ARDUINO MICROCONTROLLED SYSTEM OF A HOME SECURITY SYSTEM
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cs10202409281610
OURO, Antonio1
PACHECO, Maria dos Anjos Fernandes2
RESUMO
Introdução: A integração de sistemas de segurança residencial com dispositivos de baixo custo e fácil desenvolvimento, representa um grande passo para desenvolvimento de um sistema que é simples mas bastante eficiente na proteção residencial. Ao unir tecnologias avançadas com sensores, microcontroladores podem criar um sistema capaz de identificar e detectar invasores na residência. Objetivo: analisar um protótipo desenvolvido com a plataforma arduino para comprovar que se pode fazer um sistema de segurança barato e eficiente. Metodologia: O presente estudo trata-se de uma pesquisa, na qual, tendo base outros artigos científicos, realizou-se um protótipo de um sistema de segurança residencial. Resultados: Os resultados indicam que o sistema é propício para desenvolvimento e assim pode ser implantado em qualquer residência, por que é simples de ser usado. O protótipo também apresentou flexibilidade, podendo ser adaptado a diferentes ambientes, não apenas residenciais, mas ambientes industriais. Conclusão: a integração pode contribuir significativamente para o desenvolvimento de soluções inovadoras e baratas no ramo do desenvolvimento de sistemas de segurança, sendo assim qualquer pessoa pode usufruir e levar segurança a sua residência.
Palavras-chave: Sistema de segurança residencial. Microcontroladores. Engenharia elétrica.
ABSTRACT
Introduction: The integration of home security systems with low-cost and easy-to-develop devices represents a big step towards the development of a system that is simple but very efficient in home protection. By combining advanced technologies with sensors, microcontrollers can create a system capable of identifying and detecting intruders in the home. Objective: to analyze a prototype developed with the arduino platform to prove that it is possible to make a cheap and efficient security system. Methodology: The present study is a research in which, based on other scientific articles, a prototype of a residential security system will be carried out. Results: The results indicate that the system is conducive to development and thus can be implemented in any home, because it is simple to use. The prototype also presented flexibility, and can be adapted to different environments, not just residential, but industrial environments. Conclusion: integration can contribute significantly to the development of innovative and inexpensive solutions in the field of security system development, so anyone can enjoy and bring security to their home.
Keywords: Home security system. Microcontrollers. Electrical engineering.
1. INTRODUÇÃO
A automação residencial é uma área que está em constante crescimento e tem enorme campo de atuação que vai desde a implementação de sensores para detectar fumaça, movimento ou pressão, até o acionamento automático de lâmpadas, portões eletrônicos e sirenes. Estes fatos foram constatados em uma pesquisa realizada pela Motorola (PESQUISA…, 2012).
Observou-se também o estudo feito em 2009 pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), no qual foi demonstrado que 47,2% da população brasileira com 10 anos ou mais de idade se sente insegura na cidade em que mora e 21,4% da população se sente insegura no domicílio em que reside (IBGE, 2010).
Essas porcentagens revelam uma tendência cada vez maior na busca por alternativas de segurança domiciliar, que vão desde métodos simples, como grades, olho mágico e correntes, até procedimentos mais sofisticados, como os citados por Pereira (2012): instalação de alarmes, câmeras de filmagem, seguranças particulares, entre outros.
Dentro deste cenário, o presente artigo científico teve o desafio de apresentar as características do Arduino para desmistificar a ideia de que a automação residencial não é uma tecnologia palpável para a sociedade. Com isso, permitiu-se pesquisar como tornar recorrente a utilização da plataforma Arduino em sistemas de segurança residencial. Portanto, a leitura teórica feita em cima da literatura revisada favoreceu em resolver o impasse de segurança versus custo elevado.
Muitos dos recursos hoje em dia de segurança são caros, por isso esse artigo aborda um tema, na qual, utilizando uma plataforma mais barata e acadêmica, possa desenvolver um sistema de segurança residencial mais barato e com alta qualidade.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Plataforma Arduino Mega
O Arduino Mega é uma placa com microcontrolador ATMEGA2560. Ele possui 54 pinos de entradas/saídas digitais, 16 entradas analógicas, 4 UARTs (portas seriais de hardware), um oscilador de cristal de 16 MHz, uma conexão USB, uma entrada de alimentação e um botão de reset. Ele contém tudo o que é necessário para dar suporte ao microcontrolador, basta conectar a um computador com um cabo USB ou a uma fonte de alimentação e já está pronto para começar. (ARDUINO MEGA 2560, 2015, online).
