Cerradura Eléctrica controlada con Arduino

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA

DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA.

ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONTROL Y REDES INDUSTRIALES.

ASIGNATURA: Máquinas Eléctricas 2

TRABAJO N°: 04

TEMA: Cerradura Electrónica

PROFESOR: Ing. Jhony Vizuete

ESTUDIANTES: Carlos Manosalvas S. 63

Vanessa Salazar P. 308

Jonathan Guamangallo T. 259

Danilo Vallejo Ll. 254

Andrés Chacha M. 229

SEMESTRE: Abril – Agosto 2015

FECHA: 03 de junio del 2015

INTRODUCCIÓN

Los campos en los cuales tiene aplicación la electrónica son muy variados, entre

los cuales tenemos: el control de procesos, comunicaciones, domótica,

seguridad entre otros.

En esta ocasión se realizara un proyecto sencillo, en el cual se aplicaran el

conocimiento de semestres anteriores, así como información disponible en la red

para realizar una cerradura electrónica, la cual básicamente está constituida

por una bobina alimentada con ciento diez voltios de corriente alterna, la cual

generara un campo electromagnético que abrirá o cerrara el seguro de la

puerta; todo este proceso será controlado mediante una placa de desarrollo

Arduino, en la cual se ingresara un código para realizar la acción antes

mencionada.

OBJETIVOS

Objetivo General

Implementar una cerradura electrónica con activación por código

numérico.

Objetivos Específicos

Construir una bobina alimentada a ciento diez voltios.

Desarrollar codificación en Arduino para la activación de la etapa de

potencia mediante código numérico.

Equipos y Materiales

Arduino Mega 2560 R3.

Teclado numérico.

5 onzas de alambre esmaltado calibre 23.

LCD 16 x 2

Relé.

Multímetro.

Taladro.

Cable gemelo calibre 14.

Alambres de conexión para Arduino.

Martillo.

Resorte.

Tol Galvanizado.

Tubo de PVC de media pulgada.

Clavos.

Rodelas.

Tornillos.

Bisagras.

Madera (diferentes medidas).

Presupuesto

ITEM Descripción Cantidad Valor Unitario Valor Total

1 Arduino Mega 2560 R3 1 60.00 60.00

2 Teclado numérico 1 7.50 7.50

3 Alambre esmaltado calibre 23

(onza)

5 1.15 5.75

4 LCD 16 x 2 1 12.00 12.00

5 Relé de 5 voltios DC 1 0.40 0.40

6 Tol galvanizado (30cm x

50cm)

1 2.75 2.75

7 Cable gemelo calibre 14

(metro)

3 0.80 2.40

8 Tabla Triplex (30cm x 40 cm) 2 2.00 4.00

9 Bisagras 2 0.30 0.60

Total 85.40

Nota: El resto de materiales son reciclados por lo cual es difícil asignarles valor.

Fundamento teórico

Reconocimiento de huella dactilar

El reconocimiento de huellas dactilares es uno de los métodos más populares para la

identificación de personas, debido a que tiene características únicas llamadas

minucias, las cuales son puntos donde los bordes terminan o se dividen. Los sistemas de

identificación que usan patrones biométricos de huella dactilar se denominan AFIS

(Sistema de identificación automático de huella dactilar).

Tradicionalmente las contraseñas y las tarjetas ID han sido usadas para moderar el

acceso a lugares restringidos, sin embargo estos sistemas pueden ser vulnerados cuando

llega a descifrarse una contraseña o se roba una tarjeta ID. Una huella dactilar se forma

a partir de los siete meses del desarrollo del feto, y esta o cambia en el transcurso de su

vida excepto por factores ajenos como cortaduras o algún tipo de accidente, por lo

que la probabilidad de hallar dos huellas dactilares similares es 1.9x10-15.

Adquisición de huella dactilar

Existen dos métodos de adquisición de huellas dactilares: método off-line y método on-

line. El primero obtiene una huella digitalizada con una resolución de 500 dpi (puntos por

pulgada). Esta metodología de funcionamiento requiere de un costo importante de

tiempo y suele usarse en aplicaciones criminalísticas. El segundo método se realiza en

tiempo real mediante el escaneo de la huella a través de escáneres tipo inkless.

Procesamiento de la huella dactilar

Los pasos para el procesamiento de la huella dactilar por un sistema automatizado de

identificación son:

Mejora de la imagen.- Consiste en eliminar las zonas confusas de la imagen original

(ruido) dejando solo las zonas con información fiable.

Binarización.- Pasa la imagen original en tonos de gris a blanco y negro, reconstruyendo

posibles bordes y mejorando la calidad global de la imagen.

