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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE
TELEINFORMÁTICA
Marcelo Ferreira de Sousa
RFID E SUAS APLICAÇÕES – UM ESTUDO
DE CASO COM PRATELEIRAS
INTELIGENTES
Fortaleza-CE
Setembro de 2010
Livros Grátis
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Milhares de livros grátis para download.
Marcelo Ferreira de Sousa
RFID E SUAS APLICAÇÕES – UM ESTUDO
DE CASO COM PRATELEIRAS
INTELIGENTES
Dissertação submetida ao corpo docente da Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Teleinformática da Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de MESTRE EM ENGENHARIA DE TELEINFORMÁTICA.
Área de concentração: Eletromagnetismo Aplicado
Orientador: Prof. Dr. Antonio Sérgio Bezerra Sombra.
Co-orientador: Prof. Dr. Giovanni Cordeiro Barroso.
Fortaleza-CE
Setembro de 2010
Marcelo Ferreira de Sousa
RFID E SUAS APLICAÇÕES – UM ESTUDO
DE CASO COM PRATELEIRAS
INTELIGENTES
Dissertação submetida à coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Teleinformática da Universidade Federal do Ceará como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Teleinformática. Área de concentração: Eletromagnetismo Aplicado. Aprovada em 24/09/2010.
BANCA EXAMINADORA:
______________________________________________________ Prof. Dr. Antônio Sérgio Bezerra Sombra (Orientador)
Universidade Federal do Ceará – UFC
______________________________________________________ Prof. Dr. Giovanni Cordeiro Barroso
Universidade Federal do Ceará – UFC
______________________________________________________ Prof. Dr. José Ricardo Bergmann
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC/RJ
______________________________________________________ Prof. Dr. Daniel Xavier Gouveia
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará – IFCE
Agradeço a Deus, pela Sua providência
Divina, ao professor Giovanni, pelo seu apoio
e motivação e a todos que colaboraram direta
ou indiretamente na elaboração deste trabalho.
“A diferença entre o ordinário e o extraordinário é aquele pequeno extra” (Autor
desconhecido).
RESUMO
Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a identificação por radiofrequência, RFID,
analisando sua aplicação à logística de distribuição de produtos nos pontos de venda,
enfocando o estoque de produtos no comércio de varejo, a fim de melhorar a eficiência da
reposição dos produtos em um sistema de Suprimento Enxuto através da utilização de
prateleiras inteligentes. Também é apresentada uma contribuição para um sistema de
Suprimento Enxuto através da aplicação de prateleiras inteligentes com a tecnologia de RFID,
prevenindo as situações de falta de estoque de produtos nas lojas. Inicialmente, é apresentado
o embasamento teórico sobre RFID, abordando a teoria e os conceitos relacionados a esta
tecnologia, bem como os seus princípios de funcionamento. Um estudo sobre a metodologia
de Sistema Enxuto também foi realizado, buscando compreender melhor esta abordagem que
vem sendo amplamente utilizada na indústria e na cadeia de suprimentos, trazendo melhoria
da eficiência operacional das empresas. Nesta busca por eficiência, um dos objetivos do
Sistema Enxuto é a redução de estoque, que demanda a automação da monitoração da
quantidade de produtos disponíveis nos pontos de venda. É exatamente esta necessidade que
motivou este trabalho. A tecnologia de RFID foi analisada como uma solução tecnológica
para este problema. Para isto, foi realizado um estudo de caso, através de uma prova de
conceito para investigar o desempenho de RFID em seu estado da arte. Em seguida, foi então
proposta uma arquitetura de prateleiras inteligentes para o controle do estoque de produtos no
varejo. Os desafios encontrados neste tipo de aplicação também são descritos detalhadamente.
Nesta dissertação, também será apresentado todo o processo utilizado no projeto do protótipo
das prateleiras inteligentes, bem como os procedimentos de testes realizados para avaliar o
desempenho do sistema concebido. A conclusão deste estudo demonstra o grau de viabilidade
da tecnologia RFID para o uso em sistemas de prateleiras inteligentes, visando atender às
necessidades do Suprimento Enxuto.
Palavras-chave: Identificação por Radiofrequência, RFID, Suprimento Enxuto, tag, etiqueta
eletrônica, prateleiras inteligentes, Electronic Product Code (EPC), gerenciamento da cadeia
de suprimentos.
ABSTRACT
This work presents a thorough study about radiofrequency identification, RFID, analyzing its
application to logistics of distribution of a specific product in its points of sale, focusing on
the stock of products in the retailer, searching for the best efficiency in the replenishment of
products in a Lean Supply system through the use of smart shelves. This work intends to
enable a lean supply system through the application of a smart shelf with RFID technology,
preventing out-of-stock situations in the retailer. Initially, the theoretical background about
RFID is presented, covering the theory and concepts related to this technology, as well as the
working principles. A study about Lean Systems is also presented, searching for a better
understanding about this approach which is being broadly used in the industry and in supply
chains, bringing an improvement in the operational efficiency of these organizations. In this
search for efficiency, one of the goals of Lean System is the inventory reduction, which
demands automation of monitoring the amount of products available in the points of sale. This
is the real need which motivated this work. RFID technology was analyzed as a technological
solution to this problem. So, a study case was developed through a proof of concept to
investigate the performance of RFID in its state of the art. Following, it was proposed an
architecture for the smart shelves to be used in the stock control of products in the retail
market. The challenges in this type of application are fully described. In this dissertation, the
whole process used in the project of the smart shelf prototype will be presented, as well as the
test procedures conducted to evaluate the performance of the realized system. The conclusion
of this work demonstrates the viability degree of RFID technology to be used in a smart shelf
in order to meet the needs of a Lean Supply system.
Keywords: Radio Frequency Identification, RFID, Lean Supply, tag, smart shelf, Electronic
Product Code (EPC), supply chain management.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1 – Onda plana se propagando no espaço em um dado instante de tempo ................19
Figura 2.2 – Regra da mão direita para identificar a direção do vetor de Poynting .................20
Figura 2.3 – Bandas de frequência de RFID ............................................................................27
Figura 2.4 – Alocações de banda no mundo para RFID em UHF............................................28
Figura 2.5 – Componentes de uma tag e uma etiqueta inteligente na sua forma final.............29
Figura 2.6 – Tags passivas em UHF.........................................................................................30
Figura 2.7 – Leitora UHF (esquerda) e leitora de HF com sua antena em circuito impresso ..32
Figura 2.8 – Polarizações lineares (esquerda) e circular interagindo com uma tag linear .......34
Figura 2.9 – Exemplos de configurações de antenas de tag para as frequências de RFID ......35
Figura 2.10 – Componentes básicos de um sistema de RFID ..................................................35
Figura 2.11 – Representação dos sitemas full duplex, half duplex e sequencial no tempo ......36
Figura 2.12 – Alimentação de energia para a tag a partir do acoplamento magnético ............37
Figura 2.13 – Princípio de operação de uma tag com backscatter (reflexão) ..........................37
Figura 2.14 – Circuito equivalente de um sistema RFID com acoplado elétrico.....................38
Figura 2.15 – Família de padrões para cartões inteligentes com e sem contato.......................39
Figura 2.16 – Sistema de prateleiras inteligentes (GLOVER; BHATT, 2006)........................44
Figura 3.1 – Ford modelo T (WEBMOTORS, 2010) ..............................................................49
Figura 3.2 – Diagrama da casa do TPS ....................................................................................52
Figura 3.3 – Ilustração dos fundamentos do Seis Sigma Enxuto .............................................60
Figura 4.1 – Produto a ser rastreado nas prateleiras .................................................................66
Figura 4.2 – Estrutura de madeira para os testes iniciais..........................................................74
Figura 5.1 – Posições dos ganchos no aparato experimental de madeira.................................80
Figura 5.2 – Disposição da tag na embalagem, de acordo com o modelo................................82
Figura 5.3 – Sequência de testes em cada linha do aparato......................................................83
Figura 5.4 – Leiaute do protótipo desenvolvido para as prateleiras inteligentes .....................87
Figura 5.5 – Disposição das antenas nas prateleiras.................................................................88
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 5.1– Atividade de RF no ambiente..............................................................................78
Gráfico 5.2– Leitora desligada (esq.) e ligada (dir.), detectados pelo analisador de espectro .79
Gráfico 5.3– Distribuição de intensidade de sinal nos ganchos do aparato de testes...............81
Gráfico 5.4– Melhor resultado de cada leitora .........................................................................85
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Expressões para α e k para meios com perdas e sem perdas. ..............................21
Tabela 2.2 – Comparação entre tecnologias de identificação. .................................................23
Tabela 2.3 – Características e aplicações das faixas de frequência populares em RFID. ........27
Tabela 2.4 – Formato de um código EPC.................................................................................41
Tabela 4.1 – Pontos fortes das faixas de frequência HF e UHF para RFID.............................66
Tabela 4.2 – Tags selecionadas para os testes. .........................................................................68
Tabela 4.3 – Características das tags selecionadas para os testes. ...........................................69
Tabela 4.4 – Leitoras selecionadas para os testes.....................................................................71
Tabela 4.5 – Antenas selecionadas para os testes.....................................................................72
Tabela 5.1 – Níveis de potência do sinal em cada posição de gancho do aparato ...................80
Tabela 5.2 – Resultado do teste de cada combinação de leitora e tag no aparato ....................84
Tabela 5.3 – Resultado do teste de carga com antenas laterais ................................................88
Tabela 5.4 – Resultado do teste de carga com antenas na vertical...........................................89
Tabela 5.5 – Resultado do teste de estresse..............................................................................89
LISTA DE TERMOS E ABREVIATURAS
AAR – Sigla para Association of American Railroads. Associação da indústria ferroviária dos EUA.
ANSI – Sigla para American National Standards Institute. É uma organização privada sem fins lucrativos que administra e coordena o sistema de conformidade e padronização dos EUA.
CONTRAN – Acrônimo para Conselho Nacional de Trânsito do Brasil do Brasil.
dB – Abreviatura para Decibel, que é uma unidade logarítmica de medida que expressa a magnitude de uma grandeza física relativa a um determinado nível de referência.
dBm – Ganho em decibéis relativo a uma referência de 1 miliwatt.
CI – Circuito Integrado.
CRC16 – sigla para o termo em inglês Cyclic Redundancy Check, ou verificação de redundância cíclica. É um código detector de erros que gera um valor expresso em 16 bits em função de um bloco maior de dados.
DoD – Sigla para Department of Defense. Departamento de defesa dos EUA.
DSP – Sigla para Digital Signal Processor. Processador digital de sinais.
EAN – Sigla para European Article Numbering. Padrão de simbologia de código de barras usado na europa.
EAS – Sigla para Electronic Article Surveillance. Tecnologia para identificar roubo de produtos em lojas de varejo.
EIRP – Sigla para Effective Isotropic Radiated Power. É uma medida da potência da antena de uma leitora usada nos Estados Unidos, normalmente expressa em Watts. EIRP = 1.64 ERP.
EPC – Sigla para Electronic Product Code. Padrão para identificação única de produtos na cadeia de suprimentos.
ERP – Sigla para Effective Radiated Power. É uma medida da potência da antena usada na Europa, normalmente expressa em Watts.
ETSI – Sigla para European Telecommunications Standards Institute. Organização independente cuja missão é definir e regulamentar padrões de telecomunicações na Europa.
FCC – Sigla para Federal Communications Commission. Agência ligada ao congresso dos EUA para regular as comunicações via radio, televisão, cabo e satélite nos EUA.
GPRS – Sigla para General Packet Radio Service. Melhoria do sistema 2.5G para o sistema GSM que usa a tecnologia de transmissão por chaveamento de pacotes de dados.
HF – Sigla para High Frequency. Faixa de alta frequência que compreende a faixa de 3 MHz a 30 MHz, sendo 13.56 MHz a frequência típica usada em RFID nesta faixa.
HTTP – Acrônimo para Hypertext Transfer Protocol. Protocolo de transferência de hipertexto, utilizado para sistemas de informação distribuídos e colaborativos.
Inlay – Uma tag completamente montada em um substrato, ainda não pronta para o uso.
Inlet – Um inlay.
ISM – Sigla para Industrial, Scientific, and Medical. Sigla para a faixa de frequência de 2.4 GHz que é aceita mundialmente para uso em equipamentos da área industrial científica e médica.
ISO – Sigla para International Organization for Standardization. A ISO é uma entidade não governamental formada por rede dos institutos nacionais de padrões de 46 países, na base de um membro por país, com secretariado sediado em Genebra, na Suíça.
Joint venture – Associação de empresas, que pode ser definitiva ou não, com fins lucrativos, para explorar determinado(s) negócio(s), sem que nenhuma delas perca sua personalidade jurídica.
Lean – Palavra de origem inglesa cuja tradução literal é “enxuto”. Este termo vem sendo utilizado como uma metodologia para melhoria da eficiência de processos baseada na eliminação de tudo que for desnecessário ou que não agregue valor.
LF – Sigla para Low Frequency. Faixa de baixa frequência que compreende a faixa de 30 kHz a 300 kHz, sendo 125kHz a frequência típica usada em RFID nesta faixa.
OCR – Optical Character Recognition. Termo em inglês que significa reconhecimento óptico de caracteres.
POS – Ponto de venda ou ponto de serviço, do inglês: Point of Sale.
RF – Sigla para Rádio frequência.
RFID – Sigla para Identificação por Radiofrequência.
SINIAV – Sigla para Sistema Nacional de Identificação Automática de Veículos.
SKU – Sigla para Stock Keeping Unit. Unidade de manutenção em estoque.
SO – Sigla para Sistema operacional.
Tag – Etiqueta eletrônica que contém um microchip.
Transponder – uma tag que pode atuar tanto como transmissor como receptor. Na prática, é comum usar transponder como sinônimo de tag.
UCC – Sigla para Uniform Code Council. Organização que administrava o UPC nos EUA.
UHF – Sigla para Ultra High Frequency. Faixa de altíssima frequência que compreende a faixa de 300 MHz a 3 GHz, sendo 915 MHz a frequência típica usada em RFID para sistema UHF passivos nos EUA e Brasil, e 868 MHz na Europa. Para sistemas ativos, as frequências típicas são 315 MHz e 433 MHz.
UPC – Sigla para Uniform Product Code. Sistema popular de código de barras usado nos EUA.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................14
1.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................15
1.2 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO.........................................................................15
2 RFID...................................................................................................................................17
2.1 PROPRIEDADES DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS .........................................18
2.2 COMPARAÇÃO COM OUTRAS TECNOLOGIAS .....................................................22
2.3 ORIGEM DO RFID.........................................................................................................24
2.4 FAIXAS DE FREQUÊNCIA E TIPOS DE ACOPLAMENTO .....................................26
2.5 TAGS ...............................................................................................................................29
2.6 LEITORAS ......................................................................................................................31
2.7 ANTENAS.......................................................................................................................33
2.8 PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO DE RFID ......................................................................35
2.9 PADRÕES E PROTOCOLOS.........................................................................................38
2.10 APLICAÇÕES DE RFID ................................................................................................42
3 SUPRIMENTO ENXUTO ...............................................................................................46
3.1 FALTA DE ESTOQUE ...................................................................................................47
3.2 PRODUÇÃO EM MASSA..............................................................................................49
3.3 SISTEMA TOYOTA DE PRODUÇÃO..........................................................................51
3.4 SUPRIMENTO ENXUTO...............................................................................................55
3.5 SEIS SIGMA ENXUTO ..................................................................................................59
4 PROJETO DAS PRATELEIRAS INTELIGENTES....................................................61
4.1 METODOLOGIA UTILIZADA PARA PROJETO E TESTES .....................................61
4.1.1 Definição das variáveis técnicas de RFID .................................................................62
4.1.2 Análise das variáveis técnicas e da aplicação ...........................................................63
4.1.3 Escolha dos componentes e equipamentos................................................................63
4.1.4 Definição dos testes a serem realizados e critérios de avaliação .............................64
4.1.5 Realização dos testes ...................................................................................................64
4.1.6 Análise dos resultados.................................................................................................64
4.2 DEFINIÇÕES PRELIMINARES ....................................................................................64
4.2.1 Produto a ser monitorado...........................................................................................65
4.2.2 Frequência de operação..............................................................................................66
4.2.3 Padrão e protocolo ......................................................................................................67
4.3 ESCOLHA DOS COMPONENTES E EQUIPAMENTOS ............................................67
4.3.1 Tags...............................................................................................................................68
4.3.2 Leitoras.........................................................................................................................70
4.3.3 Antenas.........................................................................................................................71
4.3.4 Infra-estrutura de testes .............................................................................................72
4.4 DEFINIÇÃO DOS TESTES............................................................................................74
4.5 CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO......................................................................................75
5 TESTES .............................................................................................................................76
5.1 TESTE PARA ESPECIFICAÇÃO DO LAYOUT DAS PRATELEIRAS .....................76
5.2 AVALIAÇÃO DO AMBIENTE .....................................................................................77
5.3 AVALIAÇÃO DO NÍVEL DE RUÍDO DE RF NO AMBIENTE .................................78
5.4 MEDIÇÃO DO NÍVEL DE POTÊNCIA NA ÁREA DE COBERTURA......................79
5.5 TESTE DE POSICIONAMENTO E ORIENTAÇÃO DAS TAGS................................81
5.6 TESTES DE CARGA ......................................................................................................86
5.6.1 Testes com antenas nas laterais do móvel .................................................................87
5.6.2 Testes com antenas na parte superior e inferior do móvel......................................88
5.7 TESTE DE ESTRESSE DO PROTÓTIPO DA PRATELEIRA .....................................89
6 CONCLUSÃO...................................................................................................................91
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................93
ANEXOS .................................................................................................................................96
ANEXO A – FABRICANTES DE PRODUTOS PARA RFID ..........................................97
ANEXO B – FONTES DE INFORMAÇÃO SOBRE RFID...............................................98
ANEXO C – TRABALHO APRESENTADO NO WIRELESS SYSTEMS
INTERNATIONAL MEETING 2010...................................................................................99
14
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, no mundo corporativo moderno, as empresas buscam de forma
sistemática atingir o máximo de eficiência operacional, através da redução dos custos e
investimentos e do aumento do faturamento. A qualidade é um fator importante nesta busca,
porque tanto ela afeta a percepção de valor dos clientes como ela também pode trazer muitos
prejuízos se apresentar falhas. Portanto, toda a cadeia de suprimentos desempenha um papel
crucial no resultado de uma empresa.
Huber e Michael (2009) mostram que a falta de produtos em estoque é uma
questão crucial na logística de fabricantes e varejistas, podendo levar a perdas enormes no
volume de vendas. Os prejuízos afetam tanto os varejistas quanto os fabricantes dos produtos,
fazendo com que ambos busquem soluções que evitem este problema.
Este trabalho se propõe a realizar um estudo sobre a tecnologia de identificação
por radiofrequência (Radio Frequency Identification – RFID), fazer uma análise de suas
várias aplicações e, mais especificamente, analisar a viabilidade de sua utilização como uma
solução tecnológica para o fenômeno de falta de estoque de produtos no varejo. Desta forma,
a tecnologia de RFID poderia atuar como uma forte aliada ao Sistema Enxuto da cadeia de
suprimentos (Lean Supply).
A tecnologia RFID fornece um mecanismo para identificação de itens à distância.
RFID é um sistema de identificação automática que faz uso da eletrônica para armazenar
informação e transportá-la através de ondas de rádio (GLOVER; BHATT, 2006). Utilizando
esta tecnologia, cada produto pode ser identificado unicamente, permitindo saber qual o tipo
de produto, fabricante e número de série, além de outros dados que o fabricante julgue
necessários.
O sistema de Suprimento Enxuto é baseado na metodologia Lean (enxuto), que é
uma base de conhecimento e ferramentas que as empresas usam para remover qualquer tempo
e atividades desnecessários de seus processos.
De forma sucinta e geral, os benefícios do Sistema Enxuto são: remoção de
atividades desnecessárias, redução de perdas, diminuição de prazos de entrega, redução de
inventário, diminuição do tempo de ciclo, melhoria do fluxo de caixa, minimização de tempo
parado, redução de defeitos e erros, melhoria da produtividade e melhoria da satisfação do
cliente.
15
1.1 OBJETIVOS
O objetivo central deste trabalho é o estudo da tecnologia de Identificação por
Radiofrequência (RFID) e a verificação da viabilidade do seu uso em prateleiras inteligentes
como forma de reduzir o problema de falta de estoque de um determinado produto no varejo,
contribuindo para a formação de um sistema de Suprimento Enxuto.
Para esta análise, será desenvolvido um protótipo de prateleiras inteligentes com a
tecnologia de RFID, envolvendo a análise de vários modelos de dispositivos e equipamentos,
bem como as definições do layout do protótipo. O desenvolvimento do protótipo físico das
prateleiras e os testes realizados utilizarão uma metodologia que também será desenvolvida
especificamente para este estudo de caso.
Baseado nos vários testes de configuração e desempenho, será então feita a análise
dos resultados obtidos. A viabilidade do protótipo desenvolvido será confirmada caso o
protótipo consiga atingir a cobertura plena de todos os itens presentes na prateleira, o que
comprovará que a informação fornecida por este sistema é precisa e confiável, que são as
premissas básicas para as informações necessárias a um sistema de Suprimento Enxuto.
1.2 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
Após a introdução feita neste Capítulo 1, será apresentada no Capítulo 2 a
tecnologia de identificação por radiofrequência – RFID. Serão apresentados os fundamentos
teóricos desta tecnologia, bem como os principais componentes necessários para um sistema
de prateleiras inteligentes, detalhando as características e especificidades de cada um. Neste
capítulo serão apresentadas ainda algumas aplicações de RFID. No Capítulo 3, será feita uma
introdução ao sistema de Suprimento Enxuto, onde será apresentada toda a evolução desta
base de conhecimento, desde o seu surgimento, baseado nos primórdios da produção em larga
escala que surgiu no início do século passado, até suas aplicações mais recentes nas grandes
indústrias.
No Capítulo 4 será descrito o desenvolvimento do projeto das prateleiras
inteligentes com RFID, iniciando pela metodologia de desenvolvimento, juntamente com a
16
metodologia dos testes a serem realizados para avaliarem o seu desempenho e a viabilidade de
aplicação em um Sistema Enxuto. Em seguida, serão apresentadas as várias etapas
desenvolvidas para a escolha dos componentes mais adequados para as prateleiras inteligentes
com RFID, chegando à concepção do protótipo final que será usado nos testes.
Os testes serão abordados no Capítulo 5, que apresentará todos os procedimentos
realizados para verificar o desempenho do protótipo desenvolvido, bem como todos os
resultados dos testes realizados.
As conclusões deste trabalho e perspectivas de trabalhos futuros serão
apresentadas no Capítulo 6.
