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TP3 - Raspberry Pi: Sistema de Segurança

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  • Um sistema de segurança desempenha um papel crucial na proteção de propriedades, ativos e, o mais importante, na segurança das pessoas. Este projeto propõe uma abordagem ao problema oferecendo uma solução de segurança integrada e inteligente. A utilização da tecnologia do Raspberry Pi com uma combinação de componentes de alta tecnologia, permitiu desenvolver um sistema eficaz e confiável.

    O sistema será composto por um sensor de movimentos para deteção de intrusões; uma câmara para monitoramento visual; um keypad e um display para a comunicação entre Homem e Máquina; um relé para controlar uma fechadura eletrónica permitindo gerir o acesso físico ao ativo/propriedade.

    O keypad desempenhará um papel vital na segurança, proporcionando um método de acesso seguro, sendo utilizando um método de autenticação para o efeito.

    O display será utilizado para exibir mensagens importantes, como alertas de segurança ou instruções para os utilizadores.

    O relé consiste num interruptor controlado digitalmente, sendo responsável por gerir o acesso físico através de uma fechadura eletrónica.

    O sensor de movimentos permite detetar movimentos não autorizados em locais específicos e a câmara, por sua vez, permitirá a recolha de imagens durante uma intrusão, registando os eventos para análise posterior.

    • (1x) Raspberry Pi 4;
    • (1x) Breadboard;
    • Cabos;
    • (1x) Assembled Pi T-Cobbler Plus – GPIO;
    • (1x) Sensor de Deteção de Movimento PIR HC-SR501;
    • (1x) Câmara B01 para Raspberry Pi;;
    • (1x) Relé SDR-05;
    • (1x) Display LCD 16x2 com adaptador I2C;
    • (1x) Keypad - Sealed Membrane 4x4 button pad;
    • (1x) Buzzer 5V;
    • (3x) Leds (verde, amarelo, vermelho);;
    • (3x) Resistências de 1 KΩ;
    • (1x) Telemóvel

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    Figura 1 - Raspberry Pi 4.

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    Figura 2 - Breadboard.

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    Figura 3 - Cabos.


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    Figura 4 - T-Cobbler Plus – GPIO.

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    Figura 5 - Sensor de Deteção de Movimento PIR HC-SR501.

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    Figura 6 - Câmara B01 para Raspberry Pi.


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    Figura 7 - Relé SDR-05.

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    Figura 8 - Display LCD 16x2 com adaptador I2C.

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    Figura 9 - Keypad - Sealed Membrane 4x4 button pad.


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    Figura 10 - Buzzer 5V.

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    Figura 11 - Leds (verde, amarelo, vermelho).

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    Figura 12 - Resistências de 1 KΩ.


  • Biblioteca que permite o controlo de displays LCD:
    https://toptechboy.com/library-for-i2c-connection-of-the-lcd1602-to-the-raspberry-pi/


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    Figura 13 – Diagrama do projeto.




  • O processo de implementação começou com os componentes que seriam o ponto focal do projeto, a câmara e o sensor de movimento. As primeiras iterações do código foram utilizadas para explorar os métodos a utilizar para trabalhar com a câmara; a seguir, adicionou-se um sensor de movimento ao projeto o qual tinha como objetivo fazer com que a câmara tirasse uma fotografia sempre que o mesmo detetasse movimento.

    Assim, ao detetar uma intrusão a câmara é ativada e tira uma fotografia que é armazenada com um nome que contém a data e a hora em que a mesma foi tirada, sendo depois enviada por email para o destinatário, cujo o email está referido no código.

    Após a implementação das funções básicas associadas à câmara e ao sensor, adicionou-se um keypad 4x4 ao projeto, seria através deste componente o utilizador teria a capacidade de armar e desarmar o sistema de segurança.

    De forma a detetar qual tecla do keypad foi carregada pelo utilizador, fez-se com que o sistema detetasse a que linha pertencia a tecla que foi carregada depois este chamava um método que verificava a que coluna de teclas do keypad esta tecla pertencia, determinando assim qual tecla foi carregada.

