Industriales



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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO.

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA EN CONTROL Y REDES

INDUSTRIALES

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD PARA UN AUTOMÓVIL CON AUTENTICACIÓN POR RECONOCIMIENTO FACIAL UTILIZANDO TÉCNICAS DE VISIÓN ARTIFICIAL

Trabajo de Titulación presentado para optar al grado académico de:



INGENIERO EN ELECTRÓNICA, CONTROL Y REDES INDUSTRIALES

AUTOR: CHRISTIAN FERNANDO SALAZAR ESPINOZA

TUTOR: ING. MSC. FERNANDO MEJIA

Riobamba – Ecuador.

2016

FACULTAD DE INFORMÀTICA Y ELECTRÒNICA
ESCUELA DE INGENIERIA EN ELECTRÒNICA EN CONTROL Y REDES INDUSTRIALES

El Tribunal del Trabajo de Titulación certifica que: El trabajo de Titulación: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD PARA UN AUTOMÓVIL CON AUTENTICACIÓN POR RECONOCIMIENTO FACIAL UTILIZANDO TÉCNICAS DE VISIÓN ARTIFICIAL”, de responsabilidad del Señor Christian Fernando Salazar Espinoza, ha sido minuciosamente revisado por los Miembros del Tribunal de Trabajo de Titulación, quedando autorizada su presentación.

Dr. Miguel Tasambay. P.H.D.

DECANO DE LA FACULTAD

DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA. ………………… …………………..

Ing. Msc. Wilson Zuñiga.



DIRECTOR DE LA ESCUELA DE

INGENIERÍA ELECTRÓNICA EN

CONTROL Y REDES INDUSTRIALES ………………… …………………..

Ing. Msc. Fernando Mejía



DIRECTOR DE TRABAJO

DE TITULACIÓN ………………… …………………..

Ing. José Luis Morales.



MIEMBRO DE TRIBUNAL ………………… …………………..

Yo, CHRISTIAN FERNANDO SALAZAR ESPINOZA, soy responsable de las ideas, doctrinas y resultados expuestos en este Trabajo de Titulación, y el patrimonio intelectual pertenece a la



ESCUELASUPERIOR POLITÈCNICA DE CHIMBORAZO.

CHRISTIAN FERNANDO SALAZAR ESPINOZA



El presente trabajo está dedicado a Dios, mi madre, mi abuelita, mis familiares y todas las personas que de varias maneras han influenciado de forma positiva en mi vida.

ÍNDICE DE ABREVIATURAS

A Amperios.

