Introdução à tecnologia de identificação RFID

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Introdução

RFID (Radio Frequency Identification – sistema de identificação por radiofrequência) é uma poderosa e versátil tecnologia para identificar, rastrear e gerenciar uma enorme gama de produtos, documentos, animais ou pessoas.

Os sistemas de RFID são compostos por (Figura 1):

• Leitor com antena;
• Transponder (Tag, RF Tag, etiqueta eletrônica);
• Computador ou outro tipo de controlador.

Figura 1: Ilustração de um sistema de RFID genérico

RFID é uma tecnologia de Identificação que utiliza a radiofrequência para capturar dados e permite que um transponder seja lido sem a necessidade de campo visual direto e até através de objetos feitos dos mais diversos materiais, tais como madeira, plástico, papel etc.

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Descrição

Para que ocorra a comunicação por RFID, precisamos basicamente de dois componentes: o transponder ou RF Tag (ou simplesmente Tag) e um leitor com antena, que pode também ser gravador, caso seja necessário escrever novos dados no chip do transponder. Existem transponders passivos, semipassivos e ativos. Quando aproximamos um transponder passivo do leitor, o campo de radiofrequências do leitor acorda e alimenta o transponder, que só então pode transmitir dados da sua memória para o leitor e vice-versa.

O principal componente de um  transponder é o chip, pois ele controla a comunicação com o leitor. O chip é um processador dedicado com funções especializadas para esse tipo de comunicação, que possui uma memória, onde são armazenados os dados, os quais são enviados ao leitor quando o chip é ativado pelo campo do leitor. Existem transponders do tipo “somente-leitura” (RO), que já vêm com um número único pré-gravado de fábrica em sua memória, e transponders que permitem a leitura / escrita (RW), onde o usuário, com a ajuda de um leitor/gravador, pode armazenar dados na memória do transponder. A capacidade de armazenamento varia conforme o tipo de chip. Normalmente, em sistemas passivos, as capacidades variam entre 64 bits e 8 kbits ou mais. Os chips mais recentes possuem algoritmos anticolisão, que permitem  que seja realizada a leitura virtualmente simultânea de diversos transponders.

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Especificações

Em um sistema de comunicação por RFID a distância de leitura é um fator muito importante para o bom funcionamento do mesmo. Ela indica a que distância do leitor o transponder pode ser lido, e depende de diversos fatores tais como: tipo de transponders,  ativo ou passivo, tamanho da antena do transponders, frequência de operação, potência do leitor, dentre outros. A distância de leitura deve ser otimizada para cada aplicação.

Alguns critérios para escolha do melhor sistema de RFID deve levar em consideração os seguintes critérios, conforme o ambiente de cada aplicação:

• Frequência do sistema;
• Tipo de chip;
• Formato e material do encapsulamento;
• Tipo de leitor.

Algumas faixas de frequências são preferencialmente utilizadas em determinadas aplicações. Seguem abaixo as principais definições.

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Faixas de frequências e aplicações típicas

Como consequência da física dos campos eletromagnéticos, a faixa de frequências dos transponders determina também as características de atuação do sistema RFID. Com o objetivo de padronizar as etiquetas, as normas técnicas disponíveis definem a construção de sistemas dentro de determinadas faixas de frequências específicas:

• LF (low frequency): de 30 kHz até 300 kHz. As etiquetas desta faixa de frequências operam em 125 kHz ou 134,2 kHz. Geralmente, são etiquetas passivas e seu maior uso é na identificação de animais, na forma de brincos (Figura 2) ou implantes subcutâneos, e de pessoas também na forma de implantes subcutâneos (Figura 3). Distância de leitura é de alguns centímetros;

 Figura 2: Transponder do tipo “brinco de boi”

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Figura 3: Exemplo de transponder do tipo LF para implante subcutâneo

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• HF (high frequency): de 3 MHz até 30 MHz. Etiquetas construídas em 13,56 MHz, normalmente utilizadas como crachás para identificação individual ou então como meio de pagamento, por exemplo para o transporte público, tal como os bilhetes únicos (Figura 4). Também pode ser utilizado para identificar objetos individuais, como nas lojas de departamento em sistemas antifurto. A distância de leitura chega a ser maior do que 10 cm;

 