17
2 RFID
O termo RFID é um acrônimo para a tecnologia de identificação por
radiofrequência, oriunda da sigla em inglês para Radio Frequency Identification. Como será
visto ao longo desta dissertação, várias expressões da língua inglesa são misturadas com
expressões em português nesta tecnologia. Até mesmo a sigla apresenta uma “confusão”: ela é
pronunciada metade em inglês e metade em português (usualmente, RFID lê-se: erre-efe-ái-
di).
A tecnologia de identificação por radiofrequência usa ondas de rádio para
identificar objetos de forma automática, sejam seres vivos ou objetos inanimados. Outra
definição, dada por Glover e Bhatt (2006), descreve RFID como um sistema de identificação
automática que faz uso da eletrônica para armazenar informação e transportá-la através de
ondas de rádio.
RFID é um dos tipos de tecnologia de identificação pelo qual um objeto pode ser
identificado automaticamente (LAHIRI, 2005). Outros exemplos de tecnologias de
identificação automática são: código de barras, sistemas de identificação biométrica (pela
impressão digital, voz, geometria da mão e retina), cartões inteligentes de contato (smart
cards) e reconhecimento ótico de caracteres.
Para ilustrar melhor a palavra “identificação”, veja o seguinte exemplo: cartuchos
de tinta para impressoras. Embora dois cartuchos do mesmo modelo presentes em uma mesma
loja aparentem ser idênticos, várias diferenças podem ser apontadas, como: local de
fabricação (um deles pode ter sido produzido na Malásia e o outro no Japão); as datas de
validade; o número do pedido que o varejista solicitou os produtos ao distribuidor; as datas de
entrega dos cartuchos na loja; etc. Ao ser usada no contexto de RFID, a palavra identificação
se refere à unicidade de um objeto, permitindo distingui-lo de outro similar, mesmo que seja
do mesmo fabricante, modelo e lote de fabricação.
18
2.1 PROPRIEDADES DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
Algumas propriedades das ondas eletromagnéticas se propagando no espaço
aberto estabelecem a base necessária para compreender melhor os problemas de propagação e
antenas relacionados à RFID.
A existência de propagação de ondas eletromagnéticas foram previstas pelas
equações de Maxwell, que especificam as relações entre as variações do vetor campo elétrico
E e o vetor campo magnético H no tempo e no espaço em um determinado meio. Como os
problemas nas aplicações sistêmicas de RFID raramente exigem as equações de Maxwell para
resolvê-los, pode-se resumir as quatro equações de Maxwell conforme descrevem Saunders e
Aragon (2007): Um campo elétrico é produzido por um campo magnético variante no tempo. Um campo magnético é produzido por um campo elétrico variante no tempo ou por uma corrente. Linhas de campo elétrico podem começar e terminar nas cargas ou são contínuas. Linhas de campo magnético são contínuas.
As duas primeiras, as equações espirais de Maxwell, apresentam duas constantes
relacionadas ao meio que influem nas intensidades dos campos. São a constante de
permeabilidade do meio μ (H.m-1) e a constante de permissividade do meio ε (F.m-1).
Normalmente, elas são expressas em relação ao vácuo:
rμμμ .0= rεεε .0=
em que μ0 e ε0 são os valores no vácuo: 17
0 .104 −−= mHxπμ
19
120 .
361010854,8 −
−− ≈= mFx
πε
e μr e εr são os valores relativos (μr = εr = 1 no vácuo).
Existem várias soluções para as equações de Maxwell e todas elas representam
campos que poderiam ser reproduzidos na prática. Entretanto, todas elas podem ser
representadas como um somatório de ondas planas, que representam a solução variante no
tempo mais simples possível (SAUNDERS; ARAGON, 2007), conforme mostrado na Figura
2.1.
19
Figura 2.1 – Onda plana se propagando no espaço em um dado instante de tempo
Os campos elétrico e magnético são perpendiculares entre si e com a direção de
propagação da onda, que é ao longo do eixo z. O vetor nesta direção é o vetor de propagação
ou vetor de Poynting. Os dois campos estão em fase em qualquer ponto no tempo e no espaço.
O campo elétrico oscilante produz um campo magnético, que por sua vez oscila, recriando um
campo elétrico e assim por diante. Esta interação entre os dois campos armazena energia e
então transmite potência ao longo do vetor de Poynting. A variação ou modulação das
propriedades da onda (amplitude, frequência ou fase) então permite que a informação seja
transmitida na onda entre sua fonte e o destino, que é o objetivo central dos sistemas de
comunicação por radiofrequência.
Os vetores dos campos seriam senoidais com amplitude constante, caso o meio
não apresentasse perdas. Devido ao decaimento exponencial do campo, Saunders e Aragon
(2007) sugerem que é conveniente representar a amplitude e a fase da onda usando números
complexos, já que a onda varia senoidalmente tanto em relação ao tempo como à distância,
resultando nas equações para os campos:
xeE kzwtj ˆ)(0
−=Ε
yeH kzwtj ˆ)(0
−=Η
em que E0 e H0 são a amplitude dos campos elétrico e magnético, respectivamente, w = 2π f é
a frequência angular, t é o tempo decorrido, k é o número de onda, z é a distância no eixo z, e
x e y são vetores unitários na direção positiva dos eixos x e y, respectivamente. O número
de onda representa a taxa de mudança da fase do campo com a distância, que, para o
comprimento de onda λ, a fase da onda varia de 2π. Portanto:
λπ2
=k
20
O vetor de Poynting S, medido em watts por metro quadrado, define a magnitude
e a direção do fluxo de potência transmitido pela onda por metro quadrado de área paralela ao
plano xy, ou seja, a densidade de potência da onda. Seu valor instantâneo é dado por:
S = E x H*
Usualmente, é necessária apenas a média do fluxo de potência em um período:
zHESav ˆ21
00=
O vetor de direção na equação acima enfatiza que E, H e Sav formam a regra da
mão direita, conforme mostrado na figura abaixo:
Figura 2.2 – Regra da mão direita para identificar a direção do vetor de Poynting
A velocidade de um ponto de fase constante na onda, que define a velocidade v na
qual as frentes de onda avançam na direção S, é dada por:
με1
==kwv
Como k é definido em função do comprimento de onda, então este é dado por:
fv
=λ
No vácuo, a velocidade de fase se torna:
smxcv /1031 8
00≈==
εμ
Quando o meio apresenta condutividade elétrica significativa, a amplitude da onda
diminui com a distância percorrida, pois a energia é removida da onda e convertida em calor.
Portanto, as equações para os campos podem ser substituídas por:
xeE zkzwtj ˆ))([0
α−−=Ε
yeH zkzwtj ˆ])([0
α−−=Η
21
em que α é a constante de atenuação, que depende da permeabilidade e da
permissividade do meio, da frequência da onda e da condutividade elétrica do meio σ,
conforme mostrado na Tabela 2.1. Juntas, σ, μ e ε são conhecidas como os parâmetros
constituintes do meio.
Em consequência, as intensidades dos campos elétrico e magnético diminuem
exponencialmente à medida que a onda avança pelo meio. A distância que a onda atravessa o
meio até atingir uma redução no campo de e-1 = 36,8% do seu valor inicial é chamada de
profundidade pelicular δ, que é dada por:
αδ 1=
Portanto, a amplitude da intensidade do campo elétrico em um ponto z comparado
com seu valor em z = 0 é dada por:
)()0()( δ
z
eEzE =
Na Tabela 2.1 são apresentadas as expressões para α e k que se aplicam tanto para
um meio sem perdas como para um meio com perdas.
Tabela 2.1 – Expressões para α e k para meios com perdas e sem perdas.
n = ck/w em todos os casos
Expressão exata Isolante (σ/ωε)2 « 1
Condutor (σ/ωε)2 » 1
Constante de atenuação α [m-1] ⎥
⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
∈+
∈ 112
2
ωσμω
∈≈
μσ2
2
ωμσ≈
Número de onda k [m-1] ⎥
⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
∈+
∈ 112
2
ωσμω
∈≈ μω 2ωμσ
≈
Impedância da onda Z [Ω] ∈+ ωσ
ωμj
j
∈≈
μ )1(
2j+≈
σωμ
Comprimento de onda λ [m] k
π2
∈≈
μωπ2
ωμσ
π 22≈
Velocidade de fase ν [m.s-1] k
ω
∈≈
μ1
μσω2
≈
Com o campo predominantemente magnético presente na antena, um acoplamento
indutivo pode ser feito nas proximidades da antena. A uma distância de λ/2π, o campo
eletromagnético começa a se separar da antena e se propaga no espaço na forma de uma onda
22
eletromagnética (FINKENZELLER, 2003). A região entre a antena até o ponto onde o campo
eletromagnético está se formando é denominada de campo próximo (near field) da antena. A
partir do ponto onde o campo eletromagnético está totalmente formado e se separa da antena,
é chamado de campo distante (far field). Na região do campo próximo, a intensidade do
campo magnético decai com a distância em 60 dB por década de distância, já que a
intensidade do campo decai com a distância d pela relação de 1/d3. No campo distante, esta
taxa cai para 20 dB por década, já que a intensidade do campo passa a variar com a distância
pela razão de 1/d, pois nessa região se dá apenas a atenuação do espaço livre..
2.2 COMPARAÇÃO COM OUTRAS TECNOLOGIAS
O código de barras é, provavelmente, o tipo de identificação automática de
produtos mais utilizado (GLOVER; BHATT, 2006). Um dos motivos é o seu custo, que é o
mais barato de todos, conforme mostrado na Tabela 2.2. Os códigos de barras apresentam a
vantagem de serem rápidos e precisos de serem lidos, chegando a uma taxa de erro de apenas
1 em 3 milhões de leituras (LAHIRI, 2005). Outra vantagem é o custo da etiqueta, que é
facilmente gerada por impressoras relativamente simples e baratas utilizando apenas papel ou
etiquetas adesivas. Por outro lado, as etiquetas são sensíveis à sujeira, tinta, umidade e
descoloração pela ação do sol. Além disso, o código de barras exige visada direta entre a
leitora e a etiqueta, pois qualquer obstáculo entre eles inviabiliza a leitura.
A biometria é definida como a ciência dos procedimentos de contagem e medição
de características físicas que envolvem os seres vivos (FINKENZELLER, 2003). Nas
aplicações de identificação de seres humanos, a biometria apresenta algumas vantagens
interessantes. A unicidade de traços biométricos permite uma identificação eficaz, impede que
uma pessoa se passe por outra e não precisa de etiquetas ou outros objetos associados à
pessoa. Entretanto, a identificação biométrica é a mais lenta e a que exige um maior custo de
implantação do sistema, como pode ser observado na Tabela 2.2, que sumariza a comparação
entre RFID e outras tecnologias de identificação, ficando claras as vantagens de RFID sobre
elas.
RFID vem se destacando como uma das melhores ferramentas para automação da
cadeia produtiva. Conforme descrevem Lee, Cheng e Leung (2004), o impacto da automação
23
do processo de abastecimento da prateleira apresenta-se como uma política realmente
importante para a otimização do escoamento de produtos na ponta da cadeia, melhorando a
vazão e, consequentemente melhorando todo o ciclo produtivo. De imediato, percebe-se a
minimização de problemas trazidos pelo fator humano nas verificações periódicas de
inventário, permite prateleiras com dimensões reduzidas e uma forma mais rápida e mais
precisa de manter os estoques em níveis adequados para cada empresa (BHADRACHALAM;
CHALASANI; BOPPANA, 2009).
Tabela 2.2 – Comparação entre tecnologias de identificação.
Parâmetro Código de barras OCR1 Biometria Cartão de
contato RFID
Quantidade de dados (bytes) 1-100 1-100 - 16-64 K 16-64 K
Densidade de dados Baixa Baixa Alta Muito alta Muito alta
Legibilidade por máquina Boa Boa Cara Boa Boa
Legibilidade por humanos Limitada Fácil Difícil Impossível Impossível
Influência de sujeira Muito alta Muito alta - Possível Não influencia
Obstáculo visual Causa falha Causa falha Possível - Não influencia
Sensibilidade à orientação Baixa Baixa - Unidirecional Não influencia
Degradação Limitada Limitada - Contatos Não influencia Custo de
implantação Muito baixo Médio Muito alto Baixo Médio
Custo de manutenção Baixo Baixo Nenhum Médio Nenhum
Adulteração Razoável Razoável Raro Impossível Impossível Velocidade de leitura2 4 s 3 s 5-10 s 4 s 0,5 s
Alcance 50 cm < 1 cm 0-50 cm 0 cm 5 m
1 Reconhecimento óptico de caracteres, do inglês Optical Character Recognition 2 A velocidade de leitura considera o processo completo, incluindo o tempo para pegar o produto e orientá-lo, se
necessário.
24
2.3 ORIGEM DO RFID
De acordo com Dobkin (2008), a identificação por radiofrequência tem sua
origem no início da segunda guerra mundial. A Luftwaffe, força aérea alemã, usava uma
manobra em círculo para gerar um pulso nos radares alemães, se distinguindo em relação aos
inimigos. Esta reflexão difusa do sinal do radar recebe a designação em inglês de backscatter.
Neste caso, esta era uma comunicação de sinal de radiofrequência (de 1 bit de informação)
refletido de forma passiva, já que o objeto identificado não possui um transmissor de RF
(Rádio Frequência). Ao final desta guerra, as aeronaves já tinham evoluído para sistemas
ativos com 2,5 bits de informação, gerando 6 códigos de identificação distintos. Estes
sistemas são denominados IFF (Identification Friend or Foe). Em meados dos anos 50,
surgiram os transponders, que ainda são usados atualmente na aviação. Estes transponders
modernos são interrogados por um par de pulsos em 1030 MHz e respondem em 1090 MHz,
com 12 bits de identificação.
Além de Dobkin (2008), Manish e Shahram (2005) também relatam a evolução
histórica da tecnologia RFID, conforme é descrito a seguir. Na década de 60, surgem as tags
com 1 bit de informação, que são usadas ainda hoje para prevenir o roubo de produtos em
lojas. Estas tags são construídas com uma tira de metal sensível ao campo magnético, que
apresenta ressonância mecânica na frequência de operação do interrogador, extraindo energia
de sua antena. Uma segunda tira, cuja magnetização pode ser alterada, é colocada adjacente à
primeira, permitindo que a tag seja dessintonizada quando o produto for comprado.
Na década de 70, após o surgimento dos transistores e da microeletrônica,
começaram a surgir as primeiras pesquisas de uso de UHF para identificação. Uma tag com
maior capacidade de identificação e relativamente barata, sem a necessidade de bateria, podia
ser construída usando um circuito ressonante composto de um capacitor e um indutor, que
juntos determinam a frequência na qual certa corrente flui na tag atavés de um acoplamento
indutivo. Retificando esta corrente, a alimentação da tag é obtida. O sinal emitido pela fonte
também pode ser modulado pela tag, através da variação de sua carga vista pelo transmissor,
gerando uma sinalização passiva.
25
No final da década de 80, foi estabelecido o padrão S-9183 pela associação da
indústria ferroviária amerciana – AAR – para identificação de vagões nos EUA, baseado nas
tags passivas operando na faixa ISM (Industrial, Científica e Médica) de 902 a 928 MHz. Em
1994, praticamente todos os vagões estavam equipados com tags S-918.
Em 1989, foi implementado com sucesso o sistema automatizado de pedágio em
Dallas, nos EUA. Este sucesso incentivou a criação do grupo E-Zpass em 1990 para promover
o pedágio automatizado no leste dos EUA. Em seguida, sistemas similares foram
implementados em Oklahoma (em 1991) e Califórnia (em 1992).
Após a guerra do Iraque em 1991, o Departamento de Defesa dos EUA começou a
utilizar RFID para localizar, identificar e proteger os containers usando transponders ativos
no padrão ANSI 371.2 em 433 MHz (ISO 18000-7). Outra solução similar para uso comercial
foi desenvolvida, operando em 2,4 GHz, baseado no padrão ANSI 371.1.
Ainda na década de 90, surgiram os padrões para cartões de identificação de
pessoas e cartões de crédito, tipicamente os padrões ISO 14443 e ISO 15693.
O grande número de padrões proprietários e incompatíveis, juntamente com o alto
custo das tags (entre US$ 1,00 e US$ 3,00) ainda inviabilizavam seu uso pela cadeia de
suprimentos do varejo. Pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology – MIT –
idealizaram então o EPC (sigla em inglês para código eletrônico de produto), para identificar
cada produto fabricado. Apoiado pela indústria, o MIT lançou em 1999 o Auto-ID Center, que
somou esforços nos anos seguintes com universidades na Inglaterra (Cambridge), Austrália
(Adelaide), Japão (Keio e Fujan) e suíça (St. Gallen).
Através dos laboratórios do Auto-ID, vários conceitos e recomendações foram
definidos paro o uso amplo de RFID. Eles enfatizaram as tags na faixa de 900 MHz como o
melhor compromisso entre custo, alcance de leitura e recursos. Duas empresas iniciantes,
Matrics (comprada pela Symbol e depois pela Motorola) e a Alien Technologies, se
envolveram entre 2000 e 2002, unindo os conceitos do Auto-ID com suas próprias
tecnologias, criando os primeiros padrões de interface aérea de “primeira-geração” para as
tags classe 0 e classe 1.
Motivado pela necessidade de maior disseminação da tecnologia de RFID e de
expandir além do ambiente acadêmico, foi criada a EPCglobal em 2003, como uma joint
venture das organizações que administravam a identificação por código de barras em produtos
3 A especificação S-918 define 10 frequências entre 902,25 e 921,5 MHz com potência de transmissão de 2
Watts nas leitoras.
26
de varejo na época: a americana UCC (Uniform Code Council) e a européia EAN
International (European Article Numbering). Elas adotaram o nome GS1 em 2005 para refletir
sua consolidação, simbolizando um padrão global, um sistema global e uma organização
global. Uma das primeiras ações da EPCglobal foi a criação do novo protocolo para a
interface aérea de tags passivas UHF. Os antigos padrões Classe 0 e Classe 1 definiam o uso
de EPC para identificação e usavam a mesma faixa de frequência, mas definiam protocolos
completamente diferentes. O novo protocolo criado no final de 2004 pela EPCglobal foi
denominado EPC Geração 2, ou EPC Gen2.
Na mesma época da criação da EPCglobal, a maior cadeia de supermercados do
mundo, Wal-Mart, definiu que seus 100 maiores fornecedores deveriam colocar tags em todos
os paletes entregues à sua rede até janeiro de 2005. Os 100 maiores fornecedores seguintes
deveriam atender esta exigência até janeiro de 2006. Apesar da ousadia para a época, estas
exigências foram cumpridas e o investimento se justificou. O Departamento de Defesa dos
EUA, que já havia usado RFID no rastreamento de containers, também deliberou que
embalagens com produtos de alto valor deveriam receber tags em 2006.
2.4 FAIXAS DE FREQUÊNCIA E TIPOS DE ACOPLAMENTO
RFID usa ondas de rádio que estão geralmente entre as frequências de 30 kHz e
5.8 GHz (LAHIRI, 2005). Conforme os sistemas foram evoluindo e os padrões foram
estabelecidos, algumas faixas mais específicas foram adotadas para utilização. As faixas de
frequência mais comumente encontradas são 125/134 kHz, 13,56 MHz, 860-960 MHz e 2,4-
2,45 GHz. Leitoras e tags na faixa de 900 MHz e em 2,4 GHz são ambas da banda de ultra-
alta frequência (UHF), que termina formalmente em 3 GHz, mas para fazer uma distinção
conveniente entre os dois, as leitoras e tags de 900 MHz são normalmente chamados de
dispositivos de UHF, enquanto as de 2,4 GHz são conhecidas como leitoras de microondas
(DOBKIN, 2008). Na Figura 2.3 é ilustrado o espectro de frequência usado em RFID e os
tipos de acoplamento usuais para cada faixa.
A forma de transmissão do sinal de RFID é particular para cada faixa de
frequência. Isto implica que diferentes aplicações podem exigir diferentes frequências e,
conseqüentemente, equipamentos distintos.
27
Figura 2.3 – Bandas de frequência de RFID
Tipicamente, o acoplamento indutivo (campo magnético) é utilizado nas faixas de
frequência LF e HF. O acoplamento capacitivo (campo elétrico) é tipicamente usado na faixa
de frequência de 900 MHz e em UHF.
Tabela 2.3 – Características e aplicações das faixas de frequência populares em RFID.
Frequência Principais características Aplicações
LF
abaixo de 135 KHz
• Amplamente utilizada desde década de 80 • Funciona bem com líquido e metal • Menor velocidade de transferência de dados • Alcance na faixa de centímetros
• Identificação de animais • Automação industrial • Controle de acesso
HF
13,56 MHz
• Amplamente usada desde década de 90 • Padrões mundiais populares • Alcance maior que a de LF (mais de 1 metro) • Custo das tags menor que as de LF • Desempenho limitado na presença de metais
• Cartões de crédito e fidelidade (smart cards) • Controle de acesso • Combate à falsificação • Várias aplicações de rastreamento de itens
como livros, bagagem, vestuário, etc • Prateleiras inteligentes • Identificação e monitoração de pessoas
UHF
433 MHz e 860-930
MHz
• Em uso desde final da década de 90 • Alcance maior que a de HF (mais de 3 metros)• Alcance longo para sistemas ativos em 433
MHz (até centenas de metros) • Ganhando força devido às exigências de
cadeias de suprimentos de varejistas globais • Potencial de oferecer os tags mais baratos • Problemas de incompatibilidade entre
regulamentações locais • Suscetibilidade de interferência de líquido e
metal
• Cadeia de suprimentos e logística: Controle de estoque Gerenciamento de depósitos Rastreamento de bens
Microondas
2,45 e 5,8 GHz
• Em uso por várias décadas • Transferência de dados rápida • Comum nos modos ativo e passivo • Faixa de alcance similar a UHF • Pior desempenho com líquido e metal
• Controle de acesso • Coleta eletrônica de pedágio • Automação industrial
28
Baixas frequências são ideais em situações onde a tag precisa ser lida através de
materiais que contenham líquidos ou partes metálicas. Com o aumento da frequência, as
ondas de rádio passam a ter um comportamento semelhante ao da luz, ou seja, elas não
passam com facilidade por alguns materiais e são refletidas por alguns outros. Sinais na faixa
de UHF são facilmente absorvidos por líquidos 0, já que a profundidade pelicular δ diminui
com o aumento da frequência, conforme visto no item 2.1. Isso se constitui em um dos
grandes desafios da indústria de RFID/UHF. As principais características e aplicações para
cada faixa de frequência são mostradas na Tabela 2.3.
Cada país possui uma entidade regulatória do uso das faixas de frequência,
incluindo a concessão de faixa, o nível de potência permitido em cada faixa, tipo de
modulação, etc. No Brasil, a Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações) é o órgão
responsável por regular o uso de radiofrequência. Nos Estados Unidos, é a Federal
Communications Commission (FCC), vários países da comunidade européia são regidos pela
European Telecommunications Standards Institute (ETSI), e assim por diante.
