Estudo de aplicações RFID na plataforma de IoT

(1)

Universidade Federal Fluminense

Escola de Engenharia

Curso de Gradua¸

c˜

ao em Engenharia de

Telecomunica¸

c˜

oes

Caio C´esar Lima de Senna

Pedro Igor Estrela Soares

Estudo de aplica¸c˜

oes RFID na plataforma de IoT

Niter´

oi – RJ

2017

(2)

Caio C´esar Lima de Senna Pedro Igor Estrela Soares

Estudo de aplica¸c˜oes RFID na plataforma de IoT

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Gradua¸cão em Engenharia de Teleco-munica¸cões da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obten¸cão do Grau de Engenheiro de Telecomunica¸cões.

Orientadora: Jacqueline Silva Pereira

Niter´oi – RJ 2017

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Caio C´esar Lima de Senna Pedro Igor Estrela Soares

Estudo de aplica¸c˜oes RFID na plataforma de IoT

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Gradua¸cão em Engenharia de Teleco-munica¸cões da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obten¸cão do Grau de Engenheiro de Telecomunica¸cões.

Aprovada em 13 de dezembro de 2017.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dra. Jacqueline Silva Pereira - Orientadora Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Dra. Vanessa Przybylski Ribeiro Magri Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Dr. Murilo Bresciani de Carvalho Universidade Federal Fluminense - UFF

Niter´oi – RJ 2017

(5)

iv

Resumo

A tecnologia vem ganhando cada vez mais espa¸co em atividades comuns do nosso dia a dia. O grande crescimento no uso de tecnologias de identifica¸cão por radiofrequência (RFID) aliado à busca incessável de desenvolvimento de servi¸cos que facilitem o dia a dia do usuário, fizeram com que o conceito de Internet das Coisas (IoT) se tornasse um dos conceitos mais importantes da última década. Neste trabalho, será realizada uma discussão sobre os atuais esfor¸cos para a implementa¸cão de sistemas RFID. Além de passar por todo a base teórica que está por trás da mesma, será realizada uma análise de sistemas comerciais de RFID utilizados no mercado, a fim de entender melhor e levantar questões sobre os rumos da tecnologia em dire¸cão a uma poss´ıvel adapta¸cão à Internet das Coisas(IoT).

(6)

Abstract

Technology has been gaining more and more space in our daily activities. The great growth in the use of radio frequency identification technologies (RFID) allied to the continuous search for the development of new services in order to facilitate the life of its users, have made the concept of Internet of Things (IoT) become one of the most important concepts of the latest decade. In this work, it will be held a discussion regarding the current efforts to implement RFID systems. Besides visiting all the theoretical basis behind this kind of technology, an analysis of a RFID commercial system that is being currently in use will be conducted in order to better understand and raise questions about the technology directions towards a possible Internet of Things adaptation.

(7)

vi

(8)

Agradecimentos

Aos meus pais, Julio e Diléa, por se dedicarem a me dar tudo que eu precisei durante todo os anos de caminhada. Obrigado por todos os incentivos, suas apostas nunca serão em vão.

`

A Ingrid, minha namorada, por todo o carinho e por entender minhas preocupa¸c˜oes nesses ´ultimos meses de trabalho.

Aos amigos que fiz durante minha temporada fora do pa´ıs. Vocˆes foram a minha segunda fam´ılia durante o per´ıodo longe de casa.

Aos meu amigos dos tempos de escola, que sempre me apoiaram e caminharam comigo durante esses anos.

`

A Jacqueline, nossa orientadora, por ser t˜ao atenciosa e dedicada na corre¸c˜ao de nosso trabalho.

Aos que fizeram parte de todos esses anos de faculdade. Foi um prazer poder estar com vocˆes em todos os momentos de alegria e tristeza, seja nos bares ou nas salas de aula.

(9)

viii

Agradecimentos

Agrade¸co primeiramente aos meus pais, Altahyr e Ana, que apesar das cobran¸cas e pux˜oes de orelha, sempre foram muito atenciosos e com muito amor e carinho me incentivaram, aconselharam e me apoiaram nos momentos de dificuldade. Sem vocˆes nada disso seria poss´ıvel, muito obrigado.

Agrade¸co aos meus irmãos Anna Paula e Paulo Henrique, que são e sempre serão meus maiores exemplos de vida e, que apesar da distância, sempre me motivaram a buscar meus sonhos e objetivos.

Agrade¸co a minha namorada Gabrielle, você é o melhor presente que a faculdade me deu. Obrigado pelo seu companheirismo acompanhado de muito amor, carinho, afeto e amizade. E obrigado também pelas suas corre¸cões de português, sem você uma única linha de texto não seria escrita.

Agrade¸co aos meus amigos que me acompanharam não só nos momentos de alegria em festas, “chopadas” e “cantareiras”, mas também nos momentos de dificuldade que juntos enfrentamos ao longo dessa jornada. Que a “resenha” prevale¸ca mesmo após o término do curso.

Agrade¸co a professora Jacqueline Silva Pereira pela sua orienta¸cão, paciência e dedica¸cão.

(10)

Lista de Siglas

AIDC Automatic Identification and Data Capture DOS Denial of Service

EAS Eletronic Article Surveillance EPC Electronic Product Code

EPCIS Eletronic Product Code Information Services GE General Electric

GIAI Global Individual Asset Identifier GID General Identifier

GRAI Global Returnable Asset Identifier HF High Frequency

IDT Interdigital Transducer

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers IIoT Industrial Internet of Things

IP Internet Protocol

ISM Industrial Scientific Medical (faixa de frequˆencia ITU International Telecommunications Union

KB Kilobytes LF Low Frequency

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x LNA Low Noise Amplifier

NFC Near Field Communication ONS Object Naming Service PA Power Amplifier

RF Radio Frequency

RFID Radio Frequency IDentification ROI Retorno de Investimento

Rx Recep¸c˜ao

SAW Surface Acoustic Wave

SGLN Serialized Global Location Number

SGTIN Serialized Global Trade Identification Number SSCC Serial Shipping Container Code

TI Tecnologia Da Informa¸c˜ao Tx Transmiss˜ao

UHF Ultra High Frequency USB Universal Serial Bus UWB Ultra Wide Band

VPN Virtual Private Network WSN Wireless Sensor Network

(12)

Lista de Figuras

2.1 Ciclo de Tendˆencias. [5] . . . 4

2.2 Modelo de referˆencia da ITU [8]. . . 6

3.1 Sistema RFID [37] . . . 11

3.2 Modos de Transmiss˜ao [1]. . . 12

3.3 Acoplamento Indutivo [18]. . . 14

3.4 Acoplamento Magn´etico [18]. . . 15

3.5 Funcionamento de um Surface Acoustic Wave transponder [38]. . . 16

3.6 Hard RFID tag [12] . . . 17

3.7 Inlays [12] . . . 18

3.8 Tag ativo [12]. . . 18

3.9 Tag Semipasivo [13]. . . 19

3.10 Funcionamento do sistema RFID chipless [14] . . . 20

3.11 Tag RFID chipless [15] . . . 21

3.12 Leitor RFID chipless [14]. . . 21

3.13 Classes de tags [18]. . . 27

3.14 Subsistema Empresarial [23] . . . 30

3.15 Exemplo de um sistema autom´atico.[27] . . . 37

5.1 Conferˆencia inicial [32]. . . 45

5.2 Segunda fase de leitura [32]. . . 45

5.3 Portal de leitura [32]. . . 46

5.4 Etiqueta RFID usada no sistema [32]. . . 47

5.5 Circuito presente na etiqueta RFID [32]. . . 47

5.6 Leitor-UHF-EDGE-50 [32]. . . 48

5.7 Leitor port´atil [32]. . . 48 xi

(13)

xii 5.8 Funcionalidades Propostas. . . 53 5.9 Fluxo de informa¸c˜ao proposto [32]. . . 54

(14)

Sum´

ario

Resumo iv

Abstract v

Agradecimentos vii

Agradecimentos viii

Lista de Siglas viii

Lista de Figuras xii

1 Introdu¸c˜ao 1

2 Internet das Coisas 3

2.1 Aplica¸c˜oes Poss´ıveis . . . 4

2.2 Industrial Internet of Things . . . 5

2.3 Arquitetura e Organiza¸c˜ao . . . 5 2.3.1 Arquitetura ITU . . . 6 2.4 Componentes . . . 7 2.4.1 Aplica¸c˜ao . . . 8 2.4.2 Softwares . . . 8 2.4.3 Sensorial . . . 8 2.5 Privacidade e Seguran¸ca . . . 9 3 Tecnologia RFID 11 3.1 Princ´ıpios de Funcionamento . . . 12