Alimentação: A placa pode operar com alimentação externa entre 6 e 20 volts. No entanto, se menos de 7 volts forem fornecidos, o pino de 5V pode fornecer menos de 5 volts e a placa pode ficar instável. Com mais de 12V o regulador de voltagem pode superaquecer e danificar a placa, ou seja, a faixa recomendável é de 7 a 12 volts. (ARDUINO MEGA 2560, 2015, online).
Memória: O ATmega2560 tem 256 KB de memória flash para armazenamento de código (dos quais 8 KB é usado para o bootloader), 8 KB de SRAM e 4 KB de EEPROM (que pode ser lido e escrito com a biblioteca EEPROM). 6 Entrada e Saída: Cada um dos 54 pinos digitais do Mega pode ser usado como entrada ou saída, usando as funções de pinMode(),digitalWrite(), e digitalRead(). Eles operam a 5 volts. Cada pino pode fornecer ou receber um máximo de 40 mA e possui um resistor interno (desconectado por default) de 20-50KΩ. Em adição alguns pinos possuem funções especializadas. (ARDUINO MEGA 2560, 2015, online).
Comunicação: O Arduino Mega possui várias facilidades para se comunicar com um computador, com outro Arduino ou outro microcontrolador. O ATMEGA2560 fornece quatro portas de comunicação serial UARTs para TTL (5V). Um chip FTDI FT232RL direciona uma destas portas para a conexão USB e os drivers FTDI (que acompanham o software do Arduino) fornecem uma porta COM virtual para softwares no computador. O software do arduino inclui um monitor serial que permite que dados simples de texto sejam enviados para a placa Arduino. Os LEDs RX e RT piscarão enquanto dados estiverem sendo transmitidos pelo chip FTDI e pela conexão USB ao computador (mas não para comunicação serial nos pinos 0 e 1). (ARDUINO MEGA 2560, 2015, online).
Figura 1: Arduino Mega 2560
Fonte: ARDUINO MEGA 2560 (2015, online)
2.2 Teclado membrana 4×4 16 teclas
O Teclado Matricial de Membrana 4X4 com 16 teclas foi desenvolvido com a finalidade de facilitar a entrada de dados em projetos com plataformas microcontroladas. Este teclado possui 16 teclas, sendo 10 teclas numerais, 4 literais e 2 de caracteres. Além disso, o Teclado possui um adesivo de fixação na parte traseira para que possa ser fixado em uma base ou alguma outra superfície. Ele é comumente aplicado em projetos com Arduino, PIC, Raspberry e outros microcontroladores. Em projetos que envolvam a entrada de dados (por exemplo, tempo em segundos), este teclado torna-se um item indispensável.
Figura 2: Teclado de membrana 4×4
Fonte: https://www.pontodaeletronica.com.br/teclado-matricial-4-4-para-arduino.html
Esse teclado tem suas teclas ligadas por linhas e colunas. Quando uma tecla é pressionada o barramento daquele botão faz ligação com o barramento da coluna do mesmo. De acordo com a Figura 3.
Figura 3: Teclado Matricial – Representação das linhas e das colunas
Fonte: https://www.makerhero.com/blog/teclado-matricial-4×4-arduino/
2.3 Lcd display 16 x 2
Os Módulos de display LCD de caracteres alfanuméricos são interfaces de comunicação visual muito úteis e atraentes. Eles se encontram em quase todos os aparelhos domésticos, eletroeletrônicos, automóveis, instrumentos de medição etc. São dispositivos que possuem interfaces elétricas padronizadas e recursos internos gráficos e de software que permitem facilmente a permuta por outros de outros fabricantes, sem que seja necessário alterar o programa de aplicação. Por ser altamente padronizado seu custo é baixo. É um recurso antigo, deve ter uns vinte anos de idade ou mais, mas continua atual, com suas inúmeras formas, cores, tamanhos e preços. A tecnologia predominante continua sendo o LCD (Liquid Crystal Display), porém já se pode encontrar alguns baseados em LEDs orgânicos (OLED). O módulo de display LCD representa um avanço tecnológico enorme se comparado com os primeiros displays a LED de 7, 14 ou 16 segmentos. (BARBACENA, 1996).
Os módulos LCD são especificados principalmente por sua capacidade gráfica de comunicação, ou seja, o número de caracteres por linha e o número de linhas. Alguns valores típicos para essas especificações são:
Número de caracteres: 8, 12, 16, 20, 24 e 40
Número de linhas: 1, 2 e 4
Outras especificações importantes que devemos considerar são as dimensões físicas do módulo, a tensão de alimentação, a disposição física dos pontos de conexão externa, a posição desses pontos de conexão com relação ao display, dos lados esquerdo ou direito, em cima ou embaixo, o tipo de interface eletrônica, paralela (predominante) ou serial, backlight (luz de fundo) e finalmente o controlador do display. (BARBACENA, 1996).
