RFID
RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO
REDES DE COMPUTADORES I - 2019.1
AUTORES:
GUILHERME DANTAS COUTO
TARSIUS SERGIO MALAFAIA
PROFESSOR:
Luis Henrique Maciel Kosmalski Costa
"Este trabalho foi totalmente produzido pelos autores que declaram não terem violado os direitos autorais de terceiros, sejam eles pessoas físicas ou jurídicas. Havendo textos, tabelas e figuras transcritos de obras de terceiros com direitos autorais protegidos ou de domínio público tal como idéias e conceitos de terceiros, mesmo que sejam encontrados na Internet, os mesmos estão com os devidos créditos aos autores originais e estão incluídas apenas com o intuito de deixar o trabalho autocontido. O(s) autor(es) tem(êm) ciência dos Artigos 297 a 299 do Código Penal Brasileiro e também que o uso do artifício de copiar/colar texto de outras fontes e outras formas de plágio é um ato ilícito, condenável e passível de punição severa. No contexto da Universidade a punição não precisa se restringir à reprovação na disciplina e pode gerar um processo disciplinar que pode levar o(s) aluno(s) à suspensão;"
Introdução
O RFID (Radio Frequency Identification) é, como o nome sugere, uma tecnologia de identificação automatizada de objetos, pessoas, bens e produtos por meio de ondas de rádio. O sistema é fundamentado, basicamente, em 3 elementos: uma etiqueta (ou TAG) — que está presa ao objeto e armazena o identificador numa memória; o leitor com antena — que faz transmissão e recepção de dados com a TAG; e a unidade de controle — responsável pelo processamento e pela produção de um resultado.
Ao longo dos anos, essa tecnologia vem se popularizado em indústrias, cadeias de distribuição logística, bibliotecas, supermercados, entre outros. A versatilidade do RFID pode ser apontada como uma das razões: a identificação do objeto e a troca de informações com a base se dá sem a necessidade de contato direto — uma vantagem quando comparado ao tradicional código de barras, por exemplo. A figura abaixo mostra uma evolução histórica do RFID até o início desse milênio.
Figura 1 - Contextualização da tecnologia de RFID ao longo do tempo
Princípios
Comunicação
O princípio do funcionamento da comunicação da tecnologia RFID é bastante simples. O sistema é composto por um transceptor (ou leitora) que transmite uma onda de frequência de rádio através de uma antena para um transponder, mais conhecido por tag. O tag absorve a onda de RF e responde com alguma informação, que é então gerenciada por um sistema computacional, como mostra a figura abaixo. O termo transponder deriva da expressão TRANSmitter/resPONDER, que revela a função deste componente.
Figura 2 - Componentes básicos de um sistema RFID
HDX - Half Duplex
A transferência de dados do tag para o leitor é alternada com a transferência de dados do leitor para o tag. Ou seja, a transmissão pode ser realizada nos dois sentidos, mas não de forma simultânea. Portanto, quando um dos dispositivos necessita transmitir, o outro deve “concordar” em receber.
FDX - Full Duplex
A transferência de dados do tag para o leitor é realizada ao mesmo tempo em que é feita a transferência de dados do leitor para o tag. Ou seja, a transmissão ocorre nos dois sentidos simultaneamente. No entanto, os dois sistemas têm em comum o fato de que a transferência de energia do leitor para o tag é contínua, isto é, independente da direção do fluxo de dados.
Suprimento de energia
Figura 3 - Exemplo de TAG com bateria utilizada para alimentação
O suprimento de energia do sistema embarcado e do transceptor normalmente é a rede elétrica ou, para casos específicos, baterias. Já o tag RFID pode ser classificado em três diferentes tipos, dependendo do suprimento de energia requerido:
Tag passivo
O transponder não possui fonte interna de alimentação e utiliza parte da energia transmitida pelo leitor para retransmitir os dados armazenados.
Tag ativo
O transponder é energizado por uma bateria interna e utiliza essa alimentação para transmitir seus dados para o leitor.
Tag semi-passivo
Usa sua fonte de energia interna somente para energizar o circuito que responde as informações.