    A maioria das teclas do Keypad foram utilizadas para a introdução de caracteres no código que permite armar e desarmar o sistema de segurança.

    As teclas que fogem a esta regra foram as teclas ‘C’ e ‘D’ as quais são utilizadas para confirmar o código introduzido pelo utilizador ou eliminar o código introduzido, respetivamente.

    Ao carregar na tecla ‘C’ o código é validado e se o mesmo estiver correto o sistema é armado se estiver desarmado e desarmado se estiver armado, sendo que o utilizador dispõe de três tentativas para introduzir o código correto antes do alarme disparar.

    A tecla ‘D’ apaga o código introduzido no sistema pelo utilizador sem causar a perda de uma tentativa para introduzir o código.

    À semelhança do que ocorre quando o utilizador carrega na tecla ‘D’, quando este carrega na tecla ‘C’ o código introduzido também será eliminado depois do mesmo ser verificado.

    Durante a verificação do código introduzido pelo utilizador o mesmo é transferido para outra a variável, que é utilizada para a validação deste, após a validação o conteúdo do destas variáveis é apagado e o estado do sistema alterado se o código estiver correto ou o utilizador exceder o número de tentativas.

    O estado atual do sistema é definido através de duas variáveis: ‘sistema_ligado’ e ‘alarme_ativo’.

    A variável ‘sistema_ligado’ define se o sistema está armado enquanto que a variável ‘alarme_ativo’ define se o alarme disparou face à deteção de uma intrusão ou excesso de tentativas a inserir o código.

    O projeto possui três LEDs incorporados um verde, um amarelo e um vermelho.

    O LED verde encontra-se ativo quando o sistema está desarmado.

    O LED amarelo encontra-se ativo quando o sistema está armado e enquanto o alarme não dispara.

    O LED vermelho encontra-se ativo apenas quando o sistema está armado e após o alarme ter disparado.

    É importante salientar que enquanto o sistema está desarmado o alarme não pode disparar e quando o alarme dispara é possível desativá-lo e desarmar o sistema introduzindo o código correto.

    O projeto também inclui um buzzer passivo e um relé.

    Como foi referido anteriormente o relé é utilizado no projeto para simular uma fechadura eletrónica, o mesmo encontra-se ativo enquanto o sistema estiver armado.

    O buzzer passivo foi utilizado para simular o som produzido por um sistema de segurança na eventualidade de uma intrusão, este apenas ativa-se após o alarme disparar; sendo que se fez uso de uma curva sinusoidal para criar variações na frequência do som produzido pelo buzzer de forma a replicar o barulho produzido pelo alarme de um sistema de segurança.

    O último componente a ser incluído no projeto foi um display de LCD o qual foi utilizado para mostrar ao utilizador o estado atual do sistema e o código introduzido pelo utilizador. Por norma, o código introduzido pelo utilizador deve ser ocultado no display, mas com o intuito de dar mais claridade ao funcionamento do projeto decidiu-se que no display os caracteres que compõem o código introduzido pelo utilizador não deviam ser ocultados.





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    Figura 14 - Montagem do projeto.



    Video do Projeto - Raspberry Pi Security System.




    Sistema Ativo com o Alarme desligado


    Descrição: O Sistema está “Desarmado” apresentando o led verde ligado. Para armar o sistema o alarme é necessário a introdução de um código, sendo a ativação sinalizada com o led amarelo ligado.

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    Figura 15 - O Sistema está desarmado(led verde ativado) e o alarme está desligado.





    Ligar o Alarme


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    Figura 16 - Output do LCD ao inserir o código no Keypad.

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    Figura 17 - Output da consola ao inserir o código no Keypad.



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    Figura 18 - Output do LCD com o Alarme Ativo. O led Amarelo foi ativado.

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    Figura 19 - Output da consola com o Alarme Ativo. O led Amarelo foi ativado.

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    Figura 20 - Foi ativado o relé indicando a ativação da fechadura eletrónica.





    Intrusão


    Descrição: O evento “Intrusão” consiste na deteção de um acesso não autorizado sendo despoletado um conjunto de ações pré-definidas do sistema de segurança.