Adelgazamiento.- Todas las crestas de las líneas dactilares tienen el mismo grosor,

haciendo que los puntos característicos de la huella dactilar se puedan identificar con

más facilidad.

Extracción de puntos característicos.- A partir de la imagen adelgazada el sistema es

capaz de detectar y extraer la posición exacta de los puntos características. Dentro de

esta etapa cabe destacar:

Construcción de un índice o vector.- Mediante algoritmos se crea un índice matemático,

el cual constituye la esencia de la huella dactilar analizada, almacenándolo en forma

de fichero.

Identificación y verificación.- Una vez que se tiene el índice o vector de muchas huellas

el sistema es capaz de realizar búsquedas 1:1 para verificar una identidad o 1: N para

identificarla.

La extracción de puntos característicos es el proceso final que completa la obtención

de la plantilla de la huella o patrón biométrico dactilar. La cantidad mínima de puntos

característicos necesarios para proceder a comparaciones eficaces entre imágenes

dactilares es de 15.

Tipos de sensores de huella digital

Ópticos reflexivos.- Consiste en colocar el dedo sobre una superficie de cristal o un

prisma que se ilumina por un diodo LED. Cuando las crestas de la huella tocan la

superficie, la luz se absorbe, mientras que entre crestas se produce una reflexión total

Escaneo de retina

La retina humana es un tejido fino compuesto de células neurales situadas en la porción

posterior del ojo. Debido a la compleja estructura de las venas capilares que suministran

sangre a la retina es que la retina de cada persona es única. La red de vasos sanguíneos

en la retina es tan compleja que ni siquiera dos gemelos idénticos comparten el mismo

patrón. Aunque los patrones de la retina pueden alterarse en caso de diabetes,

glaucoma o trastorno degenerativo de la retina, ésta típicamente se mantiene sin

variación desde el nacimiento hasta la muerte.

Un identificador biométrico conocido como escaneo de retina, se emplea para mapear

los patrones únicos de la retina de una persona. Los vasos sanguíneos dentro de la retina

absorben luz con más rapidez que el tejido circundante y se identifican fácilmente con

una iluminación apropiada.

El escaneo de retina se realiza dirigiendo un rayo imperceptible de luz infrarroja de baja

energía hacia el ojo de la persona cuando esta mira a través de la pieza ocular del

escáner. Ese rayo de luz traza una ruta estandarizada sobre la retina. Como los vasos

sanguíneos de la retina son más absorbentes de esa luz que el resto del ojo, la cantidad

de luz reflejada varía durante el escaneo. El patrón resultante de las variaciones es

convertido a código informático y se guarda en una base de datos.

Escaneo de iris

El iris es una estructura fina y circular del ojo, que controla el diámetro y tamaño de la

pupila, y por tanto la cantidad de luz que alcanza la retina. El reconocimiento de iris es

un método automatizado de identificación biométrica, que emplea técnicas

matemáticas para reconocimiento de patrones en imágenes de video del iris de los ojos

de un individuo. Estos patrones aleatorios son únicos y pueden verse a cierta distancia.

A diferencia del escaneo de retina, el reconocimiento de iris utiliza tecnología de

cámara con una sutil iluminación infrarroja para adquirir imágenes de las intrincadas

estructuras del iris. Las matrices digitales codificadas de esos patrones mediante

algoritmos matemáticos y estadísticos permiten la identificación positiva de un individuo.

La búsqueda en las bases de datos de las matrices registradas se realiza mediante

motores de asociación a velocidades que se miden en millones de matrices por

segundo, y las tasas de falsa coincidencia son cifras infinitesimales.

Cientos de millones de personas en todo el globo se han registrado en sistemas de

reconocimiento de iris por razones de conveniencia y seguridad, desde los procesos

automatizados de cruce de fronteras hasta las funciones de tarjetas nacionales de

identificación. Una ventaja esencial del reconocimiento de iris, además de la rapidez

de la asociación y su extrema resistencia a las falsas coincidencias, es la estabilidad del

iris como órgano ocular interno, protegido, y pese a ello, visible externamente.

Desarrollo

Se procede a cortar la madera de acuerdo al tamaño de la puerta, de ahí se procede

a sujetarla en el marco (construido con resto de barrederas) mediante bisagras y

tornillos. El marco ira sujetado con clavos a una base de madera (triplex).

Cálculo Calibre Conductor

Se procede a realizar los cálculos para el calibre del alambre esmaltado y del bobinado.

A partir de la fórmula de inducción magnética determinamos el número de espiras de

nuestra bobina, asignándole un valor cuatro veces mayor que el necesario para

pequeños transformadores (B = 8000 x 4 [Gauss]).

