………59 4.6 Cámaras de video vigilancia IP……………………………………………..60 4.6.1 Cámara IP……………………………………………………………………..61 4.6.2 Cámara IP PoE……………………………………………………………….63 4.6.3 Foscam FI9821EP………………………………………………………….. 64 4.7 Switch PoE………………………………………………………………….. 65 4.8 UPS…………………………………………………………………………… 66 5 Elección del software……………………………………………………………….67 5.1 Software XCTU para XBee …………………………………………………67 5.2 Software para Raspberry Pi………………………………………………… 67 5.3 Software para la administración de cámaras…………………………….. 68 5.4 Interfaz………………………………………………………………………... 68
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6 Diseño………………………………………………………………………………..70 6.1 Nodo Sensor……………………………………………………………………70 6.2 Módulo de gas………………………………………………………………… 72 6.3 Módulo PIR……………………………………………………………………. 72 6.4 Modulo de vibración…………………………………………………………. 73 6.5 Hardware de la placa receptora……………………………………………. 74 7 Presupuesto………………………………………………………………………… 77 8 Conclusiones……………………………………………………………………… 80 9 Glosario………………………………………………………………………………82 10 Bibliografía………………………………………………………………………….83 Anexos……………………………………………………………………………….85 Anexo 1 Ficha técnica de la encuesta …………………………………………...85 Anexo 2 Muestra encuesta realizada Hogares…………………………………..87 Anexo 3 Muestra encuesta realizadas Empresas……………………………….88
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LISTADO DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. El panóptico……………………………………………………………... 16 Ilustración 2. Sistema Pope………………………………………………………….....17 Ilustración 3. Representación de una onda electromagnética polarizada plana….20 Ilustración 4. Reflexión de ondas de radio ……………….………………………..…21
Ilustración 5. Ejemplo de recorrido de una onda ………………………….………... 22
Ilustración 6. Estructura de una red de sensores ……………………………….….. 24
Ilustración 7. Sistema de adquisición de datos………………………………….……25
Ilustración 8. Topology Models ………………………………………………..……….27 Ilustración 9.Consumo del nodo en función del tiempo………………………….… 28 Ilustración 10.Modulo XBEE serie pro …………………………………………….….40
Ilustración 11. Conexión típica usando XBEE…………………………………….….41
Ilustración 12. Conexiones mínimas requeridas para XBEE…………..……………41
Ilustración 13. Diagrama de una red tipo malla……………………………………....42
Ilustración 14.Modos de operación del módulo XBEE…………………………….…42
Ilustración 15. XBEE 1MW antena de PCB serie 1 ………………………………….44 Ilustración 16. XBEE 2MW antena de PCB serie 2 ………………………………....45 Ilustración 17. Diferentes modelos de antenas XBee……………………………..…46 Ilustración 18. XBEEExplorer USB…………….………………………………….….. 50 Ilustración 19. Modelo Banana PI………….…………………………………….…… 51
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Ilustración 20. Modelo PC duino………………………….……………………..……..51 Ilustración 21. Modelo CIAA…………………………………………………….………52 Ilustración 22. Modelo BeagleBoard…… ………………………………………..……52 Ilustración 23. CubieBoard ……………..……………………………………..………53 Ilustración 24. Modelo DreamPlug …………………………………………………. 53 Ilustración 25. Modelo ODROID-X ……………………………………………………53 Ilustración 26. Modelo Intel Galileo………………………………………………..….54 Ilustración 27. Modelo AMD GizmoBoard …………………………………………...54
Ilustración 28. Modelo AMD Gizmo 2…………………………………………………55 Ilustración 29. Modelo OLinuXino ……………………………………………………..55 Ilustración 30. Modelo PandaBoard ES ………………………………………………56 Ilustración 31. Modelo UDOO ………………………………………….………………56 Ilustración 32. Modelo VIA SpringBoard ……………………………………………..56 Ilustración 33. Modelo HummingBoard ……………………………….……………...57 Ilustración 34. Modelo MarsBoard ……………………………………………………57 Ilustración 35. Modelo Wandboard …………………..………………………………58 Ilustración 36. Raspberry Pi …………………………………………...……………..58 Ilustración 37 Esquemas de arquitectura de un sistema de vigilancia IP…..……61 Ilustración 38. Micrófonos y altavoces integrados en cámara IP…………….…….62 Ilustración 39. Conexiones de alarma en la parte trasera de una cámara IP……62 Ilustración 40. Descripción de pines E/S cámara IP………………………………. 63 Ilustración 41. Cámara IP marca Foscam modelo FI9821P, para conexión Inalámbrica IEEE 802.11n.……………………….…………………64
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Ilustración 42. Switch TPlink …...………………………………………………………65 Ilustración 43 Diagrama de bloques de un UPS………………………………………. 66
Ilustración 44 UPS Olinsys serie Mini U…………………………………………….….. 66
Ilustración 45. Diagrama de flujo de Nodo sensor…………………………………………69
Ilustración 46 Conexión de Arduino con Xbee mediante la placa shield….… …71 Ilustración 47 Arduino UNO alimentado con batería Lipo………………………………..71
Ilustración 48 Zumbador……………………………………………………………………..71
Ilustración 49 Esquema nodo módulo de gas……………………………………….72
Ilustración 50. Esquema nodo módulo PIR ………………………………………… 73 Ilustración 51. Esquema nodo módulo PIR ………………………...………….........74 Ilustración 52. Implementación del dispositivo receptor…………………..…………75 Ilustración 53 Red XBee. ……………………………………………….…………...75 Ilustración 54 Alimentación y red LAN. ………………………...…………………..76
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LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Clasificación Radiofrecuencia………………….…….. ……………...……..21 Tabla 2. Niveles de atenuación……………………………………………………......23 Tabla 3 Diagrama del dispositivo…………………………………………………..…32 Tabla 4 Comparativa diferentes tipos de comunicación……………….……….…..39
Tabla 5.comparativa XBEE…………………………………………………………….49 Tabla 7.ComparativaRaspberry PI……………………………………………………59
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LISTADO DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Aspecto de importancia al contratar una alarma. – Hogares……….…..30
Gráfica 2. Preferencia de dominio de la alarma. - Hogares………………….……..30
Gráfica 3. Aspectos a mejorar en las empresas de seguridad.- Hogares………....31 Gráfica 4. Propiedad del sistema- Hogares…………………………………………..31
Gráfica 5. Riesgos a proteger con la alarma- Hogares……………………………..32
Gráfica 6. Aspecto de importancia al contratar una alarma. - Empresas……….....33
Gráfica 7. Preferencia de dominio de la alarma - Empresas…………………….….33
Gráfica 8. Aspectos a mejorar en las empresas de seguridad.- Empresas…..…...34 Gráfica 9. Propiedad del sistema- Empresas………………………………….……..34
Gráfica 10. Riesgos a proteger con la alarma- Empresas……………………...…..35
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INTRODUCCIÓN
Los sistemas de seguridad electrónica se han vuelto indispensables para mejorar
el cuidado del hogar o microempresa. Es difícil reponerse de un robo, también es
el caso si se producen daños serios por un incendio o una inundación daña los
enseres y electrodomésticos. Por ello es necesario tener un sistema que permita
detectar un problema rápidamente, para aminorar el daño.
La primera instalación de alarma electromagnética del mundo se patentó en 1853,
y en 1867 ya se habían ingeniado una central de llamada de emergencias lista
para reaccionar. En la década de 1970 se integraron los primeros detectores de
movimiento y en 1990 finalmente llegaron los primeros sistemas de alarma
inalámbricos que revolucionaron esta tecnología.
Actualmente la comunicación inalámbrica viene experimentando un importante
crecimiento, el control y monitoreo a distancia de variables en distintos procesos
hace de esta tecnología innovadora una necesidad, por esta razón cada vez es
más común encontrar dichas redes ejecutando diferentes actividades ya sea en la
industria, la salud, los hogares, etc. Para cada una existen diferentes tipos de
redes y hasta el momento no hay ninguna ideal para todos los casos.
El objetivo principal de este proyecto es diseñar un sistema de alarma inalámbrico
cuyo propósito es monitorear los diferentes sensores por medio de
microcontroladores que son los encargados del procesamiento de las variables y
el posterior envío de datos al objeto final de control que en este caso se trata de
una placa, todo esto mediante una red ZIGBEE. Todo lo anterior pretende llevar
seguridad, confort, comunicación, accesibilidad y control sobre la vivienda o
pequeña empresa. Comúnmente se piensa que para la elección de un sistema de
alarma idóneo se deberá tener en cuenta el tamaño del inmueble y su diseño, no
es el caso de la alarma que se pretende en este proyecto, ya que gracias a los
módulos Xbee que, con bajo consumo de energía, soportan redes de hasta
aproximadamente 65.000 nodos, permitiendo así la trasmisión de los datos, en
este prototipo la red de sensores, logrando desarrollar aplicaciones que antes sólo
eran posibles mediante redes cableadas.
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Aunque las redes inalámbricas no proporcionan velocidades altas, seguridad y
fiabilidad que sí proporcionan las redes de conexión física, el gran éxito se debe a
la flexibilidad y movilidad, esto reduce directamente los costos, evitar engorrosas
instalaciones que además resultan poco estéticas; y como ventaja adicional se
puede decir que la red es ampliable hasta 65.000 nodos.
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1. MARCO HISTORICO Se debe empezar por afirmar que siempre han existido ciertas estrategias de vigilancia entre los individuos e inclusive los mismos animales; vigilar, es pues, una característica social inherente, un fenómeno que se ha venido perfeccionando desde sus inicios. Las sociedades contemporáneas y sus estructuras políticas combinan simultáneamente principios democráticos y actitudes autoritarias, utilizando los avances tecnológicos donde fundamentalmente la vigilancia es la estrategia que reemplaza progresivamente a la coerción física como un medio para mantener el “orden” y la armonía. Los orígenes de la video vigilancia en la sociedad: El panóptico Un panóptico es una construcción cuyo diseño hace que se pueda observar la totalidad de su superficie interior desde un único punto. Este tipo de estructuras, por lo tanto, facilita el control de quienes se hallan dentro del edificio. La creación de este diseño es atribuida a Jeremy Bentham (1748-1832), un filósofo británico que imaginó una cárcel en la que todos los reclusos estén bajo el campo de visión del vigilante, sin que los presos sepan si la observación se desarrolla en todo momento. “Para el filósofo francés Michel Foucault, el concepto de panóptico se extendió de las cárceles a otras instalaciones, como las escuelas o las industrias. El panóptico, en este sentido, se convirtió en una técnica de control”.1 El panóptico se presenta como un dispositivo que concentra su eficacia en la nueva articulación del eje ver y sin ser-visto (fundamental en todo sistema de vigilancia). En palabras de Foucault “el panóptico es una máquina que disocia la pareja ver-ser visto” (Foucault, Vigilar y Castigar: 1980). De esta manera, el individuo que forma parte de la estructura panóptica se sabe en un estado de permanente vigilancia y eso garantiza su pasividad y control de sus movimientos. En el panóptico la inspección (desde la posición del poder, o sea de quién vigila) funciona sin cesar. La mirada está por doquier, aún sin estarlo realmente, ya que el diseño del dispositivo induce a aquel que está dentro de él a “un estado consciente y permanente de visibilidad”. Poco importa quién es el sujeto o el objeto de esa mirada, la garantía de su posible existencia alcanza para poner en marcha el engranaje de la relación dominante-dominado.