A/D Analogic - Digital

ADC Analogic – Digital Converter

ALU Arithmetic Logic Unit

ARM Advanced RISC Machine

ARMv7 Advanced RISC Machine version 7

AT ATtention

AUV Unmanned Aircraft Vehicle

cm Centímetro

CMSIS Cortex Microcontroller Software Interface Standard

COM Puerto de Comunicación Serie

CPU Central Unit of Process

CSI Camera Serial Interface

dBm Decibelio-Milivatio

DMA Direct to Memory Access

DSI Display Serial Interface

DSP Digital Signal Processor

E/S Entrada - Salida

EGSM Extension of GSM

EN Enable

FLD Fisher Linear Discriminant

GB Giga Byte

GND Ground

GNU GNU's Not Unix

GPIO General Port In / Out

GPRS General Packet Radio Service

GPS Geo

GSM Global System for Mobile communications

HAL Hardware abstraction Layer

HDMI High Definition Multimedia Interface

HP High Power

Hz Hertz

I2C Inter-Integrated Circuit

IDE Integrated Development Environment

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

ISM Industrial, Scientific and Medical

ISP In-System Programming

KB Kilo Bytes

LBP Local binary patterns

LBPH Local binary patterns Histogram

LDR Light Dependent Resistor

LQFP Low-profile Quad Flat Package

LUT Look Up Table

mA Mili Amperios

MCU Multipoint Control Unit

MHz Mega Hertz

MP Mega Pixel

NMEA National Marine Electronics Association 

NMOS Negative-channel Metal-Oxide Semiconductor

NVIC Nested Vectored Interrupt Controller

ºC Grado Celsius

PC Personal Computer

PCA Análisis de Componentes Principales

PCB Printed Circuit Board

PWM Pulse width Modulation

RAM Random Access Memory

RGB Red, Green and Blue

RISC Reduced Instruction Set Computer

RX Receiver

SATA Serial Advanced Technology Attachment

SCCB Serial Camera Control Bus

SD Secure Digital

SMD Surface Mounted Device

SMS Short Message Service

SMT Surface Mounting Technology 

SPI Serial Protocol Interface

SRAM Static Random Access Memory

TCP Protocolo de Control de Transmisión

TH Thousand of an inches

TTFF Time To First Fix

TTL Logical Transistor to Transistor

TX Transmitter

UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver-Transmitter

USB Universal Serial Bus

V Voltios

VCC Voltaje de Corriente Continua

VGA Video Graphics Array

VLAN Virtual LAN
TABLA DE CONTENIDO


RESUMEN 12

ABSTRACT 13

INTRODUCCIÓN 14

1. MARCO REFERENCIAL. 15

1.1. Antecedentes. 15

1.2. Justificación del Trabajo de Titulación. 15

1.3. Objetivos. 16

1.3.1. Objetivo general. 16

1.3.2. Objetivos específicos. 16

1.4. Hipótesis. 16

2. MARCO TEÓRICO. 17

2.1. Sistemas de seguridad de automóviles 17

2.2. Sistemas inteligentes 17

2.2.1. Control e interacción remota 17

2.3. Seguridad y comodidad 17

2.4. Comunicación inalámbrica 18

2.4.1. Tecnología GSM 18

2.4.2. Tecnología Bluetooth 18

2.5. Sistemas embebidos 18

2.5.1. Raspberry PI 2 18

2.5.3. Wandboard 19

2.6. Visión artificial 19

2.6.1. Definición de visión artificial 19

2.7 OpenCV 20

2.7.1 Introducción a OpenCV 20

2.7.2. Instalación de OpenCV en Raspbian 20

2.7.3. Manipulación de imágenes 20

2.7.4. Acceso a la cámara y obtención de imágenes 22

2.7.4.1. Cámaras Web USB 22

2.7.4.2. Cámaras IP 22

2.7.4.3. Cámaras CSI 22

2.7.5. Cámaras disponibles 22

2.7.5.1. Cámaras Web USB normales 23

2.7.5.2. Cámaras Web USB estéreo: 23

2.7.5.3. Cámaras de un Smartphone como cámara USB 23

2.7.5.4. Cámaras IP 23

2.7.5.5. Cámaras de un Smartphone como cámara IP 23

2.7.5.6. Cámaras CSI 23

2.7.6. Detectar ojos y rostro 23

2.7.7. Tipos de filtros de imágenes 25

2.7.7.1. Reducción de la imagen 25

2.7.7.2. Corte 25

