Utilizando Arduino Uno para Fechadura Eletrônica

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SENHA: UTILIZANDO ARDUINO UNO PARA ACIONAR UMA FECHADURA ELETRÔNICA COM TECLADO MATRICIAL
Marcos Alexandre1; Nivan Mendes2; Vanderson Beltrão3; Lincoln Ferreira Lima4
(1,2,3) Graduando em Engenharia de Controle e Automação, Centro Universitário do Norte -UNINORTE
(4) Professor Mestre, Orientador do Curso de Engenharia de Controle e Automação, UNINORTE
 
Resumo
No mundo atual observa-se um crescimento exponencial dos projetos voltados para a automação residencial. Entretanto, mesmo com todos esses avanços tecnológicos que nos rodeiam, ainda assim, apresenta-se como pouco utilizado pelas classes com um menor poder aquisitivo. Em contrapartida, o número de assaltos em residências estão aumentando todos os dias, tornando a segurança residencial um assunto recorrente e alarmante em todas as classes sociais brasileiras. Nesse sentido, a sociedade está buscando mecanismos de escapatória. Esses sistemas incluem mecanismos de segurança, tais como: câmeras, cercas elétricas e sistema de segurança de acesso controlado para residências, escritórios, dentre outros. Nessa perspectiva, no panorama da globalização tecnológica, a automação surge como uma ferramenta para solucionar e inovar os vários sistemas controláveis que auxiliam o dia-a-dia das pessoas. Desse modo, este artigo tem como objetivo utilizar o Arduino Uno para acionar uma fechadura eletrônica com teclado matricial. Trata-se de uma metodologia onde optou-se por um sistema de fechaduras microcontroladas, com a finalidade de restringir e controlar o acesso a residências, no qual foi desenvolvida uma placa de circuito eletrônico com todos os dispositivos necessários para controlar uma fechadura elétrica, do tipo residencial que incluem: um teclado matricial, um LCD e uma programação, que permitiu a interação do usuário com o referido sistema de acesso seguro. Após a finalização do projeto, observou-se o funcionamento satisfatório do sistema, como o esperado, sendo considerado plausível devido ao grande diferencial pertinente ao baixo custo envolvido na sua produção.
Palavra-Chave: Arduino Uno, Fechadura, Segurança, Senha, Microcontrolador, 
Introdução
De acordo com a Secretaria Nacional de Segurança Pública (SENASP, 2019), a insegurança é um problema social muito discutido, de forma que a garantia da segurança das residências é bastante complexa, sendo assim, os investimentos relacionado a ela tem aumentado de forma significativa, principalmente em empresas, estabelecimentos comerciais e condomínios residenciais. Isso se deve, em grande parte, ao crescimento também dos artifícios utilizados por meliantes para ter acesso aos bens privados e/ou locais onde não possuem permissão para entrar.
O que se pode observar é que os lugares que não possuem acesso por senha apresentam maiores índices de violação, resultando em furtos de bens, estando a mercê dos salteadores, que por sua vez invadem locais bastante triviais, tais como: residências, igrejas, laboratórios de escolas, estabelecimentos comercias e até hospitais, vulneráveis a roubos e furtos (CHAMUSCA, 2006).
Mediante a esse agravante, projetos e pesquisas que abordem essa temática (DI RENNA et al, 2016; FRUSTACI et al, 2018; SANTOS, CARDOSO, GOMES, 2018; NESHENKO et al, 2019; MAIA et al, 2019) tonam-se essenciais para o desenvolvimento e aplicação de senha para restringir o acesso de pessoas não autorizadas em locais (residências, comércios, etc,) e garantir a segurança.
Na realidade, compreende-se que os maiores problemas enfrentados para ambientes que são acessados por mais de uma pessoa são: o controle de acesso, a utilização de várias chaves na fechadura (o que pode levar a um defeito) e principalmente a perda da chave.
Nessa perspectiva, esse artigo foi desenvolvido com o intuito de solucionar todos os problemas citados, e posteriores, utilizando-se do dispositivo Arduino Uno, para construir um sistema eletrônico de acesso seguro, com um custo baixo e de grande confiabilidade.
O Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto, que possui seus próprios micro controladores e a sua própria IDE. Trata-se de um sistema que possui uma grande comunidade de usuários, diversos estudos e projetos que utilizam dessa plataforma para inúmeras utilidades, principalmente pela sua facilidade de uso, eficiência e sua IDE gratuita, além do grande número de ferramentas implementadas para o mesmo (BOUGART, 2001; BOLZANI, 2004; MCROBERT, 2011; BANZI, 2012).
Desse modo, o Arduino Uno pode ser considerado como uma possível resolução para os problemas relacionados à segurança propostos por esse estudo, atuando como um microcontrolador, capaz de se ser programado por software, no qual irá processar as entradas e saídas entre os dispositivos que são conectados a ele, sendo bastante utilizado simplesmente pelo fato não possuir um alto custo e ser bastante completo. 
Assim, este artigo tem como objetivo descrever um projeto de automação de uma fechadura com senha utilizando Arduino uno para suprir a necessidade de se utilizar senhas para o acesso a determinado local, para que haja um controle eficaz na entrada de pessoas, aumentando a segurança dos estabelecimentos e visando o custo benefício, tornando acessível a todos, baseando-se principalmente em diminuir os custos para o acesso dessa tecnologia a um público mais amplo.
	
Metodologia
	O sistema de controle de acesso utilizando a senha foi aplicado a um protótipo que utiliza uma tranca eletrônica com senha. O microcontrolador Arduino Uno realizou a função lógica do sistema, constituído de uma placa de circuito impresso, leds, teclado matricial, um display LCD e uma mini fechadura eletrônica. 
A metodologia deste projeto baseia-se no processo metodológico usado por Zonta et al (2017), utilizando como apoio didático as obras desenvolvidas por: Silva Júnior (1998), Tucker e Noonan (2008), Tanenbaum e Wetherall (2011); Pereira (2014) e Larios (2020). Trata-se de circuitos para controlar uma mini fechadura eletrônica de uma residência através de um teclado, lembrando que o circuito foi montado em uma Protoboard, porém sendo desenvolvido com a intensão de uma fácil montagem em uma placa PCB.
 	Logo, o projeto dividiu-se nas seguintes etapas:
· Estudo do funcionamento do sistema;
· Elaboração da lógica de programação e fluxograma;
· Desenvolvimento de testes e códigos;
· Montagem do circuito
Estudo do funcionamento do sistema 
Nessa primeira etapa, realizou-se um estudo sobre o funcionamento geral do microcontrolador Arduino uno e suas bibliotecas, para a realização do código da programação para o controle da fechadura eletrônica.
É importante ressaltar que as placas Arduino possuem funcionamento semelhante ao de um pequeno computador, no qual, pode-se programar a maneira como suas entradas e saídas devem se comportar em meio aos diversos componentes externos que podem ser conectados nas mesmas.
Dessa forma, o Arduino Uno (Figura 1) utilizado foi formado por dois componentes: A placa, que é o Hardware, usado para construção dos projetos e a IDE (ambiente de desenvolvimento) Arduino, que é o Software usado para escrever os comandos efetuados pela placa.
Figura 1. Arduino Uno e IDE.
Fonte: Dados do autor, 2020.
No microcontrolador foi realizando estudo para quais decisões devem ser tomadas em cada circunstância. Para isso, foi escrito um código que seguia uma sequência lógica de tomada de decisões que levou em conta as variáveis que serão lidas e/ou controladas.
Para programar essas placas, ou seja, ensiná-las a desempenharem as funcionalidades que foi desejada, utilizou-se o IDE (ambiente integrado de desenvolvimento), que por sua vez, é um software onde se pode escrever um código em uma linguagem semelhante a C/C++, o qual, foi traduzido, após a compilação, em um código compreensível pela nossa placa.
Elaboração da lógica de programação e fluxograma
Na segunda etapa foi desenvolvido um código para ser armazenado na memória do Arduino, código este que permitiu a plena funcionalidade do sistema, pois é onde estão contidas as instruçõesnecessárias para que o microcontrolador valide a identidade do usuário e envie o comando para a abertura da trava.
