USO DAS TECNOLOGIAS RFID E ZIGBEE NA CONCEPÇÃO DE UMA CESTA DE COMPRAS INTERATIVA

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1 Organização Sete de Setembro de Cultura e Ensino - LTDA Faculdade Sete de Setembro FASETE Curso de Bacharelado em Sistemas de Informação Gladson Araujo de Menezes USO DAS TECNOLOGIAS RFID E ZIGBEE NA CONCEPÇÃO DE UMA CESTA DE COMPRAS INTERATIVA Paulo Afonso BA Dezembro/2011

2 Gladson Araujo de Menezes USO DAS TECNOLOGIAS RFID E ZIGBEE NA CONCEPÇÃO DE UMA CESTA DE COMPRAS INTERATIVA Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado ao curso de graduação em Sistemas de Informação da FASETE, como pré-requisito para a obtenção do grau de Bacharel. Orientador: Prof. Msc. Igor Medeiros Vanderlei. Paulo Afonso BA Dezembro/2011

3 Dedico este trabalho à Minha mãe Maria Alice que mesmo na distância, nunca deixou de rezar por mim e torcer pelo meu sucesso.

4 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, por ter permitido que eu chegasse até aqui, sem arrependimentos ou culpas. À minha noiva (e futura esposa) Ana Cátia, que com sua serenidade, se contrapondo à minha inquietação, trouxe-me em momentos importantes, o equilíbrio necessário. Obrigado Morena! À minha família (pais, irmãos, tias e primos) que mesmo estando longe, creio que sempre firmaram um pensamento positivo em minhas ações e que de algum modo, podem ter influenciado nas minhas decisões. Ao meu orientador Igor Medeiros, que apesar das eventuais (e salutares) discordâncias, acredito que concordamos em pontos fundamentais para a realização no presente trabalho. A todos os professores que de forma direta ou indireta, consciente ou não, através de suas atitudes, contribuíram de algum modo, para que eu chegasse até aqui.

5 Menezes, Gladson Araujo. Uso das Tecnologias Rfid e Zigbee na Concepção de uma Cesta de Compras Interativa 2011, 50p. Monografia (Bacharelado em Sistemas de Informação). Faculdade Sete de Setembro. Paulo Afonso BA. RESUMO Os avanços tecnológicos têm permitido a otimização de processos em praticamente todas as áreas do mundo moderno. Nesse contexto, a internet (em especial, as compras virtuais) vem ganhando, a cada dia, mais espaço em relação ao modo de compra presencial. O que está levando algumas redes de varejo, na intenção de proporcionar ao cliente uma nova experiência de compra, a investir tecnologicamente em suas estruturas físicas. Como exemplo disso, está a implantação de um carrinho de compras interativo onde, pode-se, através de uma tela, visualizar o preço dos produtos inseridos no mesmo e o total da compra. O objetivo deste trabalho é demonstrar a viabilidade técnica e vantagens do uso das tecnologias RFID e ZigBee na implementação deste carrinho. Para tal, foi construído um protótipo funcional de uma cesta de compras, com um sistema embarcado de identificação de produtos por RFID e comunicação entre o protótipo e a base de dados, por ZigBee. Os resultados obtidos mostraram que tecnicamente o sistema é viável, inclusive com algumas potencialidades permitidas pelas tecnologias utilizadas. Palavras-chave: RFID, ZigBee, Microcontrolador

6 Menezes, Gladson Araujo. Use of RFID and Zigbee in the Design of an Interactive Shopping Cart. 2011, 50p. Monograph (Bachelor of Information Systems). Faculdade Sete de Setembro. Paulo Afonso BA. ABSTRACT Technological advances have allowed the optimization of processes in virtually all areas of the modern world. In this context, the Internet (in particular, the virtual shopping) is becoming every day more space in relation to the presence of purchase order. What are some leading retailers, with the intention of providing customers a new shopping experience to invest in their facilities technologically. As an example, is the deployment of an interactive shopping cart where you can, through a screen, displaying the price of the products entered in the same and the total purchase. The objective of this study is to demonstrate the technical feasibility and advantages of using RFID and ZigBee technologies in the implementation of this cart. To this end, we built a working prototype of a basket, with an embedded system product identification RFID and communication between the prototype and the database, for ZigBee. The results showed that the system is technically feasible, including some potential allowed by the technology used. Keywords: RFID, ZigBee, Microcontrolador