1Panóptico. Definición recuperada Feb 2015 de: http://definicion.de/panoptico/
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Ilustración 1. El panóptico
(Recuperada de http://www.lastfm.es/user/Pancho- /journal/2008/10/26/28qew1_panopticon_(el panóptico))
No es de extrañar, entonces, que sea la sociedad moderna, más precisamente la sociedad capitalista, el reflejo del esquema panóptico ya que esta exige el máximo rendimiento al menor costo posible. 2 Historia de los sistemas de alarma La primera instalación de alarma electromagnética del mundo la patentó el 21 de junio de 1853 Augustus Russell Pope de Sommerville, Boston. Hasta esta época se confiaba en que los ruidosos graznidos de los gansos, la fidelidad de sus perros guardianes o las campanillas mecánicas sirvieran para detectar la presencia de ladrones.
2El panoptismo: nuevas formas de control social
Recuperado 25 de Feb 2015 http://www.eumed.net/rev/cccss/06/rgj2.htm
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Ilustración 2. Sistema Pope.(Recuperado de http://www.abus.com/es/Guia/Proteccion-antirrobo/Sistemas-de-alarma/Historia-de-los- sistemas-de-alarma)
“Pope ideó un dispositivo a pilas que demostró ser un sistema efectivo contra los ladrones: reaccionaba al cerrar un circuito eléctrico, en el cual las puertas y ventanas estaban conectadas como unidad independiente a una conexión en paralelo. Si se abría la puerta o una de las ventanas, y con ello el circuito eléctrico conectado a ellas, la corriente eléctrica repentinamente creada dentro de los imanes del sistema producía una vibración. Las oscilaciones electromagnéticas producidas se transmitían a un martillo, el cual golpeaba una campanilla de latón. Lo especial del invento de Pope era que la alarma no se podía desconectar simplemente cerrando la puerta o ventana, ya que por encima de la puerta, en la pared, iba montado un muelle que mantenía el circuito eléctrico en continuo funcionamiento y hacía que la campana siguiera sonando”.3 Edwin Holmes es conocido como el padre de las primeras instalaciones de alarma eléctricas modernas, compró en 1857 los derechos del invento al propio Pope. Fue él quien puso en marcha la técnica de alarmas electromagnéticas con su empresa "Holmes Electric Protection Company" y quien marcaría los derroteros que seguiría la industria. Construyó una estación central para que sus sistemas de alarma funcionaran junto a un cable telegráfico resistente a la meteorología. 4 Edwin T. Holmes aprovechó las conexiones telefónicas no utilizadas en la oficina de Boston por la noche para los sistemas de alarmas. Después del éxito del sistema en esta ciudad, Holmes empezó a establecer estrechos contactos con la compañía telefónica y pronto consiguió el derecho de exclusividad para la red de teléfonos de Nueva York y así utilizar todos sus excelentes cables de conexión para sus sistemas de alarmas.
3 ABUS. http://www.abus.com/es/Guia/Proteccion-antirrobo/Sistemas-de-alarma/Historia-de-los-sistemas-de-alarma. Recuperado 28 de Feb 2015. 4Ibid.
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El siglo XX: sistemas de alarmas de alta tecnología En la década de 1970, los técnicos integraron los primeros detectores de movimiento en los sistemas de alarmas. Los años 1980 y 1990 estuvieron caracterizados por una creciente estandarización, lo cual a su vez redundó en un uso cada vez más extendido para la protección de edificios. Finalmente llegaron los primeros sistemas de alarma inalámbricos al mercado, que revolucionaron la tecnología de alarmas también a nivel práctico, ya que por fin acabaron con el desbarajuste de cables.
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2. MARCO CONCEPTUAL 2.1. COMUNICACIÓN INALÁMBRICA
5La comunicación inalámbrica es aquella en la que ni el emisor ni el receptor se encuentran unidos de manera física y se comunican mediante el uso de ondas electromagnéticas. Las comunicaciones inalámbricas tienen ventajas y desventajas. En el aspecto positivo destacan:
Accesibilidad y flexibilidad.
Coste.
Movilidad.
Comodidad
Escalabilidad: Se adaptan fácilmente a los cambios de topología de red. Como limitaciones se tienen:
Duración de batería.
Capacidad de transferencia limitada.
Calidad: Interferencias y ruidos.
Seguridad. Fundamentos de radio A pesar del creciente desarrollo tecnológico hasta el momento no se ha desarrollado un sistema que permita a las personas captar las señales de radio, a diferencia de la luz o el sonido y para hacerse una idea de cómo funcionan se tiene que pensar en ellas como una energía que se propaga través del espacio en forma de ondas compuestas por un campo magnético y otro eléctrico perpendiculares entre ellos. En el vacío estas ondas se propagan a la velocidad de la luz 2.9979 x 108 metros cada segundo.
5Introducción a los sistemas de comunicación inalámbricos. Recuperado 15 de Agosto de 2015.
http://bernal.pro/informatica/apuntesdeinformatica/finish/6-apuntes-de-informatica/68-comunicaciones-inalambricas.
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Ilustración 3. Representación de una onda electromagnética polarizada plana. Los campos eléctricos (E) y magnético (B) están en fase, perpendiculares entre si y a la dirección de propagación de la onda.
http://www.investigacionyciencia.es/blogs/fisica-y-quimica/10/posts/descubrimiento-de-las-ondas-de-radio-la- confirmacin-de-la-teora-electromagntica-10186
Maxwell fue quien postuló, sin llegar a demostrarlo, la existencia de estas ondas y logró unir la electricidad, el magnetismo y la óptica en una misma rama.El problema de las comunicaciones de radio es que, comparadas con las cableadas, necesitan una considerable cantidad de energía, ya que mientras las ondas se irradian hacia el espacio una parte de ella se pierde por dispersión. La pérdida por dispersión se debe a la ley del cuadrado inverso o ecuación de transmisión en espacio libre la cual explica que para fenómenos ondulatorios como la luz y el sonido la intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia con respecto al punto donde se origina la señal quiere decir que cada vez que se duplica la distancia desde la fuente, se requiere cuatro veces la cantidad de energía para mantener la señal Las ondas de radiofrecuencia (RF) se generan cuando una corriente alterna pasa a través de un conductor. Las ondas se caracterizan por sus frecuencias y longitudes. La frecuencia se mide en hercios (o ciclos por segundo) y la longitud de onda se mide en metros (o centímetros).6 La ecuación que une a la frecuencia y la longitud de onda es la siguiente: Se observa partir de la ecuación que, cuando la frecuencia de RF se incrementa, su longitud de onda disminuye. En el espectro electromagnético la radio está situada entre 3kHz y 300 GHz, en ese amplio rango se puede subdividir la radio en diferentes bandas.
6Cómo funciona la Radiofrecuencia. Recuperado 18 de Agosto de 2015. :http://www.rfidpoint.com/preguntas-
frecuentes/¿como-funciona-la-radiofrecuencia/
Velocidad de la luz (c) = frecuencia x longitud de onda.
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Tabla 1 Clasificación Radiofrecuencia
http://es.slideshare.net/Alejoguti7/medios-de-transmision-14596355
Reflexión de ondas de radio Cuando una onda de radio choca con un obstáculo, parte o la totalidad de la onda se refleja y se observa una pérdida de la intensidad. La reflexión es tal que el ángulo de incidencia equivale al ángulo de reflexión.
Ilustración 4. Reflexión de ondas de radio
Por definición, una onda de radio es susceptible de propagarse en varias direcciones. Después de reflejarse varias veces, una señal de origen puede llegar a una estación o punto de acceso después de tomar muchas rutas diferentes.
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Ilustración 5. Ejemplo del recorrido de una onda
La diferencia temporal en la propagación (llamada retraso de propagación) entre dos señales que toman diferentes rutas puede interferir en la recepción, ya que los flujos de datos que se reciben se superponen entre sí. Esta interferencia se incrementa a medida que aumenta la velocidad de transmisión, ya que los intervalos de recepción de los flujos de datos se hacen cada vez más cortos. Por lo tanto, la multiruta limita la velocidad de transmisión en redes inalámbricas. Para superar este problema, las tarjetas Wi-Fi y los puntos de acceso usan dos antenas por emisor. Mediante un controlador automático de ganancia (AGC), que cambia inmediatamente de una antena a otra según la fuerza de la señal, el punto de acceso puede distinguir dos señales que vienen de la misma estación. Se dice que las señales que reciben estas dos antenas no están correlacionadas si no hay una diferencia de Lambda/2 (6,25 cm a 2,4 GHz).
Las propiedades de los medios
Las ondas de radio viajan con facilidad por el vacío lo que las hace ideales para un
sistema de comunicación inalámbrico, ellas atraviesan los materiales aislantes y
esa velocidad se ve afectada por la constante dieléctrica del material que
atraviese. La siguiente tabla muestra los niveles de atenuación para diferentes
materiales:
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Materiales Grado de atenuación
Ejemplos
Aire Ninguno Aire libre, patio interno
Madera Bajo Puerta, piso, medianera
Plástico Bajo Medianera
Vidrio Bajo Ventanas sin teñir
Vidrio teñido Medio Ventanas teñidas
Agua Medio Acuario, fuente
Seres vivientes
Medio Multitud, animales, personas, plantas
Ladrillos Medio Paredes
Yeso Medio Medianeras
Cerámica Alto Tejas
Papel Alto Bobinas de papel
Concreto Alto Muros de carga, pisos, columnas
Vidrio a prueba de balas
Alto Ventanas a prueba de balas
Metal Muy alto Concreto reforzado, espejos, armarios metálicos, cabina del ascensor
Tabla 2. Niveles de atenuación. http://es.ccm.net/contents/819-propagacion-de-las-ondas-de-radio-802-11
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2.2 Red Inalámbrica de Sensores
Conceptos básicos:
Las redes inalámbricas de sensores (WSN), se basan en dispositivos de bajo
costo y consumo llamados nodos que son capaces de obtener información de su
entorno, procesarla localmente, y comunicarla a través de enlaces inalámbricos
hasta un nodo central de coordinación.
Ilustración 6. Estructura de una red inalámbrica de sensores
https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_sensor_network#/media/File:WSN.svg
Los nodos actúan como elementos de la infraestructura de comunicaciones al
reenviar los mensajes transmitidos por nodos más lejanos hacia un centro de
coordinación.
La red de sensores inalámbricos está formada por numerosos dispositivos
distribuidos espacialmente, que utilizan sensores para controlar diversas
condiciones en distintos puntos, entre ellas, la temperatura, el sonido, la vibración,
la presión y el movimiento.
Los sensores pueden ser fijos o móviles. Los dispositivos son unidades
autónomas que constan de un microcontrolador, una fuente de energía
(generalmente una batería), un radio transceptor (RF) y un elemento sensor.