    Processos do Evento "Intrusão":

    1. Ativação do sensor de movimentos;
    2. Ativação do sinal sonoro do Buzzer e do LED vermelho;
    3. O LCD emite a mensagem “>>INTRUSÃO<< “ ;
    4. Ativação da câmara de filmar, sendo capturada uma fotografia do intruso;
    5. Envio de um email com a mensagem de intrusão e com a fotografia do intruso.

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    Figura 21 - Output do LCD com a mensagem da intrusão. O LED Vermelho foi ativado.

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    Figura 22 - Output da consola do evento "Intrusão".



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    Figura 23, 24, 25 - Email enviado com a informação de uma intrusão.





    Código errado


    Descrição: O disparo do alarme pode ser provocado por um outro evento. O utilizador ao introduzir três vezes o código errado, irá provocar a ativação do alarme. O alarme pode ser desativado ao introduzir o código correto.

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    Figura 26 - Input errado do código apresentando um contador com o número restante de tentativas.





    Teclas “Confirm” e “Delete:


    Descrição: O utilizador pode pressionar a tecla “D” do Keypad para limpar o código inserido e pressionar a tecla “C” para confirmar e proceder à autenticação do código inserido.


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    Figura 27 - Keypad e output da tecla “D”.

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    Figura 28 - Output da consola da tecla “D”.




    • Segurança Residencial;
    • Segurança Empresarial;
    • Sistemas de Segurança em geral.


  • Com a implementação da solução proposta neste projeto verificou-se uma significativa variedade de possíveis aplicações em diferentes contextos, existindo uma enorme e vasta oferta no que diz respeito a sensores.

    A utilização da avançada tecnologia do Raspberry Pi e a integração harmoniosa de vários elementos e sensores, permitiu desenvolver um sistema sólido e confiável, cujo propósito fundamental é assegurar a proteção de propriedades/ativos e garantir a segurança de pessoas.

    Durante o estudo e o desenvolvimento do projeto foram identificas necessidades essenciais, como por exemplo, Prevenção, Proteção e Monitoramento. O Sistema assume um papel Reativo reagindo a intrusões e também um papel Proativo apostando na prevenção, desencorajando desta forma as atividades criminosas.

    Com este projeto obtivemos com sucesso uma dinâmica bastante positiva entre os sensores, o Raspberry Pi e o utilizador, tendo sido preenchidas com sucesso as necessidades e os requisitos observados durante o estudo e implementação do sistema. Em essência, este projeto atende não só às exigências de segurança, mas também estabelece um novo padrão para a integração tecnológica em ambientes onde a proteção é de suma importância.


  • Câmara:
    https://projects.raspberrypi.org/en/projects/getting-started-with-picamera/1

    LCD Display:
    https://toptechboy.com/library-for-i2c-connection-of-the-lcd1602-to-the-raspberry-pi/

    Keypad:
    https://www.digikey.com/en/maker/tutorials/2021/how-to-connect-a-keypad-to-a-raspberry-pi
    https://maker.pro/raspberry-pi/tutorial/how-to-use-a-keypad-with-a-raspberry-pi-4

    Passive Buzzer:
    https://www.youtube.com/watch?v=lEpJxvd_PWg
    https://projects.raspberrypi.org/en/projects/physical-computing/8

    Relé da Fechadura Eletrónica:
    https://www.youtube.com/watch?v=EBEzOQV4kYM&list=PL9LvcY9iaJ_ozwIerw546hJvMd_ZUq1WX&index=1&t=63s

    Sensor de Movimentos:
    https://www.youtube.com/watch?v=K7jyKG_Zsko&list=PL9LvcY9iaJ_ozwIerw546hJvMd_ZUq1WX&index=2

    SMTP Server com Python para o envio de emails:
    https://randomnerdtutorials.com/raspberry-pi-send-email-python-smtp-server/

    Livro – 5G e Internet das Coisas:

    COELHO, Pedro – 5G e Internet das Coisas. Lisboa: FCA – Editora de Informática, 2022. ISBN 978-972-722-926-0.



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