3.2 Componentes do Sistema RFID . . . 16 xiii

(15)

xiv 3.2.1 Tag . . . 17 3.2.2 Chipless RFID . . . 19 3.2.3 Leitores . . . 22 3.2.4 Antena RFID . . . 23 3.2.5 Controlador . . . 24

3.3 Faixas de frequˆencia de opera¸c˜ao . . . 24

3.4 Padroniza¸c˜ao . . . 25

3.5 Sistemas RFID no ˆambito empresarial . . . 29

3.5.1 Subsistema RF . . . 29

3.5.2 Subsistema Empresarial . . . 30

3.5.3 Subsistema Inter-Empresarial . . . 32

3.6 Vantagens do sistema RFID . . . 33

3.7 Desvantagens do sistema RFID . . . 34

3.8 Aplica¸c˜oes de sistemas RFID existentes no mercado . . . 36

3.8.1 Controle e Seguran¸ca de Acesso . . . 36

3.8.2 Transporte P´ublico . . . 37

3.8.3 Gerˆencia e monitoramento de cadeias de abastecimento . . . 37

3.8.4 Rastreamento . . . 38

4 Seguran¸ca e privacidade dos sistemas RFID 39 4.1 Problemas de seguran¸ca . . . 39 4.1.1 Eavesdropping . . . 39 4.1.2 Man-in-the-middle . . . 40 4.1.3 Relay Attack . . . 40 4.1.4 Replay Attack . . . 40 4.1.5 Spoofing e Clonagem . . . 40

4.1.6 Denial of Service (DOS) . . . 41

4.1.7 Jamming . . . 41

4.2 Solu¸c˜oes para o problema de seguran¸ca e privacidade . . . 42

4.2.1 Criptografia . . . 42

4.2.2 Blindagem . . . 42

(16)

5 Estudo de caso 44

5.1 Descri¸c˜ao do Sistema . . . 44

5.1.1 Descri¸cões técnicas da aplica¸cão . . . 46

5.2 Benef´ıcios e Funcionalidades do Sistema . . . 49

5.3 An´alise de Custos . . . 51

5.4 Sustentabilidade . . . 52

5.5 Seguran¸ca e Confiabilidade . . . 52

5.6 Funcionalidades Propostas . . . 52

5.6.1 Mudan¸ca de tags . . . 53

5.6.2 Integra¸c˜ao para a Internet das Coisas . . . 53

6 Conclus˜ao 57 6.1 Sugest˜oes para trabalhos futuros . . . 58

(17)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

O desenvolvimento de novas tecnologias de conectividade, como o LTE e Bluetooth, e a evolu¸cão dos equipamentos de infra estrutura de rede, permitiu que se come¸casse a pensar em produtos que tivessem a rede de internet como uma parte cr´ıtica de seu funcionamento. Desta forma, houve a populariza¸cão do termo IoT (Internet das Coisas). Caracterizada pela possibilidade de integra¸cão de objetos comuns à rede de internet, a Internet das Coisas permite transformar a vida das pessoas, possibilitando a cria¸cão de sistemas que automatizem e facilitem o ambiente em que operam.

As tecnologias de identifica¸c˜ao autom´atica se desenvolveram em grande escala nos ´

ultimos anos, tornando-se notáveis para diversos tipos de aplica¸cões nos setores de log´ıstica de fornecimento, indústrias e monitoramento [1]. Esse tipo de tecnologia é utilizado para obter informa¸cão sobre objetos, produtos em trânsito, animais e até mesmo de pessoas.

O código de barras, uma das primeiras tecnologias de identifica¸cão a ser desen-volvida, é ainda encontrada em diversos setores principalmente nos grandes mercados, e apesar do baixo custo, apresenta algumas limita¸cões. A leitura do código é feita in-dividualmente e necessita de mão de obra humana, o que torna a velocidade de leitura de grandes lotes baixa. Esse tipo de tecnologia também apresenta baixa capacidade de armazenamento e não é reprogramável [1].

As deficiências apresentadas motivaram a busca por novas tecnologias de identifi-ca¸cão que permitissem superar todos esses entraves e implementar novas fun¸cões além da de simplesmente identificar um objeto. A partir desta motiva¸cão, originou-se a tecnologia de RFID (Radio Frequency IDentification).

(18)

rádio para identificar e rastrear objetos, além de transferir e armazenar dados trocados entre um controlador e um tag anexado a um objeto [2]. Esta dinâmica permite que os processos da indústria e do comércio possam ter a oportunidade de sofrer transforma¸cões, automatizando os procedimentos que eram feitos manualmente antes e fazendo assim com que se tenha acesso a diferentes tipos de benef´ıcios como redu¸cão de custos, melhores ferramentas para gestão e aumento de eficiência.

Partindo do in´ıcio, no cap´ıtulo 2 será realizada uma explica¸cão sobre o conceito de Internet das Coisas, onde serão apresentados alguns ramos das inúmeras possibilidades que esta corrente pode oferecer. O cap´ıtulo 3, reserva-se para introduzir a tecnologia de identifica¸cão em questão, o RFID, apresentando questões técnicas e exemplos de funci-onamento, a fim de preparar a base para a conclusão do trabalho. Para complementar o aprofundamento teórico, o cap´ıtulo 4 cobrirá o segmento de seguran¸ca, descrevendo os tipos de ataques e os diferentes métodos de preven¸cão.

Na principal parte do trabalho, o cap´ıtulo 5, será feita a apresenta¸cão de uma situ-a¸cão real de implementa¸cão da tecnologia RFID no comércio, apontando as caracter´ısticas técnicas estudadas. Isto permitirá uma discussão sobre a estrutura técnica do projeto, possibilitando a indica¸cão de poss´ıveis próximos passos em dire¸cão à integra¸cão a uma grande rede, utilizando o conceito de IoT apresentado. Para a finaliza¸cão do trabalho, no cap´ıtulo 6 serão tomadas as devidas conclusões e realizadas propostas para estudos futuros.

(19)

Cap´ıtulo 2

Internet das Coisas

A Internet das Coisas (Internet of Things) é um conceito que se refere a integra¸cão de objetos e equipamentos comuns do nosso dia a dia através de rede, normalmente sem fio, visando gerar resultados que impactem na maneira em que operamos e lidamos com as máquinas. O conceito de IoT pode ser considerado bastante amplo e apesar da recente explosão de popularidade nos últimos anos, o termo IoT já existia ao fim da década de 90 [3].

Em suma, seu uso é direcionado a jun¸cão de objetos (coisas) ou que utilizam a internet como a forma de integra¸cão a fim de alcan¸car um objetivo em comum [4] . Vale ressaltar que o conceito é extremamente abrangente e permite que sejam usados quaisquer tipo de tecnologias, desde que atendam as necessidades do usuário.

A figura 2.1, descreve um estudo feito pelo Gartner Group [5], empresa responsável pela produ¸cão de pesquisas de tendências de tecnologias do mercado [5].

Como é poss´ıvel observar, a plataforma da tecnologia IoT está localizada no pico das expectativas (na região mais alta do gráfico). Isto significa que está em seu ponto de maiores expectativas, onde o grande número de discussões ao redor deste assunto faz com que se iniciem diversas tentativas de implementa¸cão e desenvolvimento. A figura também mostra que o tempo estimado até que seja adotado em massa e que seja provada a sua viabilidade econômica, seria de aproximadamente 5 anos (última se¸cão do gráfico) [5].

(20)

Figura 2.1: Ciclo de Tendˆencias. [5]

2.1 Aplica¸

c˜

oes Poss´ıveis

A quantidade de configura¸cões que podem ser montadas é bastante extensa. O uso na agricultura, na integra¸cão de eletrodomésticos e na produ¸cão industrial, são apenas algumas da aplica¸cões em que seria poss´ıvel intervir a fim de criar facilidades de processos. Na agricultura, é poss´ıvel criar sistemas automatizados que identificam a necessi-dade de se irrigar a planta¸cão, além de tornar poss´ıvel a monitora¸cão do clima, permitindo assim que o sistemas saiba os melhores momentos para realizar os tratamentos necessários. O uso em conjunto com eletrodomésticos pode ser considerado também uma das principais aplica¸cões existentes onde a interliga¸cão entre equipamentos presentes em uma residência pode trazer melhorias a qualidade de vida dos usuários, como economia de energia e a possibilidade de ter o controle sobre todos os aspectos dos eletrodomésticos.

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pos-5 suem diferentes fun¸cões além de apenas mostrar as horas. Em um smartwatch estão presentes fun¸cões como localiza¸cão, monitoramento do sono e de frequência card´ıaca , tudo isso através da integra¸cão com smartphones para que seja poss´ıvel receber e-mails e liga¸cões sem ter que utilizar o celular.