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Tabla 3Diagrama del dispositivo http://redesdesensoreswsn.blogspot.com.co/2012/07/redes-de-sensores-inalambricas-wsn-upt.html
Características de las wsn (Wireless sensor Network) Las WSN tienen capacidad de auto restauración, es decir, si se avería un nodo, la red encontrará nuevas vías para encaminar los paquetes de datos. De esta forma, la red sobrevivirá en su conjunto, aunque haya nodos individuales que pierdan potencia o se destruyan. Las capacidades de auto diagnóstico, auto configuración, auto organización, auto restauración y reparación, son propiedades que se han desarrollado para este tipo de redes para solventar problemas que no eran posibles con otras tecnologías.7
Ilustración 7. Sistema de adquisición de datos
Sensores y/o actuadores: Toman la información del medio y la convierten en señales eléctricas. Los sensores pueden ser analógicos o digitales, en el caso de los sensores analógicos para que la información pueda ser
7Mónica Romero Velasco. Recuperado septiembre 25 de 2015 de :
http://deeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/786pub.pdf
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procesada por el microcontrolador, la misma debe ser digitalizada mediante un ADC (conversor analógico/digital).
Microcontrolador: Es la unidad de procesamiento de datos.
Transceptor: Brinda al nodo de comunicación inalámbrica. Puede actuar como transmisor o receptor según se necesite.
8Tipos de nodos Las placas de adquisición de datos de los nodos recogen, procesan y envían los datos adquiridos del medio a otros nodos. Hay tres tipos de nodos distintos:
Nodos finales (RFD): Sensan la información del medio y la transmiten al siguiente nodo de la red. No se encargan de la recepción y retransmisión de información proveniente de otros nodos.
Nodos intermedios o routers (FFD): Reciben, almacenan, procesan y re-envían los datos desde los nodos comunes hacia el gateway. Se utilizan para extender el alcance de la red, a su vez, proveen de rutas alternativas para el envío de mensajes en la red.
Nodos Gateway: Se encargan de conectar los nodos intermedios hacia redes externas. Es la interfaz entre la plataforma de aplicación y los nodos que componen la red. Toda la información recibida en el Gateway es almacenada y reenviada a la aplicación para su tratamiento posterior. Topologías Para la implementación de redes WSN existen tres topologías distintas: Estrella
Todos los dispositivos de la red se pueden comunicar con el coordinador Pero no entre sí.
Malla
Se trata de una comunicación punto a punto pero existiendo restricciones en la intercomunicación de dispositivos.
Cualquier dispositivo puede comunicarse con otro.
El coordinador se encarga de la gestión de caminos. Árbol
El coordinador establece la red inicial.
Los routers forman ramas y retransmiten los mensajes.
Los dispositivos finales son las hojas del árbol.
8GONZÁLEZ, Julen. E.T.S INGENIERIA INDUSTRIAL. Recuperado Septiembre 20 de 2015.
http://academica.unavarra.es/bitstream/handle/2454/11846/TFG_IraceburuGonzalezJulen2014.pdf?sequence
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Ilustración 8. Topologías
http://paginas.fe.up.pt/~ee99207/Tecnologias/WPAN/Zigbee.html
2.3 Eficiencia energética Generalmente los nodos son alimentados con baterías, por lo tanto, es importante el diseño del nodo teniendo en cuenta el consumo energético. El objetivo de la eficiencia energética es maximizar el tiempo de vida de la red al mismo tiempo que la aplicación cumple con sus requisitos de QoS. Diseñar un nodo para bajo consumo supone elegir componentes de baja potencia. Para ello hay que tener en cuenta el consumo de todos los elementos presentes en el nodo, dándole mayor importancia al microcontrolador, al sensor y al transceptor, durante el modo normal de operación. Un sistema distribuido significará que algunos sensores necesitarán comunicarse a través de largas distancias, lo que se traducirá en mayor consumo. Por esta causa, se debe procesar localmente la mayor cantidad de información posible, para minimizar el número de bits transmitidos. El microcontrolador debe tener la capacidad de pasar a modo sleep mientras no esté adquiriendo ni procesando datos. A continuación se presenta una gráfica del consumo del nodo en función del tiempo.
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Ilustración 9.Consumo del nodo en función del tiempo.
http://www3.fi.mdp.edu.ar/electronica/catedras/redesdedatos/files/Redes%20de%20sensores.pdf
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3. ENCUESTAS REALIZADAS Con el ánimo de evaluar la necesidad del sistema de seguridad, se realizó un estudio por medio de 60 encuestas que permitieron identificar las necesidades de los hogares y pequeñas empresas frente a este aspecto; así mismo se realizaron entrevistas en el sector policial y de seguridad para determinar la importancia de estos sistemas para minimizar los factores de riesgo.
3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para la tabulación de los datos se utilizó un cuadro haciendo un análisis individual por cada pregunta y una representación gráfica de los mismos, su cuantificación se obtuvo a partir de la siguiente formula:
% = Fx100
N
% = Tanto por ciento que se encuentra en el total del estudio
F = Número de veces que se repite el dato
100 = constante de la muestra
N = Número total de datos
A continuación se presenta cada una de las preguntas realizadas en la encuesta
con su respectiva gráfica, con las cuales se realizaron los análisis.
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Pregunta número 1
¿Qué es lo más importante a considerar a la hora de contratar una alarma? Gráfica Número 1
Pregunta número 2
¿Prefiere una empresa que monitoree por usted o ser usted quien maneje completamente pero de forma automatizada su plan seguridad? Gráfica Número 2
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Pregunta número 3
¿Cuál o cuáles de los siguientes ítems considera usted que las empresas de monitoreo deberían mejorar? Gráfica Número 3
Pregunta número 4
¿Prefiere un sistema de su propiedad o cuotas mensuales? Gráfica Número 4
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Pregunta número 5
¿En materia de seguridad qué considera más importante? Gráfica Número 5
3.2 Análisis de las encuestas realizadas en los hogares
Las anteriores encuestas realizadas en (50) hogares de la ciudad de Dosquebradas, nos arrojaron los siguientes resultados, con un 48% el servicio de cobertura primo por encima de otras variables tales como, la inversión y la autonomía, después de esta se ubicó con un 27 % última tecnología, cuando en la segunda variable se les pregunto si preferían una alarma monitoreada por ellos mismo o por una empresa externa, el 46% de los encuestados contestaron que preferían ambas funciones, para su mayor seguridad.
La pregunta número (3) la cual hablaba de los aspectos que las personas consideraban que las empresas actuales deberían de mejorar un 40% opinan que la efectividad y un 35% nuevamente elige mayor cobertura. En la gráfica número 4 con el 76% podemos ver como las personas prefieren una alarma de su propiedad y el 24% prefiere una cuota fija.
Por último se les pregunto a los encuetados que consideraban más importante al momento de tener una alarma el 42% opina que sea antirrobo y el 34% que sea monitoreada desde el celular.
Con los anteriores datos se puede concluir que las personas buscan que las alarmas actuales hagan uso de las nuevas tecnologías para de esta manera tener una mayor cobertura y hacer que la efectividad aumente.
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Encuestas realizadas a las empresas
Pregunta número 1
¿Qué es lo más importante a considerar a la hora de contratar una alarma? Gráfica Número 6
Pregunta número 2
¿Prefiere una empresa que monitoree por usted o ser usted quien maneje completamente pero de forma automatizada su plan seguridad? Gráfica Número 7
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Pregunta número 3
¿Cuál o cuáles de los siguientes ítems considera usted que las empresas de monitoreo deberían mejorar? Gráfica Número 8
Pregunta número 4
¿Prefiere un sistema de su propiedad o cuotas mensuales? Gráfica Número 9
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Pregunta número 5
¿En materia de seguridad qué considera más importante? Gráfica Número 10
3.3 Análisis de las encuestas realizadas en las empresas
En las encuestas realizadas a las empresas en total fueron (10) los resultados obtenidos fueron los siguientes, el 45% de las empresas considera que la última tecnología es lo más importante en un sistema de alarmas, por otro lado el 33% piensa que la autonomía es el aspecto más relevante. Cuando se les pregunto si deseaban que una empresa monitoreara su empresa o preferían hacerlo ellos mimos el 60% prefieren hacerse cargo de la seguridad, y el 30% consideraron ambas opciones.
En cuanto a los aspectos por mejorar por parte de las entidades de vigilancia, el 40% opinan que la efectividad es uno de los aspectos a mejorar y un 30% mayor cobertura, el resto de porcentaje se dividió en las demás alternativas. En la pregunta número 4, el porcentaje más alto fue 90% indicando que las empresas quieren tener una alarma propia y el 10% restante optan por las cuotas mensuales.
En la gráfica número 5 se les pregunto que en materia de seguridad que era lo más importantes el 47% piensan que la alarma sea antirrobo y un 32% consideran más importante que la alarma sea monitoreada por medio del celular.
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Haciendo un paralelo entre los dos análisis de las entrevistas tanto de hogares como de empresas, vemos como las entidades buscan una tecnología mucho más vanguardista la cual les permita ser más independientes con relación a la seguridad de sus negocios, los aspectos similares que se encontraron en ambos análisis fue en la pregunta número 3 en la cual se mencionan los criterios que ellos consideran las empresas deben de mejorar (efectividad y mayor cobertura).
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4. ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS Crear un sistema global de seguridad que integre diferentes herramientas como: Sensores magnéticos, de humo, gas y movimiento, control de luces, alarma auditiva, envío de mensajes de alarma a dispositivos celulares y vigilancia directa 24 horas desde cualquier dispositivo que tenga acceso a internet como tablet, PC, celular, el cual brinde seguridad al hogar y a empresas, es el reto que surge de analizar los sistemas existentes en la actualidad, ya que son múltiples los avances y herramientas tecnológicas que se pueden integrar para hacer de estos sistemas más efectivos y aún no se dispone de uno que logre fusionar las disciplinas que convergen en mecatrónica, las cuales permitirían un sistema de mayor efectividad. Para lograr dicho objetivo se debe conocer la manera de unir los sistemas antes mencionados en uno solo, al igual que conocer el funcionamiento de cada uno de ellos, sus ventajas y desventajas y los diferentes aportes que harían al diseño del proyecto.
4.1 TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS A continuación se presentan las principales tecnologías inalámbricas para realizar un análisis comparativo sobre cuál de ellas es la más apropiada para la diseñar la red inalámbrica de sensores para este proyecto: Bluethoth: La tecnología Bluetooth es una especificación abierta para Redes Inalámbricas de Área Personal que posibilita la transmisión de datos y voz entre un grupo privado de dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2,4 GHz. Está basada en un enlace de radio de bajo coste y corto alcance, implementado en un circuito integrado proporcionando conexiones instantáneas para entornos de comunicaciones tanto móviles como estáticas.9 Wi-Fi (estándar IEEE 802.11) Dentro de las redes de área local inalámbrica (WLAN) sin lugar a dudas la de mayor renombre e importancia es el protocolo IEEE 802.11 el cual define a una serie de estándares y es mejor conocido como Wi-Fi.10
9REDES DE SENSORES, ZigBee y Bluetooth. Recuperado Agosto 24 de 2015 de:
http://www3.fi.mdp.edu.ar/electronica/catedras/redesdedatos/files/Redes%20de%20sensores.pdf
10 ARDUINO. Recuperado Septiembre 14 de 2015 de :http://libroweb.alfaomega.com.mx/catalogo/arduino_aplicado_en_robo_meca_inge/libreacceso/libreacceso/ref
lector/ovas_statics/lecturas_complementarias/capitulo13/arduino_capitulo13_Web.pdf
38
La gran flexibilidad de Wi-Fi hace posible aplicaciones a distancias de hasta 100 metros alrededor del accesspoint y ofrece la posibilidad de formar redes de área local hot spots adyacentes. Algunas características destacadas:
Los estándares IEE 802.11 usan la banda frecuencia de 2.4 GHz.