𝑁 =𝑉 × 108

𝑓 × 𝑆 × 𝐵 × 4.4

𝑁 =84.85 × 108

60 × 1.2668 × 32000 × 4.4= 792.847 ≈ 793 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠

Para el cálculo del calibre de conductor usaremos una corriente de 0.7 amperios y de

acuerdo a un estándar usaremos una densidad de corriente de 3 A/mm2.

𝑠 =𝐼

𝐷=

0.7 𝐴

3 𝐴/𝑚𝑚2= 0.2333 𝑚𝑚2

Buscamos en la siguiente tabla el calibre correspondiente a esa sección.

Como resultado obtenemos un alambre con calibre 23 como la mejor opción.

Con estos resultados vamos

Código Arduino

Cuando se ingrese en la placa de Arduino el código correcto se enviara una señal al

relé, que cambiara de estado y energizara la bobina de la cerradura, abriendo o

cerrando la puerta.

Este proceso se realiza mediante la incorporación de dos librerías keypad.h y

password.h; la primera me da la facilidad para leer lo ingresado con el teclado y el

segundo nos ayuda a simplificar el proceso para ingresar, guardar y modificar una

contraseña en la placa de Arduino. También se usa una tercera librería, LiquidCrystal.h

la cual nos ayuda con la visualización del código en una pantalla LCD y asi tener un

manejo más intuitivo. (Se incluye el código de Arduino en los anexos)

Cronograma

Fecha: 22 de mayo de 2015

Actividad: Construcción de la puerta y bobina

Número de horas: 3 15H00 -18H00 Vanessa Salazar

Danilo Vallejo

Jonathan Guamangallo

Carlos Manosalvas

Edgar Chacha

Fecha: 29 de mayo de 2015

Actividad: Programación en Arduino

Número de horas: 3 09H00 -12H00 Vanessa Salazar

Danilo Vallejo

Carlos Manosalvas

Fecha: 02 de junio de 2015

Actividad: Conexión Puerta - Arduino

Número de horas: 3 21H00 - 00H00 Vanessa Salazar

Danilo Vallejo

Jonathan Guamangallo

Carlos Manosalvas

Edgar Chacha

Costo por horas de trabajo

Jefe Vanessa Salazar

Secretario Danilo Vallejo

Integrante Número de Horas Costo Hora Costo Total

Vanessa Salazar 9 7.50 67.50

Danilo Vallejo 9 6.25 56.25

Jonathan Guamangallo 6 5.00 30.00

Carlos Manosalvas 9 5.00 45.00

Edgar Chacha 6 5.00 30.00

Total 228.75

Conclusión

El campo electromagnético inducido en la bobina al circular una corriente provoca que

el metal usado como seguro de la puerta sea atraído a la bobina, no se puede

mantener energizada a la bobina por mucho tiempo, ya que el calor producido por el

efecto Joule puede dañar el aislamiento de esmalte de la bobina y dañarla.

Es necesario aplicar una etapa de potencia para activar a la bobina con la placa de

desarrollo Arduino, ya que manejan corrientes diferentes, y así asegurar su correcto

funcionamiento.

Recomendaciones

En el caso de necesitar una fuente de corriente directa adicional al de la placa Arduino

es necesario interconectar los terminales de GND para que el circuito funcione, caso

contrario no funcionara el circuito.

El aplicar un relé en la etapa de potencia es una muy buena opción para la etapa de

potencia, ya que es un elemento económico, confiable y puede manejar un amplio

rango de corrientes.

Referencias

R. M. Kerchner y G. F. Corcoran, "Circuitos de corriente alterna," (13 ed.) México:

Compañía Editorial Continental.