2.7.7.3. Canny 26

2.7.7.4. Escala de grises 26

2.8. Reconocimiento facial 26

2.8.1. Algoritmo Eigenface 26

2.8.2. Algoritmo Fisherface 27

2.8.3. Algoritmo LBPH 29

2.9. Microcontroladores con arquitectura ARM 31

2.9.1. Introducción a la arquitectura ARM 31

2.9.2. Características de la arquitectura ARM 32

2.9.3. Microcontroladores STM32 33

2.9.4. STM32CubeMX 33

2.9.5. MDK V5 (KEIL) 34

2.9.5.1. MDK Core 34

2.9.5.2. Paquetes de Software 34

2.9.6. STM Studio 34

2.9.7. Programación de comunicación universal serial asincrónica de un microcontrolador 35

2.9.7.1. Comunicación UART 35

2.9.7.2. Comunicación UART por sondeo 35

2.9.7.3. Comunicación UART por interrupciones 35

2.9.8. MIT APP Inventor y Bluetooth 35

2.9.9. Comandos AT para para uso de red GSM y GPS 36

2.10. Dispositivos y componentes del sistema. 37

2.10.1. Tarjeta Discovery STM32F3. 37

2.10.2. Módulo USART MAX232. 38

2.10.3. Módulo Bluetooth HC-05. 39

Características 39

2.10.4. Módulo GSM/GPRS/GPS SIM908. 40

2.10.5. Raspberry PI 2. 40

2.10.6. Cámara Webcam 41

2.10.7. Atmega 328. 42

2.10.8. Convertidor STEP UP STEP DOWN XI 6009 42

2.10.9. Sensor de temperatura LM35. 43

2.10.10. Sensor de distancia SHARP GP2Y0D340K. 43

2.10.11. Sensores switch y/o pulsadores. 44

2.10.12. Salidas a módulos relés mecánicos de potencia 44

2.10.13. Sabertooth 2x5. 45

2.10.14. Sensor de alcohol MQ-3 45

2.10.15. Sensor de luz LDR 46

2.10.16. Joystick 46

2.10.17. Potenciómetros 47

2.10.18. LED SMD 5050 47

2.10.19. Resistencias SMD 47

2.10.20. Zumbador 48

2.10.21. Micro motor POLOLU 48

2.10.22. Motor POLOLU A 12V 49

2.10.23. Tarjeta Discovery STM32F4 49

2.10.24. Wandboard Dual FREESCALE i.MX6 CORTEX A9 50

3. MARCO APLICATIVO 51

3.1. Diseño del sistema 51

3.1.1. Estructura Base 51

3.1.2. Etapa de control 51

3.1.3. Etapa de adquisición de datos 52

3.1.4. Etapa de potencia 53

3.2. Selección del Sistema Embebido 53

3.3. Comunicaciones del sistema 55

3.3.1. Comunicación STM32F3-RASPBERRY 55

3.3.2. Comunicación STM32F3-Módulo Bluetooth 55

3.3.3. Comunicación ATMEGA328p-Modulo GSM 55

3.4. Etapa de potencia y alimentación del sistema 56

3.5. Interfaz de control con Android 56

3.6. Reconocimiento facial 57

3.6.1. Selección de cámara 57

3.6.2. Autenticación en la noche 58

3.6.3. Filtrado de la imagen 59

3.6.3.1. Reducción de imagen 59

3.6.3.2. Corte 60

3.6.3.3. Escala de Grises 60

3.6.4. Selección de algoritmo para reconocimiento facial 60

3.6.5. Breve descripción del algoritmo para reconocimiento facial 61

3.7. Método de programación del microcontrolador ARM 61

3.7.1. Programación por sondeo 61

3.7.2. Programación por interrupciones 61

3.7.3. Programación por DMA 62

3.8. Control del sistema 62

3.8.1. Modo seguro 63

3.8.2. Modo conducción 63

3.9. Construcción del sistema 63

3.9.1. Estructura base 64

3.9.2. Etapa de control 64

3.9.3. Etapa de adquisición de datos 66

3.9.4. Etapa de potencia 67

3.10. OpenCV sobre Raspberry PI 2 con Raspbian 68

3.11. Funcionamiento y algoritmos del sistema 69

4. COSTOS, PRUEBAS Y RESULTADOS 74

4.1. Costo de los materiales 74

4.2. Pruebas realizadas 74

4.3. Análisis estadístico 75

4.3.1. Tipos de cámara 75

4.3.2. Métodos de reconocimiento facial 78

4.4. Resultados 81

CONCLUSIONES. 82

RECOMENDACIONES. 84

BIBLIOGRAFÍA. 86

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 21 Función GasussianBlur 8

Figura 22 Función Erode 8

Figura 23 Función Dilate 8

Figura 24 Filtro Canny 11

Figura 25 Coordenadas para buscar ojos 11

Figura 26 Parámetro para reducción de imagen 11