Frequência de operação
Um dos aspectos mais importantes do sistema RFID é a frequência de operação. Como sistemas RFID baseiam-se em geração e radiação de ondas eletromagnéticas, estes sistemas são classificados legalmente como sistemas de rádio, e, portanto não devem interferir em outros sistemas. Assim, as faixas de frequência disponíveis para a utilização do sistema RFID são as chamadas ISM (Industrial-Scientific-Medical). As três frequências mais utilizadas para o sistema RFID passivo e suas características são descritas a seguir:
LF - Baixa Frequência
Opera na faixa de 125kHz e 134,2kHz e compõe uma faixa de curta a média distância de leitura, baixo custo e baixa velocidade de leitura. Lê através de objetos metálicos.
Entre as aplicações mais comuns estão: controle de acesso, identificação e rastreamento de animal, controle de inventário.
HF - Alta Frequência
Opera na faixa de 13,56 MHz, para operações de curta e média distância, potencialmente de baixo custo, média velocidade de leitura.
Possíveis aplicações: controle de acesso, smart cards.
UHF - Ultra Alta Frequência
Frequências entre 300 MHz a 3 GHz. Hoje, essa banda de frequência é utilizada em diversas áreas: TV, militar, telefonia celular, comunicação com satélites, transmissão de dados via WIFI, Bluetooth entre outros. Dentre todas essas aplicações está o RFID, utilizado em larga escala na banda de 902 a 928 MHz. Possui grande alcance, alta velocidade, custo mais elevado, e pouca capacidade de penetração (requer, em certos casos, uma linha de visão com o tag). Utilizado no monitoramento de veículos em estradas e coleta automatizada de dados.
Em geral, a frequência define a taxa de transferência de dados entre a etiqueta e o leitor. Todavia, a velocidade não é o único aspecto a ser analisado no planejamento de uma solução RFID, pois a distância máxima de leitura entre a etiqueta e o leitor, o tipo de material do objeto a ser etiquetado, requisitos dos clientes e/ou fornecedores, normas e regulamentações a serem atendidas também são definidos pela frequência e representam aspectos-chave para o sucesso das aplicações. Além disso, o tamanho e o projeto das antenas das etiquetas e dos leitores são diferentes para as diferentes frequências. Pode-se assim dizer que cada frequência tem características diferentes e, por isso, aplicações diferentes.
Alcance
Antes de definir cada componente de um sistema RFID, é preciso descrever o tipo de acoplamento entre leitor e tag no sistema, já que este fator é determinante na composição de cada componente.
Dois métodos distinguem e caracterizam os sistemas RFID, um baseado em proximidade por acoplamento indutivo e outro na propagação de ondas eletromagnéticas, o acoplamento eletromagnético (também chamado de backscatter).
A figura abaixo mostra o espectro de frequência para o sistema RFID com seus devidos tipos de acoplamento entre tag e leitor.
Figura 4 - Tipos de acoplamento em função da frequência
Componentes dos TAGs
Figura 5 - Tag RFID
O tag é constituído basicamente por uma antena, um circuito integrado e o encapsulamento. Vamos a um breve detalhamento de cada um desses componentes.
Antena
A antena interna é a principal responsável pelo formato, tamanho e aplicação do tag RFID. Esta tem que ser capaz de receber o sinal e transmitir de volta a resposta modulada. De acordo com cada banda de frequência utilizada, o tamanho da antena deve ser adaptado ao comprimento de onda transmitido/recebido. Nos tags passivos, o sinal é convertido para eletricidade que é utilizada para energizar o microchip.
Microchip
O microchip é a parte eletrônica do Tag RFID. Ele é formado por centenas de micro componentes, e ainda assim é muito pequeno. É responsável por decodificar o sinal de entrada, modulá-lo de uma forma que caracterize a unicidade da etiqueta e encaminhar esse sinal à antena.
Figura 6 - Detalhamento do circuito interno
Os microchips para tags RFID possuem basicamente os seguintes módulos:
Circuitos de conversão de energia
O sinal de entrada, oriúndo da antena, tem característica de corrente alternada. O microchip requer, entretanto, um sinal de corrente contínua para alimentação. Para isso, há um circuito de conversão de energia que faz esse processo.
Circuito controlador de energia
Depois de ser convertido, o sinal DC necessita ser atenuado ou amplificado. Este circuito controlador realiza esse ajuste. Alguns tags utilizados comercialemente possuem microchips que demandam 3,3 volts, por exemplo. Este nível de tensão é atingido a partir deste circuito de controle.