Dessa forma, desenvolveu-se um fluxograma da programação e algoritmos para realizar a automação da senha, sendo realizados testes para controle do servo motor, relé, LEDs de sinalização e display LCD através de Software Proteus.
Após a elaboração deste fluxograma do programa, foi realizado o desenvolvimento do código baseado nele. Código esse, que foi escrito na linguagem de programação suportada pela IDE (ambiente de desenvolvimento: Software) do Arduíno. A parte do diagrama de blocos responsável pelo controle de acesso propriamente dito (etapas de validação e liberação) foi implementada dentro da função “loop()” (função já existente na IDE), que é utilizada para repetir um determinado bloco de comandos. No fluxograma a função “loop()” é representada pela etapa “Início do laço infinito.” e o bloco de comandos a ser repetido por ela são as etapas seguintes (Figura 2).
Figura 2. Fluxograma do programa senha.
V
F
Abrir Porta
Fonte: Dados do autor, 2020.
Desenvolvimento de testes de programas e códigos 
Para elaboração do código da programação utilizou-se das bibliotecas (Figura 3) Keypad.h para a (programação do teclado), Servo.h (programação do servo motor), LiquidCrystal.h (programação do LCD). Os testes foram realizados no Software Proteus, com a simulação do circuito e componentes eletrônicos.
Figura 3. IDE – Biblioteca.
Fonte: Dados do autor, 2020.
Para converter o programa escrito em uma linguagem de alto nível para linguagem de máquina, fez-se uso de um compilador (Figura 4). A ação de converter um programa para linguagem de máquina é chamada compilar. Para compilar um programa, normalmente se utiliza um ambiente de desenvolvimento (ou IDE, do inglês Integrated Development Environment), que é um aplicativo de computador que possui um compilador integrado, onde você pode escrever o seu programa e compilá-lo. No caso do Arduino, esse ambiente de desenvolvimento é o Arduino IDE.
Figura 4. IDE – Compilador.
Fonte: Dados do autor, 2020.
O código foi escrito em um computador, na linguagem de programação “C”, e enviado para o Arduino através de um cabo USB utilizando o software “Arduino IDE”.
Montagem e simulação do circuito 
A simulação e testes do circuito foi realizada no Software Proteus para fazer o dimensionamento das conexões no microcontrolador para cada acionamento dos componentes, de acordo com a figura 5.
Figura 5. Software Proteus.
Fonte: Dados do autor, 2020.
O Software Proteus foi escolhido devido a facilidade de se utilizar nas simulações e é um software criado pela empresa Labcenter Eletronics. Com ele é possível montar circuitos eletrônicos, simular e criar PCBs. O sistema ainda conta com ferramentas que estão presentes em laboratórios de eletrônica, como voltímetro, amperímetro, osciloscópio, gerador de sinal, tendo a capacidade de simular projetos com Arduino de forma muito simples.
No Proteus ISIS (Figura 6) foi feita a procura dos componentes dentro da biblioteca, e na sequência executado a montagem do circuito para simulação dos testes.
Figura 6. Proteus ISIS.
Fonte: Dados do autor, 2020.
O circuito foi montado em um protoboard (uma placa com furos e conexões condutoras utilizada para a montagem de protótipos e projetos em estado inicial.). Os fios jumpers foram utilizado na montagem. Esses fios têm como função conduzir energia elétrica entre um barramento e outro, auxiliando na montagem do circuito. Para a execução do projeto foram utilizados diversos componentes eletrônicos, sendo eles:
Arduino Uno
Teclado Matricial 4x4;
Display LCD 16×2;
Led’s;
Resistores;
Potenciômetro;
Módulo Driver Ponte H - L298N;
Micro Servo Motor SG90 9g;
Fios Fêmea-macho;
Módulo Relé 5V 1 Canal;
Fonte de 5v;
Fonte de 12v
Mini fechadura solenoide 12v.