Figura 27 Detección de ojos 12

Figura 28 Código para reducción de imágenes 12



Figura 29 Código para filtro de Canny 13

Figura 210 Código para filtro a escala de grises 13

Figura 211 Eigenfaces de rostros 14

Figura 212 Fisherfaces de rostros 15

Figura 213 Operadores LBP 16

Figura 214 Distribución de la muestra de Chi cuadrado distancia 18

Figura 215 STM32F3DISCOVERY 24

Figura 216 USB 2.0 Serial RS232 UART TTL CP2102. 25

Figura 217 Módulo Bluetooth HC-05. 26

Figura 218 Módulo SIM908 GSM GPRS GPS 27

Figura 219 Raspberry PI 2 modelo B 27

Figura 220 Cámara Webcam 28

Figura 221 IC Atmega328P 28

Figura 222 Convertidor step up step down XI 6009 29

Figura 223 Sensor de temperatura LM35 29

Figura 224 Sensor Sharp GP2Y0D340K 0cm a 40cm 30

Figura 225 Sensor switch 30

Figura 226 Módulo de relés a 5V 31

Figura 227 Sabertooth 2x5 31

Figura 228 Sensor de alcohol MQ-3. 32

Figura 229 Sensor de luz LDR 32

Figura 230 Joystick 32

Figura 231 Potenciómetros 33

Figura 232 Led SMD 5050 33

Figura 233 Resistencias SMD 34

Figura 234 Zumbador 34

Figura 235 Micro motor Pololu 34

Figura 236 Motor Pololu a 12V 35

Figura 237 Tarjeta DISCOVERY STM32F4 35

Figura 238 Wandboard dual Freescale i.MX6 Cortex A9. 36

Figura 31 Diagrama de bloques del abstracto del sistema completo 36

Figura 32 Diagrama de bloques de etapa de control 38

Figura 33 Diagrama de bloques de etapa de adquisición de datos 38

Figura 34 Diagrama de bloques de etapa de potencia 39

Figura 35 Comunicación Sistema Embebido - Micro controlador 41

Figura 36 Interfaz de control con Android 42

Figura 37 Funciones de la aplicación de Android 43

Figura 38 Cámara de visión nocturna 44

Figura 39 Led infrarrojo 45

Figura 310 Flash de led 45

Figura 311 Funciones en C++ para filtro de imágenes 46

Figura 312 Reconocimiento facial 47

Figura 313 Diagrama de bloques secuencial de procesos 49

Figura 314 Diagrama de bloques detallado del sistema 49

Figura 315 Diagrama electrónico de la etapa de control 50

Figura 316 PCB del diagrama electrónico de la etapa de control 51

Figura 317 Imagen 3D del PCB del diagrama de electrónico de la etapa de control 52

Figura 318 Diagrama electrónico de la etapa de adquisición de datos 52

Figura 319 PCB del diagrama electrónico de la etapa de adquisición de datos 53

Figura 320 Algoritmo de la tarjeta STM32F303 55

Figura 321 Algoritmo del programa de reconocimiento facial 56



Figura 322 Algoritmo del Atmega328 con SIM908 57

Figura 323 Algoritmo de la aplicación de Android 58



Figura 41 Gráfico porcentual de las Sumas de la tabla de Baremo de tipo de cámaras 63

Figura 42 Gráfico porcentual de las Sumas de la tabla de Baremo de tipo de métodos de reconocimiento facial 67

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 21Lista de comandos AT usados para comunicación con SIM908 23

Tabla 31Tabla comparativa entre Raspberry Pi 2 y Wandboard iMX6 Dual 39

Tabla 32 Tabla comparativa entre los tres tipos de cámara 43

Tabla 41Lista de precios 60

Tabla 42 Datos recolectados de los tres tipos de cámara funcionando en el Sistema Embebido 61

Tabla 43Tabla de Baremo de los datos de la Tabla 2-4 61

Tabla 44Resultados del análisis estadístico de Tabla 3-4 en software SPSS 62

Tabla 45Datos recolectados de los tres métodos de reconocimiento facial funcionando en el Sistema Embebido 64

Tabla 46Tabla de Baremo de los datos de la Tabla 5-4 65

Tabla 47Resultados del análisis estadístico de Tabla 6-4 en software SPSS 65


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