Trabalho 02

Universidade de Brasília - FCTE

Fundamentos de Sistemas Embarcados

Equipe:

Introdução

Este trabalho apresenta um estudo teórico-exploratório sobre fechaduras eletrônicas inteligentes, dispositivos embarcados amplamente utilizados em residências, empresas e ambientes comerciais para controle de acesso. O objetivo é analisar as principais funcionalidades dessas fechaduras, suas tecnologias de comunicação, sensores, mecanismos de autenticação e estrutura embarcada.

Além disso, o trabalho propõe uma possível reprodução parcial dessas funcionalidades utilizando uma ESP32 e componentes compatíveis com o ecossistema ESP-IDF, permitindo implementar recursos como autenticação por senha numérica, controle remoto por aplicativo e gerenciamento de usuários via rede Wi-Fi ou Bluetooth.

O estudo também contempla levantamento bibliográfico, análise técnica do funcionamento interno do sistema e comparação com produtos similares disponíveis no mercado.

1 - Descrição do Produto

Figura 1: Fechadura inteligente zigbee ZSL-06)

1.1 - Definição de Fechadura Eletrônica Inteligente

Uma fechadura eletrônica inteligente é um sistema embarcado de controle de acesso que substitui ou complementa mecanismos mecânicos tradicionais por métodos digitais de autenticação. Esses dispositivos podem utilizar senhas numéricas, aplicativos móveis, biometria, RFID, NFC ou comunicação via internet para permitir ou negar acesso a um ambiente.

Segundo Stallings (2018):

“Sistemas embarcados modernos combinam sensores, atuadores e comunicação digital para automatizar tarefas e fornecer controle inteligente sobre dispositivos físicos.” — Stallings, William. Computer Organization and Architecture. Pearson, 2018.

As fechaduras inteligentes fazem parte do contexto da Internet das Coisas (IoT), permitindo integração com smartphones, assistentes virtuais e plataformas de automação residencial.

Perspectiva Histórica

As primeiras fechaduras eletrônicas surgiram em hotéis e ambientes corporativos utilizando cartões magnéticos e teclados numéricos simples. Com o avanço da conectividade sem fio e da miniaturização de microcontroladores, esses sistemas passaram a incorporar Bluetooth, Wi-Fi e aplicativos móveis.

Atualmente, fechaduras inteligentes fazem parte do ecossistema de casas inteligentes (smart homes), permitindo monitoramento remoto, registro de acessos e integração com sistemas de segurança.

Funcionalidades

As fechaduras eletrônicas modernas oferecem funcionalidades além do simples travamento da porta.

Principais funcionalidades:

• Autenticação por senha numérica
• Abertura remota via aplicativo
• Cadastro e alteração de senhas
• Integração com Wi-Fi e Bluetooth
• Registro de acessos
• Alarmes de tentativa de invasão
• Travamento automático
• Monitoramento remoto
• Controle de usuários

Público-Alvo e Contexto de Uso

1.2 - Componentes e Sensores Utilizados

Figura 2: Especificação da fechadura inteligente zigbee)

Principais Componentes

Microcontrolador

Responsável pelo processamento principal do sistema, leitura de sensores, autenticação e comunicação de rede.

Exemplo:

• ESP32
• STM32
• ESP8266

é muito provável que ela use algum SoC da linha Tuya Zigbee, geralmente baseado em:

• Telink TLSR825x
• Texas Instruments CC2530/CC2652
• algum módulo Tuya da série ZTU/BLE+Zigbee.

Teclado Matricial

Permite a inserção de senhas numéricas pelo usuário.

Normalmente:

• 3x4
• 4x4

Atuador de Travamento

Mecanismo responsável pela abertura física da fechadura.

Pode utilizar:

• Servo motor
• Solenoide
• Motor DC com redução

Display

Usado para fornecer feedback ao usuário.

Exemplos:

• OLED I2C
• LCD 16x2

Módulo de Comunicação

Permite controle remoto.

Tecnologias comuns:

• Wi-Fi
• Bluetooth Low Energy (BLE)
• RFID
• NFC

Sensores Auxiliares

• Sensor magnético de porta
• Sensor de violação
• Sensor de posição
• Buzzer para alarme
• Sensor de biometria digital

Tecnologias de Comunicação e Controle Embarcadas

2 - Análise Técnica do Funcionamento

Para este trabalho utilizaremos como referência conceitual modelos modernos de fechaduras inteligentes disponíveis no mercado, como a linha da Intelbras.

Essas fechaduras utilizam sistemas embarcados capazes de controlar autenticação, comunicação sem fio e acionamento mecânico em tempo real.