Circuito de controle lógico
Este circuito é como o cérebro por trás do microchip. É responsável pela obtenção e armazenamento dos dados na memória, modulação do sinal para ser emitido como resposta e a resposta propriamente dita.
Circuito codificador e decodificador
O circuito decodificador recebe o sinal modulado vindo da antena e o decodifica para mandá-lo para o circuito de controle lógico. Após o devido tratamento desse sinal, o circuito de controle lógico encaminha a respota ao codificador, que modula o sinal de forma única, caracterizando o tag em questão.
Memória:
É na memória que ficam armazenados os dados do tag. Pode ser do tipo somente leitura ou regravável; armazenar somente um código ou um conjunto de informações.
Encapsulamento
Os tags são comercializados encapsulados em vários tipos, tamanhos, resistências e modelos diferentes. Essa grande variedade se dá pela existência de muitos tipos distintos de aplicações. Existe, por exemplo, tags que atuam em ambientes com temperaturas extremamente altas, extremamente baixas, que aguentam altas pressões, que suportam quedas e colisões, que suportam processos químicos e afins.
A escolha do tipo de encapsulamento do tag é imprescindível para a definição do sistema RFID que será utilizado para determinadas aplicações.
Figura 7 - Diferentes tipos de encapsulamento podem ser encontrados
Padronização
Há diversas iniciativas e projetos de padronização do RFID, e entre as organizações que se destacam está a ISO (em inglês, International Organization for Standardization) e a EPCglobal. Constam, dentre as inúmeras normas publicadas pela ISO, definições de topologias, parâmetros de frequências, regras de codificação, protocolos de dados, entre outros.
Figura 8 - A ISO e EPCglobal lideram diversas iniciativas de padronização
Historicamente, quando falamos de padronização e da evolução dos sistemas RFID, não podemos deixar de mencionar o EAS e o EPC.
O EAS (do inglês, Electronic Article Surveillance) é uma das tecnologias de RFID pioneiras, e ainda assim muito presente. Consiste tipicamente em um sistema booleano, usado para identificação de presença ou falta de um item. É largamente utilizado em bloqueios de loja e comércio: um tag é afixado em cada item e grandes antenas de leitura são posicionadas para detectar a saída desautorizada do objeto.
O EPC (do inglês, Electronic Product Code) é um projeto mais recente, que visa estabelecer um código unitário atrelado a um tag para identificar produtos. O código numérico gravado na memória é formado por: número do fabricante, classe do objeto e número de série. Esse valor numérico, associado a uma base de dados, pode agregar um conjunto ilimitado de informações a respeito da etiqueta e de seu hospedeiro. O EPC é uma iniciativa de escala global que visa substituir o UPC (do inglês, Universal Product Code) que é encontrado em muitas etiquetas contendo uma série numérica e um código de barras.
Figura 9 - O número elevado de combinações permitiria identificar, virtualmente, qualquer objeto
Hoje no mercado, temos o uso mais amplo do EPC Class 1 Generation 2. Esta padronização define o sistema por completo (etiqueta e leitora) nas especificações permitidas por lei, no que diz respeito aos requerimentos físicos e lógicos para retrodifusão passiva do leitor operando em UHF (902-928 MHz).
Difere do EPC Class 1 e do EPC Class 0 basicamente pelo tipo de tag utilizado. Os tags da Class 0 possuem memória do tipo WORM (do inglês, Write Once Read Many) que só são programados de fábrica e lidos por readers do mesmo fabricante. Já os tags da Class 1 são do tipo WMRM (do inglês, Write Many Read Many) que, além de serem programáveis e serem lidos por qualquer leitor Gen 2, possuem memória interna de, no mínimo, 128 bits.
Segurança
Os requisitos de segurança são parte importante para o bom funcionamento do sistema RFID. Basicamente, grandes questões de segurança que afetam sistemas RFID podem ser classificadas em: interceptação, clonagem, alteração de dados e/ou violação aos equipamentos.
Figura 10 - A violação de tags pode representar risco
Interceptação
Dados podem ser roubados ou lidos de forma indevida. Podemos ter tags que não tem a criptografia correta para impedir acessos de leitores e/ou gravadores estranhos. Acesso não autorizado aos dispositivos de leitura/gravação dos tags, ocasionando problemas no sistema programado, também podem ocorrer quando os dispositivos não têm algum tipo de senha ou proteção.