Além do uso em aplica¸cões comuns do dia-a-dia, inclui-se também a adesão da indústria. Essa tendência, de usar o conceito de IoT para automatizar e sofisticar os pro-cessos de produ¸cão dentro das indústrias vem sido chamada de IIoT (Industrial Internet of Things) e foi estabelecida pela GE (General Electric) juntamente com outras gigantes do ramo industrial, no ano de 2012 [6]. A proposta desta organiza¸cão é integrar equipamentos inteligentes capazes de interpretar dados, resultando em análises e indicadores precisos, capazes de auxiliar na gerência de recursos como energia e capacidade de produ¸cão [7].

2.2 Industrial Internet of Things

O uso de tecnologia para alavancar os meios de produ¸cão tem tido papel funda-mental no desenvolvimento das indústrias e, por consequência, as aplica¸cões. Através do uso extensivo de ferramentas como o Big Data para a coleta e análise de dados foi poss´ıvel aumentar produtividade e eficiência de processos industriais [6].

Diante da necessidade de se obter melhorias na eficiência de seus servi¸cos, foi criada o Industrial Internet Consortium. O grupo, fundado por diversas empresas da indústria tecnológica, tem por motiva¸cão promover a adesão do uso de tecnologias nos processos de produ¸cão, o que é feito através da identifica¸cão e promo¸cão das práticas que trazem maiores benef´ıcios para elas, como a capacidade melhorada de gerenciamento de seus bens, estudos sobre eficiência e facilidade na gera¸cão de relatórios, tudo com o objetivo de melhorar os custos e eficiência dos métodos de produ¸cão. [7].

2.3 Arquitetura e Organiza¸

c˜

ao

Existem diversos arranjos na arquitetura de IoT, por conta de ainda não existir nenhum padrão que seja mais utilizado que outro, cabendo aos desenvolvedores escolher ou pensar no modelo que se adeque melhor as suas necessidades. Nesta se¸cão, será discutido um pouco de como um sistema de IoT pode ser classificado e dividido.

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2.3.1 Arquitetura ITU

Apesar da falta de uma normatiza¸cão especifica, a ITU (International Telecom-munications Union), órgão responsável pela normatiza¸cão na área de telecomunica¸cões, possui um modelo de uma arquitetura de referência, o qual será usado aqui para exem-plificar a estrutura dessa tecnologia e pode ser observado na figura 2.2.

Segundo a ITU, a arquitetura de um sistema IoT pode ser dividido em quatro ´

areas que se referem às partes essenciais de seu funcionamento, passando desde a coleta dos dados até a entrega do servi¸co ao usuário . São elas as camadas de Aplica¸cão, Suporte de Aplica¸cão, Rede, Dispositivos, Administra¸cão e Seguran¸ca [8].

Figura 2.2: Modelo de referˆencia da ITU [8].

Camada de Aplica¸c˜ao

Camada responsável pela utiliza¸cão das informa¸cões coletadas, a fim de tornar o sistema capaz de realizar o seu objetivo final.

(23)

7 Camada de Apoio a aplica¸c˜ao

Oferece todo o suporte necessário para que a aplica¸cão na camada superior. Para que as funcionalidades da camada de aplica¸cão funcionem adequadamente, é necessário que se tenha um servi¸co capaz de entregar uma boa capacidade de processamento e ar-mazenamento de dados, aspectos esses que deverão ser supervisionados por esta camada [8].

Camada de Rede

Engloba toda a organiza¸cão necessária para o transporte dos dados coletados [8]. A camada de rede deve estar focada em providenciar os melhores meios, organizando pro-tocolos e modos de opera¸cão para que a informa¸cão chegue em sues destino com eficiência.

Camada de Dispositivos

Responsável pela coleta dos dados para envio para outras se¸cões. Pode ser con-siderada a mais importante parte do sistema, responsável por prover a intera¸cão com os usuários [8].

Capacidade de Administra¸c˜ao

Deve oferecer suporte às configura¸cões dos equipamentos e da rede, como cadastro de contas de usuários, gerenciamento dos equipamentos conectados e controle do fluxo de dados que transitam na rede [8].

Capacidade de Seguran¸ca

Camada responsável por prover procedimentos de seguran¸ca para todas as outras camadas envolvidas. Envolve o uso de fun¸cões como autentica¸cão, encripta¸cão e controle de acesso dos sistemas relacionados [8].

2.4 Componentes

Do ponto de vista dos equipamentos utilizados, é poss´ıvel dividir o sistema em três grandes áreas [4].

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2.4.1 Aplica¸

c˜

ao

Extensão f´ısica do resultado final que será a interface com o usuário. Para que seja poss´ıvel ter uma plataforma capaz de realizar uma entrega totalmente focada com o conceito de IoT, é necessário pensar em inova¸cão e tecnologia de ponta [4].

Bra¸cos robóticos, lâmpadas que se auto regulam e equipamentos para administra-¸cão de medica¸cões, são apenas algumas das tecnologias que podem fazer parte deste pilar de IoT.

2.4.2 Softwares

Tecnologias responsáveis pelo tratamento dos dados obtidos. Na prática o software deve ser capaz de prover um sistema capaz de realizar o tratamento dos dados e fazer as análises necessárias, para que sejam enviados prontos para serem usados na aplica¸cão desejada . Isto possibilita que os desenvolvedores e as partes responsáveis pelas outras duas áreas a se preocupar apenas com a coleta e com o que fazer com os dados organizados por esta parte [4]. O assunto será tratado com mais profundidade na se¸cão 3.5.2.

2.4.3 Sensorial

Responsável pela coleta dos dados para envio para outras áreas. Pode ser consi-derada a mais importante parte do sistema, tendo a fun¸cão de prover a intera¸cão com os usuários, a fim de realizar coleta de dados para o servi¸co. Na maioria dos casos, é composto por tecnologias como WSN (Wireless Sensor Network ), NFC (Near Field Com-munication) e o RFID, que é o tema deste trabalho e será abordado detalhadamente no cap´ıtulo 3 [4].

WSN

Consiste em um esquema onde diferentes tipos de sensores inteligentes atuam em grupo para permitir a coleta de dados e o consequente processamento e an´alise das infor-ma¸c˜oes capturados [4]. Os sensores podem envolver diferentes tipos de tecnologia, como sensores de movimento, luz, infravermelho e de calor.

(25)

9 NFC

O NFC ( Near Field Communication) é uma tecnologia de baixo alcance feito para permitir com facilidade e seguran¸ca, a troca de informa¸cões entre dois dispositivos compat´ıveis. A tecnologia teve o in´ıcio de desenvolvimento no in´ıcio dos anos 2000 pelas empresas de eletrônica Sony e Philips, que juntas formaram o NFC Forum, uma organiza-¸cão que tem por objetivo, desenvolver a tecnologia e promover o seu uso, além de buscar por melhorias no campo de tecnologias de proximidade [9].

Diferente do RFID, o NFC não possui a mesma gama de frequências poss´ıveis de transmissão,o que acaba limitando o alcance dos leitores, fazendo com que seja necessário aproximar transmissor ao leitor, já que a distância aproximada de alcance é de aproxi-madamente 10 a 20 cent´ımetros. O NFC é operado com uma frequência central de 13,56 MHz e possui dois modos de opera¸cão, Ativo e Passivo. No modo de opera¸cão ativo, cada uma das partes presentes na comunica¸cão utiliza sua própria fonte de energia para gerar o campo magnético para a troca de dados,permitindo assim que cada um se comunique no momento que desejar [1]. No modo passivo, o transponder se utiliza do campo gerado por outro que seja ativo, para enviar os dados. Neste caso, o sistema funciona em um esquema leitor - transmissor [1].

Nos dia de hoje é poss´ıvel facilmente encontrar um smartphone no mercado que já possua a tecnologia embutida de fábrica, e isso nos leva as suas aplica¸cões. Podemos citar os dois principais usos nos quais temos contato no dia a dia : o mercado de pagamentos e controle de acesso. O mercado de pagamentos tem como foco os pagamentos cashless onde é poss´ıvel utilizar um smartphone para realizar pagamentos, dispensando assim a necessidade de se ter sempre um cartão f´ısico por perto. No mesmo ramo é poss´ıvel identificar os sistema em que é poss´ıvel realizar pagamentos apenas aproximando o cartão de crédito do leitor, com praticidade e economia de tempo. As duas principais tecnologias em atividade no mercado são a MasterCard Paypass e Visa PayWave [1].

2.5 Privacidade e Seguran¸

ca

A seguran¸ca e a privacidade s˜ao fatores fundamentais de qualquer aplica¸c˜ao. O fato de existirem equipamentos diferentes interligados, faz com que um sistema deste tipo se torne especialmente sens´ıvel a eventuais problemas de seguran¸ca, visto que cada uma

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das partes envolvidas na montagem do esquema, como o software e a rede de sensores, podem estar vulneráveis a diferentes formas de ataque, as quais são espec´ıficas a cada caso. Assim, o tratamento para a preven¸cão deverá ser feito de maneira diferente. É notável que o usuário final não possui nenhum controle sobre esses aspectos, cabendo aos desenvolvedores dos produtos projetarem seus equipamentos com cautela [10] .