O ambiente regulatório mundial na faixa de 860-960 MHz é muito complexo.
Conforme pode ser observado na Figura 2.4, cada país fez escolhas diferentes de uso desta
faixa para acomodar a operação da telefonia celular e outras aplicações importantes. Por outro
lado, a banda de 2,4-2,45 GHz é disponível para operação sem licença em praticamente todo
lugar, apesar de apresentar mais interferência por causa da sua utilização excessiva.
Figura 2.4 – Alocações de banda no mundo para RFID em UHF
29
2.5 TAGS
Uma tag de RFID é um dispositivo que pode armazenar e transmitir dados para
uma leitora sem a necessidade de contato, usando ondas de rádio (LAHIRI, 2005).
Usualmente, a tag também é chamada de transponder, derivado dos termos em inglês
transmitter e responder (transmissor e respondedor) (MANISH; SHAHRAM, 2005). O
propósito de uma tag de RFID é anexar fisicamente a um objeto os dados pertinentes a ele.
Desta forma, pode-se chamar a tag de etiqueta eletrônica.
Fisicamente, uma tag passiva é formada por um microchip conectado a uma
pequena antena. Tipicamente, este arranjo é montado em um substrato de plástico ou papel. A
tag neste formato bruto é chamada de inlay ou inlet e posteriormente pode ser transformada
em etiquetas, cartões ou outro formato que melhor se adapte ao tipo de aplicação final. Na
Figura 2.5 é mostrada a representação de uma tag.
Figura 2.5 – Componentes de uma tag e uma etiqueta inteligente na sua forma final
Há dois tipos básicos de chips encontrados nas tags de RFID: somente-leitura
(read-only) e leitura-escrita (read-write) (MANISH; SHAHRAM, 2005). Chips do tipo
somente-leitura são programados com dados gravados no momento da fabricação e essas
informações não podem ser alteradas posteriormente. Com chips do tipo leitura-escrita, o
usuário pode adicionar informações às tags ou sobrescrever as existentes quando a tag se
encontra dentro da zona de alcance de uma leitora. Chips leitura-escrita são mais caros que os
do tipo somente-leitura. Outro método bastante utilizado é chamado de WORM (write once
read many). Este tipo de chip permite que uma tag seja gravada uma única vez pelo usuário e
30
depois permaneça em estado somente-leitura. A capacidade de armazenamento de um chip
varia bastante de modelo para modelo.
Outro tipo de classificação das tags é baseado no tipo de alimentação utilizado em
seus circuitos, que pode ser obtida a partir do sinal recebido das antenas da leitora ou pode
fazer uso de uma bateria interna. Dependendo da fonte de energia, as tags podem ser
classificadas como ativas, passivas e semi-ativas (ou semi-passivas) (LAHIRI, 2005).
As tags ativas têm uma fonte de alimentação interna que é usada para ativar os
circuitos do microchip e para enviar o sinal de resposta à leitora. Esse tipo de tag pode ser lido
a grandes distâncias e consegue responder a sinais bastante atenuados. Algumas tags ativas
podem atingir um alcance de centenas de metros.
As tags passivas não possuem uma fonte de alimentação própria e precisam retirar
energia do campo eletromagnético criado pelo sinal propagado em torno das antenas da
leitora. A tag utiliza esta energia para alimentar todo o seu circuito e também para enviar o
sinal de resposta à leitora. Isso limita o seu alcance a pouco mais de 3 metros. Como não usa
bateria e sua constituição é basicamente o microchip e a antena, este tipo de tag é a opção
mais barata para rastreamento de produtos na cadeia de suprimentos. Na Figura 2.6 são
ilustrados alguns modelos de tags passivas UHF.
Figura 2.6 – Tags passivas em UHF
31
As tags semi-ativas (ou semi-passivas) usam uma bateria interna para alimentar o
circuito do microchip, mas, para comunicação, retiram energia do sinal originado na leitora.
Este tipo de projeto permite o aumento do alcance de leitura que pode chegar a 30 metros em
condições ideais usando a modulação refletida (backscatter) em UHF e microondas. A
energia extra permite também uma memória com maior capacidade de armazenamento e mais
poder de processamento (LAHIRI, 2005).
Cada tipo de tag apresenta uma necessidade mínima de energia para responder
adequadamente à leitora. Dependendo do tipo e do padrão aos quais ela pertença, existe uma
especificação neste sentido. Por exemplo, Sweeney (2005) descreve que a energia mínima
necessária para ler uma tag EPC é na ordem de 100 microwatts ou -10 dBm.
2.6 LEITORAS
As leitoras de RFID, também chamadas de interrogadores, são equipamentos que
podem ler e escrever dados de tags compatíveis com seu sistema (LAHIRI, 2005). Portanto,
apesar do nome, uma leitora de RFID também tem a capacidade de escrever na tag, caso ela
tenha este recurso. Operações de leitura e escrita na tag são executadas usando o princípio
mestre-escravo (FINKENZELLER, 2003). A leitora assume o papel de mestre e a tag apenas
responde aos comandos da leitora.
De forma resumida, os componentes básicos de uma leitora são o sistema de
controle e o sistema de RF, formado pelo receptor e pelo transmissor. O transmissor deve ser
preciso, eficiente, e transmitir dentro da faixa de frequência permitida. O receptor deve ter boa
sensibilidade, seletividade e detectar uma faixa extremamente ampla de sinal. Ambos devem
ser flexíveis. Como as leitoras de RFID normalmente trabalham nas faixas de frequências não
licenciadas, elas devem implementar saltos de frequência (frequency hopping) e outros
recursos de minimização de interferências.
Uma leitora de RFID que se comunica com tags passivas ou semi-passivas deve
operar no modo full duplex, pois deve transmitir uma onda contínua (para que a tag possa
enviar o sinal refletido) enquanto recebe a resposta da tag simultaneamente. Para minimizar a
interferência do transmissor no receptor da leitora, antenas distintas podem ser usadas para a
transmissão do campo da leitora e para a recepção do sinal da tag. Este tipo de configuração
32
de antenas da leitora é chamado de bi-estático. Em aplicações mais sensíveis a custo e
tamanho, uma única antena pode ser utilizada, formando a configuração mono-estática, em
que a mesma antena transmite e recebe. Neste caso, o receptor deve tratar o forte sinal do
transmissor ao qual ele será exposto (DOBKIN, 2008). Outra variação de configuração é o
tipo multi-estático, que é uma mistura das configurações mono e bi-estático. O tipo multi-
estático tem as suas antenas trabalhando em pares: durante um determinado intervalo de
tempo uma antena transmite e outra recebe. No intervalo de tempo seguinte, elas invertem sua
função (DEAVOURS, 2006).
Nas leitoras de RFID, a taxa de transmissão de dados é tipicamente inferior a 100
kbps. A taxa de dados recebidos das tags é um pouco maior: 640 kbps para tags EPC Gen2,
que operam na frequência central de 915 MHz (DOBKIN, 2008). Estas taxas definem a banda
base de modulação da portadora. Como as leitoras de RFID recebem um sinal refletido como
resposta das tags, os rádios dos receptores de UHF normalmente são do tipo homodino
(homodyne), que não utilizam uma frequência intermediária entre a modulação e a portadora,
se tornando mais simples e baratas.
As leitoras mono-estáticas empregam componentes de microondas específicos,
como circuladores e acopladores direcionais, que são capazes de selecionar os sinais baseados
em sua direção.
Depois de recebido, o sinal emitido pela tag passa do módulo de RF para o
módulo de controle, onde é digitalizado e submetido a um processador digital de sinais para
que seja decifrado. O receptor deve amostrar o sinal adequadamente, apesar da base de tempo
irregular da tag. Esquemas simples empregam comparação de blocos em um número fixo de
pontos super-amostrados. Abordagens mais sofisticadas, principalmente em sistema UHF,
usam correlacionadores deslizantes e a Transformada Rápida de Fourier nos dados.
Figura 2.7 – Leitora UHF (esquerda) e leitora de HF com sua antena em circuito impresso
33
As especificações principais de uma leitora são: sua faixa de frequência de
operação, os protocolos de dados e de interfaces aéreas suportados (a serem descritos mais
adiante) e o tipo de configuração suportada para suas antenas. Na Figura 2.7 são mostradas
uma leitora de UHF com suas antenas e outra de HF com antena em circuito impresso.
2.7 ANTENAS
Existem várias definições para antenas. Do ponto de vista de transmissão, Dobkin
(2008) descreve antena como uma estrutura especial arranjada para criar ondas
eletromagnéticas a partir de tensões e correntes elétricas que não se cancelam.
Fundamentalmente, uma antena é uma maneira de converter as ondas guiadas (presentes em
um guia de onda, cabo ou linha de transmissão) em ondas irradiadas que viajam no espaço, ou
vice-versa. Os principais parâmetros de uma antena são: padrão de irradiação, diretividade,
impedância, ganho, largura de banda, abertura efetiva e polarização.
Um parâmetro da antena de vital importância em RFID é a polarização. Uma onda
eletromagnética move elétrons no plano perpendicular à direção de propagação, e não ao
longo da direção de propagação. A direção apontada pelo campo elétrico determina a
polarização da onda irradiada. Quando esta direção é constante no tempo, a onda é
considerada linearmente polarizada. Caso a direção de polarização seja dependente do tempo,
onde o campo elétrico gira em torno do eixo de propagação perfazendo 360° a cada
comprimento de onda percorrido neste eixo, com amplitude constante, a irradiação é
considerada circularmente polarizada. Estas polarizações são esboçadas na Figura 2.8.
Dependendo do sentido de rotação, a polarização circular pode ser para a direita
ou para a esquerda. A polarização linear pode ser horizontal, caso a propagação ocorra
paralela ao plano terra, ou pode ser vertical, caso o sinal seja propagado perpendicularmente
ao plano terra.
Se os tipos de polarização da antena da leitora e da antena da tag não
apresentarem uma boa interação, poderá haver um fraco acoplamento do sinal. Muitas antenas
de tags de RFID são formadas por uma linha de metal. Caso esta linha não esteja alinhada
com a direção do campo elétrico emitido pela antena da leitora, a corrente induzida na antena
da tag será mínima, inviabilizando a alimentação de energia para a tag. Caso uma antena de
34
polarização circular seja usada na leitora, a onda irá interagir com uma antena linear da tag
disposta em qualquer ângulo no plano perpendicular ao eixo de propagação, mas em todo
caso, apenas metade da potência do sinal transmitido será recebida, já que a polarização
circular é dividida nas componentes vertical e horizontal em cada instante de tempo. Portanto,
antenas com polarização circular devem ser usadas apenas quando não for possível garantir a
orientação da tag, como mostrado na Figura 2.8.
Figura 2.8 – Polarizações lineares (esquerda) e circular interagindo com uma tag linear
Em RFID, duas antenas são cruciais: a(s) antena(s) da leitora e a antena da tag.
Elas operam sob os mesmos princípios, mas os desafios práticos entre elas são bastante
distintos, relacionados principalmente com custo e tamanho. Segundo Dobkin (2008),
enquanto uma boa antena de UHF para uma leitora custa em torno de US 150,00, uma tag
completa, incluindo microchip, antena, substrato, montagem e teste, tem um preço alvo de
US$ 0,05 para aplicações de alto volume em cadeias de suprimento. O tamanho da antena da
tag também é bastante limitado. Normalmente, as aplicações em cadeias de suprimentos
exigem tags minúsculas, mas o tamanho para a ressonância natural, que é metade do
comprimento de onda, é cerca de 16 cm para a faixa de 915 MHz.
As antenas de LF e HF são basicamente utilizadas em aplicações com
acoplamento indutivo. Neste caso, as antenas são basicamente bobinas. A tensão induzida em
uma bobina é proporcional ao número de espiras, tamanho, e frequência de operação. Em 115
kHz, uma antena de tag típica usa pouco mais de 100 espiras para produzir a tensão necessária
para alimentar seu microchip. Em 13 MHz, uma tag típica do tamanho de um cartão de
crédito precisa de 3 a 6 espiras para produzir alguns volts a alguns centímetros de distância
(DOBKIN, 2008). Alguns exemplos de tags e antenas são mostrados na Figura 2.9.
35
Figura 2.9 – Exemplos de configurações de antenas de tag para as frequências de RFID
2.8 PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO DE RFID
Os principais componentes específicos de um sistema de RFID são a “tag”
(etiqueta eletrônica), a leitora e sua antena, além do computador que executará o software
aplicativo de RFID, conforme é ilustrado na Figura 2.10. Estes são os componentes que ficam
situados na fronteira de um sistema de identificação, como em uma loja, por exemplo. Cada
um destes itens será descrito detalhadamente nas seções a seguir.
Figura 2.10 – Componentes básicos de um sistema de RFID
A interação entre a tag e a leitora pode ser implementada de várias maneiras, de
acordo com o tipo de aplicação e com a frequência de operação. A interação se aplica
36
principalmente na forma de transferir energia para a tag e na forma de transferência de dados
entre elas.
A transferência de dados entre a tag e a leitora pode acontecer através dos
procedimentos half duplex (HDX), full duplex (FDX) e sequencial (SEQ) (FINKENZELLER,
2003). Como pode ser visto na Figura 2.11, a transferência de energia sempre está presente
nos procedimentos HDX e FDX, se diferenciando na simultaneidade entre os dois sentidos da
comunicação. No modo seqüencial, por sua vez, a transferência de energia acontece apenas
durante o fluxo de dados no sentido leitora tag. A transferência de dados da leitora para a
tag é chamada de downlink, enquanto a transferência da tag para a leitora é denominada
uplink.
Figura 2.11 – Representação dos sistemas full duplex, half duplex e sequencial no tempo
As tags que utilizam o acoplamento indutivo (ou magnético) são, normalmente,
do tipo passivo. Este tipo de acoplamento é usado quando o comprimento de onda da
frequência utilizada pela leitora é bem maior que a distância entre a leitora e a tag, já que
neste caso, o campo eletromagnético pode ser tratado apenas como um campo magnético,
como é mostrado na Figura 2.12. Uma tensão alternada é gerada na antena da tag por
indutância, através da ressonância gerada pelo circuito LC sintonizado, formado pela antena e
um capacitor em paralelo. Como este acoplamento pode ser considerado como um
transformador, o secundário (bobina da antena da tag) age como uma carga para o primário
(bobina da leitora). Desta forma, a transferência de dados da tag para a leitora se dá por
modulação de carga.
37
Figura 2.12 – Alimentação de energia para a tag a partir do acoplamento magnético
Sistemas de RFID em que a distância entre a leitora e a tag é maior que 1 metro
são chamados de sistemas de longo alcance (FINKENZELLER, 2003). Estes sistemas operam
tipicamente na faixa de UHF e podem utilizar o acoplamento eletromagnético refletido
(backscatter). A energia que a tag precisa é fornecida pelo campo eletromagnético emitido
pela leitora, que gera uma tensão alternada na antena da tag e, então, esta tensão é retificada.
De acordo com Finkenzeller (2003), dada a frequência f, a distância r entre a leitora e a tag, o
ganho da antena da leitora GT e o ganho da antena da tag GR, a perda aF no trajeto em espaço
livre é dada por:
aF = −147.6 + 20 log(r) + 20 log(f ) − 10 log(GT) − 10 log(GR)
Portanto, se uma tag que consome 50μW de energia estiver numa configuração
em que a perda no espaço livre é de 40 dB, precisaria de uma leitora que transmitisse uma
potência de PS = 0,5W EIRP (Effective Isotropic Radiated Power).
Para transmitir dados para a leitora, a tag reflete parte do sinal recebido,
modulando-o através de uma carga resistiva (ou capacitiva), como mostrado na Figura 2.13.
Figura 2.13 – Princípio de operação de uma tag com backscatter (reflexão)
38
Os sistemas de acoplamento próximo são projetados para distâncias de leitura
entre 1 mm e 1 cm. A tag é então inserida na leitora ou colocada sobre sua antena para ser
lida. Como este tipo de sistema não é de interesse para este trabalho, ele não será detalhado.
Nos sistemas de acoplamento elétrico (capacitivo), as leitoras geram campos
elétricos intensos em suas antenas, que são formadas por uma grande placa de metal
(eletrodo). Uma tensão elevada (de centenas a milhares de volts) é gerada no eletrodo através
de um circuito LC sintonizado, conforme mostrado na Figura 2.14, formado por um indutor
L1 e pelo paralelo de um capacitor interno C1 e a capacitância formada entre o eletrodo e o
plano terra CR-GND.
Figura 2.14 – Circuito equivalente de um sistema RFID com acoplado elétrico
A antena da tag é feita de duas superfícies condutivas (eletrodos) dispostas em um
plano. Quando a tag é submetida ao campo da leitora, forma-se um capacitor CR-T entre a
antena da leitora e a tag, como também um capacitor CT-GND entre a tag e o plano terra. A
modulação de carga se dá através do chaveamento do resistor RMOD.
Em todos os casos, a transmissão de dados entre a leitora e a tag se dá através dos
procedimentos de modulação de sinal usuais. As modulações usuais são por chaveamento de:
amplitude (ASK), frequência (FSK) e de fase (PSK), sendo que a ASK é a mais usada por ser
a mais fácil de demodular.
2.9 PADRÕES E PROTOCOLOS
À medida que os sistemas de RFID foram evoluindo e sendo utilizados por um
número cada vez maior de empresas, os padrões começaram a ser imprescindíveis para
garantir a interoperabilidade entre leitoras e tags dos vários fabricantes no mercado, como
39
também a viabilidade econômica, através da redução de custos. A ISO (organização
internacional para padronização) definiu vários padrões para interface aérea, protocolo de
dados e para aplicações de RFID, começando pelos sistemas de LF e HF.
Conforme descreve Finkenzeller (2003), foram definidos os padrões ISO 11784,
11785 e 14223 para identificação de animais, os padrões ISO 14443 (proximidade) e 15693
(vizinhança) para cartões inteligentes sem contato (mostrados na Figura 2.15), ISO 69873
para ferramentas, ISO 10374 para identificação de containeres, VDI 4470 para sistemas
antifurto e a série ISO 18000 para gerenciamento de produtos.
Figura 2.15 – Família de padrões para cartões inteligentes com e sem contato
Os padrões ISO 14443 e 15693 foram criados na década de 90 para sistemas que
operam em 13,56 MHz. Eles foram bastante utilizados em cartões sem contato para aplicações
de controle de acesso e de bilhetagem eletrônica em ônibus urbanos. Em Fortaleza, a empresa
Fujitec4 ainda utiliza esta tecnologia nos sistemas implantados em várias cidades no Brasil e
Colômbia. A NXP (spin-off da Philips), Infineon (spin-off da Siemens) e a Texas Instruments
desenvolveram vários componentes para fabricação de tags e de leitoras nestes padrões.
A série ISO 18000 é de particular interesse para as aplicações relacionadas à
cadeia de suprimentos, pois ela é dividida em várias partes para definir o padrão dos
parâmetros de interface aérea em cada faixa de frequência onde RFID é usada. A parte 6 trata
da interface aérea na faixa de 860-930 MHz, definida inicialmente pelos padrões ISO 18000-
6A e -6B. Entretanto, estes padrões são incompatíveis entre si e incompatíveis com os padrões
4 O autor trabalhou na Fujitec de 2001 a 2003.
40
definidos pela EPCglobal, causando alguns problemas entre sistemas. No final de 2004, a
GS1 e a ISO iniciaram um plano de unificar os padrões de interface aérea, que finalizou em
2006 com a definição da especificação EPC Classe I Geração 2 (conhecida como Gen2) como
o padrão de interface aérea na norma ISO 18000-6C (GLOVER; BHATT, 2006).
Como já foi apresentada na seção 2.3, a GS1 surgiu a partir da união das
administradoras mundiais dos padrões de códigos de barras para a cadeia de suprimentos.
Atualmente, a EPCglobal é o sistema global de padrões administrado pela GS1 que combinam
RFID, infra-estrutura de redes de comunicação e o EPC, permitindo a identificação imediata
de um produto em toda a cadeia de suprimentos no mundo (GS1 PRODUCTS, 2010). A GS1
está presente em 108 países, inclusive no Brasil (GS1 OVERVIEW, 2010).
Nos primeiros protocolos de leitura de tags, o ruído presente no sinal captado
pelas antenas das leitoras eventualmente conseguia atuar aleatoriamente até formar um código
válido pelo protocolo, mas que de fato não correspondia a uma tag real. Isto é o denominado
de tag fantasma.
Um mapa de memória de uma tag é a estrutura de dados que define como os bytes
estão organizados fisicamente na memória que compõe o chip da tag. Normalmente, a
memória é dividida em bancos, que são compostos por um grupo específico de bytes com
características específicas de acesso, funcionalidades e procedimentos de escrita e/ou leitura.
Os padrões EPC classe 0 e classe I apresentam algumas fragilidades. Tags
fantasmas surgiam nas leituras (devido ao fraco algoritmo de checagem de erro), alta
interferência quando mais de uma leitora está presente na mesma área e incompatibilidade de
mapas de memórias entre as tags. O padrão EPC Classe I Geração 2, ou simplesmente Gen2,
trouxe uma série de benefícios, além da unificação dos padrões, conforme descreve Dobkin
(2008):
a) Até quatro sessões de tag baseadas em números aleatórios de 16 bits, independentes do
número da tag, permitindo que a tag se comunique com até quatro leitoras
simultaneamente, sem interferência entre elas, utilizando canais de frequência diferentes
para o sinal de resposta para cada leitora;
b) Senhas longas para travar e para inutilizar uma tag;
c) Leituras fantasmas de tags foram praticamente eliminadas;
d) Pouca interferência entre leitoras nas aplicações onde mais de uma leitora está presente na
mesma área (Dense Reader Mode);
41
e) Padronização dos mapas de memória das tags, permitindo a interoperabilidade das
operações de leitura e escrita;
f) Flexibilidade de bloquear bancos de memórias da tag temporariamente ou
permanentemente.
O padrão EPC Gen2 especifica os bancos de memória e suas funções. Existem
dois bancos obrigatórios e dois opcionais. O banco 0 contém (no mínimo) as senhas KILL e
ACCESS de 32 bits cada. A senha KILL é usada para tornar a tag inoperante
permanentemente. A senha ACCESS habilita a tag a responder aos comandos de leitura e
escrita. O banco 1 contém o código EPC, o identificador do seu tamanho, informações
opcionais sobre a tag e o código CRC16 usado para checagem de erro do código EPC. O
banco 2 é opcional e contém informações específicas sobre a tag, em vez do produto que ela
identifica. Por último, o banco 3 é livre e normalmente destinado para dados do usuário ou de
uma aplicação específica. Cada banco de memória pode ser travado independentemente,
permitindo que sejam restritas as operações de leitura e escrita em cada banco de memória.