Clonagem
O código de um tag pode ser replicado em outra etiqueta, dependendo da arquitetura utilizada. Em sistemas de controle de acesso, por exemplo, pode permitir um acesso indevido.
Alteração ou reescrita de dados
Valores no tag podem ser reescritos por um leitor mal intencionado, dependendo do tipo de memória e de dispositivo utilizado.
Violação física
Podem ocorrer casos onde o software responsável pelo processamento das informações seja acessado por hackers ou pessoas não autorizadas, realizando assim uma alteração indevida.
Isso pode ser resolvido com uma redefinição do projeto do sistema físico, modelo lógico, gerenciamento de acesso, firewalls, criptografia ou outras formas de proteção, englobadas nas políticas de segurança de TI.
Aplicações e Futuro
Figura 11 - Leitora manual de RFID utilizada em cadeia de distribuição
O RFID já é uma realidade em diversas esferas da economia. Seja na indústria automobilística — com as catracas eletrônicas — ou no comércio e varejo — com os controles de acesso e de estoque: novas ferramentas têm sido pensadas para fazer um maior e melhor uso da tecnologia. Soluções mais complexas, como a gestão de grandes quantidades de gado, por exemplo, já podem ser feitas com um clique. Isso indica o potencial que ainda pode ser explorado.
Com o advento da “internet das coisas”, o sistema RFID pode se tornar um aliado perfeito, agregando algum tipo de informação e inteligência até mesmo a objetos complemente inertes. Sua forma rápida de obtenção de dados sem necessidade de contato caracteriza uma enorme versatilidade.
Figura 12 - Informações de controle são lidas de etiqueta afixada ao gado
O futuro é muito promissor. As aplicações que têm mais destaque na pesquisa desse seguimento estão ligadas a automatização de serviços e/ou aplicações mais robustas do sistema de comunicação em conjunto com outras tecnologias. São esses alguns exemplos:
Mercado inteligente
A possibilidade de realizar compras sem a necessidade de encarar filas. Cada produto teria seu tag específico na embalagem e todos seriam lidos de uma única vez diretamente no carrinho de compras na saída do mercado. O pagamento seria realizado por uma compra pelo cartão de crédito já registrado na loja desejada.
Figura 13 - O valor dos produtos adquiridos é debitado automaticamente na saída
Já pensou como seria interessante se os produtos que você tem em sua geladeira ou estoque avisassem que sua quantidade está abaixo do limite mínimo? Isso seria possível com leitores RFID posicionados pela cozinha/armazém e tags afixados em todos os produtos.
Aplicações nas áreas médicas
Já temos hoje diversas aplicações do sistema RFID nessa área: identificação de medicamentos, próteses, órgãos que foram doados e afins. Existem pesquisas que usarão o sistema RFID para comunicação de dados capturados por tags internos para avaliar hábitos humanos, verificação de dispositivos biomédicos (marcapassos, bombas de insulina e afins) e etc.
Vantagens e Desvantagens
VANTAGENS
Quando pensamos nos sistemas RFID na frequência UHF (usando o EPC Class 1 Gen 2), podemos destacar os seguintes aspectos vantajosos, quando comparado às tecnologias convencionais:
Minimização das antenas
O tamanho das antenas é relacionado com a frequência utilizada. Podemos assim, destacar que a utilização dessa faixa de frequências nos proporciona uma miniaturização nos projetos em desenvolvimento.
Velocidade em transferência de dados
A frequência está diretamente relacionada com essa taxa de transferência de dados. Quanto maior a frequência, maior a taxa de transmissão/recepção.
Confiabilidade
O sistema RFID proporciona a capacidade de funcionamento em qualquer área, temperatura e equipamento aplicável a qualquer serviço ou sistema. A utilização do RFID gera maior confiabilidade, especialmente nos casos mais críticos que possam envolver erro humano.
Durabilidade
Os tags passivos possuem longa vida útil e os ativos, apesar do uso de baterias, ainda proporcionam bom tempo de uso. A substituição desses dispositivos só se torna necessária em casos de colisões físicas ou avarias externas.
Alta performance de leitura
Por não precisar de linha direta para leitura, os tags do sistema RFID podem ser aplicados em qualquer superfície e até mesmo submersos (mediante especificação de uso).