Os sistemas IoT devem oferecer garantia de privacidade de acordo com o reque-rido pelos usuários. Para isso, através de organiza¸cões empresariais e pol´ıticas, deverão ser estabelecidas pol´ıticas que possam garantir que a regula¸cão seja o mais transparente poss´ıvel.

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Cap´ıtulo 3

Tecnologia RFID

A identifica¸cão por radiofrequência (RFID) é uma tecnologia de comunica¸cão sem fio, que utiliza ondas de rádio para transmitir dados entre um leitor e um tag geralmente em forma de etiqueta, anexada a um objeto, animal ou pessoa, possibilitando a sua iden-tifica¸cão e rastreamento sem a necessidade de contato visual ou f´ısico. Posteriormente, as informa¸cões são enviadas para um controlador (Computador), onde os dados são pro-cessados e analisados. Ao contrário do NFC, essa tecnologia se destaca pelo fato de não requerer contato entre o tag e o leitor para que ocorra transferência de dados. Além disso, é poss´ıvel efetuar a leitura de múltiplos tags permitindo a identifica¸cão de múltiplos ob-jetos simultaneamente [1]. Um exemplo básico de um sistema RFID é apresentado na figura 3.1.

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3.1 Princ´ıpios de Funcionamento

Os sistemas RFID apresentam diversos princ´ıpios de comunica¸cão entre o tag e o leitor. Estes modos de transmissão especificam transferência de energia e de dados e podem ser classificados em dois grandes blocos(figura 3.2): o 1-bit Transponder e o N-bit Transponder [1].

Figura 3.2: Modos de Transmiss˜ao [1].

O mais simples deles, é o sistema baseado em 1-bit transponder(tag), em que exis-tem apenas duas condi¸cões: o tag está na região do sinal interrogador ou o tag não está na região do sinal de interroga¸cão. Entretanto, apesar de sua limita¸cão, a aplica¸cão do 1-bit transponder é bastante utilizado, principalmente em sistemas anti-furto, presente na maioria das lojas e shoppings. O sistema anti-furto, também chamado de EAS (Electronic Article Surveillance), é composto por uma antena de um leitor, um tag e um disposi-tivo de desativa¸cão, responsável pela desativa¸cão do tag ao sistema, após a confirma¸cão de pagamento do item da loja. O desempenho desse tipo de sistema que utiliza o 1-bit

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13 transponder, é determinado pela taxa de deteçcão em rela¸cão a máxima distância entre o tag e a antena do leitor. Sistemas EAS apresentam diversos tipos de procedimentos que viabilizam a deteçcão de tags presentes na zona de alcance do sinal interrogador, são eles: por radiofrequência, por microondas, por divisão de frequência, eletromagnéticos e acústico-magnéticos [1].

Sistemas RFID mais complexos, exigem tags que apresentem certa capacidade de memória e de armazenamento de dados, permitindo a transferência de dados entre o leitor e o tag e vice-versa. Existem três procedimentos de transferência de dados: full-duplex, half-duplex e sistemas sequenciais, que são classificados como N-bit transponder [1].

No procedimento half-duplex, tanto os tags quanto os leitores podem transmitir e receber os dados, porém esses processos não ocorrem simultaneamente. Já o procedimento Full-duplex, tags e leitores são capazes de transmitir e receber dados simultaneamente. Em ambos procedimentos, full e half-duplex o fornecimento de energia ao tag é cont´ınuo e não depende do fluxo de dados, diferente do sistema sequencial, em que o fornecimento de energia e a transferência de dados ocorrem alternadamente.

Todos os procedimentos mencionados anteriormente, apresentam diferentes tipos de processos de comunica¸cão sem fio, também chamado de acoplamento. Diante dessa diversidade, somente os acoplamentos mais utilizados nos sistemas RFID serão descritos a seguir [1].

Acoplamento Indutivo

O acoplamento indutivo, ilustrado pela figura 3.3, é normalmente usado para a comunica¸cão de tags passivos (mais detalhes serão apresentados na se¸cão 3.2.1), ou seja, a energia necessária para o funcionamento do microchip do tag é fornecida pelo leitor.

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Figura 3.3: Acoplamento Indutivo [18].

O processo se inicia com um campo eletromagnético gerado pelo microchip do lei-tor, recebido pela antena do transponder. Com isso, por indutância, é gerada uma tensão, que é retificada e usada para produzir energia ao microchip do tag. Agora carregado, este come¸ca a transmitir o sinal digital que contém o código de identifica¸cão. O sinal digital gera altera¸cões na resistência do circuito do tag, criando um campo magnético próprio, que irá interagir com o campo magnético do leitor, produzindo um efeito chamado load modulation. Essa intera¸cão entre os campos magnéticos resulta em modifica¸cões no fluxo de corrente na antena do leitor, nos mesmos padrões do sinal digital emitido pelo mi-crochip do tag. Um dispositivo contido no leitor reconhece essas varia¸cões de corrente e converte esses padrões em um sinal digital, permitindo enfim, a identifica¸cão do código do tag [11].

Para que esse processo de comunica¸cão ocorra, a distância entre o transponder e o leitor não deve exceder 0.16 λ, sendo λ o comprimento de onda correspondente a frequência de opera¸cão. Portanto, o tag deve permanecer no chamado near field da antena do leitor e trabalhar somente com frequências entre 125 KHz e 13.56 MHz, adequado para sistemas RFID de baixa frequência [1].

Acoplamento Magn´etico

Diferente do acoplamento indutivo, o acoplamento magnético representado pelo esquema da figura 3.4, também chamado de Electromagnetic Backscatter Coupling, é apropriado para sistemas RFID que operam em altas frequências, nas faixas de Ultra High Frequency e microondas. Com isso, a comunica¸cão entre o tag e o leitor pode ser

(31)

15 estabelecida em longas distâncias, ou seja, o tag deve estar localizado na região de far field. Devido aos pequenos comprimentos de onda destas faixas de frequências, é poss´ıvel a constru¸cão de antenas menores e mais eficientes, e consequentemente tags menores [1].

Figura 3.4: Acoplamento Magn´etico [18].

O processo de acoplamento magnético (Electromagnetic Backscatter Coupling), co-me¸ca com a transmissão de um sinal em radio-frequência pela antena do leitor. O campo eletromagnético originado do sinal propagado, gera um fluxo de corrente nos capacitores do circuito do tag, resultando numa diferen¸ca de potencial que alimenta o microchip do tag, que é então energizado e habilitado para enviar um sinal digital contendo o código de identifica¸cão do tag. Varia¸cões carga no circuito do tag, faz com que a potência do sinal enviado pelo leitor seja refletida ou absorvida. Por sua vez, o sinal refletido sofre varia¸cões em amplitude, e é modulado pelo método de modula¸cão por retrodispersão (backscatter modulation). Um dispositivo que atua como transmissor e receptor denominado trans-ceiver, contido no leitor reconhece o sinal refletido e converte em um sinal digital que é processado pelo circuito integrado do leitor, e por fim o código de identifica¸cão do tag é identificado [1]-[11].

Surface Acoustic Wave transponder (SAW)

O funcionamento de dispositivos Surface Acoustic Wave (SAW), representado pela figura 3.5, é baseado na baixa velocidade da dispersão superficial de ondas acústicas. A faixa de frequência desse tipo de comunica¸cão se encontra na faixa de microondas, por volta de 2,45 GHz [1].

(32)

Figura 3.5: Funcionamento de um Surface Acoustic Wave transponder [38].

Primeiramente a antena dipolo contida no transponder recebe um sinal interroga-dor proveniente de um leitor RFID, que é convertido em uma onda acústica superficial pelo interdigital transducer (IDT). A frequência da onda de superf´ıcie corresponde a frequência do pulso do sinal interrogador. Parte da onda de superf´ıcie é refletida em cada um dos refletores que estão distribu´ıdos ao longo de um substrato, enquanto que a por¸cão restante do sinal é absorvida pelo substrato. As componentes refletidas voltam para o interdigital transducer, onde são convertidas em uma sequência de pulsos em alta frequência e trans-mitidas pela antena dipolo do transponder. O leitor, portanto, recebe essa sequência de pulsos que contém informa¸cões associadas ao tag. O número de refletores é diretamente relacionado ao número de pulsos da sequência recebida pelo leitor, com isso os atrasos dos pulsos individuais são proporcionais à distância espacial entre os refletores [1].