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Indução Eletromagnética Figura 2 - Modelo de Transceiver Portátil Figura 3 - Etiqueta Eletrônica Figura 4 - Sistema RFID Básico Figura 5 - Exemplo de uma Rede ZigBee Figura 6 - Padrões Globais de Transmissões sem Fio Figura 7 - Camadas da Rede ZigBee Figura 8 - Topologias da Rede ZigBee Figura 9 - Aplicações da Tecnologia ZigBee Figura 10 - Conexões entre Dispositivos e o Microcontrolador Figura 11 - Encapsulamentos de Microcontroladores Figura 12 - Componentes de um Microcontrolador Figura 13 - Sequência de Bits Transmitidos na Comunicação Serial Figura 14 - Roteiro para Gravação de um Microcontrolador Figura 15 - Famílias de Microcontroladores PIC Figura 16 - Diagrama de Bloco Comunicação Cesta/banco de Dados. 41 Figura 17 - Esquema Eletrônico do Circuito Embarcado no Protótipo.. 43 Figura 18 - Microcontrolador PIC18F Figura 19 - Dispositivo leitor RFID ID Figura 20 - Placa XBee S Figura 21 - Placa Adaptadora COM-USBBEE Figura 22 - Protótipo da Cesta de Compras Iterativa (Tela inicial) Figura 23 - Placas de Circuito do Protótipo... 50

8 SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA PROBLEMA DE PESQUISA HIPÓTESES OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos METODOLOGIA ESTRUTURA DO TRABALHO REFERENCIAL TEÓRICO RFID Conceito Histórico Aplicações com RFID Estrutura e Funcionamento de um Sistema RFID ZIGBEE Conceito O Padrão IEEE Arquitetura das Redes ZigBee Topologia das Redes ZigBee Aplicações da Tecnologia Zigbee MICROCONTROLADORES Conceito Microcontroladores e Microprocessadores A Comunicação Entre Dispositivos e Microcontroladores Gravação em um Microcontrolador PIC... 37

9 Aplicações DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO FERRAMENTAS DE DESENVOLVIMENTO ARQUITETURA DA CESTA FUNCIONAMENTO DO SISTEMA Funcionamento em Nível de Usuário Funcionamento em Nível Eletrônico DETALHES DE IMPLEMENTAÇÃO O Microcontrolador O Leitor RFID O ZigBee A Alimentação A Comunicação RESULTADOS OBTIDOS CONSIDERAÇÕES FINAIS FUTURAS IMPLEMENTAÇÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 56

10 11 INTRODUÇÃO A influência da tecnologia na vida do homem moderno tem transformado suas relações sociais, culturais e econômicas de modo irreversível. Seus hábitos e costumes, hoje são permeados por elementos tecnológicos que o faz assumir comportamentos diferentes dos de décadas atrás. A comunicação entre as pessoas foi um dos elementos que sofreram maior impacto com o uso dos recursos tecnológicos atuais. Através da internet é possível, por exemplo, estreitar as relações entre indivíduos em todo o mundo, e com isso promover a disseminação do conhecimento, tornando menores, as diferenças culturais que existem entre os povos. As relações de compra e venda, também são influenciadas pela revolução tecnológica. O comércio eletrônico, por exemplo, vem ganhando mais espaço a cada dia, devido a uma série de benefícios, como economia de tempo e a comodidade em adquirir um produto sem ter que sair de casa. Contudo, apesar das vantagens da compra pela internet, o comércio presencial ainda tem seu espaço garantido pela natural resistência do homem à mudança e também, porque, oferece algumas vantagens que dificilmente serão pormenorizadas, como testar um produto no local da compra e o tempo de entrega, que na maioria das vezes é imediato. Por este cenário favorável às compras presenciais, algumas redes de varejo, ainda que de forma incipiente, estão investindo em tecnologia na busca pela eficiência, através da inclusão de sistemas automatizados em sua estrutura física. Uma das primeiras iniciativas no sentido de estabelecer algum nível de interatividade com o consumidor foi a implantação de pontos de consulta, instalados nas seções de um supermercado, que informam o preço do produto quando o código de barra do mesmo é passado em frente a um leitor eletrônico. Contudo, estes dispositivos (em funcionamento até hoje), limitam-se a informar o preço e nada mais.

11 12 Esta mesma funcionalidade de consulta de preços, já está sendo implantada em carrinhos de compras (poderia ser implantado também em cestas sem grandes adaptações) porém, com a possibilidade de visualizar, em uma tela, informações relacionadas ao produto como, por exemplo, tabela nutricional. Ou seja, agora o sistema é móvel e está à disposição do cliente no próprio carro de compras. Para identificar a mercadoria tanto nos pontos de consulta como no interior do carrinho de compras, é utilizada a leitura por código de barras. Uma tecnologia muito difundida, em que um leitor emite um feixe de laser capaz de interpretar um código em forma de barras de uma etiqueta. O sistema, apesar de muito utilizado, possui algumas limitações como necessidade de visibilidade entre leitor e etiqueta, e identificação não simultânea de mercadorias. Para aplicações como a do carrinho de compras, em que se faz necessário a identificação de produtos em seu interior, outra tecnologia pode ser considerada para sua implementação: a identificação por rádio frequência (RFID). Com ela, é possível fazer a identificação simultânea de todos os itens existentes em um local e sem a necessidade de contato físico ou visual direto (sistema de alta frequência). Pode-se também, ler através de diversos materiais como plásticos, madeira, vidro e papel. Ainda com relação à mesma aplicação, além da identificação do produto, é necessário que o carrinho se comunique com uma base de dados, onde estarão informações sobre produtos e serviços que serão mostrados ao cliente em sua tela. Para tal deve ser estabelecido um padrão de transmissão sem fio que tenha baixo consumo de energia (dada sua alimentação limitada por baterias) e que seja confiável. Atendendo a esses requisitos está a ZigBee, uma tecnologia relativamente nova, que opera com baixa potência e possui boa flexibilidade na comunicação entre dispositivos móveis. O presente trabalho visa demonstrar a viabilidade técnica no uso do sistema RFID e ZigBee na concepção de uma cesta de compras interativa. Através da criação de um protótipo se pretende apresentar as características do sistema desenvolvido com as tecnologias supracitadas.