Figura 4: Exemplo de transponder do tipo HF

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UHF (ultra-high frequency): de 300 MHz até 1 GHz. Nesta faixa, os transponders são fabricados nas faixas de frequências de 433 MHz, para uso em rastreamento de cargas, tais como contêineres, vagões, caminhões etc (Figura 5).  Nessa faixa de frequências, os transponders são ativos, ou seja, energizados com baterias, e robustos. Outra faixa bastante utilizada é a de 868 MHz na Europa e de 915 MHz nos Estados Unidos e Brasil. Essas etiquetas também são empregadas em processos de rastreamento de ativos ou produtos em lojas, controle de estoque, inventários e identificação veicular, como por exemplo em pedágios eletrônicos (Figura 6);

 

Figura 5: Utilização de transponder no rastreamento de contêiner

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Figura 6: Exemplo de transponder veicular para pedágio

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• Micro-ondas: acima de 1 GHz. Duas frequências para RFID: 2,45 GHz e 5,8 GHz. Esta faixa de frequências é utilizada em aplicações industriais, científicas e médicas (ISM). No Brasil, a principal aplicação de transponders nessa faixa de frequências é a de identificação veicular para o pedágio eletrônico (Figura 7).

Figura 7: Transponder veicular de 5,8 GHz

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A transmissão de dados em baixas frequências (LF e HF) são sempre realizadas por meio de acoplamento magnético, exatamente como num transformador, e trabalham em pequenas distâncias (Figura 8).

Figura 8: Sistema RFID em baixas frequências

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Nas frequências mais altas (UHF e micro-ondas) as transmissões se propagam na forma de campos eletromagnéticos, como num celular, e consegue-se atingir distâncias maiores (Figura 9). Mas, as características de propagação ainda causam outros efeitos: altas frequências são mais susceptíveis a áreas nulas (zonas mortas), regiões em que o campo não pode ser lido, a não ser que as polarizações entre as antenas e a etiquetas estejam bem feitas. Além disso, sinais de alta frequência tendem a ser absorvidos por líquidos e refletidos por metais. O tamanho da etiqueta também está diretamente relacionado com a faixa de frequências em que ela irá atuar. Como a recepção está ligada a um ou dois comprimentos de onda, etiquetas de HF precisam de maior área e indutores maiores, o que aumenta o tamanho e o custo do processo de fabricação. Já etiquetas que trabalham em UHF podem ser muito menores, reduzindo o custo de produção e aumentando as possíveis aplicações.

Figura 9: Sistema RFID de alta frequência

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Quando se trata de equipamentos que operam com radiofrequências, deve ser observado o atendimento às normas e especificações dos órgãos reguladores locais. No caso do Brasil, o órgão que regula o setor é a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações). As resoluções podem ser consultadas diretamente pela internet no site da ANATEL. Por exemplo a Resolução nº 506 de 1º de julho de 2008, sobre o Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita [1]. Como referência adicional consulte também o Quadro de Atribuição de Frequências no Brasil [2] (Figura 10).

Figura 10: Quadro de atribuição de frequências no Brasil – ANATEL

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Classes de transponders de RFID

Os transponders são divididos em classes conforme algumas características predominantes (Figura 11). As classes são:

• Classe 0: Apenas leitura e programação em fábrica. É o tipo mais simples de transponder. Geralmente, contém apenas um número de série e não tem memória no chip. É o tipo utilizado em sistemas antifurto de supermercados, lojas de conveniências e livrarias;
• Classe 1: Apenas leitura, mas permite uma única gravação de dados. Deste modo, pode vir de fábrica programada ou o usuário pode programá-la. Também pode conter uma memória que armazene dados referentes ao produto onde será anexada, tornando as informações sobre eles mais completas, como a configuração de um computador, por exemplo;
• Classe 2: Leitura e escrita, permitindo a gravação de dados a qualquer momento. É o tipo mais flexível de transponder, uma vez que pode ser regravado várias vezes e por exemplo acompanhar as ações que foram feitas num produto. Um exemplo de aplicação é em uma linha de produção de equipamentos, onde a cada etapa mais peças são agregadas até se formar o produto final. A cada etapa as etiquetas recebem informações sobre o que foi feito e podem levantar um histórico sobre tudo que ocorreu durante a montagem;
• Classe 3: Leitura e escrita, com bateria e sensores. Além de conter informações sobre o produto, pode interagir com ele, coletando dados como temperatura, pressão, tensão elétrica, etc. Estes dados são gravados na memória da etiqueta e enviados toda vez que solicitado;
• Classe 4: Leitura e escrita com transmissores integrados. Acabam funcionando como minirrádios, podendo se comunicar não apenas com os leitores, mas também com outras etiquetas. Formam redes inteligentes de logística. Cada uma das faixas de frequência tem vantagens e desvantagens para esse tipo de operação.
• Classe 5: Leitura e escrita com transmissores integrados, todas as funcionalidades da classe 4 somada à capacidade de se comunicar com transponders passivos. Conceitualmente, são leitoras.