Principais módulos do sistema

1. Módulo de Entrada

Responsável por receber dados do usuário:

• Teclado matricial
• Aplicativo móvel
• RFID/NFC
• Sensor de biometria digital

2. Módulo de Processamento

O microcontrolador executa:

• Validação de senha
• Controle de usuários
• Comunicação com aplicativo
• Gerenciamento do atuador

3. Módulo de Comunicação

Permite integração remota:

• Wi-Fi
• Bluetooth
• MQTT
• APIs REST

4. Módulo Atuador

Realiza a abertura física da fechadura:

• Servo motor
• Solenoide
• Motor elétrico

5. Módulo de Alimentação

Normalmente composto por:

• Pilhas AA
• Bateria Li-ion
• Reguladores de tensão

6. Módulo de Segurança

Inclui:

• Criptografia
• Proteção contra força bruta
• Temporizador de bloqueio
• Registro de tentativas

Identificação de Tecnologias Críticas

3 - Reprodução na ESP32

A proposta consiste em reproduzir parte das funcionalidades de uma fechadura inteligente utilizando ESP32 e componentes simples disponíveis no laboratório.

Descrição Conceitual

O sistema será composto por:

• ESP32
• Teclado matricial 4x4
• Servo motor
• Display OLED
• Buzzer
• Aplicativo simples

O usuário poderá:

• Inserir senha física
• Alterar senha pelo celular
• Abrir remotamente
• Monitorar estado da porta

Implementação e Adaptações de Hardware

Implementação e Adaptações de Software

Diagrama Conceitual do Sistema

Usuário
   ↓
Teclado / Aplicativo
   ↓
ESP32
 ├── Validação de senha
 ├── Comunicação Wi-Fi/BLE
 ├── Controle de usuários
 └── Controle do servo
         ↓
   Fechadura física

Diagrama conceitual de hardware

 Teclado    Wi-Fi
   │          │
   ▼          ▼
+------------------+
|      ESP32       |
+------------------+
   │    │     │
   │    │     └──── OLED
   │    │
   │    └────────── Servo
   │
   └────────────── Teclado

          │
          ▼
      Reed Switch

Funcionamento Geral

1. O usuário digita uma senha no teclado.

2. A ESP32 valida a senha armazenada.

3. Caso esteja correta:

   • O servo destrava a porta;
   • O display mostra acesso permitido;
   • O buzzer emite confirmação.

4. O sistema também pode receber comandos pelo aplicativo.

5. As configurações ficam salvas na memória flash da ESP32.

Limitações e Desafios Esperados

• Segurança contra ataques de força bruta
• Criptografia das credenciais
• Instabilidade de conexão Wi-Fi
• Limitação de memória da ESP32
• Consumo de energia
• Proteção contra falhas elétricas
• Segurança física do mecanismo
• Latência de comunicação remota

4 - Pesquisa Bibliográfica e Tecnológica

Artigos de Pesquisa

1. Development Of An Esp32-Based Smart Door Lock System

• Título: Development Of An Esp32-Based Smart Door Lock System
• Link PDF: PDF - Ijeais
• Resumo: Estudo sobre o desenvolvimento de uma tranca inteligente utilizando uma ESP32

2. Smart Door Locking Systems Using IoT

• Título: Smart Door Locking Systems Using IoT
• Link PDF: Smart Door Lock Systems Using IoT
• Resumo: O artigo apresenta o desenvolvimento de um protótipo de fechadura automatizada e inteligente focado em simplificar o controle de acesso residencial dentro de um raio de alcance específico. A arquitetura de hardware utiliza microcontroladores integrados a teclados matriciais hexadecimais para entrada física e módulos de comunicação sem fio para acionamento remoto. O estudo descreve a lógica de transição de estados para controle da trava elétrica (solenoide) e de displays locais, fornecendo uma base conceitual direta sobre como implementar restrições de segurança de forma enxuta e livre de barreira de chaves físicas.

3. Survey de autenticação para dispositivos IoT

• Título: A Survey of Internet of Things (IoT) Authentication Schemes
• Link PDF: A Survey of Internet of Things (IoT) Authentication Schemes
• Resumo: O artigo apresenta esquemas de autenticação IoT, classificando-os em autenticação por identidade (usando algoritmos criptográficos de hash, simétricos ou assimétricos) e autenticação física por biometria (impressão digital, geometria da mão, escaneamento de retina). O trabalho destaca que os requisitos e limitações dos dispositivos IoT apresentam desafios de conectividade para bilhões de dispositivos e de segurança para proteger redes IoT de ataques. Para fechaduras inteligentes, que precisam autenticar usuários por senha, biometria ou app, esse survey fornece embasamento técnico completo sobre as abordagens disponíveis e suas trocas entre segurança, usabilidade e custo computacional. .

4. IoT based smart home: Security challenges, security requirements and solutions

• Título: IoT based smart home: Security challenges, security requirements and solutions
• Link PDF: IoT based smart home: Security challenges, security requirements and solutions
• Resumo: O artigo discute principalmente os desafios, vulnerabilidades e soluções de segurança em casas inteligentes (Smart Homes) baseadas na Internet das Coisas (IoT). Ele classifica as ameaças cibernéticas e estabelece que, para proteger uma residência conectada, o sistema deve garantir objetivos fundamentais como autenticação, autorização, integridade, confidencialidade e disponibilidade.
  Sendo assim as trancas eletrônicas estão estritamente ligadas com esse artigo, pois são uma das partes principais dessas casas inteligentes. Basicamente, ela materializa os riscos descritos no artigo, porém se as medidas rigorosas de autenticação, criptografia e o monitoramento de rede forem seguidas corretamente, os riscos diminuem muito.