O código EPC (Electronic Product Code) permite identificar objetos, cargas,
lugares, bens e outras entidades cujo uso deve ser rastreado com RFID ou códigos de barras
através do serviço EPC Network da GS1 (GS1 OVERVIEW, 2010). No padrão EPC Gen2,
ele é tipicamente composto por 96 bits divididos em 4 campos, conforme mostrado na Tabela
2.4. Além do espaço para o EPC, as tags no padrão Gen2 tipicamente apresentam espaço de
memória disponível para outros dados relevantes para o gerenciamento da cadeia de
suprimentos.
Tabela 2.4 – Formato de um código EPC.
Nome do campo Cabeçalho Administrador EPC Classe de objeto Número de série Tamanho 8 bits 28 bits 24 bits 36 bits Posição Bits 0-7 Bits 8-35 Bits 36-59 Bits 60-95 Espaço 256 268 milhões 16 milhões 68 bilhões Exemplo 10 01F1C07 0101B3 000836FFE
42
2.10 APLICAÇÕES DE RFID
Cada vez mais, as aplicações de RFID vêm se disseminando nos mais diversos
ramos de atividade da indústria e dos serviços. Algumas áreas já utilizam esta tecnologia há
algum tempo e apresentam vários exemplos de aplicações. Com a evolução da RFID e dos
dispositivos que compõem os sistemas, além do aumento da oferta de provedores de
equipamentos e soluções, novas áreas de aplicação começam a surgir. Conforme Lahiri
(2005) classifica, as aplicações de RFID podem ser divididas em dois blocos: as aplicações
prevalecentes e as aplicações emergentes.
As aplicações prevalecentes são aquelas já bem disseminadas e são divididas nos
seguintes tipos: rastreamento de itens, controle e monitoração de inventário, gerenciamento e
monitoração de patrimônio, sistemas antifurto, pagamento eletrônico, controle de acesso e
sistemas anti-falsificação.
No rastreamento de itens, estes recebem uma tag contendo um identificador
único, que é lido em determinados pontos de checagem à medida que o item se desloca pelos
lugares e/ou fases do processo, permitindo saber a data e a hora da passagem por estes pontos,
além de possibilitar a inserção de dados adicionais sobre o processo. As aplicações típicas
deste tipo são: rastreamento de bagagem nas companhias aéreas, gerenciamento da cadeia de
suprimentos e rastreamento de materiais perigosos. Exemplos dessas aplicações são:
rastreamento de bagagens na British Airlines em 1999 e na Delta Airlines em 2003, gerando
uma precisão de até 99%, comparado com apenas 85% com códigos de barras; exigência de
rastreamento de produtos em nível de paletas na rede Wal-Mart em 2005 e na rede Metro na
Alemanha (CAMPBELL et al., 2006); sistema de rastreamento de produtos químicos
implantado pela IBM em suas fábricas em Vermont, Nova Iorque e Quebec (LAHIRI, 2005);
rastreamento de corredores em competições esportivas (FINKENZELLER, 2003).
Na monitoração e controle de inventário, os itens a serem monitorados recebem
uma tag contendo um identificador único. Periodicamente, ciclos de leitura são realizados
para identificar a presença ou ausência de cada item do inventário. Exemplos dessas
aplicações são: prateleiras inteligentes (a serem mais detalhadas a seguir) e gerenciamento de
inventário de peças em fábricas de automóveis e de aviões (LAHIRI, 2005).
No gerenciamento e monitoração de patrimônio, os bens de patrimônio a serem
monitorados recebem uma tag contendo um identificador único. Periodicamente, ciclos de
43
leitura são realizados para identificar a localização e outras propriedades do patrimônio em
tempo real. Exemplos dessas aplicações são: gerenciamento de frota, em que os veículos
recebem uma tag com seus dados, que são identificados por leitoras instaladas em locais
estratégicos, como portões de acesso, bombas de combustível e áreas de manutenção,
permitindo monitorar o uso e controlar o acesso a determinados locais ou serviços (LAHIRI,
2005); outro exemplo de aplicação deste tipo é o rastreamento de animais com o
procedimento chamado de chipping, descrito por Campbell et al. (2006), em que eles recebem
um implante subcutâneo de uma tag passiva, permitindo que as informações relativas a seu
dono, vacinação e demais dados do animal podem ser lidos e acompanhados pelos envolvidos
em seu trato.
Em sistemas antifurto, os itens a serem monitorados recebem uma tag. Locais de
risco, como pontos de saída ou de uso do item, recebem leitoras para identificar o furto.
Opcionalmente, a tag pode ser removida ou desabilitada após o pagamento do item, como
também pode detectar o movimento indevido do item. Exemplos dessas aplicações são: a
vigilância eletrônica de itens (EAS), muito comuns em lojas de varejo, que utilizam uma tag
passiva de 1 bit de informação; outro exemplo similar em lojas de varejo é a utilização de uma
tag passiva de HF reutilizável, contendo detalhes do produto (preço, código EPC, etc.), sendo
retiradas no momento do pagamento; outro exemplo deste tipo de aplicação é o sistema de
imobilização presente na maioria dos automóveis de hoje, que utilizam uma tag LF na chave
do veículo e uma leitora na direção, permitindo a ignição do motor somente após reconhecer a
chave válida.
Nas aplicações de pagamento eletrônico, o usuário recebe uma tag contendo um
identificador único. O cartão é lido em um POS5, que valida o usuário e autoriza o
pagamento. Exemplos dessas aplicações são: sistema Speedpass da ExxonMobil, uma
distribuidora de combustíveis dos EUA, no qual o usuário utiliza uma tag cilíndrica,
aproximando-a de uma bomba de combustível, liberando o abastecimento do veículo; outro
exemplo comum deste tipo de aplicação é o pagamento eletrônico de pedágio, como os
sistemas E-Z Pass (Nordeste dos EUA), SunPass (Flórida) e o Sem Parar (São Paulo).
As aplicações de controle de acesso estão entre as mais tradicionais no uso de
RFID. Neste tipo de aplicação, o usuário utiliza uma tag contendo um identificador único e os
dados associados a ele. Ao chegar aos pontos de controle de acesso, a tag é lida e, se o usuário
for autorizado, seu acesso é permitido. Além do uso popular deste tipo de aplicação no
5 Ponto de venda ou ponto de serviço, do inglês: Point of Sale.
44
controle de acesso a empresas, o controle de acesso com RFID em aplicações com maior grau
de segurança pode fazer o uso de tags aplicadas sob a pele dos usuários, como é o caso do
anúncio descrito por Lahiri (2005), feito pelo governo do México em 2004 para controlar o
acesso dos empregados ao seu centro de computação de 30 milhões de dólares.
Uma grande aplicação com RFID no Brasil que envolve um pouco de cada um
dos conceitos das aplicações já descritas é o SINIAV – Sistema Nacional de Identificação de
Veículos. Ele fará parte da vida de todo proprietário de veículos em breve. O SINIAV foi
criado pela resolução nº 212/2006 do CONTRAN e alterado pela resolução nº338/2009 do
mesmo órgão, publicada em março de 2010 (CONTRAN, 2010). Entre os objetivos deste
sistema, estão: acompanhamento do ciclo de vida do veículo, fiscalização urbana, gestão de
trânsito, fiscalização rodoviária, recuperação de veículos, gestão de meios de pagamento,
seguro de veículos, transporte de cargas e logística. A faixa de frequência escolhida é entre
915 e 928 MHz, no padrão ISO 18000-6C. As tags devem ser lidas com o veículo em
movimento em velocidade de até 160 Km/h. Apesar da resolução não restringir o uso de tags
passivas, o desempenho especificado provavelmente só deverá ser atingido com tags semi-
passivas.
Figura 2.16 – Sistema de prateleiras inteligentes (GLOVER; BHATT, 2006)
45
As aplicações de prateleiras inteligentes são uma aplicação de especial interesse
para este trabalho, já que o estudo de caso abordado nesta dissertação se enquadra neste tipo.
Numa aplicação de prateleiras inteligentes, os produtos com suas tags associadas são
colocados na prateleira da loja. Uma ou mais leitoras fixas são dispostas com suas antenas
para cobrir a área da prateleira, conforme mostrado na Figura 2.16. Quando um usuário retira
um produto, a leitora identificará sua ausência no próximo ciclo de leitura, podendo notificar
ao sistema de inventário para repor este produto, caso ele atinja uma determinada quantidade
mínima. Com isto, a situação de falta de estoque daquele produto pode ser evitada. O grande
desafio deste tipo de aplicação é o rastreamento em nível de produto, em vez de paleta. Isto
traz a dificuldade de alcance da tag pela leitora, caso a disposição dos produtos seja muito
densa, além da interferência que a composição do próprio produto possa ter no sinal de RF.
Além disto, o preço das tags pode ser um limitador, pois as tags passivas mais baratas têm um
preço alvo entre 5 e 15 centavos de dólar (tags passivas de UHF) (MANISH; SHAHRAM,
2005).
46
3 SUPRIMENTO ENXUTO
“A principal responsabilidade de uma empresa é servir seus clientes. O lucro não
é o objetivo primordial, mas é uma condição essencial para a sua sobrevivência” (DRUCKER,
1955). Com esta afirmação de Peter Drucker, um dos grandes escritores da área de
administração, pode-se perceber a importância do lucro para a empresa, assim como a geração
de valor para seus clientes. Ao longo do caminho de atingir estes objetivos primordiais,
existem várias possibilidades de haver desperdício de tempo, recursos humanos,
equipamentos, espaço físico, energia e outros. Há várias chances de ocorrerem erros, que
acarretam em despesas desnecessárias para consertá-los. Além de onerar toda a operação da
empresa, estes custos adicionais diminuem a margem de lucro e, na maioria das vezes,
também fazem com que a empresa não agregue valor a seus clientes, desviando-a de seus
objetivos primordiais.
Uma empresa como os Correios do Brasil, que opera em várias localidades,
milhares de funcionários e milhões de operações, possui uma estrutura extremamente
complexa e uma operação que não pode estar sujeita a falhas de processo. Se apenas uma
única ineficiência for replicada por todo o sistema da empresa, o impacto financeiro pode ser
muito alto. Da mesma forma, a economia gerada por uma melhoria de processo que se replica
através de sua operação também pode ter um impacto altamente positivo em seu balanço
financeiro.
De uma forma geral, estas mesmas implicações valem para toda empresa,
qualquer que seja seu porte. Mesmo como clientes, agindo deste ponto de vista como apenas
“expectadores”, pode-se perceber freqüentemente o desperdício e ineficiência de algumas
empresas.
Portanto, sempre é possível aplicar o princípio da melhoria contínua: não importa
quão bem alguma coisa é feita, sempre é possível melhorá-la. A melhoria não é opcional, ela é
necessária para a sobrevivência da empresa. No Sistema Enxuto, isto é chamado de “busca
pela perfeição”, que está no núcleo do sistema Enxuto Seis Sigma.
O ponto-chave para definir a metodologia enxuta é que sua herança e técnicas são
baseadas na motivação de fazer o negócio operar mais rápido. Quando isto é possível,
normalmente ocorrerão menos defeitos e problemas de qualidade, que a metodologia Seis
47
Sigma corrige. Da mesma forma, a metodologia Seis Sigma existe fundamentalmente para
reduzir defeitos, mas ao fazer isso, normalmente permite que a empresa opere mais rápido.
O Sistema Enxuto usa o tempo como a principal métrica de interesse. O tempo
para se fazer uma tarefa, o prazo que leva entre o pedido e a entrega, o tempo de espera de um
cliente, etc. Apesar de não estar envolvido com a criação da metodologia enxuta, Benjamin
Franklin criou a célebre frase: “tempo é dinheiro”6. Ela é bastante pertinente no contexto do
Sistema Enxuto.
Neste trabalho, é proposta a utilização de RFID como a base tecnológica para o
sistema de Suprimento Enxuto de um determinado produto. Para melhor entender esta
abordagem, os tópicos deste capítulo abordarão os princípios de gerenciamento de estoque,
enfocando o indicador diretamente relacionado, bem como a metodologia enxuta, desde o seu
surgimento baseado na produção em massa de automóveis, até sua evolução para o Sistema
Enxuto Seis Sigma, passando pelo sistema Toyota de Produção.
3.1 FALTA DE ESTOQUE
Como já foi citado, a falta de produtos no estoque em um ponto de venda é uma
questão crucial na logística de fabricantes e varejistas, podendo levar a perdas enormes no
volume de vendas.
O termo Stock Keeping Unit (SKU), que significa Unidade de Manutenção de
Estoque, está ligado à logística de armazém e designa os diferentes itens do estoque, estando o
mesmo normalmente associado a um código identificador (DIAS, 2005). Por exemplo, um
posto de gasolina pode trabalhar com quatro SKUs (gasolina sem chumbo, com chumbo,
aditivada e diesel) e um hipermercado pode trabalhar com 60 mil SKUs, pois qualquer
diferença na mercadoria (tamanho, cor, sabor), mesmo sendo de uma mesma marca,
representa um SKU diferente (DIAS, 2005).
O termo “out-of-sctock” (que significa fora de estoque) é comumente utilizado em
duas situações básicas: como um indicador de desempenho no gerenciamento da cadeia de
suprimentos de produtos e na ocorrência da situação dada pela tradução literal do termo, em
6 Texto de Benjamin Franklin: Advice to a Young Tradesman, de 1748. Disponível em:
http://www.historycarper.com/resources/twobf2/advice.htm
48
que um determinado produto não é encontrado em um determinado ponto de venda no qual
ele deveria estar disponível.
Existem vários indicadores que são utilizados na métrica da efetividade de uma
organização em gerenciar o processo de distribuição e logística de seus produtos. De acordo
com Farris et al. (2006), três indicadores se destacam:
a) Falta de estoque (out-of-stock);
b) Nível de serviço (percentual de entrega no prazo);
c) Giro de estoque.
Caso os produtos corretos não sejam entregues aos pontos de venda adequados no
prazo devido e na quantidade correspondente à demanda, a perda potencial no ponto de venda
(canal de distribuição) pode ser enorme. Segundo Farris et al. (2006), os fatores que
dificultam para o suprimento atender à demanda são:
a) A empresa vende uma grande quantidade de SKU’s;
b) Vários níveis de fornecedores, depósitos e lojas estão envolvidos no processo de
distribuição;
c) Os modelos de produtos mudam frequentemente;
d) O canal oferece políticas de devolução muito favoráveis para o cliente;
Neste campo complexo, monitorando indicadores-chave e comparando estes com
padrões históricos e diretrizes, os profissionais de marketing podem determinar quão bem seu
canal de distribuição está funcionando como parte da cadeia de suprimentos até seus clientes.
Como neste trabalho é proposta a utilização da tecnologia de RFID no varejo, o indicador
mais pertinente para ser abordado é o de falta de estoque, que quantifica o número de pontos
de varejo onde um item é listado (esperado estar disponível para os consumidores), mas não
está. Conforme descrevem Farris et al. (2006), ele é tipicamente expresso como uma
porcentagem das lojas que listam o item em questão:
TPPSPFE =
em que FE (Falta de Estoque) é o índice de falta de estoque; PSP (Pontos Sem o Produto) é a
quantidade de pontos de venda onde o produto é listado, mas não está disponível e TP (Total
de Pontos) é a quantidade total de pontos onde o produto é listado.
49
Ser listado por uma rede de vendas significa que a central de compras autorizou a
distribuição de uma marca, SKU ou produto no nível da loja. Por vários motivos, ser listado
nem sempre garante a presença na prateleira. Gestores locais podem não aprovar a
distribuição ou, ainda, um produto pode ter sido distribuído, mas está esgotado.
FE é normalmente expresso como uma porcentagem. Deve ser observado se um
percentual de falta de estoque é baseado numa distribuição numérica geral, na porcentagem de
lojas de uma dada rede que distribuem o produto ou em outros fatores de controle de estoque.
A utilização de prateleiras inteligentes com a tecnologia de RFID pode contribuir
para o Suprimento Enxuto a partir deste índice. Com este sistema, é possível identificar
antecipadamente a falta de um determinado produto, definindo uma quantidade mínima na
qual o seu reabastecimento na prateleira deve ser realizado, evitando que o produto chegue a
faltar no ponto de venda.
3.2 PRODUÇÃO EM MASSA
A metodologia enxuta tem suas raízes no início da produção em massa, com o
pioneiro da indústria automotiva Henry Ford (WOMACK; JONES, 2003). Sua motivação
básica para conceber uma linha de montagem era conseguir produzir mais unidades de
automóveis em um menor intervalo de tempo para poder vender carros a preços mais
acessíveis.
Henry Ford contribuiu bastante para a evolução industrial. O marco inicial de sua
contribuição para o Sistema Enxuto foi a implantação da sua linha de montagem da fábrica de
River Rouge para a produção do famoso automóvel Ford Modelo T (WOMACK; JONES,
2003), que é mostrado na Figura 3.1.
Figura 3.1 – Ford modelo T (WEBMOTORS, 2010)
50
City (2010) descreve os detalhes da evolução do Ford modelo T. Ele foi
concebido em 1908, após vários protótipos (os modelos de A a S) durante 5 anos. O modelo
T, conhecido popularmente por Tin Lizzie, marcou o início da era de automóveis a preços
mais acessíveis. Ele começou a ser vendido por US$ 825,00, chegando à meta inicial definida
por Henry Ford de US$ 600,00 em 1912 e atingindo o preço de US$ 290,00 nos anos 20. Esta
redução progressiva no preço foi fruto da economia de escala, criada pela produção em massa
através da criação de Henry Ford: a linha de montagem. Nela, cada pequena etapa do processo
de montagem do automóvel é feita por um operário específico. O automóvel em processo de
fabricação vai sendo deslocado e passa por cada ilha de montagem, formando uma linha. O
volume de produção evoluiu, passando de 93 minutos por carro em 1914 na fábrica de
Highland Park, Michigan, para 49 segundos na fábrica de River Rouge, Detroit.
Com todo este sucesso, vieram também mais exigências dos clientes.
Configurações customizadas de carroceria e novas cores estavam entre estas exigências. “Eles
podem ter qualquer cor que quiserem, desde que seja preto”, dizia Henry Ford (CITY, 2010).
A cor preta oferecia uma secagem bem mais rápida que as outras cores. Como um verdadeiro
homem da indústria, Ford entendia perfeitamente os grandes desafios e o tempo parado
necessários para alterar a linha de produção de um modo para outro. A indústria
automobilística nos anos 50 usava folhas de aço para estampar pára-lamas e outras peças do
carro, que exigiam um molde específico na prensa para cada peça.
Segundo Womack (2007), o molde na prensa podia ser trocado, mas demandava
um dia inteiro de uma equipe de mecânicos especializados. Além disso, o posicionamento do
molde era crítico e a inicialização em um novo molde era frequentemente repleta de
desalinhamentos e alto índice de arranhões. Com estes grandes impactos da troca de molde, a
regra era produzir grandes lotes, chegando até a meses entre trocas de moldes.
Mas a necessidade de customização demandada pelos clientes gerou um dilema
para Henry Ford. Eles exigiam cores diferentes e modelos diferentes. O mundo inteiro em
geral estava para se tornar um lugar onde diferentes grupos de pessoas desejavam produtos
customizados para seu gosto. Surgiu então a necessidade de adaptação da produção em massa
para a customização em massa, que teve seu grande desenvolvimento na fábrica da Toyota.
51
3.3 SISTEMA TOYOTA DE PRODUÇÃO
A fábrica de automóveis Toyota surgiu em 1935 (OHNO, 1997) e vem crescendo
no mercado automotivo, chegando a ultrapassar a General Motors e a Ford, se tornando a
maior montadora mundial no primeiro trimestre de 20077. Parte deste sucesso se deve,
provavelmente, à sua metodologia de produção eficiente e diversificada e à busca incessante
pela qualidade de seus produtos.
O produto mais visível da busca Toyota por excelência é sua filosofia de
manufatura, chamada de “Sistema Toyota de Produção” (Toyota Production System - TPS)
(LIKER, 2003). Taiichi Ohno, engenheiro-chefe da linha de montagem da Toyota nos anos 40
e 50, motivado pela necessidade de reduzir investimentos em novos equipamentos e de
reduzir estoques, começou a desenvolver os conceitos e práticas do TPS, que é a grande
evolução em eficiência de processos depois do sistema de produção em massa inventado por
Henry Ford (OSONO; SHIMIZU; TAKEUCHI, 2008). TPS tem sido documentado, analisado
e exportado para empresas de várias indústrias pelo mundo.
Juntamente com as lições de produção de automóveis em massa de Henry Ford, o
TPS tomou emprestadas algumas idéias dos Estados Unidos. Uma muito importante foi o
conceito de sistema puxado (“pull system”), inspirado pelos supermercados (LIKER, 2003).
Em qualquer supermercado bem administrado, cada item é reabastecido assim que ele começa
a faltar na prateleira. Ou seja, o reabastecimento de material é iniciado pelo consumo.
Aplicado a um chão de fábrica, significa que o passo 1 em um processo não deve fabricar
(reabastecer) peças até que o próximo processo depois dele (passo 2) use toda o suprimento
original de peças do passo 1 (na verdade, até um limite mínimo de segurança). No TPS,
quando o passo 2 atinge uma quantidade mínima de estoque de segurança, um sinal é enviado
ao passo 1 pedindo que mais peças sejam produzidas.
Isto é semelhante ao que acontece quando reabastecemos o tanque do carro. Como
no “passo 2”, o carro sinaliza que necessita de mais gasolina quando o medidor de
combustível avisa que o tanque está vazio. Então, o carro deve ser levado ao posto de
gasolina, “passo 1”, para ser reabastecido. Seria desnecessário encher o tanque quando ele não
está vazio, mas o equivalente disso (produção em excesso) acontece o tempo todo na
produção em massa. Na Toyota, cada passo de cada processo de produção tem integrado um
7 Matéria da revista Exame, disponível em http://portalexame.abril.com.br/internacional/m0127514.html
52
sistema equivalente ao “medidor de combustível”, chamado kanban8, para sinalizar ao passo
anterior quando suas peças precisam ser reabastecidas. Isso cria uma “puxada”, que continua
cascateando de volta até o início do ciclo de produção. Ao contrário, muitos negócios usam
processos que são preenchidos com desperdício, porque o trabalho no passo 1 é executado em
lotes grandes antes de ser necessário no passo 2. Este “trabalho inacabado” deve então ser
armazenado, rastreado e mantido até ser exigido pelo passo 2 – gerando uma perda de muitos
recursos. Sem este sistema puxado, o Just-in-Time (JIT), um dos dois pilares do TPS (o outro
é o jidoka 9), nunca teria evoluído (OSONO; SHIMIZU; TAKEUCHI, 2008).