J. Sánchez, “DISEÑO Y PARAMETRIZACIÓN DE INDUCTORES CON NÚCLEO DE

HIERRO”, [Online]. Disponible en

http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=4727779

G. Mendoza, “Cómo construir una cerradura eléctrica y electrónica”, [Online].

Disponible en

http://prototiposeinformaciongusment.blogspot.com/2011/04/como-construir-

una-cerradura-electrica.html

J. Trader, “Biometría de iris vs. retina, sí, en realidad son diferentes”, [Online].

Disponible en http://www.idnoticias.com/2014/08/13/biometria-de-iris-vs-retina-

si-en-realidad-son-diferentes

Prometec, “Teclados matriciales” [Online]. Disponible en

http://www.prometec.net/teclados-matriciales/

V. García, “Teclado con LCD”. [Online]. Disponible en

http://www.hispavila.com/3ds/atmega/keypad.html

O. Gonzales. “Cerradura de puerta automática con Arduino”, [Online].

Disponible en http://blog.bricogeek.com/noticias/arduino/cerradura-de-

puerta-automatica-con-arduino/#more

Anexos

Imagen 1. Construcción de la puerta

Imagen 2. Mecanismo de apertura/cierre

Imagen 3. Bobina con núcleo de tubería PVC

Figura 4. Cerradura accionada magnéticamente

Figura 5. Montaje de cerradura en la puerta

Figura 6. Puerta con cerradura terminada

Codificación en Arduino

#include <Keypad.h>

#include <Password.h>

#include <LiquidCrystal.h>

const byte FILAS=4; //cuatro filas

const byte COLS=4; //cuatro columnas

//definimos el keymap

char keys[FILAS][COLS]={

{'D','C','B','A'}, // Declaración del teclado

{'#','9','6','3'},

{'0','8','5','2'},

{'*','7','4','1'},

};

//conectar los pines FILA0,FILA1,FILA2,FILA3 a estos pins de arduino MEGA

byte rowPins[FILAS]={8,9,10,11};

//conectar los pines COL0, COL1, COL2, COL3 a estos pins de arduino

byte colPins[COLS]={12,13,14,15};

//crear el keypad

Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys),rowPins,colPins, FILAS, COLS);

#define ledA 16

#define ledC 17

#define rele 18

//crear el password para la alarma

Password password=Password("4564");

LiquidCrystal lcd(2,3,4,5,6,7);

const int analogInPin = A0; //entrada de los botones del keypad

int sensorValue = 0;

int activada=0;

String mensaje;

void setup(){

Serial.begin(9600);

pinMode(ledC ,OUTPUT);

pinMode(ledA ,OUTPUT);

pinMode(rele ,OUTPUT);

Serial.begin(9600);

lcd.begin(16,2);

lcd.print("PUERTA CERRADA");

digitalWrite(ledA,LOW);

digitalWrite(ledC,HIGH);

digitalWrite(rele,LOW);

activada=1;

lcd.setCursor(0,2);

lcd.print("Codigo");

keypad.addEventListener(keypadEvent); //añadimos un evento de escucha para

este keypad

}

void loop(){

keypad.getKey();

//funcion que este leyendo de la entrada analogica de la ldr y si salta estando

activada, mete un delay de 30seg y suena

}

//FUNCION PARA COMPROBAR SI SE PULSA EL KEYPAD

void keypadEvent(KeypadEvent eKey){

switch(keypad.getState()){

case PRESSED:

limpiarlinea();

lcd.setCursor(0,2);

lcd.print("Codigo:");

lcd.print(eKey);

delay(10);

switch(eKey){

case 'B': checkPassword(); delay(1); break;

case 'C': password.reset(); delay(1); break;

case 'D': bluethoot(); delay(1); break;

default: password.append(eKey); delay(1);

}

}

}

void bluethoot(){

lcd.print("PUERTA CERRADA");

digitalWrite(ledA,LOW);

digitalWrite(ledC,HIGH);

digitalWrite(rele,LOW);

while(Serial.available()){

delay(10);

char c = Serial.read();

mensaje += c;

}

if(mensaje.length()>0){

if(mensaje=="*abrir puerta"){

lcd.print("Correcto");

digitalWrite(ledA,HIGH);

digitalWrite(ledC,LOW);

digitalWrite(rele,HIGH);

delay(800);

digitalWrite(rele,LOW);

}//interpretando mensaje

else if ("hola"){

lcd.print("INCORRECTO");

digitalWrite(ledA,HIGH);

digitalWrite(ledC,HIGH);

digitalWrite(rele,LOW);

}

}

}

//FUNCION DE COMPROBACION DE LA CONTRASEÑA

void checkPassword(){

if(password.evaluate()){

//si el password es correcto, activa la alarma

limpiarlinea();

lcd.setCursor(0,2);

lcd.print("Correcto");

digitalWrite(ledA,HIGH);

digitalWrite(ledC,LOW);

digitalWrite(rele,HIGH);

delay(800);

digitalWrite(rele,LOW);

password.reset();

limpiartodo();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("PUERTA ABIERTA");

activada=0;

delay(10);

}

else

{

limpiarlinea();

lcd.setCursor(0,2);

lcd.print("INCORRECTO");

digitalWrite(ledC,HIGH);

digitalWrite(ledA,HIGH);

digitalWrite(rele,LOW);

password.reset();

delay(10);

}

}

//FUNCION PARA LIMPIAR LA PRIMERA LINEA DEL LCD

void limpiarlinea(){

lcd.setCursor(0,2);

for(int i=0;i<16;i++){

lcd.print(" ");

}

}

//FUNCION PARA LIMPIAR TODO EL LCD

void limpiartodo(){

lcd.setCursor(0,1);