La tasa de transferencia depende del estándar que se haga uso, puede ir desde los 11 (Mbps) hasta los 108 (Mbps).
Altas tasas de transmisión. ZigBee: 11ZigBee es el lenguaje inalámbrico que utilizan para conectarse entre sí uno o varios dispositivos de uso diario, está basado en el estándar 802.15.4. De hecho se complementan proporcionando una pila completa de protocolos que permiten las comunicaciones entre una multitud de dispositivos de una forma eficiente y sencilla. Entre sus objetivos está el de transmitir pequeños volúmenes de datos con muy bajo coste y consumo de potencia y obtener así una larga duración de batería. Las características más importantes del estándar son: Características de las redes/dispositivos ZigBee:
Velocidad de transmisión entre 25-250 kbps. Protocolo asíncrono, halfduplex y estandarizado, permitiendo a productos
de distintos fabricantes trabajar juntos. Se pueden formar redes que contengan desde dos dispositivos hasta
cientos de ellos. Los dispositivos de estas redes pueden funcionar en un modo de bajo
consumo, lo que supone años de duración de sus baterías. Es un protocolo fiable, la red se organiza y se repara de forma automática y
se rutean los paquetes de manera dinámica. Es un protocolo seguro ya que se puede implementar encriptación y
autentificación. Direccionamiento a nivel red de 16 bits
Zigbee es pues uno de los estándares más aceptados para la utilización de redes de sensores y actuadores que operan a batería. 11Zigbee. Recuperado Octubre 23 de 2015:http://webdelcire.com/wordpress/archives/1714
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Comparativa:
Tabla 4 comparativa diferentes tipos de comunicación
http://paginas.fe.up.pt/~ee99207/Tecnologias/WPAN/Zigbee.html
Después del análisis de los principales puntos que pueden aportar cada una de las tecnologías en éste proyecto se puede concluir:
Con Wi-Fi se tiene gran cobertura y altas tasas de transmisión, pero no cumple con la clase de transmisión que se pretende llevar a cabo, ya que por su elevado consumo es necesaria una fuente de energía más grande para su funcionamiento.
La tecnología Bluetooth está enfocada en teléfonos celulares y otros electrodomésticos, su consumo energético sigue siendo más alto (40mA cuando está transmitiendo y 0.2mA en modo sleep, frente a los 30mA transmitiendo y 3µA en modo sleep de Zigbee) por lo que también queda descartado.
Zigbee por su bajo consumo resulta ser la ideal, aunque tiene menor tasa de envío de datos ya es suficiente para este proyecto, además cuenta con un alcance de unos 100 metros o más y finalmente, es una tecnología diseñada para la interconexión de pequeños dispositivos con batería en una red de varios nodos, que es exactamente como se plantea en el proyecto.
Una vez decidida la tecnología que se va a utilizar, se pasa a profundizar un poco más sobre ésta y la elección del módulo más adecuado para este proyecto.
40
4.2 12Introducción a Zigbee Las comunicaciones Zigbee se realizan en la banda libre de 2.4GHz. A diferencia de bluetooth, este protocolo no utiliza FHSS (Frequencyhooping), sino que realiza las comunicaciones a través de una única frecuencia, es decir, de un canal. Normalmente puede escogerse un canal de entre 16 posibles. El alcance depende de la potencia de transmisión del dispositivo así como también del tipo de antenas utilizadas (cerámicas, dipolos, etc).
Ilustración 10 Módulo XBee serie Pro
El alcance normal con antena dipolo en línea vista es de aproximadamente de 100m y en interiores de unos 30m. Entre las necesidades que satisface el módulo se encuentran:
• Bajo costo. • Ultra-bajo consumo de potencia. • Uso de bandas de radio libres y sin necesidad de licencias. • Instalación barata y simple. • Redes flexibles y extensibles.
Una conexión típica se muestra en la siguiente figura, donde se observa que cada módulo Xbee posee algún tipo de sensor, el cual entrega los datos para ser enviados a través de la red a un Centro que administre la información.
12GUIA XBEE:file:///C:/Users/Usuario/Downloads/XBee-Guia_Usuario.pdf
41
Ilustración 11. Conexión típica usando XBee
Circuito básico para el Xbee. La Figura 10 muestra las conexiones mínimas que necesita el módulo Xbee para poder ser utilizado.
Ilustración 12. Conexiones mínimas requeridas para el XBee.
El módulo requiere una alimentación desde 2.8 a 3.4 V, la conexión a tierra y las líneas de transmisión de datos por medio del UART (TXD y RXD) para comunicarse con un microcontrolador, o directamente a un puerto serial utilizando algún conversor adecuado para los niveles de voltaje.
42
Ya que uno de los objetivos es crear una red inalámbrica, segura, de bajo consumo y costo se optó por una topología de red tipo malla por tener éstas propiedades y además proporcionar una amplia cobertura, ser capaz de balancear la carga de tráfico y soportar la tolerancia a fallos, de forma que si uno de los nodos cae la red puede auto reconfigurarse para encontrar rutas alternativas de comunicación lo que eleva el nivel de confianza.
Ilustración 13 Diagrama de una red tipo malla
http://eslared.net/walcs/walc2011/material/track1/redes_mesh_presentacion_es.pdf
Modos de operación: Los modos de operación del módulo Xbee son los siguientes:
Ilustración 14 Modos de operación del módulo XBee
file:///C:/Users/Usuario/Downloads/XBee-Guia_Usuario.pdf
43
MODOS RECIBIR/TRANSMITIR: Se encuentra en uno de estos modos cuando llega al módulo algún paquete RF por la antena (modo recepción) o cuando se manda información serial al buffer del pin 3 que luego será transmitida (modo transmisión). La información transmitida puede ser Directa o Indirecta. En el modo directo la información se envía inmediatamente a la dirección de destino. En el modo Indirecto la información es retenida durante un período de tiempo y es enviada sólo cuando la dirección de destino la solicita. Además es posible enviar información por dos modos. Unicast y Broadcast. Por el primero, la comunicación es desde un punto a otro, y es el único modo que permite respuesta de quien recibe el paquete RF, es decir, quien recibe debe enviar un ACK (paquete llamado así, y que indica que recibió el paquete, el usuario no puede verlo, es interno de los módulos) a la dirección de origen. Quien envió el paquete, espera recibir un ACK, en caso de que no le llegue, reenviará el paquete hasta 3 veces o hasta que reciba el ACK. En el modo Broadcast la comunicación es entre un nodo y a todos los nodos de la red. En este modo, no hay confirmación por ACK. Modo de Bajo Consumo (SleepMode). Modo de bajo consumo. Este modo hace posible que el módulo se encuentre en un estado de bajo consumo cuando no está en uso. La configuración de los ciclos de sueño se realiza mediante comandos. Por defecto, los ciclos de sueño están deshabilitados (módulo en estado de reposos/recepción). Mediante el pin de hibernación Sleep_RQ (pin 9) en estado alto, el módulo termina cualquier transmisión, recepción o procedimiento de asociación y entra en modo reposo y luego en modo sueño. En este estado no responde a comandos entrantes de ningún tipo. Sólo cuando se baje el estado lógico de Sleep_RQ el módulo saldrá del estado de sueño y podrá volver a enviar y recibir datos. Existe otro modo de sueño a parte del de controlado por pin, este es el modo de sueño cíclico que se basa en despertar al módulo cada cierto período para que compruebe si existen datos para enviar. Modo de Comando. Este modo permite ingresar comandos AT al módulo Xbee, para configurar, ajustar o modificar parámetros. Permite ajustar parámetros como la dirección propia o la de destino, así como su modo de operación entre otras cosas. Para poder ingresar los comandos AT es necesario utilizar un Hyper terminal como el programa Cool Terms.
44
Modo de operación API. Cuando se encuentra en este modo, el módulo empaqueta en tramas toda la información que entra y sale. Estos definen operaciones y eventos del módulo. Entre las opciones que permite la API, se definen:
Transmitir información a múltiples destinatarios, sin entran al modo de comandos
Recibir estado de éxito/fallo de cada paquete RF transmitido.
Identificar la dirección de origen de cada paquete recibido. En este caso un microcontrolador externo se debe encargar de crear una trama especifica al tipo de información que se va a enviar, este modo es recomendado para redes muy grandes donde no se puede perder tiempo entrando y saliendo del modo configuración de los dispositivos. Para redes con topología en Malla este es el modo a utilizar. Idle Cuando el módulo no se está en ninguno de los otros modos, se encuentra en éste. Es decir, si no está ni transmitiendo ni recibiendo, ni ahorrando energía ni en el modo de comandos, entonces se dice que se encuentra en un estado al que se le llama IDLE.
4.2.1 SERIES Existen 2 series de estos módulos. La serie 1 y la serie 2 o también conocida como 2.5. Los módulos de la Serie 1 y la Serie 2 tienen el mismo pin-out, sin embargo, no son compatibles entre sí ya que utilizan distintos chipset y trabajan con protocolos diferentes. La serie 1 está basada en el chipset Freescale y está pensado para ser utilizado en redes punto a punto y punto a multipunto. Los módulos de la serie 2 están basados en el chipset de Ember y están diseñados para ser utilizados en aplicaciones que requieren repetidores o una red tipo malla. Ambos módulos pueden ser utilizados en los modos AT y API. XBee 1mW – Serie 1
Ilustración 15 XBee 1mW antena de PCB Serie 1
http://5hertz.com/index.php?main_page=product_info&products_id=320
45
– 250kbps máxima velocidad de datos – 1mW de salida (0 dBm) – 100m rango línea abierta, 30 metros en interiores – 6 pines de 10bits para entrada ADC – 8 pines de E / S digitales XBee 2mW – Serie 2
Ilustración 16. XBee 2mW antena de PCB Serie 2
http://5hertz.com/index.php?main_page=product_info&cPath=26_34_143&products_id=324
3.3V a 40mA 250kbps máxima tasa de transferencia Salida de 2mW (+3dBm) Alcance de 400ft (120m) Con antena integrada 6 pines de entrada ADC de 10-bits 8 pines digitales de IO Encriptación de 128-bit Set de comandos AT o API
4.2.2 ANTENAS 13También se deberá elegir el tipo de módulo de la antena. Como se ha mencionado anteriormente las ondas de radio necesitan antenas para transmitir y recibir las señales.
13XBEE. Recuperado Septiembre 2 de 2015de :http://xbee.cl/que-es-xbee/
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Ilustración 17.Diferentes modelos de antenas XBee
http://jeromeabel.net/ressources/xbee-arduino
WireAntenna (WhipAntenna): se trata de un pequeño cable que sobresale. Comunicación simple, omnidireccional.
U.FL Antenna: este modelo trae un conector pequeño para instalar una antena externa.
RPSMA Antenna: Un conector más grande para adaptar una antena en el exterior de una caja.
Chip Antenna: Básicamente es un pequeño chip que actúa como antena. Rápido, sencillo y barato.
4.2.3 COMPARATIVA
MaxStream fabrica más de 70 tipos de módulos Xbee con diferentes antenas,
potencia y capacidades. Se ha evaluado y escogido los más populares. Muchas
de las características de los módulos Xbee tales como velocidad de transmisión y
canales por ejemplo pueden ser configurados utilizando el software X-CTU o
directamente desde un microcontrolador.