Figura 4: Display LCD 16 X 2
Fonte: https://www.usinainfo.com.br/display-arduino/display-lcd-16×2-com-fundo-azul-2304.html
A interface de conexão com um microcontrolador também é padronizada. Ela tem de 14 a 16 pinos, dependendo se o módulo tem ou não backlight para permitir a leitura do display em ambientes escuros. Na Tabela 1 se pode observar a descrição dos pinos. Repare que o pino 3 foi reservado para ajustar o contraste do display. Isso permite que você ajuste esse contraste para a melhor visibilidade do texto. (BARBACENA, 1996).
Tabela 1: Especificações dos pinos do Display LCD 16 X 2
2.4 Sensor/Interruptor Magnético MC – 38
O funcionamento do sensor magnético MC-38, como já descrito no próprio nome, usa os conceitos do magnetismo para comutar o seu circuito interno, permitindo o envio de um sinal para o microcontrolador. Podemos dizer que o funcionamento é semelhante a um botão comum: de um lado do sensor existe um contacto aberto, semelhante a um switch, e do outro lado existe um íman, que ao aproximarem-se, são atraídos pelo seu campo magnético e, consequentemente comutando os contatos no lado do switch, como representado na Figura 5. (ROCHA, 2023)
Tabela 2: Especificações dos pinos do Display LCD 16 X 2
3. METODOLOGIA
O presente estudo trata-se de uma pesquisa elaborativa para produção de um protótipo de um sistema de segurança residencial, utilizando da plataforma arduino e alguns sensores de identificação de movimento e abertura e fechamento de porta, assim como ativação e desativação desse sistema pelo usuário, tudo através de senha. Os procedimentos para desarmar o sistema são feitos através de senha, e tem um tempo para fazer isso, com isso se passar esse tempo, um alarme toca através de um buzzer. Com isso todos saberão que têm um invasor na residência.
3.1 Matérias para elaboração do protótipo
Foram selecionados os seguintes materiais: Arduino Mega 2560, teclado matricial 4 x 4 , Display LCD 16 x 2, buzzer, 3 bornes, potenciômetro, 3 sensores magnéticos de porta MC-38, Sensor ultrassônico (Figura 1).
Figura 5: Materiais selecionados para o protótipo
Fonte 1: Autor próprio (2024)
3.2 Elaboração do protótipo
Para a elaboração do protótipo seguiu-se as etapas:
a) Estudo de todos os componentes:
✓ Display LCD 16 X 2 : Foi realizado um teste funcional para saber como o mesmo funciona e assim configurar de acordo com o que o projeto propõe;
✓ Arduino mega 2560: Fazendo uma análise profunda sobre como seria o uso de portas digitais e analógicas, verificou-se que seriam usados bastante comandos, devido a isso escolheu esse arduino.
✓ Sensor Ultrassônico: Uso-se esse sensor que funciona para identificar movimento e com isso, fez-se alguns testes funcionais para integrá-lo ao projeto e assim a lógica do programa.
b) Elaboração do código:
✓ Instalações das bibliotecas necessárias: Foi instalada quadro bibliotecas, LIQUIDCRYSTAL, KEYPAD, NEWPING e NEWWTONE, a primeira é para usar o display LCD, a segunda para utilizar a matriz 4 x 4, a terceira e a quarta se refere ao uso do som do buzzer.
✓ Configuração do teclado matricial: O teclado matricial é onde será imputado a senha para ativar e desativar o sistema e ele o que dar o comando principal, com isso foi se utilizada as teclas A e #, a primeira seria para armar o sistema e a segunda após colocar a senha, seria para desativar o sistema.
c) Lógicas para sensores magnéticos:
A lógica confeccionada foi para garantir 100% que todas formas os sensores possam garantir a segurança, sendo assim, ao ativá-lo ele vai enviar os dados para arduino de que fio desconectado, e através de um temporizador que aparecerá no display, saberá que o buzzer vai alarmar, e só vai desativar quando colocar a senha para desarmar.
d) Código:
3.3 Montagem e Testes:
✓ Montagem (Figura 6): Foi seguido todo um sketch de montagem para montagem.
✓ Testes: Após montagem o sistema, testado cada componente para garantir que tudo está funcionando corretamente. Verifique a comutação do relé, o funcionamento dos sinaleiros, e a conexão da câmera com a rede.
Figura 6: Esquema de montagem
Fonte 3: https://www.instructables.com
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Funcionamento do sistema de segurança;
Figura 7: Interface do sistema desativado
Fonte: Autor próprio
Primeiramente o sistema estará desativado e conforme e a partir disso, verifica-se que há necessidade de armar o sistema, e isso ocorrerá quando colocar a senha.