O JIT é um conjunto de princípios, ferramentas e técnicas que permitem uma
empresa produzir e entregar produtos em pequenas quantidades, com tempos de espera (lead
times) curtos, para atender necessidades específicas do cliente (LIKER, 2003). De forma
sucinta, JIT entrega os itens certos no tempo certo nas quantidades certas. O poder do JIT é
que responde rapidamente aos desvios diários de demanda do cliente, que era exatamente o
que a Toyota buscava continuamente.
Cada pessoa ou passo numa linha de produção ou processo de negócio deveria ser
tratado como um “cliente” e ser suprido exatamente com o necessário, no tempo necessário.
“O próximo processo é o cliente” (WOMACK; JONES, 2003). Esta frase se tornou uma das
mais significantes expressões no JIT, porque em um sistema puxado, ela significa que o
processo anterior deve sempre fazer o que o processo subsequente demanda. Caso contrário, o
JIT não funcionará.
Figura 3.2 – Diagrama da casa do TPS
8 Kanban é uma palavra japonesa que significa registro ou placa visível. É um sistema de sinalização para
identificar as necessidades de uma fase do processo [Ohno, 1997]. 9 Qualidade intrínseca [Ohno, 1997].
53
O diagrama da “casa do TPS” mostrado na Figura 3.2 se tornou um dos símbolos
mais reconhecidos na manufatura moderna. Conforme descreve Liker (2003), a representação
desta forma é porque ela é um sistema estrutural. Há versões diferentes da casa, mas os
princípios centrais são os mesmos. Ela começa com as metas de melhor qualidade, menor
custo e menor tempo de espera – o telhado. Há os dois pilares externos – Just-in-time,
provavelmente a característica mais visível e altamente divulgada do TPS, e jidoka, que, em
essência, significa nunca deixar um defeito passar para o próximo passo do processo e liberar
pessoas das máquinas – automação com um toque humano. No centro do sistema estão as
pessoas. Finalmente, há vários elementos fundamentais, que incluem a necessidade de
processos padronizados, estáveis e confiáveis, assim como a heijunka10. Uma produção
equilibrada é necessária para manter o sistema estável e permitir um estoque mínimo. Grandes
picos na produção de certos produtos em detrimento de outros criará falta de itens, a menos
que muitos estoques intermediários sejam adicionados ao sistema.
Cada elemento da casa por si só é crítico, mas o mais importante é a maneira
como os elementos reforçam uns aos outros. JIT significa eliminar, tanto quanto possível, os
estoques intermediários usados para proteger as operações contra problemas que podem surgir
na produção.
O ideal de fluxo unitário é fazer uma unidade de cada vez, na taxa de demanda do
cliente. Usando-se estoques intermediários menores, problemas como defeitos de qualidade se
tornam imediatamente visíveis. Esta abordagem reforça o jidoka, que pára o processo de
produção. Isto significa que os operários devem resolver os problemas imediatamente e
urgentemente para que a produção seja retomada.
Nas fundações da casa está a estabilidade. Controversamente, o requisito para
trabalhar com pouco inventário e parar a produção quando há um problema causa uma certa
instabilidade e desperta o sentido de urgência entre os trabalhadores.
Na produção em massa, quando uma máquina pára, não há o senso de urgência: o
departamento de manutenção é programado para consertá-la enquanto o estoque mantém as
operações funcionando. Ao contrário, na produção enxuta, quando um operador desliga um
equipamento para ser consertado, outras operações irão logo parar de produzir, gerando uma
crise. Então, existe sempre um senso de urgência para todos na produção corrigirem os
problemas juntos para colocarem os equipamentos de volta ao funcionamento.
10 Palavra japonesa que significa nivelar a programação da produção em termos de volume e variedade [Ohno,
1997]
54
Se o mesmo problema acontece repetidamente, a gerência concluirá logo que esta
é uma situação crítica e pode ser a hora de investir em manutenção produtiva total, onde todos
aprendem como limpar, inspecionar e manter os equipamentos. Um alto grau de estabilidade é
necessário para que o sistema não seja constantemente interrompido.
As pessoas estão no centro da casa porque somente através de melhoria contínua a
operação poderá atingir a estabilidade necessária. Elas devem ser treinadas para perceber o
desperdício e resolver problemas em sua raiz, se perguntando repetidamente por que os
problemas realmente acontecem. A solução de problemas está no lugar exato para ver o que
está de fato acontecendo.
Muitas das ferramentas do TPS e dos princípios do "Jeito Toyota" são derivados
da maneira focada em eliminar os desperdícios nos processos. Ao aplicar TPS, os processos
devem ser analisados pela perspectiva do cliente. A primeira pergunta é: "o que o cliente quer
deste processo?" Isto define valor. Conforme descreve Liker (2003), a Toyota identificou 7
tipos principais de desperdício nos processos, que não se aplicam somente a uma linha de
produção:
a) Produção em excesso – Produzir itens para os quais não há pedido, gerando perdas de
excesso de pessoal envolvido, armazenagem e custos de transporte por excesso de
inventário;
b) Espera ocupada – Operários ficando apenas "assistindo" uma máquina automática ou
esperando o próximo passo de um processo, ferramenta, peça, etc., ou apenas ficando sem
trabalho por falta de trabalho, atrasos de processamento, parada de equipamentos e
gargalos de capacidade;
c) Transporte desnecessário - Levar trabalhos inacabados por longas distâncias, gerando
transporte ineficiente, ou transportar peças, materiais ou bens acabados para armazenagem
ou entre processos;
d) Processamento em excesso ou incorreto – Fazer passos desnecessários para processar as
peças, devido a projeto de produto ou ferramenta de baixa qualidade, causando
movimentação desnecessária e produzindo defeitos. Perdas são também geradas quando se
provê qualidade de produto acima da necessária;
e) Inventário em excesso - Excesso de matéria prima, partes incompletas ou partes acabadas,
gerando prazos mais longos, obsolescência, produtos danificados, custos de transporte e
armazenagem e atrasos. Os excessos de inventário (estoque) também escondem problemas
55
como desbalanceamento de produção, entregas atrasadas de fornecedores, defeitos,
paradas de equipamentos e tempos de preparação longos;
f) Movimentação desnecessária - Qualquer movimentação desnecessária que os operários
fazem durante seu trabalho, como procurar, buscar e empilhar peças, ferramentas, etc;
g) Defeitos - Produção de produtos com defeitos ou seu conserto, já que o retrabalho,
conserto, produção de reposição e inspeção significam esforço, tempo e manipulação
desperdiçada;
h) Criatividade desperdiçada do empregado – Desperdiçar tempo, idéias, habilidades,
melhorias e oportunidades de aprendizado por não envolver ou ouvir os empregados.
Resumindo, o sistema Toyota de Produção é uma filosofia de gerenciamento que
procura aperfeiçoar a organização de forma a atender às necessidades do cliente no menor
prazo possível, com mais qualidade e menor custo, ao mesmo tempo em que aumenta a
segurança e o moral de seus colaboradores, envolvendo e integrando não só manufatura, mas
todas as partes da organização. Com este sistema, a Toyota atingiu um nível de produção
semelhante ao da fábrica de River Rouge da Ford, mas com a inclusão da customização em
massa (WOMACK; JONES; ROOS, 2007).
3.4 SUPRIMENTO ENXUTO
Fora da Toyota, TPS passou a ser conhecido como “Sistema Enxuto” (do termo
em inglês Lean System) (RUFFA, 2008). A produção “enxuta” é, na verdade, um termo
cunhado no final dos anos 80 pelos pesquisadores do International Motor Vehicle Program –
IMVP, um programa de pesquisas ligado ao MIT, para definir um sistema de produção muito
mais eficiente, flexível, ágil e inovador do que a produção em massa; um sistema habilitado a
enfrentar melhor um mercado em constante mudança. Na verdade, produção enxuta é um
termo genérico para definir o Sistema Toyota de Produção (TPS).
James Womack et al. (2003) definem e descrevem os princípios do Sistema
Enxuto:
56
a) Valor – Este é o ponto de partida crucial para a abordagem enxuta. O valor só pode ser
bem definido pelo cliente final. Agregar valor significa atuar no que é realmente
importante para o cliente do processo ou produto;
b) Cadeia de valor – É o conjunto de todas as ações específicas necessárias para levar um
produto ou processo através das três tarefas cruciais de gerenciamento de qualquer
negócio: resolução do problema, gerenciamento da informação e transformação física. Isto
significa identificar claramente quais etapas do processo de fato agregam e quais não
agregam valor;
c) Fluxo – Após o valor ser precisamente definido e a cadeia de valor para um determinado
produto ser identificada, eliminando as etapas desnecessárias, o próximo passo é fazer as
etapas que realmente agregam valor fluírem. Isto significa manter a cadeia de valor
funcionando da melhor forma, sem desperdícios e atrasos;
d) Puxada – Significa fazer apenas o que o cliente realmente precisa e somente na hora que
ele precisa, ou seja, a produção é “puxada” pela necessidade do cliente;
e) Perfeição – à medida que uma empresa especifica o valor mais precisamente, identifica
toda a cadeia de valor, torna esta cadeia fluindo continuamente e permite que os clientes
puxem o valor que eles precisam da empresa, os quatro princípios anteriores interagem
entre si em um ciclo virtuoso. Cada um dos princípios ajuda a melhorar os demais,
gerando uma busca pela perfeição.
Estes princípios do Sistema Enxuto, baseados no TPS, passaram a ser aplicáveis a
toda a empresa, não ficando mais restrito somente ao sistema de produção. Com isto, este
sistema passou a ser usado por empresas dos mais variados setores, como bancos, hospitais e
empresas de serviços. Qualquer empresa que tenha processos definidos pode aplicar o Sistema
Enxuto.
Conforme descreve Schonberger (2007), os princípios do Sistema Enxuto são
aplicados em uma empresa através de uma série de atividades denominadas eventos kaizen
(melhoria contínua incremental), que são um esforço de melhoria de processo estruturado e
planejado que permite a um grupo pequeno de pessoas melhorar algum aspecto específico de
seu negócio de forma rápida e focada. Para ser bem sucedido, um evento kaizen requer
treinamento, gerenciamento de mudanças, gerenciamento participativo e perfeição nos
detalhes.
57
O Sistema Enxuto utiliza técnicas e ferramentas para identificar, mensurar e
remover os vários tipos de desperdício identificados pelo TPS, descritos no item 3.3.
Wedgwood (2006) descreve várias técnicas utilizadas no Sistema Enxuto. Algumas delas são:
a) Mudança rápida – As mudanças nos processos devem ser realizadas de forma rápida e
eficiente, como na técnica SMED (Single Minute Exchange of Dies), utilizada para a troca
rápida de moldes de estampagem de folhas de aço. Este mesmo conceito se aplica a vários
tipos de serviços na indústria;
b) 5S – é uma metodologia para criar e manter um ambiente de trabalho organizado, limpo e
seguro. Os 5S se referem a Ordenar (Sort), guardar (Store), Limpar (Shine ou Sweep),
padronizar (Standardize) e disciplinar (Sustain);
c) 5 porquês: ferramenta na qual se pergunta o porque de cinco formas diferentes, para
garantir que a raiz do problema seja completamente entendida. Eles são perguntados de
forma sequencial: sintoma, alegação, culpado, origem e causa raiz;
d) Mapa de variáveis do processo – Também conhecido como mapa de entrada/saída, é uma
representação gráfica do processo. Ele é tipicamente usado como ferramenta básica para
identificar todas as entradas em um processo;
e) Sistemas de puxada e Kanban – Como já descritos, estes sistemas fazem com que somente
seja processado e produzido algo quando o processo cliente demandar, que é sinalizado
através do Kanban;
f) Controle estatístico do processo – Ferramenta para checar o que está sendo controlado no
processo em um dado momento, utilizando gráficos de controle;
g) Gráficos de controle – São gráficos usados para testar se um processo é estável e está sob
controle, apresentando uma média consistente e uma variação previsível;
h) Poka Yoke – é uma ferramenta de controle para tornar o processo à prova de erros,
garantindo que uma atividade não seja executada de forma errada. A equipe deve ser
capaz de rastrear a série de eventos que podem levar a um defeito e colocar um controle
no ponto mais próximo do início desta cadeia;
O conceito de Sistema Enxuto aplicado à cadeia de suprimentos é denominado de
Lean Supply – Suprimento Enxuto (GATTORNA, 2009). O objetivo é usar as idéias de Lean
Supply para desenvolver os sistemas de controle de estoque e de logística. Ele se concentra na
pura essência de um bom gerenciamento de estoque, conforme descreve Wild (2002):
58
a) Foco no cliente – Exceder a expectaciva do cliente;
b) Busca pela perfeição – Não apenas melhor que a concorrência;
c) Valor agregado – Apenas desenvolver atividades que beneficiem diretamente o cliente;
d) Fluxo – Tal que o estoque não fique parado, ele continua de um estágio ao próximo;
e) Movimento unitário – Pequenos lotes movidos frequentemente;
f) Simplicidade – na operação tal que as coisas sejam óbvias e não dêem errado;
g) Responsabilidade individual – no nível do operador para desenvolver uma operação mais
efetiva;
h) Abordagem de projeto integrado – com características adicionais para o cliente e
facilidade de fabricação a custo baixo;
i) Qualidade – Sempre criar a qualidade certa desde o início.
O Suprimento Enxuto envolve todo o negócio, desde a compra até o despacho.
Atingir o bom fluxo do suprimento requer esta participação completa. Desde a compra da
matéria-prima, passando pelo projeto dos produtos, fabricação, garantia de qualidade,
logística de transporte, distribuição, até a entrega do produto ao consumidor final. Os
princípios de Suprimento Enxuto residem no desenvolvimento de processos JIT, mas levam
este conceito de forma mais abrangente de forma que maiores benefícios são gradualmente
obtidos.
Conforme sugere Gattorna (2009), o uso de RFID e da tecnologia da informação
pode desempenhar um grande papel na cadeia de suprimentos, provendo diversas informações
tanto sobre a necessidade de reabastecimento nos pontos de venda como sobre os próprios
clientes.
Uma premissa fundamental do Suprimento Enxuto é a precisão da informação.
Todo o trabalho de gerenciamento de estoque será em vão se a base da informação não estiver
correta. Segundo Gattorna (2009), parte do desenvolvimento de um melhor sistema de
Suprimento Enxuto e de um melhor controle de estoque é então garantir que a informação no
sistema formal seja:
a) Em tempo real;
b) Precisa.
59
As informações sobre os produtos e a garantia de sua integridade e precisão,
necessárias para um controle de estoque efetivo na cadeia de suprimentos enxuta, é o que a
tecnologia RFID se propõe a agregar, se constituindo na base tecnológica para este sistema.
3.5 SEIS SIGMA ENXUTO
Conforme define George (2003), Seis Sigma é uma metodologia que maximiza o
lucro da empesa através de uma taxa mais rápida de melhoria em: satisfação do cliente, custo,
qualidade, velocidade do processo e capital investido. Seis Sigma estabelece o padrão de
qualidade de admitir apenas 3,4 problemas em 1 milhão de oportunidades. Nesta abordagem,
a fusão entre Sistema Enxuto e Seis Sigma é necessária porque o Sistema Enxuto não oferece
o controle estatístico do processo e o Seis Sigma isoladamente não consegue melhorar
significativamente a velocidade de um processo ou reduzir o capital investido. Segundo
George (2002), a sinergia do Sistema Enxuto com o Seis Sigma juntos tem ajudado as
empresas a reduzirem o custo de qualidade em 20% e o inventário em 50% em menos de 2
anos.
A metodologia Seis Sigma não criou novas técnicas ou ferramentas. Pyzdek
(2003) mostra que Seis Sigma usa métodos já consolidados e treina um pequeno grupo de
líderes técnicos da própria empresa, nomeados de Faixas pretas (Black Belts) Seis Sigma, para
serem altamente gabaritados na aplicação destas técnicas, em que algumas delas são altamente
avançadas. Estas ferramentas são aplicadas em um modelo de melhoria de desempenho
simples, conhecido como DMAIC, da sigla para Define-Measure-Analyze-Improve-Control,
descritas da seguinte forma:
a) Define – Definir as metas da atividade de melhoria;
b) Measure – Mensurar o sistema existente;
c) Analyze – Analisar o sistema para identificar maneiras de eliminar a lacuna entre o
desempenho atual e a meta pretendida para o sistema ou processo;
d) Improve – Melhorar o sistema;
e) Control – Controlar o novo sistema.
60
Os eventos kaizen também são aplicados no Seis Sigma. Quando eles são
aplicados para avançar rapidamente através das 5 fases da estratégia de ruptura Seis Sigma
DMAIC, os eventos kaizen são denominados Sigma kaizen (RUFFA, 2008).
Segundo George (2002), o princípio de Pareto (que define que a maioria dos
problemas – 80% ou mais – são advindos de poucas causas vitais – 20% ou menos das fontes
possíveis) é utilizado no sistema Enxuto Seis Sigma para definir as fontes de atraso de um
processo que serão foco de suas ferramentas. Este é o princípio do Seis Sigma Enxuto: as
atividades que causam problemas críticos de qualidade e criam os maiores atrasos nos
processos oferecem as maiores oportunidades de melhorias em custo, qualidade, capital e
prazo.
George, Rowlands e Kastle (2003) definem os quatro fundamentos do Seis Sigma
Enxuto, também representados na Figura 3.3:
a) Encante seus clientes com velocidade e qualidade;
b) Melhore seus processos;
c) Trabalhe em conjunto para maiores ganhos;
d) Baseie as decisões em dados e fatos.
Figura 3.3 – Ilustração dos fundamentos do Seis Sigma Enxuto
Resumindo, Seis Sigma é um sistema de gerenciamento de excelência para
conduzir, atingir e manter melhorias drásticas em toda organização. Através de um
planejamento estruturado e execução sistemática de projeto, uma empresa utiliza o Seis Sigma
Enxuto para atingir seus mais importantes objetivos de negócio.
61
4 PROJETO DAS PRATELEIRAS INTELIGENTES
Após a apresentação e análise do estado da arte de RFID, do Sistema Enxuto
aplicado à cadeia de suprimentos e da problemática de falta de estoque no varejo, iniciou-se o
projeto das prateleiras inteligentes utilizando a tecnologia de RFID. A partir das
características dos componentes desta tecnologia, da composição do produto a ser monitorado
e das características típicas de prateleiras em lojas de varejo, foi definida uma metodologia
para o projeto deste sistema, bem como para os testes a serem realizados para se avaliar a
eficiência do sistema proposto. Esta metodologia está descrita nas próximas seções.
4.1 METODOLOGIA UTILIZADA PARA PROJETO E TESTES
Projetar e implementar uma solução prática de RFID não é uma tarefa simples
porque não existe uma solução geral em RFID. Cada problema apresenta características
únicas. Conforme descreve Lahiri (2005), várias variáveis devem ser consideradas e avaliadas
para se chegar à melhor composição que atenda cada situação em particular. Os testes em um
sistema que implementa a tecnologia de RFID também apresentam uma importância crucial
para uma avaliação efetiva da solução.
Ainda segundo Lahiri (2005), algumas das variáveis técnicas que devem ser
consideradas no projeto e implementação de soluções em RFID são:
a) Frequência de operação
b) Tags
c) Leitoras
d) Antenas
e) Itens a receber os tags
f) Condições de operação
g) Padrões
h) Fornecedores
i) Software de aplicação e hardware
62
j) Integração com sistemas existentes
k) Manutenção
Neste trabalho será seguida a metodologia clássica de trabalho científico,
considerando as variáveis listadas acima: após o estudo aprofundado do estado da arte da
tecnologia de RFID e de Suprimento Enxuto, serão feitas as definições preliminares para a
pesquisa e desenvolvimento das prateleiras inteligentes; baseado nestas definições, serão
escolhidos os componentes e equipamentos a serem utilizados no estudo de caso; em seguida,
serão definidos os testes a serem realizados e os critérios de avaliação para cada um deles;
após definidos e especificados, os testes serão realizados; finalizando, será realizada uma
análise detalhada de todos os testes para se chegar a um conclusão sobre os objetivos
definidos para este trabalho, avaliando se eles foram plenamente atingidos.
Portanto, a metodologia para a pesquisa e desenvolvimento deste trabalho será
composta pelas fases descritas a seguir.
4.1.1 Definição das variáveis técnicas de RFID
Neste trabalho, serão avaliadas basicamente as sete primeiras variáveis listadas
acima, pois elas são as variáveis mais ligadas diretamente à tecnologia e à aplicação. As
demais variáveis são mais ligadas à operação e manutenção do sistema e fogem do escopo
desta pesquisa.
Portanto, as variáveis técnicas elencadas para a análise da pesquisa e
desenvolvimento das prateleiras inteligentes são: frequência de operação, tags, leitoras,
antenas, itens a receber os tags, condições de operação e padrões.
63
4.1.2 Análise das variáveis técnicas e da aplicação
Nesta fase, cada variável descrita no item 4.1.1 será analisada e serão definidas as
características necessárias de cada uma delas para atender aos objetivos propostos para este
trabalho. Será definida a frequência de operação a ser utilizada no estudo de caso, serão
pesquisadas, avaliadas e escolhidas as características necessárias para os modelos de tags,
leitoras e antenas, bem como o estudo do tipo de produto a receber as tags, para que se possa
avaliar o impacto que as características dele possa ter no ambiente de radiofrequência.
Também serão definidos os padrões e protocolos a serem adotados no projeto. Estas
definições preliminares serão descritas no item 4.2.
4.1.3 Escolha dos componentes e equipamentos
Os modelos de tags serão escolhidos considerando principalmente as definições e
características elencadas na fase anterior, mas também serão consideradas as condições de
mercado, tendências e indicações dos fabricantes de tags. Da mesma forma, as leitoras e
antenas serão escolhidas de acordo com as características definidas na fase 4.1.2,
considerando também a disponibilidade do mercado e a compatibilidade entre estes dois
componentes.
Os itens a receber os tags serão avaliados nesta fase, identificando suas principais
propriedades e características, possibilitando identificar a priori os possíveis impactos nos
sinais de radiofrequência e na utilização do sistema de uma forma geral.
Por fim, serão analisadas as condições de operação do sistema proposto. Esta
análise servirá como base para definir alguns parâmetros dos testes finais a serem realizados
com as prateleiras inteligentes, buscando simular nos testes o ambiente no qual o sistema será
utilizado na prática.
64
4.1.4 Definição dos testes a serem realizados e critérios de avaliação
Esta fase terá início com a definição dos testes a serem realizados, juntamente
com os critérios de avaliação de cada um dos resultados obtidos. Os testes serão definidos em
termos de tipo de teste, procedimento a ser realizado, condições de realização do teste,
resultados esperados e resultados a serem extraídos de cada um deles.
4.1.5 Realização dos testes
Após as definições a serem realizadas conforme descrito no item 4.1.4, os testes
serão realizados e seus resultados serão apresentados Capítulo 5 para serem avaliados.