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TABLA COMPARATIVA MÓDULOS XBEE
Xbee
Velocidad
Max de datos
Frecuencia de banda
Potencia de transmisión
Antena
IO pines digitales
Entradas ADC
Rango
XBee 1mW PCB Antenna
115.2 kbP 2.4 GHz 1 mW (+0
dBm) Incorporada
8
(7) 10-bit
300ft (100m)
XBee 1mW WireAntenna
250kbps 2.4 GHz 1mW output
(+0dBm) Incorporada
8
(6) 10-bit
300ft (100m)
XBee 2mW Chip Antenna –
Series 2
250kbps 2.4 GHz 2mW output
(+3dBm) Incorporada
8
(6) 10-bit
400ft (120m)
XBee 2mW PCB Antenna –
Series 2 (ZigBee Mesh)
250kbps 2.4 GHz 2mW output
(+3dBm). Incorporada
8
(6) 10-bit
400ft (120m)
48
Xbee
Velocidad
Max de datos
Frecuencia de banda
Potencia de transmisión
Antena
IO pines digitales
Entradas ADC
Rango
XBee 2mW RPSMA –
Series 2
250kbps 2.4 GHz 2mW output
(+3dBm) RPSMA 8
(6) 10-bit
400ft (120m)
XBee 2mW Wire Antenna –
Series 2 (Mesh)
250kbps 2.4 GHz 2mW output
(+3dBm) Incorporada
8
(6) 10-bit
400ft (120m)
XBee Pro 50mW RPSMA –
Series 2 (Mesh)
250kbps 2.4 GHz 50mW output
(+17dBm). RPSMA 8
(6) 10-bit
1 milla (1600m
)
XBee Pro 50mW Serie 2.5
Wire Antena
250kbps 2.4 GHz 50mW output
(+17dBm). Incorporada
8
(4) 10-bit
1 milla (1600m
)
XBee Pro 60mW serie 1
250kbps 2.4 GHz 60mW output
(+18dBm). Incorporada
8
(6) 10-bit
1 milla (1600m
)
49
Xbee
Velocidad
Max de datos
Frecuencia de banda
Potencia de transmisión
Antena
IO pines digitales
Entradas ADC
Rango
PCB Antena
XBee Pro 60mW Wire
Antenna
250kbps 2.4 GHz 60mW output
(+18dBm) Incorporada
8
(6) 10-bit
1 milla (1600m
)
XBee Pro 900 RPSMA
156 Kbps ISM de
900MHz 50 mW (+17
dBm) RPSMA 10
(6) 10-bit
6 millas (10 km)
XBee Pro 900 XSC RPSMA
9.6kbps ISM de
900MHz 100 mWpower
output RPSMA ninguna ninguna
15 millas
Tabla 5 comparativa XBEE http://xbee.cl/comparativa/
Como ya se ha mencionado antes, uno de los objetivos es crear una red tipo malla que tengan las propiedades de auto-recuperación y bajo consumo de energía, por lo que se optará por un módulo XBee 2mW PCB Antenna – Series 2 (ZigBeeMesh). 4.2.4 CONFIGURACIÓN DEL DISPOSITIVO XBee Serie 2
Xbee Explorer Para la configuración se utilizará ésta la placa Xbee Explorer. Esta unidad funciona con todos los módulos Xbee incluyendo la Serie 1 y la Serie 2.5, versiones estándar y Pro. Mediante la conexión mini USB se tiene acceso directo a los pins seriales y de programación de la unidad Xbee.
50
Ilustración 18XBee Explorer USB http://xbee.cl/xbee-explorer-usb/
Además de la configuración, el módulo Xbee que actúe como coordinador será el que esté sobre el Xbee Explorer USB recibiendo los datos de los demás sensores inalámbricos y pasándolos directamente a la raspberry para que ésta pueda interpretarlos y mostrarlos por pantalla vía internet.
4.3 PLACA RECEPTORA Una placa computadora u ordenador de placa reducida (en inglés: Single BoardComputer o SBC) es una computadora completa en un sólo circuito. El diseño se centra en un sólo microprocesador con la RAM, E/S y todas las demás características de un computador funcional en una sola tarjeta que suele ser de tamaño reducido, y que tiene todo lo que necesita en la placa base. Con el desarrollo de la computadora personal hubo un giro lejos de los computadores de una tarjeta, con computadores que tenían una placa base que debía ser conectada a tarjetas de extensión que proveían los puertos seriales, controlador para discos duros, de gráficos y de sonido. Recientemente esta tendencia parece haberse invertido ya que los fabricantes cada vez ponen más características como el sonido, red, E/S e incluso gráficos en la placa base.14 4.3.1 ELECCIÓN DE LA PLACA RECEPTORA Para este proyecto se analizaron las diferentes placas que actualmente se encuentran en el mercado, (Arduino, Hackberry, Banana Pi, PcDuino, CIAA, +
14Placa computadora. Recuperado Septiembre 9 de 2015 de:https://es.wikipedia.org/wiki/Placa_computadora
51
BeagleBoard, CubieBoard, DreamPlug, ODROID, entre otras), a continuación se presenta la comparativa de las placas más destacadas realizada por Isaac PE en la página comohacer.eu.
Banana Pi: con un precio superior a unos 70 euros, muy similar incluso en
el diseño a la Raspberry Pi. Posee un procesador ARM Cortex A7 dualcore, 1GB de memoria RAM DDR3, GPU ARM Mali 400. El resto de características son similares a la Raspberry Pi B oficial.
Ilustración 19. Modelo Banana Pi
http://comohacer.eu/comparativa-y-analisis-raspberry-pi-vs-competencia/
PcDuino: Su precio ronda los 50€. La CPU es una AllWinner A20 1Ghz
ARM Cortex A7 dualcore, GPU Mali 400 dualcore, 1GB de RAM, 4GB de memoria flash en placa y posibilidad de ampliarlo con una microSD. Contiene GPIO, ADC, I2C, UART, PWM, HDMI, USB, Ethernet, WiFi, IR, SATA, MIPI para cámaras y conexión para una batería de Li-Poly.
Ilustración 20. Modelo PcDuino
http://comohacer.eu/comparativa-y-analisis-raspberry-pi-vs-competencia/
CIAA: Se trata de un interesante proyecto argentino para crear un SBC para aplicaciones industriales. Tiene un SoC ARM Cortex M4F, 8MB de SDRAM, 4MB de memoria Flash y una memoria EEPROM. Se puede
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programar en lenguaje C, una batería para backup, conexiones como Ethernet, por bus CAN, puertos USB, microSD, etc. Además incluye puertos de expansión SPI, I2C, GPIO y Vaux. Integra una serie de salidas y entradas, tanto digitales como analógicas, salidas optoacopladas, MOSFET y salidas Relé (para el control de tensiones superiores a las que maneja la placa electrónica y CA).
Ilustración 21. Modelo CIAA
http://comohacer.eu/comparativa-y-analisis-raspberry-pi-vs-competencia/
BeagleBoard: es una placa open-source como la Raspberry. SoC OMAP3530 basado en ARM Cortex A8, con un DSP TMS320C64x y una GPU PowerVR SGX530. Tiene ranura SD/MMC, USB, RS-232, jacks, etc. Memoria RAM de 256MB y otra flash de 256MB.
Ilustración 22. Modelo BeagleBoard
http://comohacer.eu/comparativa-y-analisis-raspberry-pi-vs-competencia/
CubieBoard: Capaz de correr Android 4 ICS, Ubuntu, etc. Usa un
SoCAllWinner A10 con CPU ARM Cortex A8 a 1Ghz, GPU Mali 400MP, acelerador de video CedarX, displaycontroller, 1GB de DDR3, 4GB de NAND flash ampliable por microSD y SATA, puerto Ethernet, USB, I2C, SPI y LVDS.
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Ilustración 23.CubieBoard
DreamPlug: es un miniPC compacto que ya viene integrado con una carcasa y todo. Puede correr sistemas basados en Debian Linux y contiene una CPU Marvell Kirkwood 88F6281 a 1.2Ghz, 512MB de DDR2, 4GB de flash con posibilidad de ampliar mediante microSD o por USB mediante un disco duro externo. También integra puertos Ethernet, eSATA, JTAG, conectividad Bluetooth y Jack para audio.
Ilustración 24. Modelo DreamPlug
ODROID y derivados: ODROID-XU viene con un SoC de Samsung, el
Exynos 5410 Octacore, basado en una CPU ARM Cortex de 1.3Ghz, con cuatro núcleos. La GPU es una PowerVR con 2GB de memoria LPDDR3 que comparte con la CPU. Contiene slot microSD, eMMC, 4 USBs, 2 USB 3.0 y HDMI, MIPI, I2C, Jack, Ethernet, GPIO, UART, SPI, PWM.
Ilustración 25. Modelo ODROID-X
Intel Galileo: es una placa con certificado Arduino que ha creado Intel y se ha basado en sus microprocesadores x86. Chip Intel Quark X1000 a
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400Mhz. Incluye puertos USB, slot para tarjetas SD, JTAG, RS-232, PCI Express, UART, Ethernet, etc. Permite el desarrollo en una plataforma x86.
Ilustración 26. Modelo Intel Galileo
AMD GizmoBoard: con un consumo inferior a 10w que alcanza nada
menos que 52.8GFLOPS. Se basa en una APU embebida AMD G-Series (x86), 1GB de DDR3. En cuanto a conectividad, dispone de puertos USB, JTAG, VGA, Ethernet RJ-45, SATA, audio, PCI Express, GPIO, SPI, PWM, A/D, D/A, C/T y LVDS. Ronda los 200 dólares.
Ilustración 27. Modelo AMD GizmoBoard
AMD Gizmo 2: funciona con un SoC AMD GX210HA, una CPU Jaguar DualCore de 1 Ghz con 1MB de caché L2 capaz de desarrollar 85GFLOPS de potencia de cálculo. Integra 1GB de RAM DDR3 y puede manejar sistemas operativos Linux, Windows 7 y 8 embebidos. En cuanto a conectividad, tiene ranura microSD, mSATA, miniPCI-Express, 2x SATA III, Gigabit Ethernet, HDMI, DisplayPort, LVDS, 2x USB 3.0, 2x USB 2.0, SPI programables, JTAG, 5x PCIe.
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Ilustración 28. Modelo AMD Gizmo 2
OLinuXino y derivados: son placas open-source por unos 30 euros, con
Linux. Especialmente pensados para la industria, son capaces de operar en condiciones bastante extremas, entre -25 y 85 grados centígrados. Existen distintas versiones, una de ellas contiene un chip a A20 1Ghz con GPU Mali 400, 1GB RAM, 4GB flash, USB, HDMI, Ethernet, audio, UEXT, conector LCD, 160 GPIOs, slot para SD/MMC y microSD, conexión SATA, conexión para una batería externa. Además un kit con la caja, fuente de alimentación, tarjeta SD con Debian o Android, batería de 1400mAh por un total de 58 euros.