  Figura 11: Classes das etiquetas

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Normas técnicas

Quando apareceu essa tecnologia, bem no começo dos testes e implantações dos sistemas RFID, cada empresa que conseguia uma solução criava um protocolo proprietário, o que implicava em pagamento de royalties para o  uso dessa tecnologia. Como diversas empresas realizaram esses testes e desenvolvimentos, chegou-se a uma torre de Babel: cada um tinha o seu próprio protocolo e os sistemas não se comunicavam entre si. Para que a tecnologia de RFID tivesse alcance global e ampla aceitação, decidiu-se pela padronização. Mesmo assim, ainda existem diversos protocolos proprietários sendo utilizados. Os protocolos de rádio mais difundidos para a comunicação de RFID são os definidos pela família de normas técnicas ISO/IEC 18000:

• ISO/IEC 18000-1: Define uma arquitetura de referência e os parâmetros a serem normatizados;
• ISO/IEC 18000-2: Estabelece os parâmetros para a comunicação sem fio pelo ar na faixa de frequências abaixo de 135 kHz;
• ISO/IEC 18000-3: Estabelece os parâmetros para a comunicação sem fio pelo ar na frequência de 13,56 MHz;
• ISO/IEC 18000-4: Estabelece os parâmetros para a comunicação sem fio pelo ar na frequência de 2,45 GHz;
• ISO/IEC 18000-6: Estabelece os parâmetros para a comunicação sem fio pelo ar na faixa de frequências entre 860 MHz e 960 MHz – Geral;
  • ISO/IEC 18000-61: Comunicação tipo A
  • ISO/IEC 18000-62: Comunicação tipo B
  • ISO/IEC 18000-63: Comunicação tipo C
  • ISO/IEC 18000-64: Comunicação tipo D
• ISO/IEC 18000-7: Estabelece os parâmetros para a comunicação ativa sem fio pelo ar na frequência de 433 MHz.

O conjunto de normas referentes aos sistemas RFID regulamenta todos os aspectos de funcionamento do sistema: desde a potência padrão para as antenas até como devem ser compostos os quadros que transportam os dados.

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Padrão de protocolo sem fio em UHF – EPC

 A partir de estudos feitos pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT), em conjunto com empresas parceiras e outros centros de pesquisa, desenvolveu-se uma tecnologia-modelo para o rastreamento e localização de produtos por meio da utilização de radiofrequência. O resultado deste estudo foi o EPC – Electronic Product Code – Código Eletrônico de Produto. Para que funcionasse em conjunto com a tecnologia RFID, o EPC enviou seus protocolos e técnicas para a aprovação junto à organização ISO, criando todo um conjunto de normas para esses sistemas. Essas normas definem os padrões físicos de operação definidos  na norma técnica ISO/IEC 18000-63 e especificações referentes aos níveis lógicos desse protocolo. Com isto, o EPC provê especificações técnicas e um número único que identifica cada objeto. A evolução deste conjunto de normas é chamada de EPC Gen 2 (EPC de segunda geração), amplamente apoiada por indústrias e outras companhias, devido à capacidade de transmissão e recepção de dados e individualização de objetos, além da velocidade de leitura e dos mecanismos anticolisão, que permitem que diversos transponders sejam lidos praticamente ao mesmo tempo. A individualização de produtos ocorre através do EPC propriamente dito, que é um número binário gravado na memória do chip do transponder de RFID, que vai anexado ao produto. Na Figura 12 podemos observar um transponder típico no padrão EPC.