12 JUSTIFICATIVA As compras pela internet, dada sua rapidez e praticidade, estão a cada dia, ganhando espaço para as compras presencias. É preciso que o comércio varejista, em especial as redes de supermercados e lojas de departamento, ofereça uma estrutura competitiva, com recursos que justifiquem a opção do cliente pela compra presencial, em detrimento à compra através da rede mundial. O uso de um sistema de compras interativo pode representar um avanço para o setor varejista, no sentido de oferecer ao cliente uma forma mais eficiente e prática de realizar suas compras. Contudo, a tecnologia de código de barras, principal método de identificação de produtos em supermercados, apesar de muito difundida e adequada em algumas aplicações, se mostra falha, para o uso em um carrinho ou cesta de compras interativo, apresentando desvantagens frente à identificação por rádio frequência. Um aspecto relevante que justifique a substituição da tecnologia de código de barras pela RFID, para o sistema de compras interativo, é a dependência ou responsabilidade do usuário pelo seu uso. Como o código de barras demanda uma leitura aproximada e em visada direta, eventualmente, pode ocorrer a introdução de um produto no interior da cesta ou carrinho sem que este tenha sido lido, gerando uma inconsistência entre o valor da compra e os produtos associados a ela. Com o RFID, pretende-se resolver os problemas apresentados acima, já que, a detecção do produto por parte dos sensores, independe do cuidado e habilidade humana. Ou seja, ao introduzir o produto na cesta ou carrinho de compras, o mesmo, já seria identificado de imediato (sistema em alta frequência), o que evitaria tanto discrepância nos resultados da compra, como reduziria a possibilidade de ações fraudulentas por parte do usuário. O uso da tecnologia de transmissão de dados ZigBee, se justifica principalmente pela simplicidade na implementação e seu baixo consumo, sendo esta última, uma característica muito desejada em sistemas embarcados (como é o caso do carrinho

13 14 de compras) que geralmente são alimentados por baterias e precisam ter o maior tempo possível sem recarga PROBLEMA DE PESQUISA Em se tratando de um sistema de transmissão sem fio, será viável, tecnicamente, desenvolver uma cesta de compras interativa usando a tecnologia RFID, em substituição a outra tecnologia de identificação já usada, o código de barras HIPÓTESES Apesar se serem tecnologias que utilizam sinais eletromagnéticos, as tecnologias RFID e ZigBee poderão coexistir em um mesmo sistema sem que uma, interfira na outra; O leitor RFID será capaz de identificar o código do produto, mesmo transpondo do conteúdo das embalagens; O processo de compra com a cesta interativa representará um ganho de tempo para o usuário OBJETIVOS Objetivo Geral Demonstrar viabilidade técnica e benefícios da implementação da cesta de compras interativa com as tecnologias RFID e ZigBee Objetivos Específicos Demonstrar o uso da tecnologia RFID em sistemas embarcados;

14 15 Aplicar a tecnologia ZigBee em sistemas embarcados; Demonstrar a integração entre as tecnologias RFID e ZigBee; Ilustrar algumas possibilidades em marketing com as tecnologias RFID e ZigBee, na implementação da cesta ou carrinho de compras interativos; Construir um protótipo físico da cesta de compras interativa METODOLOGIA Para atingir os objetivos citados, o presente trabalho será conduzido por uma pesquisa bibliográfica em livros, artigos e trabalhos científicos, seguida da implementação de um protótipo de uma cesta de compras interativa, para viabilizar o estudo das tecnologias em questão. Tal protótipo será inicialmente montado em placa de desenvolvimento eletrônico e matrizes de contato, que facilitarão o manuseio de componentes no período experimental da pesquisa. Nesse estágio, o primeiro ensaio será a interface gráfica onde serão mostradas as informações sobre os produtos lidos. Será necessário o desenvolvimento de um programa em linguagem C para inserção das instruções no microcontrolador. Depois de absorvidas as técnicas de impressão de caracteres em display LCD, a próxima etapa será a leitura RFID, que se dará através de um leitor de baixa frequência que deverá através de uma comunicação serial, enviar o código lido ao microcontrolador. Por fim, o estudo e implementação da comunicação entre protótipo e computador, que se dará através da tecnologia ZigBee e também será feita serialmente. Depois de atingido o resultado esperado, serão confeccionadas placas de circuito específicas para a aplicação, que ficarão embutidas em uma cesta de compras