Ilustración 29. Modelo OLinuXino
PandaBoard ES: es una placa con un SoC ARM Cortex-A9 MPCore de 1.2Ghz y una GPU PowerVR SGX540, RAM de 1GB. Tiene conectividad para audio, tarjetas SD/MMC, HDMI, DVI-D, LCD, DSI, Ethernet, Bluetooth, WiFi, USB, JTAG, UART/RS-232. I2C, GPIO y otros. Se pueden hacer correr sistemas como Android, Firefox OS, Ubuntu, Linaro, etc. Su precio ronda los 170 dólares.
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Ilustración 30. Modelo PandaBoard ES
UDOO: Contiene un procesador i.MX6 de Freescale basado en ARM
Cortex-A9 quadcore de 1Ghz, GPU PowerVR, 1GB de RAM DDR3. MicrocontroladorAtmel SAM3X8E ARM Cortex-M3.Tiene 76 GPIOs, HDMI y LVDS + Touch, Ethernet, WiFi integrado, miniUSB, USB, conexiones para audio, SATA, cámara, y microSD.
Ilustración 31. Modelo UDOO
VIA SpringBoard: Todo un kit de desarrollo por menos de 100 dólares. En
cuanto a su hardware, brinda un ARM Cortex A9 a 800Mhz, 1GB RAM, 4GB de memoria flash y conectividad (USB, SPI, GPIO,WiFi,).
Ilustración 32. Modelo VIA SpringBoard
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HummingBoard y derivados: Sus precios rondan desde los 50 hasta los 100 dólares. El HummingBoard-i2eX, uno de los últimos, tiene un SoC i.MX6 de doble núcleo, con 1GB RAM DDR3, GPU GC2000, HDMI, Ethernet, PCI Express, mSATA 2, USB, audio, GPIO, etc.
Ilustración 33. Modelo HummingBoard
MarsBoard: Se puede conseguir por unos 80 euros conectividad (HDMI, USB, IR, Ethernet, microSD, LCD, audio, cámara), módulo de CPU CM-RK3066 o un A20 basado en ARM Cortex A7 a 1Ghz de doble núcleo con 1GB DDR3 y 8G flash. SoC de Rockchip, basado en ARM Cortex A9 dualcore 1.6Ghz y con una GPU ARM Mali 400MP4, 2GB RAM, 4GB flash.
Ilustración 34. Modelo MarsBoard
Wandboard: edición Solo (79 dólares), Dual (99 dólares) y Quad (129 dólares). Evidentemente la versión Quad es la más potente e incluye un SoC de Freescale i.MX6 basado en Cortex A9. Como GPU incluye la Vivante GC2000 + Vivante GC355 + Vivante GC320, que comparten los 2GB de RAM DDR3 con la CPU. En cuanto a conexiones están la de audio, S/P DIF, HDMI, microSD, para cámara, USB, USB OTG, WiFi, Ethernet, SATA y Bluetooth.
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Ilustración 35. Modelo Wandboard
En este punto se tiene muy en cuenta que la placa a elegir sea compatible con Arduino, XBee, fácil de programar, económica pero con las prestaciones necesarias para cumplir las expectativas del proyecto, de la que se pueda obtener importante información, foros, etc, es por eso que se optó por la Raspberry.
4.4 Raspberry Pi Raspberry Pi es una placa computadora (SBC) de bajo costo desarrollada en Reino Unido por la Fundación Raspberry Pi. Su diseño se basa en un sistema modelo SOC (SystemOn a Chip) es una placa base de 85 x 54 milímetros en el que se aloja un chip Broadcom BCM2835 con procesador ARM hasta a 1 GHz de velocidad (modo Turbo haciendo overclock), GPU VideoCore IV y con 512 MB o 1 GB de memoria RAMs según la versión de la placa. El diseño no incluye un disco duro o una unidad de estado sólido, como fuente de almacenamiento Raspberry Pi utiliza tarjetas de memoria SD o microSD; tampoco incluye fuente de alimentación, se puede conectar a la corriente utilizando cualquier cargador microUSB de al menos 2000mah.
Ilustración 36. Raspberry Pi
59
En función del modelo se dispone de al menos un puerto de salida de video HDMI y otro de tipo RCA, minijack de audio y un puerto USB 2.0). En cuanto a la conexión de red, cuenta con un puerto Ethernet para enchufar un cable RJ-45 directamente al router o se puede utilizar cualquier adaptador inalámbrico WiFi compatible.15
Tabla 6 comparativa Raspberry PI
http://comohacer.eu/wp-content/uploads/Comparativa-Raspberry-Pi-EN.png
Finalmente define que la placa será la Raspberry 2 Model B.
4.5 PLACA PARA MÓDULOS SENSORES:
En cada módulo sensor se necesita un microprocesador que será el encargado de
leer la señal del sensor analizarla y posteriormente enviarla a la placa receptora
central (Raspberry), para esta tarea se ha optado por la placa Arduino por su
15Raspberry Pi. Recuperado Noviembre 8 de 2015 de :http://www.raspberryshop.es/que-es-raspberry-pi.php
60
compatibilidad, conectividad y amplia librería,
específicamente se optó por el modelo UNO
por tener lo necesario para el proyecto y su
bajo coste.
Arduino UNO: es la plataforma más extendida
y la primera que salió al mercado. Se basa en
un microcontrolador Atmel ATmega320 de 8
bits a 16Mhz que funciona a 5v. 32KB son
correspondientes a la memoria flash, 2KB de
SRAM y 1KB de EEPROM. En cuanto a
memoria es una de las placas más limitadas,
pero no por ello resulta insuficiente para casi todos los proyectos. Las salidas
pueden trabajar a voltajes superiores, de entre 6 y 20v pero se recomienda una
tensión de trabajo de entre 7 y 12v. Contiene 14 pines digitales, 6 de ellos se
pueden emplear como PWM.
En cuanto a pines analógicos se cuenta con hasta 6. Estos pines pueden trabajar
con intensidades de corriente de hasta 40mA16.
4.6 CÁMARAS DE VIDEO VIGILANCIA IP Videovigilancia IP es una tecnología de vigilancia visual que combina los beneficios analógicos de los tradicionales CCTV (Circuito Cerrado de Televisión) con las ventajas digitales de las redes de comunicación IP, permitiendo la supervisión local y/o remota de imágenes y audio así como el tratamiento digital de las imágenes, los sistemas de seguridad que utilizan las cámaras IP son fáciles de instalar y mantener, y pueden ser personalizados para adaptarse perfectamente a unas exigencias específicas.17
16 http://comohacer.eu/analisis-comparativo-placas-arduino-oficiales-compatibles/ Recuperado Noviembre 1 de
2015 17VIDEOVIGILANCIA José Manuel Ferro Veiga
61
Ilustración 37. Esquemas de arquitectura de un sistema de vigilancia IP
4.6.1 CÁMARA IP:
Captura el vídeo y el audio (en caso de incorporar entrada y salida de audio) y puede ser fijas o móviles, estando conectadas por cable o en modo inalámbrico a una red de datos IP, a través de la cual se puede controlar y almacenarla información.
LED infrarrojos.- Los LEDs infrarrojos son puntos generadores de luz infrarroja. Este tipo de luz es imperceptible para el ojo humano pero no para Cámaras IP que incorporen filtros infrarrojos, dotando así a la cámara de visión nocturna.18
Entradas y salidas digitales: es necesario incluir las cámaras que disponen de micrófono y altavoces incorporados, ya que estos permiten acceder a las grabaciones de audio desde lugares remotos. Los usuarios pueden monitorizar y escuchar las áreas dentro del alcance de las cámaras, y con una configuración de audio de dos vías, se puede hablar con las personas que se encuentran en el área de vigilancia. También se pueden programar para reproducir mensajes pre grabados que alerten a los posibles delincuentes.
18VIDEOVIGILANCIA José Manuel Ferro Veiga
62
Ilustración 38. Micrófonos y altavoces integrados en cámara IP (tomado de http://mesoamericadigital.com/vitrina/index.php?main_page=product_info&products_id=447)
Relé I/O: relé de activación/desactivación para conexión de alarmas externas o para activar dispositivos a distancia.
Una gran variedad de sensores pueden ser conectados al sistema para dar alerta sobre variaciones en las condiciones físicas que a su vez pueden ser utilizados para iniciar la grabación, activar la iluminación, desconectar un sistema, etc.
Ilustración 39. Conexiones de alarma en la parte trasera de una cámara IP (tomada de
http://mesoamericadigital.com/vitrina/index.php?main_page=product_info&products_id=447)
No todas las cámaras IP disponen de puertos I/O para conectar opcionalmente sensores externos. En este proyecto se utilizarán únicamente modelos que tengan dichos pines, es muy posible que sirvan de fuente de alimentación a uno o varios sensores, todo esto depende ya del proceso de instalación futuro.
63
Ilustración 40. Descripción de pines E/S cámara IP (tomada de http://oa.upm.es/21331/1/PFC_JOSE_GARCIA_DEL_VALLE.pdf)
Estas cámaras traen incorporado su propio micro-computador especializado en
ejecutar aplicaciones de red o también llamadas Scripts, y un micro servidor web
que posibilita la conexión directa a internet o a una red local. Esto es de gran
ayuda para el proyecto porque no recarga la red inalámbrica ni la información que
debe recibir y procesar la placa Raspberry. Las cámaras IP son autónomas sólo
se debe dirigir las imágenes a la interfaz por la cual el usuario final puede estar al
tanto de todo lo que compone el sistema de alarma. Las cámaras IP también
disponen del envío de alarmas programadas por medio de e-mail.
4.6.2 19CÁMARAS IP PoE La correcta localización de las cámaras de videovigilancia es la clave para la seguridad. Por eso, el lugar donde instalarlas no debe estar supeditado a disponer de corriente eléctrica. Las cámaras IP con soporte PoE permiten una flexibilidad total de instalación, una gran ventaja especialmente en instalaciones de exterior. Si se despliega una solución de red con Switches PoE conectados a una fuente de alimentación ininterrumpida (SAI) se asegura que el sistema de Videovigilancia no caerá ante fallos de suministro. FIABILIDAD: si se despliega una solución de red con Switches PoE conectados a una fuente de alimentación ininterrumpida (SAI) se asegura que la electrónica de red no caerá ante fallos de suministro. Además los dispositivos conectados mediante PoE ya no están expuestos a sobrecargas de voltaje inherente a la red eléctrica.
19 http://www.dlink.com/es/es/business-solutions/poe/surveillance Recuperado Noviembre 11 de 2015
64
4.6.3 Foscam FI9821EP
Analizados varios modelos de cámaras en busca de optimizar prestaciones de
opta por el modelo Cámara IP Foscam FI9821EP.
Ilustración 41 Cámara IP FOSCAM Ref: FI9821EP-B http://www.foscam.es/FI9821EP/
Características:
Cámara IP de interior
1280x720 H.264
(HD-720P-Megapixel)
PoE (alimentación por cable de red)
Ranura tarjeta microSD
Grabación continua
Infrarrojos 8 m
Movimiento robotizado
Sonido bidireccional E/S
Detección de movimiento con alarmas email y FTP
Visión 75º
P2P: fácil configuración
DDNS gratis
Software y App gratis
Estándar ONVIF
Compatible Android
Compatible iPhone/iOS
65
4.7 SWITCH PoE
Un switch o conmutador es un dispositivo de interconexión utilizado para conectar equipos en red formando lo que se conoce como una red de área local (LAN) y cuyas especificaciones técnicas siguen el estándar conocido como Ethernet (o técnicamente IEEE 802.3). 20El Switch de sobremesa PoE DGS-1008P cuenta con las ventajas de la tecnología PoE (Power over Ethernet), la cual permite conectar los dispositivos, como puntos de acceso inalámbricos, cámaras de red o teléfonos IP, directamente con los cables de red. El DGS-1008P, e integra la tecnología Green Ethernet de D-Link para ahorrar energía cuando no se está utilizando el Switch.