3.2 Componentes do Sistema RFID

Um sistema RFID é composto basicamente por três componentes, um transponder ou tag, um leitor ou interrogador e um controlador. O transponder ou tag é basicamente formado por uma antena e um microchip, usado para armazenar os dados. O leitor ou escritor/leitor é um dispositivo usado para se comunicar com um tag RFID, é capaz de converter as ondas de rádio em informa¸cão digital que é armazenada no controlador ou computador. O controlador (midleware) que geralmente inclui um servidor e banco de dados, tem a fun¸cão de armazenar, filtrar, processar e gerenciar os dados do sistema RFID [2].

(33)

17

3.2.1 Tag

O tag é um dos componentes de um sistema RFID. Tem como principal fun¸cão armazenar dados e transmiti-los para o leitor. Um tag é composto por uma antena capaz de receber e enviar sinais, e um chip RFID que tem a fun¸cão de guardar os dados relacionados a identifica¸cão do tag e também outras informa¸cões do sistema.

Os sistemas RFID podem ser classificados quanto ao fornecimento de energia aos transponders, portanto podem ser classificados em passivos ou ativos.

Tags Passivos

Os tags passivos não possuem nenhuma fonte interna de energia, são compostos somente pelo circuito integrado e uma antena, além disso são alimentados pela energia eletromagnética proveniente do sinal do leitor RFID. Tags passivos são usados para apli-ca¸cões como controle de acesso, rastreamentos de objetos ou produtos, gerência da cadeia de suprimentos entre outras. Sua maior vantagem é seu baixo pre¸co, o que incentiva a implementa¸cão de sistemas RFID em diversas indústrias. Existem diversos tipos de tags passivos, porém são usualmente divididos no mercado em duas categorias: inlays e hard tags [12].

Hard RFID tags são mais robustas e resistentes. Apresentam um formato, tamanho e material espec´ıfico para determinada fun¸cão e aplica¸cão. A figura 3.6 demonstra um exemplo de um Hard RFID, resistente à impacto e altas temperaturas, próprio para industrias e ambientes externos.

Figura 3.6: Hard RFID tag [12]

Inlays apresentam baixo custo por tag e s˜ao classificadas de acordo com o material, funcionalidade e em qual tipo de material ser´a anexado. Podem ser encontradas em

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forma de papel adesivo ou material laminado. S˜ao vendidos em grandes quantidades e em formatos de rolo como mostra a figura 3.7.

Figura 3.7: Inlays [12]

Tags Ativos

Tags ativos s˜ao compostos por um chip, uma antena e uma bateria interna que fornece energia e isso garante um maior alcance de leitura de dados e torna poss´ıvel inserir bancos de mem´oria com grande capacidade de armazenamento.

Os tags RFID ativos são usados para suportar ambientes que apresentam um ce-nário com temperaturas extremas e alta taxa de umidade, consequentemente os formatos desse tipo de tag são mais robustos. Tipicamente o tag é encapsulado por uma casca protetora, cujo o material dessa depende do tipo de aplica¸cão que o tag será destinado como mostra a figura 3.8. O tamanho dos tags ativos é relativamente maior do que de um tag passivo, devido ao tamanho da bateria, dos circuitos e do revestimento externo que envolve o tag. Alguns tag ativos possuem em seu interior sensores responsáveis pela coleta de dados relacionados a parâmetros do ambiente, tais como temperatura e n´ıveis de umidade [12].

Figura 3.8: Tag ativo [12].

Além desses dois tipos apresentados, existe uma varia¸cão, chamada de tag semi-passivo, mostrado na figura 3.9, que é uma forma¸cão hibrida entre um tag ativo e passivo.

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19 Utilizam o sinal eletromagnético proveniente do leitor contido no sistema RFID como fonte de energia. A principal diferen¸ca está no fato de que o tag semipassivo, possui uma bateria interna, que não contribui para transmissão de dados destinados ao leitor. Essas baterias funcionam como uma fonte de energia para os circuitos eletrônicos internos ao tag, como por exemplo um sensor de temperatura [13].

Figura 3.9: Tag Semipasivo [13].

3.2.2 Chipless RFID

Dentre os componentes de um tag RFID, o circuito integrado é o que mais influencia no pre¸co de fabrica¸cão do tag, consequentemente torna mais elevado o custo de instala¸cão de um sistema RFID em rela¸cão a um sistema de código de barras. O custo do tag é um obstáculo, principalmente para etiquetas que operam em altas frequências (UHF e microondas). Portanto para reduzir os custos dos sistemas RFID, os tags passaram a ser desenvolvidos sem chip e de forma impressa, viabilizando o surgimento do chamado sistema chipless RFID [14].

O princ´ıpio básico de funcionamento do sistema RFID sem chip é a retransmis-são do sinal de interroga¸cão composto pela identifica¸cão espectral única codificada. O diagrama de blocos que representa o sistema RFID chipless é mostrado na figura 3.10.

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Figura 3.10: Funcionamento do sistema RFID chipless [14]

Como é poss´ıvel observar na figura 3.10, o chipless tag recebe o sinal interrogador emitido pelo leitor RFID. O multi-ressonador composto por ressonadores em cascata que operam como um filtro rejeita-faixa, gera uma frequência ressonante que acrescenta uma atenua¸cão na amplitude do espectro do sinal, além disso, ocorre uma mudan¸ca abrupta de fase do espectro. Em outras palavras, o multi-ressonador realiza uma modula¸cão em fase e amplitude do sinal. O leitor identifica as transi¸cões em amplitude e fase pelo n´ıvel lógico baixo e as ausências dessas mudan¸cas são representadas pelo n´ıvel lógico alto. O sinal de resposta é codificado pelo tag chipless e enviado ao leitor RFID, que decodifica os dados possibilitando a identifica¸cão do tag [14].

O tag RFID sem chip representado pelo diagrama da figura 3.11 é formado por duas antenas (Tx e Rx) e um multirressonador. As antenas são do tipo monopolo e possuem tecnologia UWB (Ultra Wide-Band ), sendo que a antena de recep¸cão opera com polariza¸cão vertical e de transmissão opera com polariza¸cão horizontal. A polariza¸cão das antenas é cruzada com a finalidade de maximizar o isolamento entre o o sinal interrogador enviado continuamente e o sinal de resposta codificado pelo tag. O multiressonador, composto por um conjunto de ressonadores, tem como fun¸cão realizar a modula¸cão em fase e amplitude do sinal interrogador enviado pelo leitor [15].

(37)

21

Figura 3.11: Tag RFID chipless [15]

O leitor RFID chipless é um dispositivo eletrônico capaz de identificar os tag pre-sentes na região de alcance do sinal interrogador. O leitor chipless cujo o diagrama de blocos está ilustrado na figura 3.12, é composto por antenas de recep¸cão e transmissão usadas, respectivamente, para receber o sinal de reposta codificado pelo tag e enviar o sinal interrogador. O transmissor do leitor RFID chipless, que é responsável pelo envio do sinal interrogador ao tag, é composto por um amplificador de baixo ru´ıdo (Low Noise Amplifier – LNA) e amplificador de potência (Power Amplifier ) [14].

Figura 3.12: Leitor RFID chipless [14].

Apesar de ser uma interessante solu¸cão para reduzir os custos de produ¸cão de uma etiqueta RFID, o tag RFID sem chip apresenta algumas limita¸cões como alcance de leitura e frequência de opera¸cão, que estão sendo estudadas para que futuramente apresente um custo benef´ıcio e eficiência superior ao código de barras. Embora apresente um grande

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potencial, essa tecnologia ainda est´a em fase de desenvolvimento em compara¸c˜ao aos tags com chip dispon´ıveis no mercado.

Ainda que apresentem um grande potencial, os tags sem chip são voltados para uma quantidade limitada de aplica¸cões e situa¸cões, devido a polariza¸cão usada pelas antenas do tag chipless, que influencia diretamente no alcance de leitura dos dados. O desenvol-vimento de técnicas que tornem poss´ıvel a utiliza¸cão de antenas com polariza¸cão circular em tags chipless, solucionaria o problema da restri¸cão dessa tecnologia para determinadas situa¸cões e aplica¸cões [14]-[15].

Por ser uma tecnologia que permite ser impressa em materiais de baixo custo como plástico e papel, o aperfei¸coamento da tecnologia RFID chipless é inovador principalmente para aplica¸cões voltadas parar o controle e rastreamento de certos itens, como passaporte e a cédula monetária [14]-[15].

3.2.3 Leitores

Os leitores, também chamados de interrogadores de um sistema RFID, são dis-positivos responsáveis pela comunica¸cão entre o RFID tag e o computador principal ou sistema de dados (middleware). Essa comunica¸cão é estabelecida por meio de ondas de rádio, que são transmitidas ao tag RFID. O tag detecta o sinal do leitor e envia uma resposta contendo dados ou informa¸cões ao leitor.