15 16 adaptada para o estudo. Nela, um leitor RFID, um microcontrolador, uma placa de transmissão sem fio ZigBee e um display alfa numérico, serão os principais componentes do protótipo ESTRUTURA DO TRABALHO O presente trabalho está estruturado em 4 (quatro) capítulos descritos abaixo: O capítulo 1, onde foram apresentados a introdução, justificativa, problema de pesquisa, hipóteses, objetivos, e a metodologia. O capítulo 2 é composto pelo referencial teórico, onde serão expostos conceitos e características das tecnologias foco deste trabalho. O capítulo 3 aborda o desenvolvimento do protótipo com descrição das ferramentas utilizadas, arquitetura e detalhes da implementação e os resultados obtidos com o mesmo. Por fim, o capítulo 4 contém as considerações finais bem como sugestões para futuras implementações.

16 17 2. REFERENCIAL TEÓRICO 2.1. RFID Conceito A EAN Brasil (2011) define RFID como uma tecnologia que utiliza ondas eletromagnéticas (sinais de rádio) de frequências alta e baixa para transmitir dados armazenados em um microcircuito. Stanton (2004) descreve RFID como uma tecnologia de identificação que utiliza a radiofrequência para o intercâmbio de dados, permitindo realizar remotamente o armazenamento e recuperação de informações usando um dispositivo chamado etiqueta de rádio identificação, um pequeno objeto que poderá ser afixado ou incorporado em um produto, bem ou até num ser vivo Histórico Ahson (2008) relata que a identificação por radiofrequências, tem seu funcionamento baseado no conceito da indução eletromagnética, descoberto por Michael Faraday ainda no século XIX. Faraday define sua descoberta como sendo, a produção de corrente eletromagnética em um circuito e estático, colocado sob o efeito de um campo magnético variante, ou por um circuito em movimento em um campo magnético constante. Um campo magnético variável pode induzir nos terminais de uma bobina, uma corrente elétrica proporcional à intensidade deste campo e igualmente variável. Na prática, se um imã (ou eletroimã) for aproximado e afastado repetidas vezes de uma espira condutora, aparecerão nos terminais desta, uma diferença de potencial capaz de energizar um circuito. A Figura 1 ilustra a teoria descrita.

17 18 Figura 1 Indução Eletromagnética Fonte: cap16/fig305.gif Este fenômeno físico, hoje é a base para diversas aplicações em eletrônica, tal como o rastreamento por radiofrequência, que foi iniciado durante a segunda guerra mundial onde os alemães identificavam as aeronaves aliadas ou inimigas, através de sinais de rádio que eram emitidos no ar por suas bases. Esta aplicação pode ser considerada, um dos primeiros sistemas RFID usados no mundo. Já em 1999, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) juntamente com outros centros de pesquisa do mundo, iniciaram um estudo que visava desenvolver uma tecnologia de identificação por radiofrequência, aperfeiçoando as técnicas usadas anteriormente na área militar para serem usada no rastreio e controle automático de produtos. Surge então o que seria a estrutura básica do sistema RFID. Uma das primeiras aplicações comerciais (e que até hoje vigora) foi o controle de saída de produtos em lojas de departamentos, com o objetivo de inibir o furto. Nas entradas e saídas, eram instaladas leitores de RFID de modo que se a mercadoria saísse da loja sem que a etiqueta fosse retirada no ato da compra, era soado um alarme indicando que possivelmente o produto não foi pago.

18 Aplicações com RFID A tecnologia RFID, além de aumentar a precisão do controle logístico nas empresas (transporte, estoque, armazenagem, manuseio entre outros), ainda traz como benefícios e aplicabilidades: Controle de acesso a funcionários em empresas: Crachás com uma etiqueta RFID embutida permitem o controle de ponto automático dos funcionários presentes nas empresas; Controle de pacientes: Dispositivos colocados em baixo da pele (com dimensões milimétricas) podem conter todo histórico do paciente e serem acessados automaticamente assim que ele entra no hospital; Sistema de pedágio automático: Os automóveis poderão ter etiquetas RFID instaladas em sua estrutura de modo que ao passarem por um posto de pedágio, o sistema identifica o veículo e registra dia, hora e quantidades de passagens deste pela barreira, podendo assim debitar de sua conta a taxa correspondente; Rastreio e controle de animais: Rebanhos recebem etiquetas que contêm todo seu histórico de vacinação e identificação; Identificação e segurança infantil: Uso de pulseiras rastreáveis através das quais, pais podem localizar seus filhos em um parque, por exemplo; Controle de produtos em áreas insalubres e perigosas: Com a possibilidade de rastreio e identificação a uma distância segura, o acesso a estas áreas não será mais necessário; Automatização no processo de compra no varejo: Carrinho de compras interativo, que identifica quais produtos estão sendo incluídos em seu interior.