Ilustración 42 Switch PoE D-Link DGS-1008P
http://www.pcweb.com.mx/index.php?main_page=index&manufacturers_id=16
Funcionamiento Plug and Play 4 puertos PoE Velocidad Gigabit Máxima velocidad simultánea en todos los puertos Quality of Service (QoS) para priorización de datos Función de diagnóstico del cableado para ayudar en la solución de
problemas relacionados con los cables Evita sobrecargas Ahorra energía
20 http://www.dlinkla.com/dgs-1008p Recuperado el 12 de Noviembre de 2015
66
4.8 UPS
UPS proviene de la siglas de ("Uninterruptible Power Supply") ó respaldo de
energía in interrumpible. Esta es la propuesta a la solución de un posible corte de
energía ya sea por falla eléctrica o por sabotaje, lo que dejaría inutilizado el
sistema de alarma.
Ilustración 43 Diagrama de bloques de un UPS
http://www.pcactual.com/articulo/zona_practica/paso_a_paso/paso_a_paso_hardware/8225/como_elegir_sai_ideal_potencia_necesaria_claves_uso.html?_part=4
21Es un dispositivo que se conecta al enchufe de pared, integra una circuitería
especial que permite alimentar un juego de baterías recargables internas mientras
suministra energía eléctrica al equipo que deseemos. En caso de que se dé un
corte de energía en el suministro de la red eléctrica, las baterías automáticamente
continúan alimentando el quipo por un cierto periodo de tiempo, evitando pérdida
de información.
Ilustración 44 UPS Olinsys serie Mini U http://www.olinsys.com/ups_single.html
21 -Extraído de InformaticaModerna.com
67
5. ELECCIÓN DEL SOFTWARE El software principal será Linux, a partir de ahí la selección para la programación de los diferentes dispositivos serán software compatibles con éste.
5.1 SOFTWARE XCTU PARA XBEE Se utiliza para la configuración de los módulos XBee. Aunque existen más programas para este trabajo, se elige éste por las prestaciones y porque es el que menos problemas presenta.
XCTU es una aplicación multiplataforma gratuita compatible con Windows,
MacOS y Linux.
Graphical Network View configuración sencilla de la red inalámbrica y la
arquitectura.
API FrameBuilder es una herramienta de desarrollo simple para construir
rápidamente marcos API XBee.
XCTU incluye todas las herramientas necesarias para poner rápidamente en marcha un dispositivo XBee. Las características como vista de red gráfica, que representa la red XBee junto con la intensidad de la señal de cada conexión, y el marco constructor API para XBee, que intuitivamente ayuda a diseñar e interpretar conexiones API para XBee.
5.2 Software para Raspberry Pi El Raspberry Pi usa mayoritariamente sistemas operativos basados en el núcleo Linux. Generalmente se usa el Raspbian que está optimizado para el hardware del dispositivo. La siguiente es una lista de algunos sistemas operativos que funcionan, se han portado, o están en proceso de ser portados a Raspberry Pi:22
Sistemas operativos completos:
AEROS
Linux
22http://dplinux.net/listado-de-todos-los-sistemas-operativos-para-raspberry-pi/ Recuperado Noviembre 9 de
2015
68
Raspbian
Android P
Ubuntu/Linaro
Windows 10
Se opta por el sistema operativo Raspbian, ya que éste cuenta con todas las ventajas de una de las distribuciones Linux más veteranas y utilizadas, además del respaldo de una enorme comunidad de usuarios.
5.3 SOFTWARE PARA LA ADMINISTRACIÓN DE CÁMARAS
Algunas cámaras IP necesitan un software para funcionar, en este proyecto se seleccionó un modelo IP que no necesita de software para operar porque la propia cámara IP muestra su software interno a través de cualquier navegador, y además puede tener más funcionalidades con el programa gratuito oficial Foscam IP Camera Client. Para Android e iOS (iPhone e iPad) dispone de app gratis Foscam para control de las cámaras. 5.4 INTERFAZ Una de las principales funciones de este sistema es coordinar todos los módulos XBee conectados a la red. Desde el punto de vista físico esto se logra accediendo a la red mediante el XBee explorer, el cual actúa como un adaptador en serie USB para poder conectar la Raspberry con el XBee a través de un puerto USB. Así la información que envíen los módulos sensores en la red será recibida por la Raspberry y ésta estará disponible para la aplicación. Para manejar el proceso entre XBee se necesita usar una librería específica que desarrolle algunas funciones importantes como son: hacer de interfaz entre los módulos XBee y la aplicación y manejar los datos. Hasta el momento la única librería open source que existe y que además es libre es XBee-API. Como requerimiento importante la red debe estar continuamente monitoreada, para evitar los posibles cuellos de botella, esta labor la realiza cada Arduino UNO, los cuales procesan la información y al almacenan y sólo la envían en caso de anomalía en los parámetros establecidos como normales, o por solicitud de la Raspberry.
69
Ilustración 45. Diagrama de flujo de Nodo sensor
70
6. DISEÑO DESARROLLO DEL HARDWARE El objetivo principal de este proyecto es desarrollar una red inalámbrica de sensores ZigBee mediante el módulo Xbee. Esta red estará compuesta por varios sensores los cuales estarán encargados de medir las variables del entorno como movimiento, gases, humos, vibraciones, temperatura y/o humedad. Los sensores se conectarán con un Arduino que será el encargado de procesar, transformar y transmitir dicha información al módulo Xbee para luego enviarla al nodo coordinador. Finalmente los datos se enviarán a la raspberry la cuál realizará el proceso de control y envío de los datos ya procesados al usuario ya sea con un software conocido o mediante la creación de un programa. Así estaría formada la red que mide las variables del entorno en diferentes puntos aislados para después éstos ser tratados por separado gracias a la raspberry.
6.1 Nodo sensor La función principal de cada nodo será sensar las condiciones exteriores a controlar como son movimiento y gases para posteriormente transmitir esta información mediante la red inalámbrica hacia la placa receptora. Todos los nodos están conformados por una placa de Arduino UNO, una tarjeta Xbee shield y un módulo xbee serie 2. 23Xbee Shield El Xbee Shield simplifica la tarea de conectar un módulo XBee con Arduino. Esta tarjeta puede ser utilizada directamente con el Arduino Pro o con el Arduino USB y proveyéndola de comunicación inalámbrica utilizando el módulo de comunicaciones XBee. Esta unidad funciona con los módulos Xbee de la serie 1 a 2.5 en sus versiones estándar y pro. Los pines seriales (DIN y DOUT) del XBee están conectados a un switch SPDT, con los que se puede conectar a la UART (D0, D1) o a los pines digitales 2 y 3 del Arduino. La alimentación de 5V la toma directamente del Arduino, la tarjeta posee un regulador de voltaje de 3.3VDC para poder alimentar el XBee.
23 http://arduino.cl/xbee-shield/ Recuperado Noviembre 6 de 2015
71
La tarjeta incluye LEDs que indican la alimentación y la actividad de los pines DIN, DOUT, RSSI, y DIO5 del XBee. El botón de reset del Arduino se reposiciona en este shield, y posee una grilla de 12×11 con perforaciones de 0.1″ de separación.
Ilustración 46 Conexión de Arduino con Xbee mediante la placa shield
http://www.jerome-bernard.com/blog/2013/01/22/arduino-with-xbee-and-rgb-led-strip-talking-to-beaglebone-with-xbee/
Alimentación del nodo sensor: la alimentación de los nodos sensores puede ser o bien mediante una batería Lipo de 7,4 V y 4.300 mAh, pero si se dispone de energía solar cercana entonces se puede pensar en una batería y una placa solar, también está la posibilidad de llevarla como el resto del sistema mediante alimentación PoE con su respectivo Splitter y por último si se dispone de un enchufe cercano se utiliza el conector DC/AC respectivo.
Ilustración 47. Arduino UNO alimentado con batería Lipo Ilustración 48. Zumbador http://www.bajdi.com/wp-content/uploads/2012/04/lipo-arduino.jpg Tomado de Limoncellodigital.com
Se pueden incorporar zumbadores al sistema para que avise cuando la batería baje de 3V.
72
6.2 Módulo de gas El sensor de gas analógico (MQ2) se utiliza en la detección de fugas de gas de equipos en los mercados de consumo y la industria, este sensor es adecuado para la detección de gas LP, i-butano, propano, metano, alcohol, hidrógeno, tiene una alta sensibilidad, un tiempo de respuesta rápido Y dicha sensibilidad puede ser ajustada por el potenciómetro. Conexión El nodo está compuesto por:
Un XBee (Serie 2 / ZB firmware) configurado como router.
Un sensor (depende de la variable a controlar)
Arduino Uno
Batería
Ilustración 49 .Esquema nodo módulo de gas
Elaboración propia
6.3 Módulo PIR Otro elemento que interviene en la seguridad es un sensor de movimiento. Éste sensor está especialmente incluido con el propósito de aumentar la confiabilidad del sistema, ya que en caso de corte de energía o internet, será éste sensor el encargado de dar aviso de movimientos extraños, enviar la señal vía XBee a la placa receptora y ésta a su vez iniciará el protocolo para comprobar si ha habido un corte de energía e internet y procederá a realizar una llamada GSM dando aviso de la situación general.
73
Para este propósito se utilizará el sensor HC-SR501 el cual cuenta con 3 pines de conexión +5v, OUT (3,3v) y GND, y dos resistencias variables de calibración (Ch1 y RL2).
Características
Sensor piroeléctrico (Pasivo) infrarrojo (También llamado PIR) El módulo incluye el sensor, lente, controlador PIR BISS0001 y regulador Rango de detección: 3 m a 7 m, ajustable mediante trimmer (Sx) Lente fresnel de 19 zonas, ángulo < 100º Salida activa alta a 3.3 V Tiempo en estado activo de la salida configurable mediante trimmer (Tx) Consumo de corriente en reposo: < 50 μA Voltaje de alimentación: 4.5 VDC a 20 VDC
Los demás datos técnicos (datasheet) se encuentran en los documentos anexos. Conexión
Ilustración 50.Esquema nodo módulo PIR
Elaboración propia
6.4 Módulo de vibración
Se trata de un sensor de vibración o movimiento el cual se adhiere a las ventanas o puertas detectando el movimiento o vibración de éstos o de algún objeto especial que se desee proteger; también va conectado a la placa receptora de forma inalámbrica por radiofrecuencia para dar aviso de posible rotura de vidrios o golpes fuertes.
74
Se trata de un sensor piezoeléctrico de vibración que consta de una película de laminada de un sustractor de polímero. Cuando el sensor es doblado o desplazado de su eje neutral, este genera voltaje, el mismo puede ir de 0 a 70V. Características
Marca: Measurement Specialities. Sensibilidad: 50mV/g, Serie: 605-00004. Longitud: 25mm. Ancho: 13mm.
