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LOCALIZAÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE TUBULAÇÕES E OBJETOS ENTERRADOS SEM A NECESSIDADE DE OBRA INVASIVA OU DESTRUTIVA
Claiton P. Colvero, Bráulio F. Cunha, Vinícius R. D. Carneiro Sinopse
Atualmente as companhias utilizam mapas de localização para a realização de obras em sua rede subterrânea (as built), que na prática não tem se revelado tão eficiente devido a alterações de projeto, não inclusões de determinadas partes da rede construída no mapeamento e, principalmente, a grande velocidade e falta de controle em que redes subterrâneas de outras companhias são construídas no mesmo subsolo compartilhado. Este estudo apresenta os resultados experimentais que comprovam a viabilidade técnica de implementação de um sistema de localização precisa e identificação segura e de baixo custo de infra-estruturas enterradas através da tecnologia RFID, onde dispositivos eletrônicos totalmente passivos, sem alimentação permanente, são instalados, tanto na construção das redes novas como em tubulações já existentes, sendo estes dispositivos capazes de fornecer na superfície todas as informações da mesma em tempo real e sem a necessidade de contato físico, como a posição e profundidade da rede, proprietário, especificações, material de composição, periculosidade, pressão, tempo de operação, validade,
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utilização, entre outras. Os experimentos foram realizados no Campus do Inmetro em Xerém, Duque de Caxias - RJ.
Introdução
De acordo com o crescimento acelerado das redes subterrâneas de tubulações e cabos aplicadas em atividades como saneamento, gás natural e energia, têm-se observado uma grande deficiência na localização e identificação destas redes após a conclusão das obras de instalação ou manutenção. Ao mesmo tempo, o subsolo brasileiro apresenta-se como uma via de concessão pública com controle e fiscalização inexistentes por parte dos órgãos públicos e empresas que exploram comercialmente essa via. Como conseqüência desta impossibilidade de controle e fiscalização eficiente, encontramos transtornos à sociedade, como inúmeros acidentes com danos à vida, obstrução no tráfego, poluição sonora, visual e ambiental e interrupção de fornecimento de serviços e produtos. Este trabalho apresenta como solução a aplicação da tecnologia de identificação por radiofreqüência RFID para localização precisa e identificação segura das tubulações e estruturas subterrâneas.
Apresentação da Tecnologia Aplicada - RFID
Os sistemas de identificação RFID (Radio Frequency Identification) representam uma tecnologia de armazenamento, leitura, gravação e manipulação de dados remotos através de comunicação de dados por radiofreqüência e utilizando de dispositivos conhecidos como transponders, tags, etiquetas inteligentes, etiquetas de instrumentação, tarjas magnéticas ou markers, que são etiquetas eletrônicas, passivas, semi-passivas ou ativas do ponto de vista da fonte
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de alimentação. Estes dispositivos são compostos basicamente por duas partes, um circuito integrado para demodulação e modulação do sinal de radiofreqüência e armazenamento e processamento de informações além de uma antena para recepção e transmissão do sinal citado. Os sistemas de identificação RFID também utilizam de equipamentos coletores de dados responsáveis pela leitura e gravação de dados, alimentação dos transponders e integração dos mesmos com um sistema de banco de dados através dos sinais de radiofreqüência.
Em sistemas de identificação RFID, cada transponder, que funciona essencialmente como um transceptor, envia uma seqüência de pulsos em radiofreqüência representando um número identificador único, usualmente entre 10 e 16 dígitos em base hexadecimal de numeração. A memória desses transponders costuma variar de poucos bits a 128 bits e normalmente é utilizada como chaves (keys) em sistemas de identificação e banco de dados.
Na Fig. 1, que ilustra o princípio de operação básico da tecnologia RFID, observa-se uma unidade leitora e/ou gravadora (1), que pode ser móvel ou fixa, responsável pela leitura e/ou gravação dos dados nos transponders (6), através da emissão de campos eletromagnéticos com a unidade leitora e/ou gravadora como fonte de energia (4) direcionada ou isotrópica e em freqüências específicas através de sua antena (2) para excitar e transmitir dados (3) para estes transponders, para que os mesmos possam enviar seus dados guardados na memória para a unidade leitora e/ou gravadora ou receberem novas informações da mesma. O meio de transmissão exemplificado é o ar livre (5), na aplicação referente a este trabalho o meio de comunicação será o solo.