4.1.6 Análise dos resultados
A partir dos resultados obtidos na fase anterior, será realizada uma análise
detalhada de todos os testes realizados, avaliando o desempenho dos componentes individuais
e do sistema como um todo, para se chegar a uma conclusão sobre os objetivos definidos para
este trabalho, avaliando se eles foram plenamente atingidos.
4.2 DEFINIÇÕES PRELIMINARES
Conforme explicitado no Capítulo 2, os componentes cruciais de um sistema de
RFID são a tag, a leitora e suas antenas. Para o sucesso de um sistema de RFID, as
características técnicas destes componentes devem ser definidas considerando as
65
características da aplicação, envolvendo a composição do produto no qual a tag estará
anexada, o padrão apropriado à aplicação e a distância entre a tag e a leitora.
O estudo de caso abordado nesta dissertação faz parte de um projeto de pesquisa
realizado no Instituto Atlântico11 pelo seu grupo de engenharia12, incentivado pela Lei de
Informática. Este incentivo foi criado pela da Lei nº 8.248, de 23 de outubro de 1991, alterada
pelas Leis nº 10.176, de 11 de janeiro de 2001, e 11.077, de 30 de dezembro de 2004, e no
artigo 33 do Decreto nº 5.906, de 26 de setembro de 2006.
As definições preliminares realizadas neste estudo de caso estão descritas nos
itens a seguir.
4.2.1 Produto a ser monitorado
Os principais desafios encontrados quando se escolhe equipamentos de RFID
estão relacionados com as características físicas dos itens a serem etiquetados com as tags. Se
o produto contém líquido em sua composição, ele pode absorver as ondas eletromagnéticas. O
metal pode refletir os sinais de RF ou mesmo causar uma perda de sintonização da antena da
tag (TAGSYS, 2006).
Os produtos escolhidos para serem monitorados foram 17 modelos de cartuchos
para impressoras de jato de tinta, que possuem substâncias líquidas e partes metálicas que
podem perturbar a comunicação via ondas eletromagnéticas entre as leitoras e as tags. Para
comercialização no varejo, cada cartucho é embalado em uma caixa de papel, na qual são
colocadas as informações para o usuário final, como mostrado na Figura 4.1. Como se trata de
uma prova de conceito, os produtos utilizados nos testes foram os mesmos já disponíveis no
mercado, não sendo permitida nenhuma alteração neles para a aplicação desta tecnologia.
Desta forma, as etiquetas tinham que ser colocadas nas embalagens dos produtos
sem encobrir qualquer informação dirigida ao usuário final. As embalagens podiam ser
dispostas em ganchos e seu volume médio é de cerca de 340 cm3.
11 Instituto Atlântico é uma empresa privada sem fins lucrativos que atua no desenvolvimento de projetos de
pesquisa e desenvolvimento, localizada em Fortaleza-CE: www.atlantico.com.br. 12 Os membros do grupo de engenharia do Instituto Atlântico que participaram deste projeto de pesquisa foram:
Wagner Bezerra e Edmilson Moreira, além do autor desta dissertação.
66
Figura 4.1 – Produto a ser rastreado nas prateleiras
4.2.2 Frequência de operação
A grande maioria da bibliografia estudada cita exemplos da utilização da faixa de
frequência UHF em aplicações de rastreamento de paletas e grandes embalagens, e da faixa de
frequência de HF para algumas aplicações de rastreamento de produtos individuais, mas ainda
são poucas as aplicações para se tomar como uma referência consistente para uma tomada de
decisão.
Tabela 4.1 – Pontos fortes das faixas de frequência HF e UHF para RFID.
Frequência Vantagens
HF
13,56 MHz
• Maturidade da tecnologia • Uniformidade do campo • Desempenho satisfatório com líquidos • Desempenho satisfatório com metais • Padronização de frequência em vários países • Pouca utilização da faixa do espectro • Permite alta densidade de produtos durante a leitura • Boa tolerância à leitura na presença de várias tags • Pouca influência do posicionamento da tag • Baixo custo da leitora
UHF
900-930 MHz
• Tendência de mercado • Boa velocidade de leitura de várias tags • Maior faixa de alcance de leitura • Maior diversidade de formato das tags • Menor preço da tag • PREFERÊNCIA DO CLIENTE DO PROJETO
67
Portanto, foi realizada uma ponderação de vários fatores pertinentes ao estudo de
caso para se decidir qual seria a faixa de frequência mais apropriada para esta aplicação
específica, considerando as opções de HF e UHF. Baseado nas considerações feitas por
(STIGALL, 2006), (TECHREPUBLIC, 2008), (TAGSYS, 2006) e principalmente pelo estudo
científico mais aprofundado realizado pela Odin (2006), foi elaborada uma relação de pontos
fortes de cada uma destas faixas de frequência, que são apresentadas na Tabela 4.1.
Pela Tabela 4.1, pode-se observar que a faixa de frequência HF apresenta mais
vantagens, mas dois fatores cruciais da faixa UHF se destacam: o menor preço da tag e a
preferência do cliente. O menor preço das tags UHF se deve às suas características
construtivas e também pelo seu alto volume de produção (Alien et al., 2006). A preferência
do fabricante se deve às outras vantagens descritas para UHF, além desta frequência já ser
adotada em outras partes da cadeia de suprimentos da empresa, especialmente nas paletas de
produtos.
4.2.3 Padrão e protocolo
Como a faixa de frequência escolhida foi a de UHF, a escolha natural para o
padrão de interface aérea é a especificação EPC Gen2 da EPCglobal, que atende o padrão ISO
18000-6C e também especifica o protocolo de comunicação entre a leitora e a tag. Com a
definição deste padrão para o projeto, os componentes de RFID para as prateleiras inteligentes
devem ser escolhidos de forma a atenderem a esta especificação. Isto se aplica às leitoras,
antenas e tags.
4.3 ESCOLHA DOS COMPONENTES E EQUIPAMENTOS
Com a definição do produto a ser monitorado, da frequência de operação e do
padrão a ser utilizado, pode-se então definir os componentes básicos de um sistema de RFID:
a tag, a leitora e suas antenas.
68
4.3.1 Tags
As tags a serem testadas foram escolhidas entre as que atendiam aos seguintes
critérios:
a) Compatibilidade com o padrão Gen2;
b) Aplicabilidade em rastreamento de itens;
c) Baixa sensibilidade à orientação para leitura;
d) Dimensões compatíveis com as embalagens dos produtos a serem rastreados.
As tags indicadas para a indústria farmacêutica foram consideradas na escolha, já
que as aplicações de RFID para este setor apresentam algumas características similares às
deste estudo de caso. Seis modelos de tags foram selecionados de acordo com as
especificações informadas pelos fabricantes, conforme mostrado na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Tags selecionadas para os testes.
Modelo Fabricante
Frog UPM Raflatec
DogBone UPM Raflatec
AD-420 Avery Dennison
AD-812 Avery Dennison
Omni Squiggle ALL-9460 Alien Technology
Ninja Omron
Conforme especifica o fabricante, as características do modelo Frog visam
possibilitar uma leitura fácil em qualquer orientação. O modelo DogBone é mais sensível à
orientação, mas foi feita para trabalhar bem com líquidos. As duas tags trabalham bem sobre o
metal. O modelo Frog já vem sendo usado em produtos que contêm líquido e metal dentro de
armazéns.
As tags da empresa Avery Dennison são projetadas para o uso em produtos com
metais e líquidos. Como o modelo AD-812 é menor, apresenta uma vantagem para sua
aplicação na embalagem do produto.
69
O modelo ALL-9460 (Omni-Squiggle 1.2) da Alien Technology possui um
formato omni-direcional. Segundo o fabricante, esta tag foi projetada para apresentar ótimo
desempenho para a maioria dos produtos que contém líquido e metal.
A tag Ninja do fabricante Omron se destina a aplicações em garrafas com líquidos
e com tampas de metal. Também apresenta dimensões reduzidas.
Na Tabela 4.3 é apresentado um resumo sobre estes modelos escolhidos.
Tabela 4.3 – Características das tags selecionadas para os testes.
Tag Desenho da antena (fora de escala)
Aplicações Frequência de operação
Dimensões da etiqueta
Rafsec DogBone
860~960 MHz
4”x2”
Avery Dennison AD-420
Otimizado para uso em objetos com metal e líquido
902~928 MHz
4”x2”
Rafsec Frog 860~960 MHz
3”x3”
Alien Omni-Squiggle
Baixa sensibilidade à orientação e longa faixa de leitura.
860~960 MHz
3”x3”
Avery Dennison AD-812
902~928 MHz
1,25”x1,25”
Omron Ninja
Projetado para Indústria de fármacos
902~928 MHz
1,25”x1,25”
70
4.3.2 Leitoras
Os critérios de seleção das leitoras aplicados neste estudo de caso foram baseados
em um relatório de comparação de desempenho elaborado por Deavours (2006), na lista de
leitoras certificadas EPC elaborada pela EPCglobal (2007) e na disponibilidade das leitoras no
fornecedor13. Entre as leitoras certificadas de melhor desempenho para rastreamento em nível
de item, juntamente com a disponibilidade no fornecedor dos produtos, foram compradas as
leitoras Mercury4 do fabricante ThingMagic, ALR-9800 da Alien Technologies e a XR440 da
Symbol (que agora é Motorola), apresentadas na Tabela 4.4.
A leitora Mercury4 da ThingMagic possui 4 portas para antenas, na configuração
bi-estática, ou seja, cada porta possui conectores para duas antenas: uma dedicada para
transmissão e outra para recepção, que são usualmente montadas em um mesmo invólucro.
Portanto, esta leitora pode ser conectada a até 8 antenas. Esta leitora possui um servidor com
o protocolo HTTP que disponibiliza uma interface para configuração, status e diagnóstico. O
sistema operacional desta leitora é o Linux, baseado no kernel 2.4, juntamente com o sistema
operacional de tempo real MercuryOS que roda no DSP para a aplicação de leitura das tags.
Devido ao tamanho das antenas, apenas duas portas foram utilizadas.
A leitora Alien ALR-9800 apresenta 4 portas para antenas na configuração multi-
estática, na qual cada antena é usada para transmitir e receber em períodos alternados.
Entretanto, seu funcionamento é parecido com a configuração bi-estática, já que suas antenas
são sempre usadas em pares: uma está transmitindo enquanto outra está recebendo o sinal. As
portas 1 e 2 formam um par para conexão das antenas e as portas 3 e 4 formam o segundo par.
Isto significa que quando a porta 1 está transmitindo o sinal de RF, a porta 2 está recebendo o
sinal oriundo das tags; quando a porta 2 transmite, a porta 1 recebe. As portas 3 e 4 atuam da
mesma forma como o par de portas 1 e 2. Esta leitora também possui um servidor com o
protocolo HTTP e também utiliza o Linux como sistema operacional. O fabricante também
oferece uma aplicação simples de varredura de tags para esta leitora.
A leitora XR440 da Symbol apresenta características similares às da leitora
Mercury4 da ThingMagic, em termos da quantidade de portas e da configuração bi-estática
para as antenas. Esta leitora também dispõe de um servidor HTTP para configuração e usa o
sistema operacional Windows CE.
13 Todas as leitoras, antenas e tags foram adquiridas da loja virtual disponível em: www.buyrfid.com.
71
Tabela 4.4 – Leitoras selecionadas para os testes.
Leitora Foto Características Mercury4 ThingMagic
• 4 portas bi-estáticas • Até 8 antenas • Processador ARM + DSP • 860-960 MHz • SO Linux + MercuryOS • Conector TNC reverso
Alien ALR-9800
• 4 portas muti-estáticas • Até 4 antenas • Processador Intel XScale • 902,75-927,25 MHz • SO Linux • Conector TNC reverso
Symbol XR440
• 4 portas bi-estáticas • Até 8 antenas • Processador Intel XScale • 902-928 MHz • SO Windows CE • Conector TNC reverso
4.3.3 Antenas
Para tornar o sistema menos susceptível a problemas de orientação das tags, todas
as antenas escolhidas para utilização com as leitoras foram do tipo de polarização circular,
devido à sua capacidade de trabalhar melhor com arranjos não-orientados de tags.
Devido às configurações dos cabos de conexão entre as leitoras e as antenas,
também foram escolhidas as antenas do mesmo fabricante das leitoras escolhidas, evitando a
necessidade de adaptadores, conforme mostrado na Tabela 4.5.
As antenas da ThingMagic e da Symbol são antenas bi-estáticas, sendo que cada
uma é formada por duas antenas circulares: uma com polarização circular para a esquerda e a
outra com polarização circular para a direita. Devido ao tamanho, apenas duas de cada foram
necessárias para cobrir a área das prateleiras, ao mesmo tempo que utilizavam as quatro saídas
das leitoras. Este arranjo duplo de antenas circulares (uma à direita e outra à esquerda)
permite que um mesmo ponto no campo de leitura receba coberturas diferentes de cada
antena, já que as componentes verticais e horizontais de cada antena serão distintas.
72
A antena simples de polarização circular da Alien possui dimensões reduzidas,
comparadas com as outras. Desta forma, foram necessárias 4 antenas para cobrir a área das
prateleiras.
Tabela 4.5 – Antenas selecionadas para os testes.
Antena Foto Características ThingMagic ANT-NA-2CO
• Dupla antena de polarização circular, uma à direita e outra à esquerda
• Ganho máximo de 8 dBi • 50 Ohms • 902 - 928 MHz • Conector TNC reverso • 50 x 20 x 3 cm
Alien ALR-9611-CR
• Polarização circular • Ganho máximo de 6 dBi • 50 Ohms • 890 - 930 MHz • Conector TNC reverso • 27 x 22 x 4 cm
Symbol AN400
• Dupla antena de polarização circular, uma à direita e outra à esquerda
• Ganho máximo de 5,25 dBi • 50 Ohms • 900 - 928 MHz • Conector N fêmea • 72 x 32 x 3,8 cm
4.3.4 Infra-estrutura de testes
Para a realização dos testes, alguns equipamentos de teste e medição foram
utilizados para verificação dos sinais de RF e das condições elétricas e ambientais do local
onde os testes foram realizados.
O principal equipamento nos testes de sistemas de RFID é o analisador de
espectro, juntamente com antenas adequadas para a faixa de frequência que se deseja analisar.
Através dele, é possível visualizar o espectro de intensidade de sinal em uma determinada
faixa de frequência. Com isto, é possível identificar a potência de sinal em uma determinada
73
frequência de interesse, bem como interferências que podem ocorrer nesta mesma frequência
ou em suas harmônicas. Nos testes, foi utilizado o analisador de espectro digital modelo FSP7
da Rohde&Schwarz, que possui faixa de frequência de 9 kHz a 7 GHz, largura de banda de
resolução de 1 Hz a 10 MHz e nível de ruído médio apresentado de -155 dBm.
Para utilizar o analisador de espectro, é necessário acoplar o sinal de interesse em
sua entrada. No caso de um sinal de RF, é necessário acoplar uma antena que seja compatível
com a faixa de RF a ser analisada. Para os testes realizados, foi utilizada a antena de celular
do fabricante Procom, modelo MU 901/1801/UMTS-MMS. Esta antena apresenta faixa de
frequência de 880-960 MHz, ganho de 0 dB, polarização vertical e impedância de 50 Ohms.
Como todas as leitoras apresentavam interface Ethernet para conexão em rede, foi
utilizado um computador com conexão de rede Ethernet para realizar a configuração das
leitoras através de um navegador com protocolo HTTP, bem como para execução da
aplicação de teste das leitoras.
Também foi utilizado um multímetro com um termopar para medição da
temperatura do ambiente. O modelo utilizado foi o multímetro digital Fluke 179, juntamente
com o termopar FE 80BK-A, também da Fluke.
Para os testes iniciais de disposição dos produtos em relação às antenas, foi
projetada uma estrutura simples de madeira com ganchos de acrílico para simular prateleiras
de lojas de varejo no estilo de gôndolas com ganchos. A escolha dos materiais do aparato foi
feita para diminuir a interferência que eles pudessem apresentar no sinal de RF.
Os ganchos de acrílico foram feitos com 30 cm de comprimento, podendo
suportar até 6 cartuchos de tinta em suas embalagens. O aparato foi feito a partir de uma
lâmina de madeira com furos na lateral para permitir o ajuste de altura em relação às antenas
laterais, que eram fixas, conforme mostrado na Figura 4.2.
Os ganchos foram fixados ao longo da lâmina, formando uma grade com 4 fileiras
e cinco colunas, apresentando uma distância horizontal e vertical de 5 cm entre as embalagens
dos cartuchos e 10 cm de distância horizontal mínima entre os cartuchos e as antenas.
74
Figura 4.2 – Estrutura de madeira para os testes iniciais
4.4 DEFINIÇÃO DOS TESTES
De acordo com Lahiri (2005), a localização das tags nos produtos e o
posicionamento das antenas, entre outros fatores, devem ser rigorosamente testados até que o
sistema atinja um nível de desempenho satisfatório. Portanto, o posicionamento das tags na
embalagem dos produtos, o posicionamento das antenas e o posicionamento dos produtos nas
prateleiras foram as principais variáveis consideradas nos testes nesta pesquisa.
O teste de posicionamento das tags na embalagem do produto visa identificar qual
o local na embalagem que diminui a possível interferência causada pelas partes metálicas e
líquidas no circuito de RF da tag. A orientação da tag na posição escolhida visa identificar
qual angulação da tag gera melhor acoplamento com o sinal de RF emitido pelas antenas da
leitora.
Os procedimentos de ensaio aplicados neste trabalho foram adaptados a partir dos
descritos por Brown (2007). Baseado em suas considerações, foram escolhidos
preliminarmente os seguintes testes: avaliação dos equipamentos, avaliação do nível de ruído
75
de radiofrequência do ambiente, posicionamento das tags nas embalagens, disposição das
fileiras de produtos, posicionamento das antenas nas prateleiras e medição do nível de
potência de sinal na área de cobertura. A partir dos resultados destes testes preliminares,
foram então conduzidos os testes sistêmicos finais: índice de leitura para cada modelo de tag
e, finalmente, o teste de estresse final.
4.5 CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO
De acordo com a EPCGlobal, a potência mínima necessária para ler tags EPC é -
10 dBm (SWEENEY, 2005). Portanto, este será o critério para avaliar o nível de interferência
do ruído do ambiente. Caso o ruído esteja abaixo deste parâmetro, o ruído poderá ser
considerado aceitável, já que não será capaz de energizar a tag. Também baseado nesta
especificação, este será o nível mínimo de sinal aceitável nos locais onde os produtos estarão
posicionados com as tags, já que, se o sinal das antenas for captado nestes locais com níveis
acima deste parâmetro, a tag do produto poderá ser lida.
No processo de leitura das tags, foi definido que pelo menos 50% das tentativas
de leitura devem ser bem sucedidas para considerar que a tag está presente na zona de leitura,
sendo este critério baseado na figura TornOn Value estabelecida pela EPCglobal para
determinar o alcance satisfatório de resposta de uma tag ou grupo de tags (BROWN, 2007).
Portanto, os testes realizados nesta pesquisa com os componentes de RFID
começam com os testes de posicionamento das tags nas embalagens dos produtos. A tag que
atingir o melhor índice de leitura será a escolhida para ser usada nas prateleiras inteligentes,
juntamente com a posição na embalagem em que este índice foi atingido. Da mesma forma, a
leitora e as antenas foram escolhidas baseado neste mesmo critério.
76
5 TESTES
Todos os testes desta pesquisa foram realizados no Instituto Atlântico, em seu
laboratório de desenvolvimento de hardware. Os testes foram realizados na sequência em que
serão apresentados a seguir. Alguns ensaios preliminares simples foram realizados para
orientar o desenvolvimento do layout das prateleiras e para definir uma primeira abordagem
para o posicionamento e orientação das tags. Os procedimentos de ensaio aplicados neste
trabalho foram adaptados a partir dos descritos por Brown (2007).
5.1 TESTE PARA ESPECIFICAÇÃO DO LAYOUT DAS PRATELEIRAS
Inicialmente, enquanto a estrutura de madeira mostrada na Figura 4.2 estava sendo
construída, um teste básico foi realizado para servir de base para os testes formais. Como a
leitora Mercury4 foi a primeira a ser adquirida e ficar disponível no laboratório, ela se tornou
o equipamento utilizado para a realização deste teste.
De início, foi realizada a gravação das tags com identificadores, simulando os
códigos EPC únicos de cada produto. Este procedimento foi fácil de ser feito com a
Mercury4. As tags Frog e DogBone da UPM Raflatec, AD-420 e AD-812 da Avery Dennison
e ALL-9460 da Alien Technology foram gravadas de acordo com o procedimento sugerido
pelo software da leitora. A tag Ninja da Omron foi a única que não pôde ser escrita, pois as
amostras dela já vieram com gravação de fabrica e não foi possível regravar.
Com as tags gravadas, foi preparado o cenário do teste preliminar, utilizando uma
mesa de madeira com 70 cm de altura, 130 cm de comprimento e 30 cm de largura. Esta
mesa foi usada para posicionar os produtos e as antenas. As tags do modelo frog foram
fixadas na parte traseira superior das embalagens dos cartuchos, todas na mesma posição, e
estes foram posicionados aleatoriamente sobre a mesa, entre as antenas.
Ao iniciar os testes, a primeira observação feita foi que a configuração bi-estática
das antenas apresentou um melhor desempenho quando as antenas de recepção e transmissão
estavam dispostas frente a frente, com os cartuchos no meio. Isso se deve ao fato de que, nesta
posição das antenas, todas as tags receberam a alimentação de energia satisfatória da antena
77
do transmissor. Em seguida, foi feito um teste de proximidade entre as tags. Os produtos
foram colocados em três fileiras com 6 produtos cada. O resultado da leitura apresentou um
desempenho ruim, e outra configuração foi testada: 6 fileiras com 3 produtos cada, desta vez
com seis centímetros de espaço livre entre as fileiras. Esta configuração apresentou um
desempenho bem melhor.
Em seguida, a tag Frog foi trocada pela ALL-9460 da Alien, sendo cada uma
colocada no mesmo local e mesma orientação em cada embalagem do cartucho, e os
resultados melhoraram um pouco nas mesmas condições do teste anterior. Outra troca foi feita
e a tag Dogbone foi testada. Os resultados mostraram que esta tag é extremamente sensível à
orientação e, também pelo seu tamanho maior, este modelo de tag foi descartado do restante
dos testes. O mesmo aconteceu com a tag AD-420.
As últimas tags testadas foram as menores, a Ninja e a AD-812. Ambas foram
testadas posicionando-as na aba superior das embalagens dos produtos. A AD-812 apresentou
um desempenho muito bom em ambos os cenários, tanto nas 6 fileiras de três cartuchos como
nas três fileiras de 6 cartuchos. A tag Ninja não teve o mesmo desempenho, apresentando uma
sensibilidade muito alta à orientação.
Após esses testes, a estrutura de madeira e as demais leitoras chegaram ao
laboratório, permitindo a realização dos testes formais.