Conexión
Ilustración 51.Esquema nodo módulo PIR
http://hetpro-store.com/TUTORIALES/wp-content/uploads/2015/02/3.jpg
6.5 Hardware de la placa receptora Una vez se tienen todos los sensores listos para el envío de la información se implementará un lector que se encargará de recibir esta información y procesarla. Esta placa central o cerebro de la red será la encargada de controlar todos los dispositivos que integran la red. Este dispositivo debe estar en funcionamiento constante ya que es imprescindible. Teniendo en cuenta la compatibilidad y la
75
sencillez que se pretende, en la placa se implementará el Gateway que estará conectado como se mencionó antes mediante una interfaz USB hacia el módulo XBee, que se comportará como un puerto de serie virtual el cuál realizará las funciones de Coordinador de la red ZigBee. La Raspberry mediante un software desarrollado especialmente para la aplicación, será la encargada de administrar, almacenar y posteriormente enviar los datos que provengan de los sensores.
Ilustración 52. Implementación del dispositivo receptor (Gateway)
Elaboración propia
RED XBEE
Ilustración 53. Red XBee
Elaboración propia
76
ALIMENTACIÓN Y RED LAN Como se mencionó anteriormente la instalación de las cámaras IP no puede depender de la disponibilidad de un enchufe cercano, una de las condiciones a tener en cuenta en todo el proyecto es la flexibilidad de sus componentes, es por eso que para la alimentación integramos la tecnología PoE para los terminales IP y para la placa Raspberry la cual no dispone de dicha tecnología lo cual se resuelve con un Terminal o Splitter POE quedando todos los terminales conectados en una red LAN.
Ilustración 54. Alimentación y red LAN
Elaboración Propia
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7. PRESUPUESTO
PRESUPUESTO
MANO DE OBRA DIRECTA
Técnica
Salario con prestaciones
Salario Base
Valor Hora
Horas laboradas semanales
Técnica
Mecatrónica
1.001.026
901.026
4.671
45 horas
GASTOS GENERALES
Papelería y suministro de oficina
30.000
IMPREVISTOS
Imprevistos adicionales del proyecto
200.000
COSTOS MATERIALES DIRECTOS
Imagen Dispositivo Cantidad Valor unitario Valor total Moneda
XBEE 2mw Serie 2
4
$72.826
$291.304
Peso
XBEE Explorer USB
1
$79.446
$79.446
Peso
Carcasa transparente acrílica Raspberry Pi
1
$28.597
$28.597
Peso
Raspberry Pi 2
1
$142.983
$142.983
Peso
Arduino Uno
3
$69.516
$208.548
Peso
78
Cámara IP Foscam FI9821EP
2
$357.439
$714.878
Peso
Raspberry pi 2 LCD pantalla táctil
1
$168.000
$168.000
Peso
Cable RJ45
Patch, 7 metros
1
$6.500
$6.500
Peso
Tarjeta de Memoria SD Clase 10/ 32Gb
1
$111.000
$111.000
Peso
Sensor de movimiento PIR
1
$6000
$6000
Peso
Sensor de vibración MS 605-00004
1
$3500
$3500
Peso
XBEE SHIELD FOR ARDUINO
3
$33.100
$99.300
Peso
Switch PoE
1
$258.000
$258.000
Peso
79
UPS
1
$ 160.000
$160.000
Peso
Batería Lipo
3
$54.650
$163.950
Peso
Zumbador
3
$10.000
$30.000
Peso
POE Power
1
$26.900
$26.900
Peso
TOTAL MATERIALES
$ 2.498.846
TOTAL COSTO DIRECTO
$ 3.399.872
TOTAL GASTOS GENERALES
$30.000
TOTAL IMPREVISTOS
$200.000
TOTAL PRESUPUESTO
$3.629.872
80
8 CONCLUSIONES
En el transcurso de este proyecto se logró diseñar un sistema de seguridad para
hogares y pequeñas empresas en el cual se procuró incluir tecnologías
funcionales, flexibles y que en etapas futuras se pueda ejecutar y comercializar
con facilidad. El hecho de implementar tecnologías inalámbricas creó nuevos
desafíos para su desarrollo, conocer las ventajas y dificultades es estrictamente
necesario para poder aprovechar al máximo sus capacidades.
Entre los temas a tener en cuenta y dificultades que se tuvieron que resolver se
mencionan:
• El diseño de una buena red inalámbrica necesita de un análisis profundo:
elección del tipo y ubicación de los instrumentos, antenas, equipos y la
compatibilidad de los mismos.
• La duración de la alimentación (baterías o pilas): en partes posteriores a este
proyecto hay que tener en cuenta la frecuencia de actualización de datos, la clase
de instrumento, sus funciones, y otros aspectos que influyen en la duración de las
baterías las cuales deberán ser cambiadas o recargadas si se desea mantener el
sistema completamente inalámbrico.
• La capacitación propia: cualquier tecnología necesita de conocimientos sobre los
detalles de su uso y funcionamiento para el éxito, confiabilidad y durabilidad del
sistema, máxime si se trata de tecnologías aún en desarrollo.
En resumen para conseguir una buena red inalámbrica se debió:
• Elegir adecuadamente la tecnología y sus componentes.
• Asegurar la continua alimentación del sistema.
• Una buena elección de los sensores que intervienen en la medición.
• La elección y combinación entre sistemas cableados con elementos inalámbricos, para de esta manera asegurar el servicio contando con imprevistos de alimentación de batería o corte de suministro eléctrico.
• La compatibilidad en la configuración de la tecnología que hace parte del sistema, y que éste a su vez sea libre, esto da como resultado el que se puedan añadir más módulos.
81
Lo innovador de este diseño es que la idea que aquí se plantea no es finita, por el contrario esta puede evolucionar añadiendo una gran cantidad de módulos que realicen diferentes y nuevas funciones o incluso modificaciones que se crean necesarias. Todo esto se hace posible gracias a utilizar el Raspberry como administrador de una red de controladores esclavos, cada uno independiente, lo que asegura que si alguno deja de funcionar el resto del sistema continúa su tarea. La idea de viviendas inteligentes como parte de la cotidianidad, o dejando de ser un lujo.
En conclusión, cada vez se desarrollas más proyectos en los cuales varios dispositivos actúan en red, colaborando entre sí, creando una trama mucho más compleja.
82
9 GLOSARIO
QoS: (Quality of Service, en inglés) es el rendimiento promedio de una red de telefonía o de computadoras, particularmente el rendimiento visto por los usuarios de la red.1 Cuantitativamente mide la calidad de los servicios que son considerados varios aspectos del servicio de red, tales como tasas de errores, ancho de banda, rendimiento, retraso en la transmisión, disponibilidad, etc.
PoE: Energía sobre Ethernet (PoE) es una tecnología para cable Ethernet LAN (redes de área local) que permite que la corriente eléctrica necesaria para el funcionamiento de cada dispositivo sea transportada por los cables de datos en lugar de por los cables de alimentación. Haciendo eso, se minimiza el número de cables que deben ser puestos en orden para instalar la red. El resultado es un menor costo, menor tiempo de inactividad, mantenimiento más fácil y una mayor flexibilidad de instalación que con el cableado tradicional.
SAI: Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI), en inglés uninterruptible power supply (UPS), es un dispositivo que gracias a sus baterías u otros elementos almacenadores de energía, puede proporcionar energía eléctrica por un tiempo limitado y durante un apagón eléctrico a todos los dispositivos que tenga conectados. Otras de las funciones que se pueden adicionar a estos equipos es la de mejorar la calidad de la energía eléctrica que llega a las cargas, filtrando subidas y bajadas de tensión y eliminando armónicos de la red en el caso de usar corriente alterna.
DDNS: (Dynamic Domain Name System – Sistema del Nombre de Dominio Dinámico) es útil para propio sitio web, el servidor FTP u otro servicio detrás del router. Dicha función permite configurar el router para asociarlo, mediante un nombre de dominio, a una dirección IP. Esto lo lleva a cabo un servidor que proporciona soporte para DNS con IP dinámica.
83
10 BIBLIOGRAFÍA
ABUS. Security TechGermany. Historia de los sistemas de Alarma. Recuperado en abril de 2015 http://www.abus.com/es/Guia/Proteccion-antirrobo/Sistemas-de-alarma/Historia-de-los-sistemas-de-alarma ECO, Humberto. Como se hace una tesis, Técnicas y procedimientos de estudio. Barcelona: Gedisa 1996. FERRO VEIGA, José Manuel. VIDEOVIGILANCIA GONZÁLEZ, Julen. E.T.S INGENIERIA INDUSTRIAL. Recuperado Septiembre 20 de 2015. http://academica.unavarra.es/bitstream/handle/2454/11846/TFG_IraceburuGonzalezJulen2014.pdf?sequence GUERRERO, Gonzalo. Metodología de la Investigación aplicada. Recuperado de http://es.calameo.com/read/0005867379325ee83ff6e, Marzo de 2015.
INVESTIGACIÓN APLICADA. Recuperado Abril 2015 de:http://es.scribd.com/doc/39143338/Investigacion-Aplicada#scribd INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICOS. Recuperado 15 de Agosto de 2015.http://bernal.pro/informatica/apuntesdeinformatica/finish/6-apuntes-de-informatica/68-comunicaciones-inalambricas. MARTINEZ ZARATE, Rafael. Metodología especial de investigación aplicada a trabajos terminales en arquitectura. Pag 7.
PANOPTICO. Definición recuperada Feb 2015 de: http://definicion.de/panoptico/
PANOPTISMO.nuevas formas de control social. Recuperado 25 de Feb 2015
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OCHOA CALLE, Diego Fernando. Proyecto de grado para la obtención del título en Ingeniero Comercial. “Sistema De Seguridad Con Cámaras De Vigilancia IP, Infrarrojo, Deteccción de Movimiento Y Respuesta Armada Para La Empresa Gargoy Seguridad CiaLtda” Universidad Internacional Del Ecuador 2010
84
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85
ANEXOS
Anexo 1 Ficha técnica de las encuestas
FICHA TÈCNICA DE LA ENCUESTA
Fecha de las encuestas
Septiembre de 2015
Objetivo de la encuesta
Obtener información sobre la opción de los hogares y empresas con relación a las alarmas de seguridad.
Tamaño de la muestra
Un total de 60 Encuestas
Universo de la encuesta
Hogares y empresas del sector distribuidas de la siguiente manera: 50: Hogares 10: Empresas
Tipo de encuesta
Entrevista personal domiciliaria
Nivel de confianza Margen de error
95% 5%
86
Instrumento de recolección de datos
Se diseñó un cuestionario con 5 preguntas cerradas, en las cuales se les preguntaba por los sistemas de alarmas actuales.
Diseño de la encuesta y aplicación de las mismas
Diana Alexandra Montoya Rivera Estudiante de INGENIERIA DE MECATRÒNICA UTP Proyecto de grado Tecnólogo en Mecatrónica
87
Anexo 2 Muestra de la entrevista Realizada-Hogares
88
Anexo 3 Muestra de la entrevista Realizada-Empresas
![Manual 4104 guia rapidaB · 2014. 6. 20. · Sistema de alarma de seguridad inalámbrica. Manual de usuario 5 [Diagrama dispositivo de alarma] Con el fin de hacer que la unidad principal](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/60f6c4314d5d8f2d3812cb0c/manual-4104-guia-2014-6-20-sistema-de-alarma-de-seguridad-inalmbrica-manual.jpg)