Identificação simultânea e capacidade de armazenamento de dados
Os leitores conseguem identificar vários tags sendo lidos ao mesmo tempo, cada um entregando dados diferentes para o sistema. Essa característica é crucial quando lidamos com um grande volume de objetos.
DESVANTAGENS
Custo de equipamentos
Os equipamentos do sistema e os tags para diferentes aplicações podem ser caros e de difícil aquisição para alguns casos mais específicos. Infelizmente o mercado ainda não oferece opções de alto rendimento e baixo custo. Hoje, as opções mais baratas e com uma relação custo/benefício adequadas são os sistemas RFID MIFARE (faixas de frequências mais baixas) que não proporcionam um grande alcance.
Falta de oferta de fornecedores nacionais
Hoje não temos muitas opções de fornecedores nacionais para opções mais robustas do sistema RFID. Desta forma, o custo se mantém alto e aqueles que demandam o sistema RFID como uma solução para um dado problema acabam sendo impactados por isso.
Interferências
Os campos eletromagnéticos gerados ou atenuados por superfícies metálicas prejudicam o bom funcionamento do sistema RFID.
Privacidade
Como mencionado na seção de segurança, a privacidade pode ser um aspecto crítico e deve ser cuidadosamente avaliada para o projeto em desenvolvimento.
Conclusão
Com base nesse breve estudo a respeito de cada componente do RFID, aprendemos como se modela o sistema pensando na solução que irá atender. Hoje existem centenas ou até milhares de aplicações para este sistema e cabe a nós, como engenheiros e pesquisadores, atendermos a essas especificações com soluções rápidas, rentáveis e de alta versatilidade para clientes e sociedade. A tendência hoje é de que essa tecnologia seja mais amplamente utilizada para agilização de processos industriais e também para proporcionar mais facilidade em processos sociais, como compras e afins. Apesar dos desafios aqui evidenciados, há grandes expectativas que a tecnologia possa dominar o mercado futuro.
Perguntas e Respostas
1. Quais são os principais componentes do sistema RFID?
R. O sistema RFID é composto basicamente por um tag, um leitor com sua antena e o sistema computacional que gerencia os dados.
2. De que forma os tags e os leitores se comunicam?
R. Em resumo, existem 2 formas de comunicação: Full Duplex (FDX) e Half Duplex (HDX).
No Half Duplex (HDX), a transferência de dados do tag para o leitor é alternado, ou seja, enquanto um envia, o outro recebe. Já no procedimento de Full Duplex, a transferência de dados do tag para o leitor é realizada simultaneamente.
3. Quais são os componentes básicos de um Tag?
R. Basicamente, um tag precisa de:
Uma antena para acoplamento, recepção e transmissão;
Um microchip para realizar os processamentos lógicos e energéticos do sistema do tag;
E um encapsulamento para proteção e fixação
4. Denote pelo menos 2 aplicações do sistema RFID no presente
R. Hoje temos diversas aplicações do sistema. Para fins didáticos, podemos citar as aplicações logísticas e de gestão de ativos.
A logística pode ser encontrada nos sistemas de identificação de veículos em catracas de condomínios e shoppings, acesso de vias e rodovias (SEM-PARAR) e identificação e tempo de carga de caminhões em empresas de entregas.
5. Denote as frequências mais utilizadas no sistema RFID e dê um exemplo para a aplicação de cada uma:
R. Baixa Frequência (LF)
Aplicações: Controle de acesso, identificação e rastreamento de animal, controle de inventário.
Alta Frequência (HF)
Aplicações: Controle de acesso, smart cards.
Ultra Alta Frequência (UHF)
Aplicações: monitoramento de veículos em estradas e coleta automática de dados.
Bibliografia
[1] FINKENZELLER, Klaus. RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification. 2º Edição. Munich: Wiley & Sons LTD, 2003.
[2] DOBKIN, Daniel M. The RF in RFID: Passive UHF RFID in Practice, 2007.
[3] RFID Journal Brasil. Disponível em: https://brasil.rfidjournal.com/
[4] RFID Journal. Disponível em: https://www.rfidjournal.com/
[5] IEEE Council on RFID – Bridging physical to digital. Disponível em: http://www.ieee-rfid.org/
[6] “The History of RFID”, IEEE Potentials. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/1549751