Artigos de Aplicação

1. Exploring the Usability, Security, and Privacy of Smart Locks from the Perspective of the End User

• Título: Exploring the Usability, Security, and Privacy of Smart Locks from the Perspective of the End User
• Link PDF: PDF - Usenix
• Resumo: Analisa a usabilidade, segurança e privacidade das trancas eletrônicas

2. Office Access System using RFID and Smart Lock

• Título: Office Access System using RFID and Smart Lock
• Link PDF: Office Access System using RFID and Smart Lock
• Resumo: O artigo apresenta o desenvolvimento e a análise de desempenho de um sistema automatizado de controle de acesso para ambientes de escritórios corporativos e salas de servidores utilizando tecnologia de fechaduras inteligentes. O aspecto mais importante do trabalho é o seu modelo de aplicação voltado para a segurança de perímetros restritos: o sistema integra leitores físicos a uma arquitetura IoT em nuvem para validar o acesso de funcionários em tempo real e gerar um banco de dados de logs detalhado com os horários de entrada e saída (check-in/check-out) de cada usuário. O estudo avalia métricas de engenharia como a velocidade de resposta do acionamento do atuador físico (solenoide) e a precisão da leitura de tags autorizadas em cenários com múltiplos acessos simultâneos.

3. Implementation of Smart NFC Door Access System for Hotel Room

• Título: Implementation of Smart NFC Door Access System for Hotel Room
• Link PDF: Implementation of Smart NFC Door Access System for Hotel Room
• Resumo: O artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema inteligente de controle de acesso para quartos de hotel baseado em NFC (Near Field Communication), eliminando a necessidade de cartões magnéticos. O aspecto mais importantes desse trabalho é a arquitetura prática: o sistema utiliza tags NFC programáveis vinculadas a identidades de hóspedes cadastrados no servidor, permitindo autenticação por aproximação do smartphone ou cartão NFC à fechadura. O estudo investiga os desafios reais de implantação em ambiente hoteleiro, incluindo cadastro e revogação dinâmica de acessos temporários, registro de log de entradas e saídas, e tratamento de falhas de conectividade.
  Fazendo o link com as fechaduras eletrônicas inteligentes, o artigo demonstra diretamente como o NFC funciona num cenário real de múltiplos usuários com permissões temporárias. Hotéis são exatamente o tipo de ambiente onde o controle granular de acesso é essencial: hóspedes precisam de acesso válido apenas durante sua estadia, sem necessidade de emissão de chave física. Essa lógica é análoga ao cadastro temporário de senhas em fechaduras residenciais inteligentes, e o artigo oferece uma base prática para entender como implementar esse tipo de gestão de usuários numa solução embarcada como a proposta com ESP32.

4. Remote Monitoring and Home Security System

• Título: Remote Monitoring and Home Security System
• Link PDF: Remote Monitoring and Home Security System
• Resumo: O artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema de segurança residencial e monitoramento remoto de baixo custo, baseado na Internet das Coisas (IoT). O aspecto mais importante do trabalho é a sua arquitetura acessível e eficiente: ele integra sensores de movimento (PIR) com microcontroladores (Arduino e módulo Wi-Fi ESP8266) para detectar intrusões e gerar alertas simultâneos locais (sirene e LED) e remotos (notificações de celular e painéis em nuvem via ThingSpeak). O estudo investiga como soluções extremamente econômicas e de fácil instalação podem oferecer um monitoramento em tempo real viável para os usuários.
  Fazendo o link desse projeto com as fechaduras eletrônicas (Smart Locks), fica bem claro o papel de ter uma segunda camada de segurança. Sabe-se que, apesar de modernas, essas trancas correm o risco de sofrer ataques cibernéticos e deixar a casa vulnerável se forem hackeadas. O sistema do artigo atua bem aí, aplicando a ideia de "Defesa em Profundidade". Mesmo se o invasor conseguir burlar a fechadura principal da porta, o sistema do Arduino roda de forma independente e o sensor PIR vai pegar o movimento físico dele lá dentro da mesma forma, disparando a sirene e o alerta no celular. No fim das contas, é um complemento barato e super robusto para cobrir as falhas dos sistemas de controle de acesso.

5 - Comparativo com Produtos Similares

Referências

• Stallings, William. Computer Organization and Architecture. Pearson, 2018.
• Tanenbaum, Andrew S. Structured Computer Organization. Pearson, 2016.
• ESP-IDF Programming Guide — Espressif Systems.
• FreeRTOS Documentation.
• Bluetooth Low Energy Specification — Bluetooth SIG.
• MQTT Version 5.0 Specification.
• Artigos IEEE Xplore sobre IoT e Smart Locks.
• Documentação oficial ESP32.