5.2 AVALIAÇÃO DO AMBIENTE
Todos os conjuntos de testes foram realizados no mesmo ambiente, no laboratório
de hardware do Instituto Atlântico. A temperatura da sala foi mantida entre 22 e 26 graus
Celsius e a umidade relativa do ar era de cerca de 70%. Havia vários outros equipamentos
elétricos e eletrônicos ligados no mesmo ambiente, tais como computadores, telefones
celulares e aparelhos de ar condicionado.
Em vez de uma câmara semi-anecóica, este tipo de ambiente foi escolhido por ser
mais próximo do tipo de ambiente no qual o sistema a ser desenvolvido deverá operar de fato.
78
5.3 AVALIAÇÃO DO NÍVEL DE RUÍDO DE RF NO AMBIENTE
Este teste foi executado durante pelo menos dez minutos, três vezes ao dia, sem
nenhuma leitora de RFID ligada. Com isto, foi possível observar se havia alguma fonte
espúria de RF gerando qualquer perturbação durante algum período do dia e também verificar
o nível de ruído presente na sala.
O primeiro passo foi garantir que as leitoras não estavam fornecendo nenhum
sinal para suas antenas. Outra antena móvel omnidirecional foi ligada a um analisador de
espectro e colocada no centro das prateleiras. O analisador foi configurado com parâmetros de
frequência central, faixa e nível de referência de amplitude definidos para 915 MHz, 50 MHz
e 10 dBm, respectivamente. Então, foi registrado o pico de potência de sinal de RF durante
um intervalo de dez minutos, como mostrado no Gráfico 5.1.
Gráfico 5.1– Atividade de RF no ambiente
Ao observar o padrão de sinal de RF identificado pelo analisador de espectro, foi
possível verificar que não havia interferências de sinal nem ruídos significativos no ambiente
de testes. O valor máximo registrado pelo analisador de espectro foi de -54 dBm. Como a
potência mínima necessária para ler tags EPC é -10 dBm, o nível de ruído presente na sala
não representava uma interferência que comprometesse o sinal de leitura das tags.
79
5.4 MEDIÇÃO DO NÍVEL DE POTÊNCIA NA ÁREA DE COBERTURA
Este teste foi realizado para medir o nível de sinal em cada posição do aparato de
madeira onde os cartuchos de tinta seriam colocados nos ganchos de acrílico, já que as tags
precisam de um nível mínimo de sinal para serem energizadas e enviarem seus dados à
leitora. Este teste foi útil para identificar se haviam zonas nulas no campo eletromagnético
emitido pelas antenas das leitoras. Os passos para executar este teste foram:
a) Duas antenas foram fixadas em cada lado do aparato experimental de madeira, frente a
frente, como mostrado na Figura 4.2. Para configurações de antenas bi-estáticas, como é o
caso das leitoras Mercury4 e XR440, as antenas transmissoras foram colocadas em um
lado e as antenas receptoras foram colocadas do outro;
b) O analisador de espectro com a antena UHF foi ajustado para frequência central de 915
MHz, faixa de varredura de 50 MHz e o nível de amplitude de referência foi ajustado para
10 dBm, com a função de captura de nível máximo ativada;
c) A leitora foi ligada e a função de leitura de tags foi ativada, como mostrado no Gráfico
5.2;
d) A antena UHF do analisador de espectro foi colocada em cada posição onde seriam
colocados os cartuchos de tinta, como mostrado na Figura 5.1.
Gráfico 5.2– Leitora desligada (esq.) e ligada (dir.), detectados pelo analisador de espectro
O nível de sinal foi medido e o valor de pico foi registrado em cada posição. Este
procedimento foi aplicado para cada leitora.
80
Figura 5.1 – Posições dos ganchos no aparato experimental de madeira
Tabela 5.1 – Níveis de potência do sinal em cada posição de gancho do aparato
Posição\Leitora ThingMagic Mercury4 (dBm)
Alien ALR9800 (dBm)
Symbol XR440 (dBm)
A1 -1.76 4.45 4.77 A2 -3.50 3.40 3.10 A3 -4.32 1.81 0.13 A4 1.11 5.57 0.42 A5 -2.41 9.16 -5.02 B1 2.38 6.41 -2.93 B2 -2.74 3.81 -4.90 B3 -3.32 3.43 -1.92 B4 1.48 4.23 -7.33 B5 2.56 7.90 -8.32 C1 7.82 4.81 -0.71 C2 3.80 0.84 0.94 C3 2.10 2.38 -1.17 C4 4.57 4.38 1.43 C5 6.44 7.04 -11.49 D1 1.34 1.26 -3.97 D2 1.83 1.04 -3.01 D3 1.81 1.00 -0.13 D4 1.80 2.96 0.09 D5 0.73 1.94 0.89
Na Tabela 5.1 é mostrada a leitura dos níveis de potência detectados em cada
ponto onde os ganchos são posicionados no aparato de testes. A configuração das leitoras foi
mantida com seus valores padrão. Devido à sua configuração de antenas multi-estática, a
81
leitora Alien ALR-9800 apresentou níveis de potência de sinal maiores próximo às antenas,
sem apresentar nenhum valor negativo, se mostrando também mais uniforme. A leitora
Mercury4 não apresentou um comportamento uniforme em relação a sua potência radiada. A
configuração das antenas da leitora Mercury4 no aparato foi da seguinte forma: uma antena
transmissora na lateral superior esquerda emitindo para uma antena receptora na lateral
superior direita e uma antena transmissora na lateral inferior esquerda emitindo para uma
antena receptora na lateral inferior direita. A leitora XR440 apresentou um comportamento
similar ao da leitora Mercury4. A diferença nos resultados se deve aos diferentes arranjos de
antena: um transmissor na lateral superior direita emitindo para um receptor na lateral inferior
esquerda e um transmissor na lateral superior direita emitindo para um receptor na lateral
inferior esquerda. Com estes resultados, é possível perceber que os campos das leitoras com
configuração de antenas multi-estática são muito mais uniformes que os campos das leitoras
com configuração bi-estática. O comportamento do sinal de RF para a leitora Alien, que
apresentou o melhor desempenho, pode ser visto no Gráfico 5.3.
Gráfico 5.3– Distribuição de intensidade de sinal nos ganchos do aparato de testes
5.5 TESTE DE POSICIONAMENTO E ORIENTAÇÃO DAS TAGS
Como o produto dentro da embalagem possui líquido e metal em sua composição,
podendo afetar a sintonia da antena da tag, foi preciso realizar uma série de testes para
determinar o lugar na embalagem aonde cada modelo de tag apresentasse um melhor
desempenho. Por isso, algumas variações na localização e na orientação da tag podem fazer
uma grande diferença na taxa de leitura. O propósito destes testes foi o de selecionar o melhor
82
posicionamento de cada modelo de tag na embalagem e selecionar a tag com o melhor
desempenho para cada leitora. O desempenho da tag é função de muitas variáveis: resposta da
composição do produto à RF, modelo da tag, frequência de operação, localização e orientação
na embalagem, distância entre tags e leitoras, etc.
Alguns pontos tiveram que ser avaliados antes do início deste procedimento de
teste. A colocação da tag na embalagem foi feita de forma que a mesma não comprometesse o
layout da caixa. Nenhuma informação direcionada ao consumidor final poderia ser coberta
pela tag, que deveria ser colada em algum local na superfície da embalagem. Dependendo das
dimensões da tag, algumas posições foram sugeridas para evitar este problema, como
mostrado na Figura 5.2: os modelos AD-812 e Ninja foram colocados na aba superior e na
lateral direita da embalagem, os modelos Frog e Omni-Squiggle foram colocados na parte
traseira do invólucro.
Figura 5.2 – Disposição da tag na embalagem, de acordo com o modelo
O objetivo principal deste teste foi selecionar a melhor combinação entre leitora e
modelo de tag, como também o melhor posicionamento da tag na embalagem. Esta foi feita
baseada nas taxas de leitura de cada arranjo.
No momento de realização deste teste, apenas dezoito amostras de cartuchos de
tinta estavam disponíveis no laboratório. O pequeno número de amostras não permitiu a
realização de um teste de carga que pudesse reproduzir um ambiente real com altas taxas de
colisão de leitura que normalmente acontecem no momento que as tags iniciam seu processo
de resposta à leitora. Isto também limitou a avaliação das respostas em um ambiente muito
denso de tags, já que a proximidade entre elas pode interferir nas suas respostas. Para simular
um ambiente com uma população mais densa de tags, decidiu-se que todas as amostras seriam
83
distribuídas em uma única linha de ganchos no aparato de testes e 100 leituras seriam
executadas. Em seguida, as amostras ocupariam a linha inferior do aparato e outro ciclo de
leituras seria feito. Isto foi replicado para todas as quatro linhas do aparato, permitindo uma
simulação de 72 amostras no total (18 tags x 4 linhas).
Os passos para a execução do teste foram:
a) Duas antenas foram posicionadas em cada lado do aparato experimental, uma de frente
para a outra. Para as configurações bi-estáticas (Mercury4 e XR440), as antenas
transmissoras foram colocadas em um lado e as receptoras do outro;
b) A leitora foi conectada ao laptop onde era executada a aplicação de teste e foi ligada;
c) Cada uma das dezoito amostras de produtos teve uma tag de mesmo modelo colocada em
sua embalagem, com o posicionamento e orientação iniciais de acordo com a figura
acima;
d) As dezoito caixas foram distribuídas em uma única linha de ganchos no aparato. Quatro
amostras foram colocadas no primeiro, terceiro e quinto ganchos. O segundo e o quarto
ganchos receberam apenas três amostras cada;
e) Os parâmetros da aplicação de testes foram ajustados para a leitora em uso, com o número
de leituras ajustado para 100. O processo de leitura foi então iniciado;
f) O número de vezes que cada tag respondeu foi registrado;
g) Os produtos foram trocados de linha no aparato e outro ciclo de 100 leituras foi
executado. Isto aconteceu para todas as linhas, como mostrado na Figura 5.3.
Figura 5.3 – Sequência de testes em cada linha do aparato
h) As tags foram rotacionadas em 90 graus no sentido anti-horário e o processo de leituras
foi refeito com os produtos colocados novamente na primeira linha;
i) Este procedimento foi repetido para cada um dos quatro modelos de tag fixados nas
embalagens dos produtos;
j) Este procedimento foi repetido para todas as leitoras.
84
Tabela 5.2 – Resultado do teste de cada combinação de leitora e tag no aparato Descrição do Teste Leituras
por Tag (média)
Desvio Padrão
Tags Detectadas (>=50%)
Tags não Detectadas
(<50%)
Falsas Leituras
Mercury4 com AD-812 na aba 67,19 34,42 55 17 0Mercury4 com AD-812 na aba (90 graus) 66,53 37,87 54 18 0Mercury4 com AD-812 na lateral 77,00 32,64 59 13 0Mercury4 com AD-812 na lateral (90 graus) 69,65 35,31 54 18 0ALR-9800 com AD-812 na aba 99,94 0,23 72 0 1ALR-9800 com AD-812 na aba (90 graus) 96,46 16,25 69 3 0ALR-9800 com AD-812 na lateral 81,29 36,94 59 13 0ALR-9800 com AD-812 na lateral (90 graus) 78,29 34,58 60 12 1XR440 com AD-812 na aba 76,28 35,38 58 14 0XR440 com AD-812 na aba (90 graus) 80,93 32,83 61 11 0XR440 com AD-812 na lateral 70,85 40,70 54 18 0XR440 com AD-812 na lateral (90 graus) 57,49 38,33 45 27 0Mercury4 com Ninja na aba 75,81 33,09 57 15 0Mercury4 com Ninja na aba (90 graus) 38,25 41,47 29 43 0Mercury4 com Ninja na lateral 86,19 23,50 65 7 0Mercury4 com Ninja na lateral (90 graus) 55,46 40,15 42 30 0ALR-9800 com Ninja na aba 99,86 0,75 72 0 0ALR-9800 com Ninja na aba (90 graus) 29,08 38,12 20 52 0ALR-9800 com Ninja na lateral 85,18 34,13 62 10 1ALR-9800 com Ninja na lateral (90 graus) 48,76 45,45 33 39 0XR440 com Ninja na aba 83,17 27,29 61 11 0XR440 com Ninja na aba (90 graus) 18,18 30,40 11 61 0XR440 com Ninja na lateral 93,81 17,27 69 3 0XR440 com Ninja na lateral (90 graus) 34,99 38,61 25 47 0Mercury4 com ALL-9460 80,63 23,32 68 4 0Mercury4 com ALL-9460 (90 graus) 84,03 17,65 70 2 0ALR-9800 com ALL-9460 93,81 22,29 67 5 0ALR-9800 com ALL-9460 (90 graus) 87,64 28,27 63 9 0XR440 com ALL-9460 84,90 33,11 61 11 0XR440 com ALL-9460 (90 graus) 83,81 31,81 61 11 0Mercury4 com Frog 74,38 29,66 61 11 0Mercury4 com Frog (90 graus) 91,47 24,26 67 5 0ALR-9800 com Frog 80,56 36,41 58 14 0ALR-9800 com Frog (90 graus) 96,53 16,37 69 3 1XR440 com Frog 58,83 41,91 44 28 0XR440 com Frog (90 graus) 89,63 25,17 66 6 0
Na Tabela 5.2 são listados os testes executados considerando a combinação de
leitora, tag, posição e orientação. É importante ressaltar que os números representam uma
situação simulada de 72 amostras obtidas pela movimentação do bloco de 18 amostras através
das quatro linhas de ganchos presentes no aparato de teste. Por esta razão, as médias e somas
foram computadas com base em 72 amostras. Como já citado, o critério para considerar-se
85
uma tag como detectada na zona de leitura é que ela tenha respondido pelo menos 50% das
leituras executadas pela leitora.
A leitora ALR-9800 da Alien apresentou um desempenho muito bom com as tags
AD-812 e Ninja colocadas sem rotação na aba superior da embalagem, permitindo a leitura de
todas as tags. Este posicionamento de tags para o arranjo de antenas da Alien permitiu uma
alta taxa de leitura. Poucas leituras falsas foram captadas. A taxa de leitura e a quantidade de
tags detectadas caíram quando as tags foram rotacionadas em 90 graus. O pior caso ocorreu
com o modelo de tag Ninja posicionada na aba e rotacionada em 90 graus, o que mostra uma
alta sensibilidade à orientação desta tag. O resultado dos testes para esta leitora com o
posicionamento das tags na lateral das embalagens não foi satisfatório.
A melhor taxa de leitura com a leitora Mercury4 foi atingida com a tag Frog
rotacionada em 90 graus, mas mesmo assim, apenas 67 amostras foram detectadas. Mesmo
com uma taxa de leitura menor, foram detectadas 70 tags do modelo ALL-9460 (Omni-
Squiggle), o que, para o controle de estoque em prateleiras, é mais interessante. O pior
resultado dos testes para esta leitora ocorreu com a tag Ninja rotacionada de 90 graus na aba.
A leitora XR440 apresentou seu maior número de detecções, 69, com a tag Ninja
na lateral direita sem rotação e também apresentou a melhor taxa de leitura. O pior
desempenho desta leitora aconteceu com a tag Ninja na aba rotacionada em 90 graus.
99,94
84,03
93,81
72 70 69
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
ALR-9800 comAD-812 na aba
Mercury4 comALL-9460 (90°)
XR440 comNinja na lateral
Média deleituras portag
Tagsdetectadas
Gráfico 5.4– Melhor resultado de cada leitora
No Gráfico 5.4 é mostrado o melhor resultado para cada leitora. As tags menores,
AD-812 e Ninja, apresentaram um bom desempenho, mas a AD-812 é menos sensível à
orientação e, portanto, mais interessante para controle de estoque em prateleiras. Os
86
resultados das duas tags mostraram-se semelhantes enquanto não houve rotação da tag, mas
com 90 graus de rotação, o desempenho da tag Ninja caiu bastante. As tags maiores, ALL-
9460 e Frog, tiveram resultados equivalentes entre si, mas suas dimensões não justificariam
seu uso.
As leitoras bi-estáticas, XR440 e Mercury4, mostraram-se inadequadas para
aplicações que exijam um alto grau de densidade de tags. A única leitora que detectou todas
as amostras em todas as posições do aparato de testes foi a ALR-9800 da Alien. Esta leitora
também apresentou a melhor taxa de leitura, 99,94% de acertos por tag.
A melhor combinação para uma aplicação de controle de estoque de produtos em
prateleiras foi atingida com a leitora ALR-9800 da Alien e a tag AD-812 posicionada na aba
superior da embalagem, sem rotação.
5.6 TESTES DE CARGA
Durante os testes de posicionamento e orientação das tags, a pequena quantidade
de amostras dos produtos não era suficiente para realizar testes de carga. Para este teste, todos
os ganchos no protótipo das prateleiras inteligentes, mostrada na Figura 5.4, deveriam ser
preenchidos com cartuchos de tinta para validar o desempenho das leitoras e tags em um
cenário mais realista. O cliente desta pesquisa enviou outras amostras de cartuchos de tinta
para serem adicionados aos primeiros e com isto foi possível preencher todos os ganchos com
17 modelos distintos de cartuchos, completando 89 amostras.
Para os testes de carga, apenas os equipamentos de RFID que alcançaram os
melhores resultados nos testes anteriores foram utilizados, que são: a leitora ALR-9800 da
Alien e a tag AD-812 da Avery Dennison, fixada na borda superior da embalagem.
Todas as tags foram uniformemente distribuídas nos ganchos, cada um ficando
com quatro ou cinco cartuchos. As antenas foram igualmente espaçadas e seu arranjo foi
configurado da seguinte forma: a ANTENA0 de frente para a ANTENA1 e a ANTENA2 de
frente para a ANTENA3, conforme ilustrado na Figura 5.5.
87
Figura 5.4 – Leiaute do protótipo desenvolvido para as prateleiras inteligentes
A leitora foi configurada para a seguinte seqüência de antenas:
a) - ANTENA0 era capaz de enviar sinais de RF para ANTENA1 e ANTENA3;
b) - ANTENA1 era capaz de enviar sinais de RF para ANTENA0 e ANTENA2;
c) - ANTENA2 era capaz de enviar sinais de RF para ANTENA1 e ANTENA3;
d) - ANTENA3 era capaz de enviar sinais de RF para ANTENA0 e ANTENA2.
O critério de leitura foi o mesmo dos testes anteriores: o número de leituras bem
sucedidas dividido pelo número total de tentativas deve ser igual a 50 por cento, no mínimo,
para considerar a tag presente. Por motivos de confidencialidade, o algoritmo de leitura não
poderá ser descrito nesta dissertação, pois está sendo patenteado pelo cliente que solicitou este
estudo de caso.
5.6.1 Testes com antenas nas laterais do móvel
O protótipo das prateleiras inteligentes foi arranjado com os ganchos de acrílico
em cinco fileiras de quatro colunas. Quatro antenas de polarização circular foram distribuídas
nas laterais, ficando duas de cada lado, conforme ilustrado na Figura 5.5.
88
Figura 5.5 – Disposição das antenas nas prateleiras
Após 100 ciclos de leitura, os resultados foram os apresentados na Tabela 5.3:
Tabela 5.3 – Resultado do teste de carga com antenas laterais
Tags nos ganchos 89 Ciclos de leitura 100 Número total de respostas esperadas 8900 Número total de respostas que falharam 2 Taxa de leitura bem sucedida 99,9775% Tags detectadas na zona de leitura (somente tags que responderam 50% ou mais)
89
Tags não detectadas na zona de leitura (somente tags que responderam menos de 50%)
0
Leituras fantasmas 0 Duração do teste 6:05 min
Neste teste, todas as 89 tags foram detectadas na zona de leitura e cada tag
respondeu, em média, 99,9775% das 100 leituras executadas. Nenhuma tag fantasma foi
detectada.
5.6.2 Testes com antenas na parte superior e inferior do móvel
Este teste é similar ao teste anterior, alterando apenas a posição das quatro
antenas, que agora foram distribuídas na parte de cima e de baixo, ficando duas em cada parte.
Após os mesmos 100 ciclos de leitura, os resultados foram os mostrados na
Tabela 5.4:
89
Tabela 5.4 – Resultado do teste de carga com antenas na vertical
Tags nos ganchos 89 Ciclos de leitura 100 Número total de respostas esperadas 8900 Número total de respostas que falharam 0 Taxa de leitura bem sucedida 100% Tags detectadas na zona de leitura (somente tags que responderam 50% ou mais)
89
Tags não detectadas na zona de leitura (somente tags que responderam menos de 50%)
0
Leituras fantasmas 0 Duração do teste 5:58 min
Neste teste, todas as 89 tags foram detectadas na zona de leitura e não houve
nenhuma falha nas respostas de todas as tags. Nenhuma tag fantasma foi detectada.
5.7 TESTE DE ESTRESSE DO PROTÓTIPO DA PRATELEIRA
Para o teste de estresse, foram utilizadas as mesmas configurações do teste de
carga descrito no item 5.6.1, com a leitora ALR-9800 da Alien, a tag AD-812 da Avery
Dennison, fixada na borda superior da embalagem, as antenas nas laterais do móvel e os
ganchos dispostos em cinco fileiras de quatro colunas.
A leitora foi ligada e conectada a um laptop executando uma aplicação de teste.
Para o teste de carga, foram executados 15.000 ciclos de leitura. Os resultados foram os
mostrados na Tabela 5.5:
Tabela 5.5 – Resultado do teste de estresse
Tags nos ganchos 89 Ciclos de leitura 15.000 Número total de respostas esperadas 1.335.000 Número total de respostas que falharam 4 Taxa de leitura bem sucedida 99,9997% Tags detectadas na zona de leitura (somente tags que responderam 50% ou mais)
89
Tags não detectadas na zona de leitura (somente tags que responderam menos de 50%)
0
Leituras fantasmas 0 Duração do teste 865:32 min
90
No teste de carga com 15.000 ciclos de leitura, todas as 89 tags foram detectadas
na zona de leitura e cada tag respondeu, em média, 99,9997% das 100 leituras executadas.
Nenhuma tag fantasma foi detectada.
91
6 CONCLUSÃO
Nesta dissertação foi apresentado um estudo sobre a tecnologia de identificação
por radiofrequência – RFID – fazendo uma análise de seus componentes básicos e de seus
princípios de operação. Também foi apresentado o sistema de Suprimento Enxuto, que é
baseado nos princípios da metodologia Enxuta aplicados à cadeia de suprimentos.
No Suprimento Enxuto, a necessidade da informação de forma precisa e em tempo
real é crucial para garantir a eficiência do sistema. Desta forma, propõe-se a utilização da
tecnologia de RFID como a base tecnológica para o sistema de Suprimento Enxuto, partindo
da premissa de que a tecnologia de RFID é aplicável na construção de prateleiras inteligentes,
provendo a informação de forma precisa sobre quais produtos estão dispostos nas prateleiras.