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Fig. 1. Dispositivos básicos do sistema de identificação RFID
Na Fig. 2, um diagrama de transmissão de energia demonstra o sentido de propagação das ondas eletromagnéticas responsáveis pela excitação do dito transponder e pela transmissão dos dados (3) da memória dos dispositivos que se deseja gravar ou ler, com a antena (2) da unidade leitora e/ou gravadora como fonte de energia (4) para o transponder (6).
- 5 - Objetivos e Aplicações
O objetivo da aplicação da tecnologia RFID é proporcionar à tubulação ou estrutura enterrada e instrumentada com os transponders uma posterior localização e identificação facilitada, em tempo real e por operadores sem necessidade de especialização. Além da integração das informações relevantes da tubulação ou estrutura a bancos de dados, ERPs, mapas digitais, computadores de mão, laptops, desktops ou qualquer ambiente de tecnologia da informação.
Dessa forma, o sistema apresentado poderá atender às expectativas em manutenção, ampliação e fiscalização de governos e empresas de saneamento, gás, energia, telecomunicações, entre outras que utilizam tubulações subterrâneas, através de uma ferramenta de redução de custos, controle operacional e agilidade nos trabalhos com a rede instalada.
Seguem algumas características da aplicação proposta:
Total flexibilidade do sistema para adequação a necessidades de utilização ou segurança. Não necessita de domínio da tecnologia por parte do operador do sistema.
Localização e identificação de forma simplificada e em tempo real de tubulações ou quaisquer estruturas, metálicas ou não metálicas, enterradas ou embutidas, em empreendimentos de qualquer natureza em áreas urbanas ou rurais.
Obtenção de qualquer informação relevante da tubulação em tempo real, como por exemplo, coordenadas geográficas ou cotadas, profundidade, diâmetro, data de instalação, material da tubulação ou estrutura, empresa responsável, produto transportado, pressão, etc.
A aplicação dispensa qualquer tipo de obra ou intervenção no ambiente em que a tubulação ou estrutura se encontra enterrada ou embutida.
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Utilização de equipamentos portáteis de radiofreqüência homologados, como computadores de mão conectados a pequenas antenas.
Facilidade de fiscalização com informações rápidas e seguras. Ambiente e Procedimentos de Testes
Para a realização das medições de comunicação de dados utilizando o solo como meio de propagação através da tecnologia RFID, foi utilizado o campus do Inmetro em Xerém, Duque de Caxias – RJ, onde o solo apresenta grande compactação, que mantém a umidade do solo estável por longos períodos de tempo, e composição da classe franco argilo arenoso. A resistividade aparente do solo para as condições dos dias da medição, apresentou uma resistividade aparente média em torno de 125 Ohms.m.
Nestas medições foram utilizados:
01 equipamento leitor e gravador de dados RFID UHF padrão EPCGlobal Classe 1 Gen 2 com até 1 Watt de potência regulável de saída;
02 antenas planares de polarização circular com abertura de 65º e 7,5 dBi de ganho;
01 antena omnidirecional com 5 dBi de ganho;
10 transponders RFID UHF passivos padrão EPCGlobal Classe 1 Gen 2, 01 analisador de espectro elétrico modelo MS 8901A Anritsu
01 sistema de suporte subterrâneo para os transponders, graduado em graus, com vedação superior do buraco escavado através de uma chapa de metal sólida e mecanismo de posicionamento do transponder em Fenolite isolante, construído especificamente para estes experimentos, conforme a Fig. 3.
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Fig. 3. Aparato de variação angular do transponder subterrâneo
No solo do campo de testes, que era o próprio meio de transmissão, foram feitas vinte escavações verticais com 10 cm de diâmetro e 50 cm de profundidade, distanciadas entre si de 20 cm, mais duas escavações também verticais com 35 cm de diâmetro e 50 cm de profundidade conforme a Fig. 4 (vista superior) abaixo. A faixa de freqüências utilizada pelo coletor de dados e, conseqüentemente, pelos transponders foi dentro do padrão FCC, de 903 MHz a 928 MHz.
Os experimentos foram montados para medição da intensidade do sinal do equipamento leitor e/ou gravador de dados operando com propagação subterrânea apenas, e da resposta dos transponders, com variação angular, em leitura e gravação também com propagação em meio subterrâneo. Assim, no primeiro, caso podemos medir o desvanecimento do sinal com a propagação do campo eletromagnético no solo e, no segundo caso, podemos avaliar a dinâmica do sistema como um todo, em condições de operação reais da aplicação proposta, que é identificação e localização de tubulações e estruturas subterrâneas sem a necessidade de obra invasiva ou destrutiva. Para a medição da dinâmica do sistema RFID a antena planar foi conectada ao
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equipamento leitor e/ou gravador de dados e posicionada nas escavações de 35 cm de diâmetro. O transponder foi instalado no dispositivo de suporte e este colocado em cada uma das escavações de 10 cm de diâmetro.