Os leitores encontrados em grande parte dos sistemas RFID, podem ser subdividi-dos em dois blocos distintos: o sistema de controle e a interface de alta frequência (HF). A interface de alta frequência é responsável pela execu¸cão de três processos: gerar o sinal de transmissão com energia suficiente para ativa¸cão e funcionamento do tag (no caso dos tags passivos), modular o sinal transmitido ao tag e realiza a demodula¸cão e recep¸cão dos sinais de alta frequência que são enviados pelo tag. O sistema de controle executa fun¸cões relacionadas à gerência e processamento dos dados referentes ao sinal, tais como a codi-fica¸cão e decodifica¸cão e controle da comunica¸cão com os tags do sistema. Em sistemas mais complexos o sistema de controle também inclui algoritmos de anticolisão, aplica¸cões de desempenho e encripta¸cão e desencripta¸cão de dados referentes à comunica¸cão entre o leitor e o tag [16].

Leitores RFID, podem ser encontrados em formatos variados, podendo ser dividido em trˆes classes: integraded RFID readers ( Leitores RFID integrados), fixed RFID readers

(39)

23 ( Leitores RFID fixos) e handheld RFID reader (Leitores RFID port´ateis).

Um leitor RFID integrado é simplesmente um leitor que possui em seu interior uma antena. Geralmente esse tipo de leitor apresenta uma porta reservada para o caso de uma instala¸cão de uma antena extra. É uma solu¸cão de baixo custo adequada para sistemas que exigem no máximo duas antenas.

Como o nome indica, um leitor RFID fixo é instalado em uma local estratégico em que as condi¸cões de leitura dos tags são favoráveis para a comunica¸cão do sistema RFID. Esse tipo de design de leitor é próprio para ambientes que exigem uma cobertura de sinal mais ampla, oferendo flexibilidade em termos de organiza¸cão das antenas, permitindo a adi¸cão de múltiplas e diferentes modalidades de antenas. Sistemas de identifica¸cão de ve´ıculos presentes em pedágios, em que o leitor é fixado a um poste próximo a cancela é um bom exemplo de aplica¸cão dessa classe de leitor. A conexão entre as antenas e o leitor é realizada por meio de cabos de rede, mas existem também leitores que estabelecem essa conexão via Wi-Fi, chamados de Wi-Fi RFID readers [17].

Leitores portáteis são dispositivos móveis compostos internamente por um leitor e uma antena. São indicados para sistemas RFID hospedados em locais remotos em que a instala¸cão de um interrogador fixo é inviável. Também é indicado para localiza¸cão de itens espec´ıficos como itens em uma prateleira de um supermercado ou galpão de estoque [2].

3.2.4 Antena RFID

A antena de um sistema RFID, sendo ela interna ou externa ao leitor, se trata de um elemento de grande importância, pois é essencial para transmissão e recep¸cão do sinal destinado ao tag. As antenas geram ondas eletromagnéticas que induzem uma corrente elétrica necessária para energizar o circuito interno do tag passivo. O formato e tama-nho da antena assim como suas caracter´ısticas técnicas estão diretamente relacionadas a frequência de opera¸cão utilizada para o sistema. Para baixa e alta frequência (LF e HF) de opera¸cão, as antenas são indutivas (antena loop), e para microondas e UHF são usadas antenas capacitivas (antena dipolo)[2].O ganho da antena é diretamente associado ao seu alcance. Quanto maior o ganho da antena, maior é seu campo eletromagnético e maior o seu alcance.

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os tags do sistema. Se os tags estão na mesma altura que a antena, é indicado se usar uma antena com polariza¸cão linear, pois a energia é emitida em um único plano, gerando um maior alcance. Caso a distribui¸cão dos tags não estejam padronizadas a uma mesma altura, é recomendado se utilizar uma antena com polariza¸cão circular, em que a energia RF é emitida nos eixos vertical e horizontal, facilitando a identifica¸cão dos tags [17].

3.2.5 Controlador

O controlador consiste em um computador principal encarregado de administrar todo o fluxo de dados enviado por múltiplos leitores contidos em uma única rede. Nor-malmente, este computador principal inclui dois principais elementos: um software e um banco de dados, que em conjunto são encarregados de exercer as fun¸cões de processa-mento, gerência e filtragem de dados pertinentes a aplica¸cão da tecnologia RFID. Em uma cadeia de abastecimento, uma das fun¸cões de um controlador é monitorar os itens e alertar os fornecedores quando houver necessidade de efetuar um novo inventário de estoque [2].

3.3 Faixas de frequˆ

encia de opera¸

c˜

ao

A frequência de opera¸cão é um parâmetro de grande importância, que determina todas as caracter´ısticas como alcance de leitura e o tipo de tag e leitor, que definem o tipo de aplica¸cão que o sistema RFID será destinado. Os sistemas RFID podem ser classificados em três conjuntos de frequência descritos a seguir.

Low Frequency (LF)

De 125 KHz a 134 KHz. Possui baixo alcance, de no máximo 10 cent´ımetros. É usado para aplica¸cões em ambientes que podem ter contato com água e metais, como por exemplo rastreamento de animais e controle de acesso.

High Frequency (HF)

Os tags de HF, operam a uma frequência de até 13.56 MHz. O alcance t´ıpico dessa faixa de frequência pode chegar até um metro em condi¸cões ideais. É usada para

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25 transmissão de dados, controle de acesso e seguran¸ca do passaporte, ou seja, aplica¸cões que não demandam um alcance tão longo.

Ultra-High Frequency (UHF)

De 865 MHz a 960 MHz. Para essa faixa de frequência o alcance pode atingir cerca de 5 a 6 metros, dependendo do tamanho da tag pode chegar a um alcance de leitura de cerca de 30 metros ou mais, em condi¸cões ideais. Essa frequência é usada para aplica¸cões que requerem um alcance superior a um metro, como por exemplo, rastreamento de ativos de TI (Tecnologia da Informa¸cão) tais como switches e roteadores, controle de inventário em grandes fábricas e identifica¸cão de ve´ıculos em pedágios eletrônicos. Altas frequências apresentam certas vantagens, como maior alcance, comprimentos de onda mais curtos e altamente energizados. Entretanto quanto maior a frequência, surgem maiores preocupa¸cões com rela¸cão a proximidade de materiais a base de água ou metal, que podem causar interferência na leitura do sinal [18].

Microondas

Foram alocadas duas frequências de microondas para aplica¸cões RFID: 2,45 GHz e 5,8 GHz. Essa faixa de frequência também chamada de ISM (Industrial-Scientific-Medical ), é voltada para estudos e pesquisas das áreas industriais médicas e cient´ıficas. Essa banda não é regulamentada, porém possui uma série de normas que especificam limites potência e tolerância de interferência [2].

3.4 Padroniza¸

c˜

ao

O crescimento da ado¸cão de sistemas RFID nas indústrias que atuam em diferentes setores gerou o desenvolvimento de uma tecnologia diversificada. Cada empresa construiu uma tecnologia RFID com um conceito próprio, direcionando a sua solu¸cão para aplica¸cões de seu interesse. Isso gerou barreiras de compatibilidade entre os produtos de diferentes fornecedores, tornando necessária a padroniza¸cão.

A padroniza¸cão da tecnologia RFID surgiu com a finalidade de uniformizar as caracter´ısticas técnicas dos sistemas RFID, visando a integra¸cão dos sistemas RFID pre-sentes nas mais diversas industrias, possibilitando o compartilhamento de informa¸cões

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entre empresas e organiza¸cões. Em outras palavras, empresas parceiras que fazem parte de uma única rede devem possuir sistemas habilitados para efetuar a leitura dos tags per-tencentes a todas as organiza¸cões envolvidas. Se os sistemas não estiverem padronizados, múltiplas empresas não poderão efetuar a leitura de um mesmo tag RFID [2].

A ISO (International Organization for Standardization), é uma união mundial das institui¸cões nacionais de padroniza¸cão, e foi pioneira na tarefa de introduzir as primeiras normas técnicas para os sistemas RFID [1]. Para auxiliar na fun¸cão de padroniza¸cão de sistemas RFID, a ISO e a IEC (International Electro-technical Commission), formaram um subcomitê chamado ISO/IEC JTC1. Do mesmo modo que a GS1, que é uma or-ganiza¸cão sem fins lucrativos que desenvolve padroniza¸cões globais para a comunica¸cão comercial [19], criou a EPCglobal que participa na elabora¸cão de regulamenta¸cões para a padroniza¸cão de sistemas RFID [20].

Os padrões propostos pela ISO variam desde o modo de comunica¸cão entre os tags e leitores RFID, até a forma de como os dados são organizados e armazenados. Existem padrões voltados para cada tipo de aplica¸cão de RFID. Como por exemplo, os padrões ISO : 14223, 11784 e 11785, que são destinados ao rastreamento de animais. Estes apresentam, respectivamente, defini¸cões de interface RF e de estrutura de dados, também chamados de advanced transponders, normas de estrutura de código e conceitos técnicos, como por exemplo o método de transmissão de dados entre o leitor e o tag [1].