Figura 12: Transponder UHF padrão EPC

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No documento EPC Tag Data Standard – GS1 [3] é definido o código de produto eletrônico e também especificado o conteúdo de memória dos transponders de RFID  Gen 2. Mais detalhadamente, o padrão EPC desenvolvido nesse documento  abrange duas áreas bastante amplas:

• A especificação do código do produto eletrônico, incluindo a sua representação em vários níveis da arquitetura EPC global e sua correspondência com as chaves criptográficas GS1 e outros códigos existentes;
• A especificação dos dados que são definidos em transponders de RFID Gen 2, incluindo o EPC, dados da “memória do usuário“, informações de controle e de fabricação do transponder.

Para informações detalhadas sobre as especificações EPC Gen 2, consulte as especificações atualizadas no site do GS1: EPC/RFID UHF Air Interface Protocol 2.0.0 [4].

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Conclusão

Se há uma limitação para o uso da RFID, essa está na identificação aplicada sobre metais. Como lidamos com campos eletromagnéticos, é natural que o metal interfira negativamente no seu desempenho. Entretanto, encapsulamentos especiais acabam por contornar esta limitação, fazendo com que possamos hoje identificar automóveis, vagões de trens e contêineres, obviamente resguardadas as limitações com relação às distâncias de leitura.

A tecnologia de RFID não tem a pretensão de substituir o código de barras em todas as suas aplicações. A tecnologia de RFID deve ser vista como um método adicional de identificação, a ser utilizado em aplicações onde o código de barras e outras tecnologias de identificação não atendam a todas as necessidades. Cada tipo de identificação tem suas vantagens, e o que precisamos é saber aproveitar os melhores benefícios de cada tecnologia para montar uma solução ideal. Os benefícios primários de RFID são: a eliminação de erros de escrita e leitura de dados, coleção de dados de forma mais rápida e automática, redução de processamento de dados e maior segurança. Quanto às vantagens da RFID em relação às outras tecnologias de identificação e coleção de dados, temos: operação segura em ambientes severos (lugares úmidos, molhados, sujos, corrosivos, altas temperaturas, baixas temperaturas, vibração, choques), operação sem contato e sem necessidade de campo visual direto e grande variedade de formatos e tamanhos.

Os benefícios oferecidos por uma solução RFID são muitos:

• Aumento da segurança;
• Redução de custos operacionais;
• Eliminação de erros humanos;
• Aumento da satisfação dos clientes;
• Aumento na velocidade dos processos, devido à automação dos mesmos;
• Melhor controle em processos de qualidade;
• Redução de perdas e inventários.

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Quadro comparativo RFID x Código de Barras

A Tabela 1 ilustra de forma resumida a comparação entre essas tecnologias.

Tabela 1: Comparação entre RFID e Código de Barras

Características	RFID	Código de Barras
Resistência Mecânica	Alta	Baixa
Formatos	Variados	Etiquetas
Exige Contato Visual	Não	Sim
Vida Útil	Alta	Baixa
Possibilidade de Escrita	Sim	Não
Leitura Simultânea	Sim	Não
Dados Armazenados	Alta	Baixa
Funções Adicionais	Sim	Não
Segurança	Alta	Baixa
Custo Inicial	Alto	Baixo
Custo de Manutenção	Baixo	Alto
Reutilização	Sim	Não

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Para aprender mais sobre RFID

Para se aprofundar um pouco mais nesse assunto, você pode ler o documento RFID Selection Guide [5] do site Adafruit. Trata-se de um documento que discute as mais diversas partes dos sistemas de RFID, inclusive kits de desenvolvimento.

Confira também uma aplicação na prática desenvolvida no artigo técnico RFID com Raspberry Pi e Python [6], de autoria de Cleiton Bueno.

Referências

[1] http://legislacao.anatel.gov.br/resolucoes/2008/104-resolucao-506?tmpl=component&print=1&page=

[2] http://www.anatel.gov.br/Portal/verificaDocumentos/documento.asp?numeroPublicacao=325100&pub=principal&filtro=1&documentoPath=325100.pdf

[3] http://www.gs1.org/epcrfid-epcis-id-keys/epc-rfid-tds/latest

[4] http://www.gs1.org/epcrfid/epc-rfid-uhf-air-interface-protocol/latest

[5] http://www.adafruit.com/datasheets/rfid%20guide.pdf

[6] http://www.embarcados.com.br/rfid-raspberry-pi-python/

Esta obra, “Introdução à tecnologia de identificação RFID“, de Henrique Frank W. Puhlmann, foi licenciada sob uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.