Figura 8: Interface com as opções de escolha para usuário
Fonte: Autor próprio
Aparecerá duas opções para armar ou até mesmo se o usuário quiser mudar a senha, e com isso é só clicar no A do teclado que armará o sistema e com isso, a contagem será feita de 8 segundos para ativação, conforme a figura 9.
Figura 9: Tempo para ativação do sistema
Fonte: Autor próprio
Após armado aparecerá como está na figura 10, alertando ao usuário que o sistema está ativado.
Figura 10: Mensagem de sistema armado
Fonte: Autor próprio
Após o sistema armado, foram feitas simulações se o sensor de movimento identificava algo, e também através da desativação e ativação do sensores magnéticos, e a cada passo desse, em alguns casos, o buzzer atua, mostrando que há algo de errado.
Na primeira simulação, foi caso o sistema identificasse algum movimento, esse movimento é detectado pelo sensor ultrassônico na figura 11.
Figura 11: Mensagem de sistema armado
Fonte: Autor próprio
E com isso o sistema entra em ação com a ativação do buzzer, o som apenas desativará se o usuário colocar a senha certa, que foi configurada.
No Display LCD ficará aparecendo essa mensagem na figura 12, e após o usuário colocar a senha conforme a figura 13, o sistema desativará
Figura 12: Mensagem de alarme ativado
Fonte: Autor próprio
Figura 13: Usuário colocando senha
Fonte: Autor próprio
Após a utilização do sensor ultrassônico, foram realizados testes com o sensor magnético, simulando abertura da porta da casa, sendo assim, o usuário vai ter alguns segundos para desarmar o sistema, por que ele identifica que seja o dono da residência que chegou, por isso uma das características do sistema é ele ser instalado logo na entrada da porta principal.
O sensor magnético na figura 14 quando desconectado ele manda o sinal para o sistema que começará a contar o tempo para desativação, conforme a figura 15, e com isso após colocar a senha o sistemas desativará
Os resultados foram perfeitamente aceitáveis, com simulações que visam a realidade, na qual, com esse sistema que é simples, você pode dar segurança à residência.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com o sistema proposto nesse artigo, garante-se que o usuário pode além de garantir a segurança residencial mas também agregar mais componentes para ele, como por exemplo aliar o alarme as câmeras de segurança, quando ativar o alarme, manda uma mensagem para o celular do usuário ver o que está acontecendo em sua casa, então garantindo mais ainda segurança.
Os testes realizados no protótipo da casa, desenvolvido no projeto, mostraram que o sistema apresentou-se estável, tornando-se passível para ser implementado em uma residência. Seu custo também se mostrou acessível. A plataforma Arduino utilizada no sistema proposto é totalmente open source tanto em hardware, quanto no software para desenvolver os algoritmos, o que garante um baixo custo na aquisição do equipamento. Devido a estas características, é possível que outras pessoas desenvolvam novos dispositivos de hardware que interajam com o Arduino o que contribui ainda mais para baixar o custo do sistema.
Como forma de garantir máxima eficiência ao sistema, as senha podem ser geradas randomicamente, e mandadas diariamente para o gerenciador, isso é um alternativa que podem ser desenvolvidas a mais posteriormente.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARDUINO Mega 2560. Disponível em: <http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega 2560>. Acesso em: 19 maio 2015.
BARBACENA, Ilton L.FLEURY, Claudio Afonso. Display lcd. Outubro, 1996.
JUNIOR, Rogerio Flores Da Conceição Silva. ALARME DE INTRUSÃO COM ARDUINO.
MARCHESAN, Marcelo. Sistema de monitoramento residencial utilizando a plataforma arduino. Santa Maria, p. 17-19, 2012.
MURATORI, José Roberto; DAL BÓ, Paulo Henrique. Capítulo I Automação residencial: histórico, definições e conceitos. O Setor elétrico, p. 70-77, 2011.
PEREIRA, Daniela. Brasileiros investem em segurança residencial. Tribuna da Bahia. Bahia, 25 fev. 2012. Disponível em: http://www.tribunadabahia.com.br/news.php?idAtual=107060. Acesso em 01 mar. 2012.
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ROCHA, Júlio Filipe da Silva. Implementação de um sistema de domótica. Análise exploratória dos Dados recolhidos. 2023. Tese de Doutorado.
1Graduando em Bacharelado em Engenharia elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: antonio_avco@hotmail.com
2Orientadora do Curso de Engenharia elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: ma.dp@uol.com.br