A padroniza¸cão de sistemas RFID se tornou um parâmetro tão necessário, que levou o surgimento de outras organiza¸cões que assumiram o compromisso de criar novos padrões visando melhorias no sistema RFID. A EPCglobal surgiu em um centro de pes-quisas chamado Auto-ID center, que estudava conceitos de padroniza¸cão com o intuito de facilitar a identifica¸cão de itens, principalmente para as aplica¸cões de RFID em cadeias de abastecimento [2]. A idéia do Auto-ID center era elaborar um conceito de internet das coisas (IoT), em que a identifica¸cão instantânea de objetos fosse uma realidade. Nome-aram, portanto, esse conceito de Eletronic Product Code Network, também chamada de rede EPCglobal.

Um dos componentes da rede EPCglobal é o EPC (Eletronic Product Code), de-finido por um número que possibilita a identifica¸cão individual de um objeto marcado por um tag RFID. O número EPC, é definido por uma sequência de bits e é composto por quatro segmentos: Header, EPC Manager, Object Class e Serial Number. Os tags

(43)

27 que possuem um número EPC podem ser encontrados em versões de 64 bits e 96 bits de memória. Além disso o EPC suporta uma série de esquemas de codifica¸cão tais como: Serialized Global Trade IdentificationNumber (SGTIN), Serial Shipping Container Code (SSCC), Serilized Global Location Number (SGLN), Global Returnable Asset Identifier (GRAI), Global Individual Asset Identifier (GIAI), and General Identifier (GID) [21]-[1]. Um exemplo de padroniza¸cão criado pela EPCglobal é a classifica¸cão de tags de acordo com algumas especifica¸cões, como capacidade de leitura e memória (figura 3.13). Em seguida, será feita uma breve descri¸cão de cada classe de tag.

Figura 3.13: Classes de tags [18].

Tag Classe 0 (read - only )

Se refere a um simples transponder passivo que permite apenas a leitura e possui a programa¸cão original de fábrica. Além disso não possui memória no chip, e é composto por apenas um número de série. É próprio para aplica¸cões de controle e seguran¸ca, em que o objetivo é apenas alertar o usuário caso o produto ou objeto ultrapasse o limite do alcance de leitura da antena, como por exemplo, sistemas de antifurto (EAS) de supermercados, farmácias, livrarias entre outros estabelecimentos [22].

Tag Classe 0+

Possui as mesmas caracter´ısticas do tag de classe 0, com uma única diferen¸ca, é poss´ıvel realizar a grava¸cão de dados apenas uma vez [22].

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Tag Classe 1(write once / read only ) ´

E um tag passivo, com a capacidade de leitura e realiza apenas uma grava¸cão de dados. Logo, o transponder possui a programa¸cão de fábrica habilitada, mas pode ser reprogramada pelo usuário somente uma vez. Possui uma capacidade de memória de até 128 bits. Tags dessa classe geralmente exercem a fun¸cão de identifica¸cão [22].

Tag Classe 2 (read/ write)

Também é um tag passivo, que permite a leitura e grava¸cão de dados a qualquer momento. Possui uma capacidade de memória de até 65 KB. Esse tipo de tag se destaca devido sua flexibilidade, ou seja, possibilita que os dados sejam regravados a qualquer momento. É bastante comum encontrar esse tipo de tag nas aplica¸cões de controle de acesso [22]

Tag Classe 3 (Read Write com sensores on-board ) ´

E um tag semipassivo, composto por uma bateria e por sensores. Assim como o tag de classe 2, possui a fun¸cão de leitura e grava¸cão de dados a qualquer instante. Sua memória suporta a grava¸cão de dados referentes a parâmetros como temperatura, pressão, tensão elétrica, etc. Esses dados são armazenados na memória sem a necessidade da energia proveniente do sinal do leitor, mas esse processo depende da energia da bateria embutida no próprio tag. Esse tipo de tag é usado normalmente para aplica¸cões de controle e gerência de estoque [22].

Tag Classe 4 ´

E um tag ativo com capacidade de leitura e escrita de dados, e é composto por transmissores integrados. Possui uma bateria que alimenta o circuito do microchip e o transmissor responsável pela emissão do sinal para o leitor. Além disso possui a habilidade de se comunicar com outros transponders da mesma classe, através dos transmissores integrados, permitindo a troca de informa¸cões. Tags de classe 4 são usados para aplica¸cões voltadas para o rastreamento, como por exemplo uma tag no interior de um container se comunicando e enviando informa¸cões para com outros tags até chegar a um leitor externo, criando uma grande rede de log´ıstica [22].

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29 Tag Classe 5

Se trata de um tag ativo, com as mesmas caracter´ısticas de um tag de classe 4, com a capacidade de se comunicar entre transponders de mesma classe e com tags de classe 4. Possui a funcionalidade adicional de se comunicar com outros transponders passivos, consequentemente servindo como fonte de energia para os tags de classe 1, 2 e 3 [18].

Além dessas classes, existe ainda o tag Gen2. São tags passivos com capacidade de leitura e grava¸cão única. Possui uma memória de cerca de 224 bits, onde 96 bits são voltados para os dados EPC, 32 bits para corre¸cão de erros, e o restante de acordo com a preferência e necessidade do usuário. tags Gen 2, substituirão futuramente os tags de Classe 0 e 1 [1].

3.5 Sistemas RFID no ˆ

ambito empresarial

Devido à complexidade e variedade de aplica¸cões dos sistemas RFID, suas ca-racter´ısticas básicas de organiza¸cão e modo de se projetar podem ser diversificados, porém no dom´ınio empresarial, podem ser divididos em três subsistemas: subsistema RF (RF subsystem), subsistema empresarial (enterprise subsystem) e o subsistema inter-empresarial (inter-enterprise subsystem). O subsistema RF é composto por tags e leitores, e o subsistema inter-empresarial que não é encontrado na maioria dos sistemas RFID, é responsável pela conexão dos diversos subsistemas empresariais que pertencem a uma ´

unica empresa ou organiza¸cão, em que a informa¸cão deve ser compartilhada entre setores que operam em locais geográficos diferentes, como por exemplo em aplica¸cões voltadas para a cadeia de abastecimento. O subsistema empresarial tem como finalidade armaze-nar, processar e analisar os dados recebidos pelos leitores do sistema RFID, transformando os dados em informa¸cões uteis para os processos que ocorrem na empresa ou organiza¸cão [23].

3.5.1 Subsistema RF

Um subsistema RF é composto basicamente por dois componentes, tags e leitores. O tag, é basicamente formado por uma antena e um microchip, usado para armazenar os dados. O leitor ou escritor/leitor é um dispositivo usado para se comunicar com um tag RFID, é capaz de converter as ondas de rádio em informa¸cão digital que é armazenada

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no controlador ou computador. Mais detalhes sobre ambos os componentes do subsitema RF est˜ao apresentados nas subse¸c˜oes 3.2.1 e 3.2.3 [23].

3.5.2 Subsistema Empresarial

Conforme mencionado na se¸cão 3.5, o subsistema empresarial tem a fun¸cão de ana-lisar, processar, e armazenar toda e qualquer tipo de informa¸cão enviada pelo subsistema RF. O subsistema empresarial representado pelo diagrama da 3.14 possui três elementos principais: middleware, sistema anal´ıtico (Analytic System) e infraestrutura de rede.

Figura 3.14: Subsistema Empresarial [23]

Middleware

O middleware RFID é um software voltado para o sistema de identifica¸cão por radiofrequência e tem a fun¸cão de conectar a infraestrutura de hardware (RF Subsystem) ao sistema anal´ıtico (Analytic Systems). O middleware RFID é responsável por todo o processamento, gerência, monitoramento, filtragem e coleta dos dados enviados pelo subsistema de RF.

O sistema anal´ıtico é composto pelo banco de dados, servidor web e aplica¸cões de processamento de dados. Dentre suas fun¸cões, a filtragem de dados se destaca pelo fato de oferecer aos desenvolvedores e usuários, apenas os dados relevantes comercialmente para a aplica¸cão sem se preocupar com a comunica¸cão sem fio. A filtragem elimina dados duplicados, incompletos ou com erros de informa¸cão recebidos pelos leitores do sistema, gerando vantagens para aplica¸cões em que há uma grande quantidade de tags e a proximidade entre os tags é reduzida.