19 Estrutura e Funcionamento de um Sistema RFID Segundo Miles (2008), o sistema RFID é composto basicamente por três elementos: Transceiver: Circuito responsável por enviar sinais eletromagnéticos, através da antena, para energização do microchip contido na etiqueta eletrônica. Também ler o código identificador vindo da mesma. Pode ser portátil (Figura 2), conectado a um computador ou de maior porte, onde a antena estaria posicionada em uma torre ou estrutura, para leituras de objetos maiores, tais como veículos ou pessoas com crachás eletrônicos; Figura 2 Modelo de Transceiver Portátil Fonte: RFID-Handheld.jpg Transponder: Também chamado de e-tag, RFID tag, ou etiqueta eletrônica, é o dispositivo que estará afixado ao produto a ser rastreado e é composto por um micro ou nano circuito que guardará informações de identificação da mercadoria e uma antena que captará os sinais eletromagnéticos provenientes do transceiver. A Figura 3 mostra uma etiqueta RFID em formato retangular, porém elas podem ter vários formatos e tamanhos de acordo com sua aplicação. Ao longo desde trabalho será usado o termo Etiqueta eletrônica ;

20 21 Antena Microcircuito Figura 3 Etiqueta Eletrônica Fonte: Antena: Está presente tanto no transponder (portátil) como no transceiver e possui a função de emitir e captar os sinais gerados. Segundo Hunt (2007), as etiquetas podem ser classificadas como ativas ou passivas. As ativas contêm uma bateria inclusa em sua estrutura, que na prática aumentam sua capacidade de transmissão, pois não necessitam obrigatoriamente serem energizadas pelo transceiver. Devido a isso, os tags ativos podem se comunicar com os leitores menos poderosos e podem transmitir informações que chegam a centenas de metros. Além disso, é possivel gravar informações diretamente em sua memória. No entanto, elas são maiores e mais complexas do que sua versão passiva e por isso se tornam mais caras de produzir. As baterias de etiquetas ativas podem durar de dois a sete anos. Puglia (2007), em seu estudo, diz que etiquetas RFID passivas não possuem fonte de alimentação incorporada. Em vez disso, elas usam a energia recebida pelo leitor para transmitir as informações até ele. Como resultado, geralmente são menores e menos custosas para produzir em relação aos tags ativos. No entanto, seu alcance efetivo é menor. Outra característica que as difere das ativas, é que as etiquetas passivas não permitem gravação de informações em sua memória, contudo já possuem um

21 22 código identificador único de 10 bytes que dificilmente se repetirá, pois com esse tamanho, é possível ter um número de dispositivos chegando a 12x10 23, sem repetição de código, o que, na maioria dos casos, atende às necessidades da aplicação. MILES (2008) descreve o processo de identificação de um produto por RFID (com etiqueta passiva) da seguinte forma: O transceiver envia sinais eletromagnéticos através de uma antena que serão captados por outra existente na etiqueta eletrônica. Tais sinais induzirão uma diferença de potencial nos terminais desta antena, que será usada para alimentar o micro ou nano circuito da etiqueta conectado a ela. Este circuito agora energizado passará a gerar sinais eletromagnéticos e embutirá nele, as informações contidas em sua memória. A mesma antena que captou sinais para energização do microcircuito, agora enviará o sinal com as informações embutidas para que sejam, num processo inverso, captado pela antena do transceiver e interpretado para extrair todas as informações contidas na memória da etiqueta lida. Percebe-se que o processo é bidirecional e que tanto o transceiver como a etiqueta eletrônica hora recebem sinais, hora enviam. A Figura 4 ilustra um sistema de identificação por RFID onde o transceiver é o computador que emite os sinais que energizarão a etiqueta eletrônica. Figura 4 Sistema RFID Básico Fonte:

22 23 De acordo com Hunt (2007), outra característica que diferencia as etiquetas eletrônicas, é o tipo de memória, que pode ser somente de leitura (read-only), em que as informações são gravadas uma única vez e de modo permanente; ou de escrita e leitura (RW), que possuem a versatilidade de poderem ser gravadas, apagadas e gravadas novamente milhares de vezes, permitido seu reaproveitamento e inclusão dinâmica de informações. Ainda segundo Hunt (2007), a tecnologia RFID pode operar em diferentes faixas de frequência: baixa, alta, ultra-alta e microondas, sendo que cada uma possui comportamentos e características distintos. Baixa frequência ou LF ( khz): Nesta faixa, o sistema RFID possue menor alcance de transmissão e são mais vulneráveis às interferências eletromagnéticas. No entanto, como sinais de baixa frequência têm melhor penetrabilidade em materiais não metálicos, nessa faixa de frequência, a leitura dos produtos pode transpor obstáculos como embalagens e caixas por exemplo; Alta Frequência ou HF (10 15 MHz): Faixa de frequência mais utilizada na indústria varejista devido aos parâmetros que apresenta. A partir desta frequência, já é possivel efetuar leitura simultânea de produtos e a alguns metros de distância, característica que o torna aplicável no controle de mercadoria; Ultra-alta frequência ou UHF ( MHZ): Faixa com alto alcance de transmissão, menor poder de penetrabilidade. A partir dessa faixa a velocidade de leitura já é considerada alta e as interferências sofridas por outros sistemas caem drasticamente. Aplicação no rastreio de veículos em postos de pedágio. Microondas (2,4 5,8 GHz): É a banda com maior alcance entre as descritas, porém com maior custo de implantação. Transmissões em frequências altas tendem a se propagarem em linha reta como um feixe e por isso não admitem obstáculos entre o transceiver e a etiqueta. Aplicável em situações que necessite do rastreio a uma distância maior.

23 24 O alcance reduzido das etiquetas que operam em baixas e altas frequências em relação à UHF e micro-ondas se deve ao ganho reduzido provocado pelo tamanho de suas antenas que deveriam ter dimensões maiores o que as tornariam impraticáveis. Quanto maior a frequência de transmissão, menor deve ser sua antena, assim, as maiores faixas levam vantagem, pois, podem ter antenas menores com bons ganhos. O presente trabalho utilizará a tecnologia RFID para identificação de produtos dentro de uma cesta de compras. Produtos estes que conterão em suas embalagens uma etiqueta eletrônica que será rastreada por antenas dispostas no interior da cesta ZIGBEE Conceito Farahani (2008) descreve ZigBee como uma tecnologia de transmissão sem fio, baseada no padrão IEEE (um padrão com baixa complexidade e consumo de energia), projetada para atender às necessidades exclusivas de custo e potência reduzidos de sensores, e redes de controle em quase qualquer área. De fato, tratase de um padrão global e aberto para a comunicação sem fio de custo reduzido e pequeno alcance, com características adequadas ao uso nos dispositivos utilizados no dia a dia das pessoas tais como controles remotos e componentes de automação residencial. Messias (2009) esclarece que o nome ZigBee foi inspirado no modo de vida das abelhas e sua semelhança com uma rede em malha. As abelhas voam em ziguezague, trocam informações com outros membros da colmeia sobre distância, direção e localização. Analogamente, uma malha ZigBee dispõe de vários caminhos possíveis entre cada nó da rede para a passagem da informação, assim, é possível eliminar falhas se um nó estiver inoperante, simplesmente mudando o percurso da informação. A Figura 5 ilustra uma malha de rede ZigBee.

24 25 Figura 5 Exemplo de uma Rede ZigBee Fonte: Pinheiro (2004), relata que a tecnologia foi desenvolvida pela ZigBee Alliance, uma associação composta hoje por mais de 300 empresas, que trabalham em conjunto para aperfeiçoar este padrão capaz de possibilitar um controle seguro em redes sem fio, de diversos equipamentos, incluindo soluções para a automação predial, medicina e entretenimento. Segundo Gislason (2008), os dispositivos baseados na tecnologia ZigBee operam em frequências que não requerem licença para funcionamento, incluindo as faixas de 2,4GHz (Global), 915Mhz (América) e 868Mhz (Europa) e com taxas de transferência de dados de 250kbps em 2,4GHz, 40kbps em 915Mhz e 20kbps em 868Mhz. Seu baixo consumo se dá, em parte, porque durante o tempo em que o dispositivo não estiver transmitindo, ele entra em modo de economia de energia, também conhecido como modo de hibernação. Por isso, são capazes de se manterem em operação durante vários anos sem necessidade de substituição de baterias O Padrão IEEE Para estabelecer padrões que atingissem o objetivo proposto, a ZigBee Alliance desenvolveu o ZigBee junto com Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), uma organização de origem americana cujo um de seus papéis é o estabelecimento de padrões para novas tecnologias.