Para provar esta premissa, foi desenvolvido um estudo de caso, no qual um sistema de
prateleiras inteligentes foi projetado e um protótipo foi construído para avaliar o índice de
cobertura que este sistema pode alcançar quando um determinado tipo de produto é disposto
nas prateleiras, utilizando a faixa de frequência de UHF com o padrão EPC Gen2.
Os testes de carga, configurados para 100 ciclos de leituras, foram executados em
cerca de 6 minutos, ou seja, o tempo médio foi de 3,6 segundos para cada ciclo. Como
estavam presentes 89 produtos nas prateleiras, isto resulta em um tempo médio de 40,45 ms
para leitura de cada produto. O teste de estresse com 15.000 ciclos também apresentou um
tempo de leitura por produto bem próximo deste.
De acordo com os resultados dos testes de carga e do teste de estresse realizados e
apresentados no Capítulo 5, a cobertura de 100% dos produtos dispostos nas prateleiras foi
atingida. Isto prova que, com a escolha dos componentes e equipamentos de RFID mais
adequados para uma dada aplicação, a tecnologia de RFID pode ser usada como base
tecnológica para um sistema de Suprimento Enxuto, além de ser também uma solução para o
problema de falta de estoque de produtos no varejo.
Utilizando esta tecnologia, é possível identificar o ponto ótimo de reposição para
cada SKU disponível em cada ponto de venda. Com isto, é possível atingir um índice de out-
of-stock zero, já que o número de PSP (Pontos Sem o Produto) seria zero. Toda a cadeia de
suprimentos poderia ser dimensionada para trabalhar com níveis mínimos de estoque, o que
permitiria também que a produção fosse dimensionada para o volume ótimo de unidades
produzidas de cada SKU. Como a precisão da informação está sendo comprovada e ela pode
92
ser disponibilizada em tempo real para toda a cadeia de suprimentos até a produção, isto
comprova que a tecnologia de RFID pode ser uma forte aliada para sistemas de Suprimento
Enxuto.
Entre as contribuições deste trabalho, está a realização de um estudo bastante
abrangente sobre a tecnologia de RFID, apresentando uma compilação de vários livros de
referência, artigos recentes e sítios eletrônicos relacionados à tecnologia de RFID e também
sobre o sistema de Suprimento Enxuto.
Também há uma contribuição com a realização da prova de conceito de utilização
da faixa de frequência UHF no rastreamento em nível de produto, já que a maioria dos casos
documentados de UHF é relativa à aplicação desta faixa de frequência apenas em blocos de
produtos, como containeres e paletas.
Outra contribuição deste trabalho está no processo de validação do sistema
proposto, no qual um protótipo do sistema de prateleiras inteligentes foi construído para
verificar o índice de cobertura do sistema projetado, seguindo uma metodologia de validação
e testes incrementais, concluindo com um teste de carga.
Por fim, a contribuição final deste estudo de caso foi servir como base para a
implementação de um produto para a empresa que solicitou esta pesquisa, que já está sendo
instalado em fase experimental em alguns pontos de venda em São Paulo.
A partir do estudo de caso realizado, trabalhos futuros podem ser desenvolvidos
tanto para melhorar o sistema proposto, como para utilizar a idéia em outras aplicações. Cada
tipo de produto que apresente características distintas do produto que foi utilizado neste
estudo de caso necessita de outro processo de análise para que seja aplicada a tecnologia de
RFID, já que a composição, o tamanho e a disposição dos produtos podem interferir com o
sinal de RF.
93
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World: The Story of Lean Production. Free Press, segunda edição, 2007.
96
ANEXOS
97
ANEXO A – Fabricantes de Produtos para RFID
http://www.accusort.com/
http://www.adt.com/
http://www.alientechnology.com/
http://www.autoassembly.com/
http://www.rfid.averydennison.com/
http://www.awid.com/
http://www.checkpointsystems.com/
http://www.datamaxcorp.com/products/rfid/
http://www.ekahau.com/
http://www.ems-rfid.com/
http://www.feig.de/index.php?lang=en
http://www.hitachi.com/
http://www.impinj.com/
http://www.intermec.com/
http://www.lxe.com/
http://www.maxell.com/
http://www.nxp.com/#/homepage
http://www.powerpaper.com/
http://www.printronix.com/
http://www.rfcode.com/
http://www.savi.com/
http://www.sirit.com/
http://www.cyntag.com/
http://www.motorola.com/Business/US-EN/Business+Product+and+Services/RFID/
http://www.ti.com/rfid/
http://www.ubisense.net/en
http://www.rafsec.com/
http://www.zebra.com/
98
ANEXO B – Fontes de Informação sobre RFID
Status de regulamentação para uso de RFID na banda UHF:
http://www.epcglobalinc.org/tech/freq_reg/
Guia de utilização da tecnologia de RFID da EPCglobal:
http://www.epcglobalinc.org/what/cookbook
Maior sítio eletrônico de notícias sobre RFID na Internet::
http://www.rfidjournal.com
Venda online de produtos de RFID:
http://www.buyrfid.com
http://www.rfidsupplychain.com
http://www.barcoding.com/rfid/rfid-readers-new.shtml
http://rfidstuff.com
http://www.product-catalog.com
http://www.sourceithere.com/Index_RFIDMain.html
http://www.juting.com.tw/RFID_inlay_tags.aspx
http://www.acentech.net/cms/index.php?option=com_content&task=categ
ory§ionid=15&id=88&Itemid=172
Sistema Enxuto:
www.leanbrasil.com
www.lean.org.br/
iSixSigma (www.isixsigma.com)
iSixSigma Magazine (www.isixsigma-magazine.com)
99
ANEXO C – Trabalho apresentado no Wireless Systems International Meeting 2010
100
A SmartShelf with RFID for a Lean Supply System Marcelo F. de Sousa1, Wagner Bezerra2, Edmilson Moreira3, Giovanni C. Barroso4, Antônio Sérgio B. Sombra5
Federal University of Ceara Campus do Pici, Fortaleza-CE-Brazil
[email protected] [email protected] [email protected]
[email protected] [email protected]
Abstract— This paper presents an analysis of radiofrequency identification, RFID, applied to logistics of distribution of an specific product in its points of sale, focusing on the retailer stock, searching for the best efficiency in the replenishment of products. One of the key elements of a Lean Supply system is to achieve a minimum, but satisfactory stock level at each sector of the whole supply chain, from the factory to the end retailer. By controlling the retailer stock level careful and precisely, a very efficient supply chain can be achieved. This paper intends to enable a lean supply system through the application of a smart shelf with RFID technology, preventing out-of-stock situations. As a proof of concept, a smart shelf prototype was developed to investigate the performance of RFID in its state-of-the-art. Some technology fundamentals are explained to ease the understanding of the case study. The challenges involved in a retailer-oriented application are discussed, as well as the architecture proposed as a solution. The equipments acquired for the tests and the experimental procedures applied to choose the best arrangement are described concisely. The final results are presented as tables and comparative graphics comprising performance and the conditions in which those equipments performed well. The conclusion of this paper shows the achieved performance ratings, presenting the feasibility of RFID as an enabling technology in smart shelves to compose a lean supply system. Keywords— Radio Frequency Identification (RFID), lean supply, tag, smart shelf, Electronic Product Code (EPC), supply chain management
I. INTRODUCTION Nowadays, the out-of-stock situation is a major issue in
logistics of manufacturers and retailers, leading to enormous losses possibilities [1]. This knowledge area has some specific terms that are widely used, demanding a brief description of them.
Stock Keeping Unit (SKU) term refers to the storage logistics and designates each and every unique stock item. They are usually associated with an identification code [2].
Out-of-Stock term is used under two basic situations: as a performance index in supply chain management [3] and to describe the situation of the literal meaning.
The search for solutions to mitigate the occurrence of out-of-stock situation in the points of sale and retailers is being pursued for a long time, as this problem causes lots of financial losses for everybody involved in the whole supply chain of products.
Besides the distribution logistics of retailers, many other industry sectors face similar problems and have also being searching solutions for it. One of the major industries in this search is the automotive sector. Toyota stands out in this area by having created a very efficient system which inspires many other sectors [4].
A. TPS and Lean Supply The most visible product of Toyota's quest for excellence is
its manufacturing philosophy, called the Toyota Production System (TPS). TPS is the next major evolution in efficient business processes after the mass production system invented by Henry Ford, and it has been documented, analysed, and exported to companies across industries throughout the world. Outside of Toyota, TPS is often known as "lean" or "lean production" [4].
In the TPS, there are two outer pillars: just-in-time (JIT), probably the most visible and highly publicized characteristic of TPS, and jidoka, which in essence means never letting a defect pass. JIT means removing, as much as possible, the inventory used to buffer operations against problems that may arise in production. TPS has been referenced as Lean Production system. The principles of Lean System applied to supply chain are called Lean Supply [5].
A fundamental assumption of lean supply is the precision of the information. The whole work of stock management is void if the information basis is not consistent. Part of the development of a better stock control system is to guarantee that the information in the system is: in real-time and accurate.
Surveys showed that once costumers face stock-out of their favourite product, up to 50 percent of them are ready to buy another item in the category, even though the substitute is not from the same manufacturer [6]. Another report presented that 14 percent of the customers search other stores for the item not found, constituting an instantaneous loss for the retailer [6].
B. RFID There are many different ways for identifying objects,
people and animals. Radio Frequency Identification – RFID – technology offers a mechanism for remote identification of items, requiring much less orientation between reader and objects, no need for line of sight and human intervention is
101dramatically reduced when compared to the other identification methods [7].
RFID is an automatic identification system that carries information around using radio waves [7]. This technology is emerging as the ultimate tool to help supply chain automation. The impact of that automation in shelf replenishment policy is really significant [8]. It eases the replenishment processes minimizing human periodic verifications and it also allows reduced shelf dimensions and a faster and more accurate backroom and store inventories [9].
C. Frequency Ranges Four frequency ranges are adopted in RFID: LF (Low
Frequency, 125-133 kHz), HF (high Frequency, 13.56 MHz), UHF (Ultra-High Frequency, 862-870 MHz) and microwaves (2.5 GHz / 5.8 GHz) [10].
D. Main Components The main specific components of a RFID system are:
electronic label (called tag), the reader and its associated antennas, besides the computer which runs the application software. These are the main components located in the front end of an identification system, like a shop, for instance.
There are two basic types of chip used in RFID tags: read-only and read-write. Depending on the power source, tags can be classified as active, passive or semi-passive [11].
Each type of tag presents a minimum power requirement to respond properly to the reader. Depending on the type and the standard they belong, there is a specification for this parameter. For instance, 10 dBm is the minimum power level required to read EPC tags [12].
The readers use antennas to send digital coded information in a waveform using amplitude modulation or load modulation [10]. The readers can be found in handhelds, mounted in support brackets or fixed in furniture or walls.
A RFID reader can have one or more antennas connected to it. The typical parameters of a reader are: transmission and reception mode and polarization. Transmission modes are: monostatic, bistatic and multistatic [13]. In monostatic mode, the same antenna transmits and receives signals during the reading cycle. The bistatic type has antennas working in pairs: one always transmits and another always receives. The multistatic system is a mix of the monostatic and the bistatic configurations. Similar to a bistatic interrogator, the multistatic has their antennas working in pairs, but like the monostatic systems, both antennas send and receive signals in an alternated mode.
The polarization of an antenna can be linear or circular. A linear polarized antenna irradiates the signal only in the propagation direction plane. Linear propagation can be horizontal, where the propagation runs in parallel to the earth plane, or it can be vertical, where the signal propagates perpendicularly to the earth plane [14]. If the direction of the electrical component spins around the propagation axis, the antenna is circular polarized [15].
E. EPCglobal Regarding the issues concerned with RFID, there are two
main organizations defining the standards (conflicting sometimes): ISO and Auto-ID Centre, which is now controlled by EPCglobal.
EPCglobal, Inc. (http://www.epcglobalinc.org) was created aiming to establish and support the Electronic Product Code (EPC) Network as a global specification to keep a unique identification standard for every item manufactured.
EPC is a 96 bit number composed of a header and three data sets. Depending on the application specification, there may be many iterations of EPC [11]. A typical EPC code is shown on the Table I.
TABLE I EPC FORMAT
Electronic Product Code Type 1 02 0000A69 00012D 000112DE1
HEADER (8 bits)
EPC MANAGER (28 bits)
OBJECT CLASS (24 bits)
SERIAL NUMBER (36 bits)
II. OBJECTIVES The main objective of this paper is to verify the feasibility
of using a smart shelf system with RFID as a core technology for a lean supply system. The focus is on retailers supply chain automation, intending to increase shelf replenishment efficiency, avoiding out-of-stock situations.
The current analysis involves the arrangements of RFID equipments and the definitions of a prototype layout. As the underlying technology is radiofrequency (RF), lots of issues regarding interference and performance arise, because each kind of material can affect the RF signal in a different way. The whole methodology of design and the tests applied to validate the smart shelf prototype are also explained. No software solution is evaluated.
III. SMART SHELF SYSTEM A smart shelf application allows a very accurate inventory
of products by means of automated processes. If any item is removed from or added to the shelf, some action of replenishment or expiration date verification, for instance, can be applied instantly. A simulation shows that the shelf lost sales quantity decrease up to 99 percent with a RFID automated shelf [8].
In short, the scanning cycle of tagged objects occurs when a computerized system requests the reader to communicate with the tags in the read zone. The reader emits a RF signal through its antennas to the tags attached on items. The tags send a response with their unique numbers back to the reader, so those objects can be identified.
A. Initial Specifications After a deep analysis of the RFID market, some decisions
had to be made in order to limit the number of variables involving any RFID item-level application. It was decided to use only UHF GEN2 equipments to be tested, instead of the HF inductive coupling systems. This choice was supported by
102the forecast of the decrease in Gen2 tag prices [16]. The layout of the shelf was influenced by such those found in department stores. The read performance index was defined to require that at least 50 percent of read attempts had to be successful for considering a tag present in the read zone. This performance criteria was based on the TornOn Value figure, established by EPCglobal to define the the minimum read range of a tag or group of tags [17].
B. Tagged Items The main challenges faced when choosing RFID
equipments are related to the physical characteristics of the items to be tagged. If the product composition contains liquid, it can absorb the electromagnetic waves. Metal can reflect the RF signals or even cause a tag antenna detuning [18].
The products chosen to be used in the tests were ink cartridges for printers, which have liquid substances and metallic parts which can disturb the communication between readers and tags using electromagnetic waves. Furthermore, the tags should be placed on the package of the items without covering any information addressed to the final customers. The packages can be held by hooks and their average volume is about 335 cubic centimeters. Fig. 1 shows the RFID signal attenuation process considering the product layout.
Fig. 1 RFID Signal Attenuation Process
C. RFID Equipments Selection Several aspects must be considered to address the most
suitable RFID equipment combination for a specific application, but basically, there are always three components in any architecture. The intelligent part of the system is the reader, which contains a control unit that commands a RF module as well as the communication with other devices by using serial and network interfaces. The second are the antennas, responsible for transforming electrical signals into radio waves and vice versa. The third is the transponder or tag, which really carries the information around, being composed of an antenna and an electronic microchip.
The selection criteria of readers applied in this case study was based on EPC Certified Readers list [19] and a performance comparison paper [13]. At the time of the acquisition process, the ThinkMagic Mercury4 and the Alien 9800 were certified by EPCGlobal. Although the Symbol XR440 was not certified, it was chosen instead of the XR400
model influenced by the vendor’s information about its best performance in noisy RF environments.
The Alien 9800 presents a monostatic configuration, while Mercury4 an XR440 uses the bistatic setup [13].
IV. METHODOLOGY OF TESTS The scope of the tests covered some environment analysis,
equipment evaluation and tag placement studies. Some simple preliminary tests were conducted to gather initial data to develop a shelf layout and to define a first approach for tag positioning and orientation. The test procedures applied in this work were adapted from the ones explained by Dennis E. Brown [17].
All sets of tests were performed in the same environment, the temperature of the room was kept between 22 and 26 Celsius degrees and the relative humidity was about 70%. There were several other electrical and electronics devices working at the room such as computers, telephones, cell phones and air conditioners, in order to simulate an ordinary environment where shelves usually are located.
V. PRELIMINARY TESTS Some preliminary tests were performed in order to provide
a good background to determine tag placement and orientation, as well as to specify the smart shelf design. The preliminary shelf layout was proposed with about 1 square meter exposition area which should use a matrix of hooks to sustain the items.
A. Shelf Layout Specification Before building the shelf prototype, its layout specifications
had to be validated. To perform some simulations, one reader, four antennas, 18 items and a wooden table were employed. All the items were tagged considering the product layout constraints. The packages were placed on the table, simulating the hooks positioning, forming columns. Intending to achieve high read rates, several arrangements were tried, by varying the tag orientation, the space between columns, the height of the table and the space between the antennas and the items. The method was reproduced for all models of tags.
The arrangement which achieved the highest read rates defined the layout of the shelf prototype in terms of dimensions, number of hooks, positioning of hooks and positioning of antennas. The material chosen to make the hooks was acrylic instead of metal, to avoid RF disturbing. The prototype sketch can be seen in Fig. 2. It was also defined the initial tag placement.
103
Fig. 2 Smartshelf Layout
B. Environment RF Evaluation This test was executed for at least ten minutes, three times a
day, when no RFID readers were working. It allowed observing if any disturbing sources of RF occurred during some period of the day, also verifying the level of noise present in the room.
The first step was to ensure that the readers were not outputting any power to its antennas. A mobile antenna was attached to the spectrum analyzer and placed in the center of the shelf. This measurement equipment had its center frequency, span and amplitude reference level parameters set to 915 MHz, 50 MHz and 10 dBm, respectively. Finally, the RF power activity was verified during ten minutes.
By observing the RF behavior shown by spectrum analyzer, it was possible to verify that neither signal interferences nor stronger noises were detected in the tests environment. The maximum value recorded was -54 dBm. As the minimum power level to read EPC tags is 10 dBm [12], the noise in the room of the test environment was within an acceptable level which would not compromise the reading signal of tags.
C. Power Level Measurement in Interrogation Zone It was very important to identify if there were any null
zones in electromagnetic field emitted by the reader antennas. So, it was measured the power level in each position where item packages would be held by acrylic hooks.
This process began with the placement of two reader antennas on each side of the shelf.
Again, the spectrum analyzer had its center frequency, span and amplitude adjusted to 915 MHz, 50 MHz and 10 dBm, respectively. A mobile antenna was attached to this measurement equipment. Thus, one reader started the reading process and the maximum outputted power value was measured and recorded for every position which would be filled with item packages. This process was executed for all three readers.
Fig. 3 Level of Power Detected Near Hooks The Fig. 3 graphically presents the results of the reader
with the higher levels of power emission (look at the rows and columns in Fig. 2 to verify the distribution of the hooks). The minimum power level that was detected in the interrogation zone was 0.84 dBm and the maximum was 9.16 dBm, so all tags would be able to be powered, once that -10dBm is the power needed to read EPC tags [10].
VI. SHELF LAYOUT AND RFID EQUIPMENT PERFORMANCE EVALUATION
The purpose of this test was to select the best set of reader, antenna, tag type, placement and orientation, according to its read rates and the number of tags detected on the shelf.
A small number of item samples, 18, were available when this test was executed. That quantity of samples was not enough to run a stress test that could reproduce the high collision rate when tags start transmitting to a reader in a real production environment. Also, the samples distribution density would not be enough to evaluate if a reader signal could achieve tags surrounded by several item packages and if those tags could send a response back to that reader. So, in order to simulate a dense population of tags, all 18 sample items were spread in one row of the shelf and one hundred read cycles were performed. All readers were tested only with their specific antennas. The four tags were tested, being placed in the upper border, back side and right side of the package, according to their size and the product package layout. The Omron Ninja and the AD-812 were placed in the right side and in the upper border. The ALL-9460 and the UPM Frog were only placed in the back of the item package.
Fig. 4 Tag Placement and Orientation The test process began with the placement of two reader
antennas in each side of the shelf. Then, the reader was turned
104on and connected to a laptop running a test application. All items packages had a tag attached to its surface according to the previous explanation, with the tag orientation shown in Fig. 4. Those packages filled one row of hooks of the shelf. Four packages placed on the first, third and fifth hooks, and three packages on the second and fourth hooks. The test application was executed one hundred times and the number of successful readings was recorded for every tag. The test was made in all four rows, in order to simulate 72 packages. Those tests where made for each possible combination of reader and its antenna, tag type, positioning, and orientation. Fig. 5 shows the best read rates achieved for the tags in the sequence they were tested. Fig. 6 shows the quantity of tags detected on shelf.
Fig. 5 Best Read Rates by Tag Model
Fig. 6 Quantity of Detected Tags
VII. SHELF PROTOTYPE STRESS TEST The small amount of item samples used to evaluate the
shelf layout and tag placement was not enough to conduct stress tests. All hooks on the shelf prototype had to be filled with items to validate the performance of readers and tags on a more realistic scenario. For this test, other 71 product samples were acquired and added to the previous 18, intending to populate all hooks with tagged packages. Only
the reader and the tag model that achieved the best results in previous tests were submitted to this test.
Four circular polarized antennas were distributed on the lateral sides, two elements at each side. The reader was turned on, and connected to a laptop running a test application. Table II presents the final results after the executed read cycles.
TABLE II STRESS TEST RESULT
Tags on shelf 89 Read attempts 15.000 Total number of expected responses 1.335.000 Total number of failing responses 4 Read rate 99,9997% Detected tags in the read zone (only tags that replied 50% or more)
89
Non-detected tags in the read zone (only tags that replied less than 50%)
0
Ghost reads 0 Test duration 865:32 min All 89 tags were detected in the read zone and each tag
replied 14999.9551 times average for 15000 reads executed. No ghost reads were detected.
VIII. CONCLUSIONS This paper presents a RFID item-level management
feasibility analysis through the design, implementation and validation of a smart shelf prototype intended to be used as the core technology of a lean supply system. Despite of all those constraints usually found in RF applications, a very successful solution could be developed. Cutting edge technology in this area and the latest advances in RFID are breaking the barriers to achieve results considered impossible some years ago. The RFID UHF Gen2 standard is pushing the performance of equipments and components to enable surprising results.
The prototype developed achieved impressive results in the stress tests, with 99.9997% read rate, and all item packages tracked. This result can be considered a consistent proof of feasibility for RFID technology in smart shelf applications.
By using RFID, it is possible to identify the optimum replenishment point for each SKU to be available in a point of sale, avoiding out-of-stock situations. The whole supply chain could be adjusted to work with the minimum stock level possible, which would also enable a lean production. As the information precision is guaranteed and data can be made available in real time for all the players in the supply chain, as required for such a system [20], RFID technology can be a very strong ally for lean supply systems.
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