RFID E SUAS APLICAÇÕES UM ESTUDO DE CASO COM PRATELEIRAS INTELIGENTES

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1 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

2 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

3 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

4 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.

5 desconhecido). A diferença entre o ordinário e o extraordinário é aquele pequeno extra (Autor

6 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.

7 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.

8 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

9 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

10 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Expressões para α e k para meios com perdas e sem perdas Tabela 2.2 Comparação entre tecnologias de identificação Tabela 2.3 Características e aplicações das faixas de frequência populares em RFID 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 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

11 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 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.

12 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.

13 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO RFID PROPRIEDADES DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS COMPARAÇÃO COM OUTRAS TECNOLOGIAS ORIGEM DO RFID FAIXAS DE FREQUÊNCIA E TIPOS DE ACOPLAMENTO TAGS LEITORAS ANTENAS PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO DE RFID PADRÕES E PROTOCOLOS APLICAÇÕES DE RFID SUPRIMENTO ENXUTO FALTA DE ESTOQUE PRODUÇÃO EM MASSA SISTEMA TOYOTA DE PRODUÇÃO SUPRIMENTO ENXUTO SEIS SIGMA ENXUTO PROJETO DAS PRATELEIRAS INTELIGENTES METODOLOGIA UTILIZADA PARA PROJETO E TESTES Definição das variáveis técnicas de RFID Análise das variáveis técnicas e da aplicação Escolha dos componentes e equipamentos Definição dos testes a serem realizados e critérios de avaliação Realização dos testes Análise dos resultados DEFINIÇÕES PRELIMINARES Produto a ser monitorado...65

14 4.2.2 Frequência de operação Padrão e protocolo ESCOLHA DOS COMPONENTES E EQUIPAMENTOS Tags Leitoras Antenas Infra-estrutura de testes DEFINIÇÃO DOS TESTES CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO TESTES TESTE PARA ESPECIFICAÇÃO DO LAYOUT DAS PRATELEIRAS AVALIAÇÃO DO AMBIENTE AVALIAÇÃO DO NÍVEL DE RUÍDO DE RF NO AMBIENTE MEDIÇÃO DO NÍVEL DE POTÊNCIA NA ÁREA DE COBERTURA TESTE DE POSICIONAMENTO E ORIENTAÇÃO DAS TAGS TESTES DE CARGA Testes com antenas nas laterais do móvel Testes com antenas na parte superior e inferior do móvel TESTE DE ESTRESSE DO PROTÓTIPO DA PRATELEIRA 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

15 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.

16 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

17 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.

18 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-áidi). 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.

19 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: μ. = μ0 μ r ε = ε 0. ε r em que μ 0 e ε 0 são os valores no vácuo: 7 0 4π x 10 H. μ = m ,854 x 10 F. ε = m 36π 1 e μ r e ε r são os valores relativos (μ r = ε r = 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.

20 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: Ε = E 0 Η = H e 0 j( wt kz) e xˆ j( wt kz) yˆ em que E 0 e H 0 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 xˆ e ŷ 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: 2π k = λ

21 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: S av = 1 E0H0zˆ 2 O vetor de direção na equação acima enfatiza que E, H e S av 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: w v = = k 1 με Como k é definido em função do comprimento de onda, então este é dado por: λ = v f No vácuo, a velocidade de fase se torna: 1 8 v = c = 3 x 10 m / s μ ε 0 0 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: Ε = E e Η = H [ j( wt kz) αz) 0 xˆ [ j( wt kz) αz] 0e yˆ

22 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: 1 δ = α Portanto, a amplitude da intensidade do campo elétrico em um ponto z comparado com seu valor em z = 0 é dada por: z ( ) ( z) E(0) e δ E = 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 ] ω μ σ ω 2 1 σ μ ωμσ 2 2 Número de onda k [m -1 ] ω μ σ ω ωμσ ω μ 2 Impedância da onda Z [Ω] jωμ σ + jω μ ωμ (1 + j) 2σ Comprimento de onda λ [m] 2π k ω 2π μ 2π 2 ωμσ Velocidade de fase ν [m.s -1 ] ω k μ 1 2ω μσ 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

23 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/d 3. 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 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