Fig. 4. Posicionamento das escavações do local de testes
Foram armazenados os dados de variação angular do dispositivo de suporte de -180º (anti-horário) até 180º (horário), cobrindo, desta forma, qualquer posição de instalação do transponder para a tubulação ou estrutura enterrada a ser identificada. Para a medição do desvanecimento do campo eletromagnético pela propagação no solo, a mesma antena planar conectada ao equipamento leitor e/ou gravador de dados foi posicionada nas escavações de 35 cm de diâmetro, e a antena omnidirecional foi conectada ao equipamento analisador de espectro e posicionada nas escavações de 10 cm de diâmetro. Dessa forma, conseguimos medições de intensidade do sinal recebido nos transponders a diferentes distâncias no solo, conforme demonstrado na Fig. 5.
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Fig. 5. Posicionamento das antenas nas escavações
Conclusões
Conforme apresentado anteriormente, foi avaliada a viabilidade da aplicação da tecnologia Radio Frequency Identification (RFID) para localização e identificação de tubulações e estruturas enterradas. De posse dos resultados apresentados nesse experimento os autores concluem a viabilidade da aplicação citada a até 100 cm de profundidade com transponders passivos, antenas de 65º de abertura e 7,5 dBi de ganho e configuração de potência de 30 dBm nos equipamentos leitores. Esta dimensão de profundidade pode ser elevada com procedimentos que forneçam ganhos de energia eletromagnética ao sistema. Os resultados obtidos e apresentados na Fig. 6 são referentes à reposta angular dos transponders, então podemos observar que neste modelo de transponder mais comum, a antena é considerada omnidirecional quanto a sua irradiação, possuindo regiões de quase-nulo em suas extremidades.
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Fig. 6. Irradiação do campo pela antena do transponder
Com relação à orientação angular do transponder em função da superfície do solo, podemos concluir que uma variação considerável do ângulo na instalação do mesmo não representa um problema crítico para a localização e identificação da tubulação ou estrutura enterrada. Dessa forma, foi possível a perfeita leitura e escrita, em qualquer ângulo de inclinação do transponder em relação à antena.
Fig. 7. Atenuações médias normalizadas para diferentes distâncias e potências através da propagação dos campos eletromagnéticos no solo
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Nas medições de atenuação pela propagação dos campos eletromagnéticos no solo, traçamos um perfil de atenuação média para estas freqüências UHF em torno de 900 MHz, onde na Fig. 7 ela é demonstrada para a freqüência de 928 MHz, já processada de diversas medições em diferentes distâncias e dias, sendo utilizados os mesmos equipamentos em configurações semelhantes de operação, neste caso, variando a potência de saída de +20 dBm até +30 dBm e utilizando no leitor uma antena planar com 65º de abertura e 7,5 dBi de ganho para esta freqüência.
Nota-se nesta figura, que a atenuação do campo eletromagnético devido a penetração do mesmo no solo está demonstrada em apenas um sentido de propagação, sendo que no caso de leitura e/ou escrita no transponder passivo, devemos considerar o dobro desta atenuação, pois o sinal de resposta do dispositivo é reenviado pelo mesmo meio de propagação e sofre a mesma atenuação novamente.
Referências bibliográficas
(1) G. Amal, “How Radio Frequency Identification and I got personal”, IEEE Spectrum, vol. 44, pp. 14-19, March 2007.
(2) Finkenzeller, Klaus, “RFID Handbook, Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification”, John Wiley & Sons, second edition, 2003.
(3) Adair, Nick, “Radio Frequency Identification (RFID) Power Budgets for Packaging Applications”, PGK-491, pp. 2-11, November 2005.
(4) http://www.rfidjournal.com/
(5) Balanis. A. Constantine, “Antennas Theory”, John Wiley & Sons Inc, ISBN: 9780471603528, 1982.
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(6) Balanis. A. Constantine, “Advanced Engineering Electromagnetics”, John Wiley & Sons Inc, ISBN: 0-47162194-3, 1989.
(7) Curtin, J., Kauffman, J. R., and Riggins, F. J. “Making the Most: Out of RFID Technology – A Research Agenda for the Study of the Adoption, usage and impact of RFID.” March 2005 and Sept 2005.
(8) Yifeng Han, Hao Min, “System Modeling and Simulation of RFID”, Auto-ID Labs at Fudan University,Shanghai, P. R. China, 200433, pp. 3-12, 2004.