A montagem do circuito eletrônico foi efetuada sobre a Protoboard, onde foram posicionados o Display LCD, o Potenciômetro teclado, o Arduino e o Relé foram posicionados ao lado da Protoboard sobre a base de madeira da porta, e a Trava Elétrica Solenoide foi instalada na porta assim como uma fechadura. A conexão entre os componentes e as portas digitais do Arduino deu-se com a conexão dos cabos flexíveis. 
A figura 7 mostra o circuito montando no Protoboard utilizando um Módulo Driver Ponte H - L298N.
 
Figura 7. Circuito montado no Protoboard.
Fonte: Dados do autor, 2020.
Nesse contexto, o teclado numérico serviu para a digitação das senhas, para abertura da porta. Possui 16 botões e um conector de 8 pinos que é ligado ao Arduino Uno, sendo que seu melhor funcionamento foi utilizada a biblioteca keypag.
Já o relé foi utilizado pode ser um dispositivo eletromecânico que quando uma corrente passa pela sua bobina cria um campo magnético que atrai uma ou mais chaves e libera ou fecha um circuito, sendo essencial para a finalidade da senha. 
A figura 8 descreve perfeitamente os passos da montagem eletrônica, fundamental para o desfecho do processo e a ativação da senha com comandos do Arduino Uno.
Figura 8. Montagem eletrônica
Fonte: Dados do autor, 2020.
O acabamento do sistema teve a utilização de uma porta com finalidade de conter o circuito do sistema eletrônico. Um pequeno depósito tem a função de uma carenagem para o microcontrolador Arduino e os componentes. Os materiais usados: teclado matricial, LED’s e display LCD estão acoplados a porta e conectados ao circuito Impresso PCB que são interligados com furos metalizados apenas para passagem da corrente elétrica, conhecidos como furos de passagem, o mesmo onde se encontra o microcontrolador.
O funcionamento do sistema ocorreu basicamente da seguinte forma: primeiramente, o usuário digita a senha correta utilizando teclado matricial, o teclado, por sua vez, efetua a leitura do da senha e confronta a informação com a contida na memória do Arduino Uno, previamente definida na programação; Após a autenticação do usuário, caso o mesmo esteja liberado para acesso, o microcontrolador aciona o Relé, que libera a energia provinda da Fonte 12 V para a mini fechadura eletrônica. Então o pino da fechadura é recolhido, mantendo-se nesta posição por 2 segundos, tempo suficiente para o usuário abrir a porta, enquanto aparece no Display LCD a mensagem “Acesso Liberado” é exibida. Caso o usuário não esteja registrado, o Display exibe uma mensagem de “Acesso Negado” e a trava não se move, mantendo a porta fechada.
Resultados e Discussão
	Por meio dos resultados obtidos verificou-se que, através dessa pesquisa é possível construir, usando o dispositivo Arduino Uno, um sistema para acionar a fechadura eletrônica com teclado matricial, cumprindo com o objetivo geral desse estudo, conforme pode ser observado no fluxograma descrito abaixo (Figura 9).
Figura. Fluxograma final – Fechadura eletrônica.
Fonte: Dados do autor, 2020.
Por meio dos passos metodológicos aplicados de acordo com o esquema final da fechadura eletrônica, o resultado alcançado foi a mensagem programada pelo sistema do dispositivo Arduino Uno, o qual revela pelo Display LCD se a senha foi liberada ou negada, atuando de forma plausível e satisfatória para ser usada em uma residência ou até mesmo em outros locais.
	Em comparação com outras pesquisas com a mesma temática, observa-se coerência e eficácia no uso do dispositivo Arduino Uno para o emprego de senhas e fechaduras eletrônicas, como é o caso de Zonta et al (2017), na obra intitulada como: Automação de porta com fechadura elétrica utilizando CLP Arduino e tecnologia Bluetooth e Pauloski et al (2018), com a obra intitulada: Utilizando um microcontrolador Arduino para acionar uma trava elétrica com etiquetas RFID.