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31 As fun¸cões de monitoramento e gerência encontradas usualmente em middlewares comerciais também possuem certos benef´ıcios. No caso da gerência, é poss´ıvel adequar a potência e o fluxo de trabalho do sistema para reduzir a ocorrência de erros. O monitora-mento é baseado no log de transa¸cões do middleware, responsável pelo registro de todas as transa¸cões e modifica¸cões feitas no banco de dados, isso auxilia na identifica¸cão de comportamentos at´ıpicos do sistema, possibilitando a deteçcão de acesso não autorizado ao sistema RFID [23].

As caracter´ısticas e a complexidade do middleware são determinadas pelo fluxo de informa¸cões, pela velocidade do processamento dos dados e o tipo de aplica¸cão de sistema RFID que será implementado. Para aplica¸cões em que existem um grande número de leitores é preciso associar e filtrar os dados e um intenso tráfego de dados pode exigir um processamento em tempo real, portanto a implementa¸cão de um middleware corretamente projetado pode trazer vantagens em rela¸cão ao sistema como a disponibilidade, tolerância de falhas, escalabilidade, entre outros servi¸cos. O processamento é tão importante quanto a coleta dos dados. Um middleware que não suporta o fluxo de dados torna o sistema RFID ineficiente, sendo necessário uma análise rigorosa do sistema operacional existente na organiza¸cão em que o sistema RFID será implementado [24].

Sistema Anal´ıtico

O subsistema Anal´ıtico é formado por um banco de dados, aplica¸cões de pro-cessamento de dados e um servidor web encarregado de processar todas as informa¸cões recebidas pelo middleware. Além disso, o sistema anal´ıtico correlaciona os dados origina-dos de outros sistemas de identifica¸cão automática, como por exemplo o código de barras, com as informa¸cões adquiridas pelo sistema RFID. Sistemas anal´ıticos que pertencem a rede EPCglobal (ver se¸cão 3.4) que processam dados referentes à tags padronizados pela EPCglobal são chamados de EPC Information Services (EPCIS) [23].

Infraestrutura de Rede

O último elemento do subsistema empresarial é a infraestrutura da rede, que tem como fun¸cão conectar o subsistema RF e o middleware. A arquitetura f´ısica e lógica, assim como os protocolos de dados usados na comunica¸cão entre os elementos da rede, são caracter´ısticas importantes de um projeto infraestrutura de rede de um sistema RFID.

(48)

A localiza¸cão do middleware, o fluxo de dados gerados pelos leitores e a quanti-dade de leitores são fatores que influenciam diretamente a topologia f´ısica da rede. Para as aplica¸cões em que o volume do tráfego de informa¸cões for elevado, como por exemplo nas esta¸cões das barcas em Niterói, onde existe uma grande quantidade de leitores e o tráfego de leitura de cartões de transporte público é intenso, a localiza¸cão mais adequada do middleware seria próximo aos leitores. Com isso, os problemas relacionados a rede, à latência e a taxa de transferência requerida pelo sistema, entre outros obstáculos, podem ser evitados. A localiza¸cão do sistema anal´ıtico não influencia na topologia f´ısica da rede quando inclui unicamente o sistema RFID voltado para identifica¸cão automática. Por-tanto, é usualmente alocado por grande parte das empresas em data centers que oferecem uma infraestrutura de alto n´ıvel que inclui geradores elétricos com redundância, seguran¸ca f´ısica, equipamentos modernos além do suporte de profissionais especializados.

O protocolo de comunica¸cão de dados mais utilizado para conectar os componentes do subsistema empresarial é o Ethernet (IEEE 802.3). Por ser um protocolo que, em grande maioria das empresas, é usado para conexão de computadores a uma rede local e não inclui nenhuma aplica¸cão de seguran¸ca, é necessário, portanto, buscar outros protocolos que oferecem a prote¸cão adequada para estabelecer a integra¸cão entre os componentes do susbsistema empresarial. A rede geralmente é cabeada, mas existem aplica¸cões que utilizam leitores RFID portáteis, em que a conexão entre os demais elementos da rede é estabelecida via Wi-fi (IEEE 802.11). O protocolo IP (Internet Protocol, destinado para comunica¸cão de dados entre máquinas conectadas à internet, também é muito comum para comunica¸cão do subsistema empresarial, pois tanto o sistema anal´ıtico como o middleware podem se comunicar entre si pela rede interna da empresa ou pela internet, entretanto pode apresentar um risco de seguran¸ca devido a facilidade de se estabelecer uma comunica¸cão com computadores comuns e suas aplica¸cões [23].

3.5.3 Subsistema Inter-Empresarial

Conforme mencionado anteriormente, o subsistema inter-empresarial tem como fun¸cão interligar múltiplos subsistemas empresarias que pertencem a uma grande rede corporativa. São encontrados usualmente em empresas que utilizam sistemas RFID vol-tados para cadeia de abastecimentos como por exemplo a rede de mercados Wal-Mart.

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33 deve incluir uma infraestrutura de rede aberta, na qual os dados associados ao padrão EPC poderão ser compartilhados pela internet entre as empresas e organiza¸cões parceiras. Para isso, é necessário projetar um sistema aberto em que o acesso ao sistema anal´ıtico esteja dispon´ıvel entre as empresas parceiras, seja por meio de uma rede dedicada como a Internet ou por uma VPN (Virtual Private Network ) que apresente as caracter´ısticas de uma rede dedicada e utilize uma infraestrutura pública ou compartilhada [23].

Entretanto, a cria¸c˜ao de um sistema de rede aberta gerou problemas em rela¸c˜ao `

a identifica¸cão do sistema anal´ıtico associado ao tag anexado ao objeto. Para solucionar esse problema, a EPCglobal desenvolveu o Object Naming Service (ONS), um banco de dados global que contém todas as informa¸cões relacionadas aos objetos marcados com o padrão EPC.

Existe ainda um mecanismo de pesquisa ainda em desenvolvimento, chamado Dis-covery Services, em que o objetivo é encontrar todas as organiza¸cões que possuem as informa¸cões associadas a um identificador EPC [23].

3.6 Vantagens do sistema RFID

A escolha do tipo de identifica¸cão automática ou AIDC (Automatic Identification and Data Capture) está diretamente relacionado ao tipo de aplica¸cão ou situa¸cão no qual a tecnologia será destinada. O custo de instala¸cão do sistema RFID, que nos últimos anos era visto como empecilho, e que gerava a preferência pelo código de barras como tecnologia de identifica¸cão nas indústrias e companhias, atualmente é considerado um investimento, já que minimiza a ocorrência de erros e consequentemente incrementa a eficiência das aplica¸cões. Dentre as tecnologias de identifica¸cão automática existentes no mercado, o sistema RFID apresenta vantagens que serão descritas a seguir [21].

Velocidade e eficiˆencia de leitura

Sistemas RFID oferecem maior velocidade e eficiência de leitura, pois é poss´ıvel efetuar a leitura e grava¸cão de dados em múltiplos tags simultaneamente, gerando maior eficiência no controle e qualidade na identifica¸cão dos itens. Devido à essa automa¸cão do processo de coleta de dados, a ocorrência do erro humano na leitura manual dos dados é minimizada [21].

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Campo visual direto

A leitura e grava¸cão dos dados não depende do campo visual direto, também cha-mado de non line-of-sight, entre uma etiqueta RFID e um leitor. Itens no interior de uma embalagem ou container podem ser identificados sem a necessidade de retirá-los individualmente para efetuar a leitura dos dados [21].

Capacidade de mem´oria e armazenamento

Além de ser a tecnologia de identifica¸cão automática que oferece a maior capacidade de armazenamento de informa¸cão, os dados podem ser modificados inúmeras vezes. A possibilidade de altera¸cão das informa¸cões em um tag torna a tecnologia RFID uma solu¸cão que oferece maior dinamismo aos processos empresariais [21].

Alcance de leitura

O sistema RFID também se destaca entre as outras tecnologias devido ao alcance de leitura oferecido. Dependendo da frequência de opera¸cão, do tamanho da antena e do tipo de fornecimento de energia ao tag, o alcance pode chegar a aproximadamente 100 metros [21].

3.7 Desvantagens do sistema RFID

Apesar de ser uma tecnologia inovadora na área de identifica¸cão automática, o sistema RFID apresenta algumas limita¸cões. Entretanto, as pesquisas voltadas para so-lucionar as dificuldades enfrentadas por esse tipo de tecnologia vem sendo motivadas, principalmente, devido ao surgimento da plataforma IoT. A seguir serão apresentadas as principais barreiras para implementa¸cão de um sistema RFID [21].

Interferˆencias do Ambiente

Os sistemas RFID são baseados em ondas de rádio frequência, logo a propaga¸cão das ondas eletromagnéticas depende de certas condi¸cões que variam de acordo com o local . A ocorrência de interferência devido a certos fatores como por exemplo, excesso de calor, tempestades solares, eletricidade estática, podem causar varia¸cões e até mesmo impossibilitar a leitura de dados entre antenas e tags. Poss´ıveis obstáculos entre o tag e