Além da ratificação descrita pelas pesquisas voltadas para essa temática, é importante salientar que esse presente estudo buscou um sistema que obteve resposta relevante para a segurança residencial, usando materiais triviais, de fácil manuseio, fácil instalação e economicamente viáveis.Na realidade, como resultado dessa pesquisa foi admissível, poderá servir como modelos para outros projetos a serem desenvolvidos com o intuito de melhoria dos processos metodológicos envolvidos, sendo inevitável que essas otimizações venham interferir nos modelos das porta e principalmente no mecanismo de trava e senhas para a fechadura eletrônica construída, seno o Arduino Uno a base para inovar as pesquisas. 
Outro ponto positivo no uso do microcontrolador que atende a todos esses requisitos é o fato de que o Arduino e seus componentes são de fácil enternecimento. Além disso, tutoriais e manuais do mesmo se encontram em diversas línguas, até mesmo em português podendo, assim, ser utilizado para diversas finalidades. 
Em contrapartida, muito dos projetos não são colocados em prática devido o seu elevado custo, o que não acontece com os projetos que envolvem o Arduino Uno. No caso específico para esse estudo, por exemplo, temos os seguintes valores: Arduino Uno custa R$ 40,00, o teclado matricial 4x4 tem o valor de R$ 15,00, o display LCD em torno de R$ 20,00 e a mini fechadura solenoide 12v R$ 35,00 e Módulo Relé 5V 1 Canal R$ 9,00; Portanto o valor do projeto foi cerca de R$ 119,00. Tal valor é muito abaixo dos ofertados pelas empresas de segurança que instalam o sistema com valores mínimos de R$ 600,00 (ARDUINO, 2019). 
De um modo geral, o resultado alcançado foi satisfatório, entretanto, ainda assim se faz necessário a otimização de alguns entraves que podem ser visualizados no decorrer do sistema produzido, como é o caso da ocorrência de uma suave perda de nitidez do Display LCD ao ser acionado o Relé, acreditando-se que isso aconteça devido a uma corrente elevada ser exigida pelo mesmo, afetando, assim, o funcionamento normal dos demais elementos. Entretanto, esse fator torna-se tão pequeno com relação a magnitude proporcionada pela atuação do Arduino Uno no uso de fechaduras eletrônicas em residências, estando a disposição de qualquer família, seja ela de qual classe econômica. 
	Dessa maneira, esta pesquisa torna-se plausível para a utilização de senhas automatizadas usando softwares específicos e de qualidade para servirem como parâmetros de segurança, essencial para estudos na área de engenharia de controle e automação, assim como para a proteção de muitas famílias e da sociedade como um todo. 
Conclusão
	
Por meio desta pesquisa pode-se inferir que, é possível utilizar, com êxito, a plataforma Arduino Uno para ativar uma fechadura eletrônica usando um teclado matricial em uma residência unifamiliar e até mesmo em outros locais, sendo que, como desfecho do projeto verificou-se que o seu funcionamento é bem simples e de fácil manuseio, sendo considerado plausível devido ao grande diferencial pertinente ao baixo custo envolvido na sua produção.
É importante ressaltar que, os projetos e estudos que envolvem a automação residencial vem crescendo significativamente nos últimos anos, sendo cada vez mais valorizados e explorados, tendo em vista os benefícios e as vantagens que sua aplicabilidade pode trazer a população, sem falar na maior segurança, na comodidade, no conforto, no controle e monitoramento da residência, na facilidade de acesso e na praticidade de suas ações.
Desse modo, ao realizar essa pesquisa, abre-se um leque de variantes que podem ser associados ao Arduino Uno dentro dos processos que envolvem a engenharia de controle e automação, possibilitando a inserção de melhorias nesse projeto, como por exemplo o aumento da confiabilidade da senha e até mesmo o aumento de carga da bateria, afim de oportunizar a eficiência energética do sistema. 
Assim, esse e outros estudos voltados para a confecção de protótipos e sistemas automatizados tornam-se essenciais para o aprendizado do acadêmico do Curso de Engenharia de Automação e Controle, favorecendo ao avanço das pesquisas e colaborando com o desenvolvimento do intelecto do educando, fundamental para o progresso do processo de ensino-aprendizagem. 
Referências
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