25 26 O IEEE criou o padrão IEEE , pertencente ao grupo de redes de área pessoal (PAN), objetivando estabelecer especificações para um sistema de baixa transmissão e baixo consumo. A Figura 6 mostra os diversos tipos de redes e seus padrões criados pelo IEEE. Padrões Globais de Transmissão sem Fio Figura 6 - Padrões Globais de Transmissões sem Fio Fonte: (BRANQUINHO; REGGIANI; ADREOLLO, 2005) Dentro deste grupo estão o Bluetooth (atualmente muito utilizado em dispositivos portáteis e móveis) o qual corresponde ao padrão IEEE e o ZigBee, que é padronizado em parte pela IEEE , norma responsável pelas duas camadas mais baixas: física e MAC.As camadas superiores foram desenvolvidas pela ZigBee Alliance. A Figura 7 mostra as responsabilidades na implementação de cada camada do sistema ZigBee. Usuário ZigBee Alliance IEEE Figura 7- Camadas da Rede ZigBee Fonte: Menezes, 2011 Aplicação Suporte a aplicação Rede /Segurança MAC FÍSICA

26 Arquitetura das Redes ZigBee Messias (2009) descreve, que existem dois tipos de dispositivos em uma rede ZigBee: Full Function Devices (FFD) e Reduced Function Device (RFD). Um FFD é capaz de executar todas as funções descritas no padrão IEEE , e pode aceitar qualquer função na rede. Um RFD, por outro lado, tem capacidades limitadas. Por exemplo, um FFD podem se comunicar com qualquer outro dispositivo em uma rede, mas um RFD pode falar apenas com um dispositivo FFD. Geralmente dispositivos do tipo RFD são destinados a aplicações simples, que não envolve retransmissão do sinal recebido. O poder de processamento e capacidade de memória destes últimos são normalmente, inferiores aos dos dispositivos FFD. Ainda segundo Messias (2009), um dispositivo ZigBee pode assumir três papéis básicos: Coordenador (Coordinator): Só pode ser implementado através de um dispositivo FFD. É o responsável pela inicialização, distribuição de endereços, manutenção da Rede e reconhecimento de todos os nós, entre outras funções, podendo servir como ponte entre várias outras Redes ZigBee; Roteador (Router): Só pode ser implementado através de um dispositivo FFD. Tem características de um nó normal na rede, mas com possibilidade exercer a função de roteador intermediário entre nós, sem precisar do coordenador. Por intermédio de um roteador uma rede ZigBee poder ser expandida, aumentando seu alcance. Na prática um roteador pode ser usado para amplificar o sinal da rede entre andares de um prédio ou ultrapassar barreiras físicas como as seções de um supermercado; Dispositivo final (End Point): É o componente localizado nas extremidades da rede, que interagirá com outros dispositivos externos a ela. Pode ser implementado através de dispositivos FFD ou RFD. Por não ter um tráfego de dados tão intenso quanto um roteador ou coordenador, na maior parte do tempo, eles estão inativos, e por isso, são os que consomem menos energia.

27 Topologia das Redes ZigBee As Redes ZigBee podem assumir basicamente duas topologias, (ilustradas na Figura 8): estrela, e peer-to-peer (par a par) sendo que esta última pode se subdividir em árvore e mesh (malha). Figura 8 - Topologias da Rede ZigBee Fonte: Menezes, 2011 Farahani (2008) relata que na topologia em estrela, cada elemento final pode se comunicar apenas com o coordenador da rede sem intermédio de outro elemento, o que torna o arranjo limitado quanto à transposição de obstáculos e alcance. Em uma topologia par a par, cada dispositivo pode se comunicar diretamente com qualquer outro dispositivo. Em uma rede peer-to-peer, todos os dispositivos que participam da transmissão das mensagens são do tipo FFD. No entanto, um RFD pode ser parte da rede e se comunicar apenas com um dispositivo em particular (um coordenador ou um roteador). Dependendo do nível de restrição na comunicação entre os dispositivos, a topologia par a par pode assumir diferentes formas. Se não houver nenhuma restrição, ou seja, se todos os dipositivos puderem se comunicar entre si, a rede peer-to-peer é conhecida como mesh.

28 29 Na topologia em árvore, um coordenador estabelece a rede inicial, roteadores formam os galhos e retransmitem as mensagens aos dispositivos finais que irão atuar como folhas da árvore e não participam na mensagem de encaminhamento, apenas as recebe. Ainda com relação à rede mesh, a descentralização é uma das principais características dessa topologia. Cada ponto é auto roteável e capaz de se conectar a outros pontos conforme a necessidade. Tal caracteristica oferece robustez à rede em situações de sobrecarga de tráfego de dados. Com vários caminhos possíveis para a comunicação entre os elementos, a topologia mesh desconsidera as limitações de alcance das redes ZigBee e permite que as mesmas possam ser implementadas em grandes áreas ou em instalações que tenham obstáculos Aplicações da Tecnologia Zigbee Com alta imunidade a interferências eletromagnéticas (devido à sua frequência de transmissão) e capacidade de comportar mais de dispositivos em uma rede, a tecnologia ZigBee pode atender a uma gama de aplicações ilustradas na Figura 9. Figura 9 Aplicações da Tecnologia ZigBee Fonte:

29 30 Abaixo seguem algumas áreas de aplicação da tecnologia ZigBee comentadas por Farahani (2008). Segurança Residencial: A comunicação entre dispositivos de um sistema de segurança residencial tais como sensores, detectores de movimento e câmeras de segurança, como painel de controle central pode ser através de cabeação ou de uma rede sem fio. Sistemas de segurança baseados em ZigBee simplificam a instalação e mesmo com uma taxa de transmissão de dados na ordem de 250Kbps, é possível a transmissão sem fio de vídeos com qualidade aceitável; Medição Remota de Variáveis: Empresas de fornecimento de gás, energia e água, têm que efetuar a leitura de consumo nos medidores localizados nas residências para que seus respectivos serviços possam ser cobrados. A tecnologia ZigBee, através da criação de redes em malha que percorrem todo a área urbana, permite o monitoramento remoto de todas as variáveis de consumo existentes em uma casa ou indústria; Controle de irrigação Remota: Um sistema de irrigação baseado em sensores pode representar um melhor aproveitamento da água. Sensores em toda a área de paisagismo podem se comunicar com o painel de irrigação, informando o nível de umidade do solo em diferentes profundidades. O controlador determina o tempo de irrigação com base no nível de umidade, tipo de planta, período do dia e da temporada; Controle de Iluminação: Controle de luz é um dos exemplos clássicos de utilização ZigBee em uma casa ou prédio comercial. Na instalação de luz tradicional, para ligar ou desligar a luz é necessário que exista um fio entre a luz e o interruptor. Se a luz do ambiente e o interruptor estão equipados com dispositivos ZigBee, qualquer mudança na iluminação da casa não requer alteração da estrutura fisica da instalação; Controle Remoto de Equipamentos Eletrônicos: Zigbee pode se tornar uma alternativa adequada para substituir a tecnologia de infravermelho em controles

30 31 remotos por causa do baixo custo e longa duração de bateria. Além disso, ele permite criar uma comunicação bidirecional entre o controle remoto e dispositivo de entretenimento abrindo as possibilidades de interatividade como, por exemplo, informações sobre a música ou as opções de programação na tela podem ser vistos no próprio controle remoto, mesmo quando o controle remoto não estiver no mesmo ambiente que o dispositivo de entretenimento. Monitoramento de Pacientes: Uma das aplicações do padrão ZigBee no setor da saúde é o monitoramento de informações vitais do paciente de forma remota. Considerando um paciente que está em casa, mas necessita do monitoramento de sua frequência cardíaca e pressão arterial de forma contínua. Neste sistema, uma rede ZigBee pode ser usada para coletar dados de vários sensores ligados ao paciente e enviá-los ao seu médico ou hospital. No presente trabalho a tecnologia ZigBee será usada para realizar a comunicação entre a cesta de compras e um computador remoto que concentrará informações sobre os produtos cadastrados MICROCONTROLADORES Conceito De acordo com Silva (2007), microcontrolador é um circuito integrado programável que contém todos os componentes de um computador, como a Unidade Central de Processamento (CPU), memória de programa, memória de trabalho, portas de entrada e saídas para comunicação com dispositivos externos, sistema de controle de tempo interno e externo, conversores analógico/digital, comunicação serial e outros. De fato, um microcontrolador é em essência, um computador de um chip, já que possui todos os periféricos necessários para um funcionamento autônomo. Na prática, basta que, depois de devidamente programados, os microcontroladores tenham conectados em suas saídas e entradas, dispositivos como: sensores, displays de cristal liquido (LCD), motores, luzes etc., para terem uma funcionalidade.

31 32 A Figura 10 mostra alguns dispositivos que podem interagir com os microcontroladores. Figura 10 Conexões entre Dispositivos e o Microcontrolador Fonte: Corteletti (2006) ressalta que, devido a essas integrações com dispositivos externos, estes computadores de um chip estão presentes em quase todos os equipamentos eletrônicos atuais. Podem realizar, desde o processamento de arquivos de áudio e vídeo, até o gerenciamento de um sistema de controle de tráfego ou de uma linha de produção. Conforme ilustra a Figura 11, os microcontroladores podem se apresentar em vários encapsulamentos de diversos tamanhos e formatos que serão escolhidos de acordo com suas funcionalidades e aplicações.

32 33 Figura 11 Encapsulamentos de Microcontroladores Fonte: 998/s1600/Imagem+02.jpg Num sistema simples de controle de nível de uma caixa d água, por exemplo, onde se teria um sensor de nível, uma válvula elétrica (solenoide) para permitir o enchimento da caixa e uma lâmpada para indicação de válvula aberta; um microcontrolador dos mais simples com quatro portas já atenderia a aplicação. Já um projeto de casa inteligente, onde existe um número maior de sensores e controles, inclusive com acesso e monitoramento remoto via internet, demanda um modelo de microcontrolador de maior capacidade e funcionalidades que atendam as necessidades do projeto Microcontroladores e Microprocessadores Segundo Ibrahin (2008), um microprocessador difere do microcontrolador em vários aspectos. A principal distinção reside no fato que o microprocessador exige vários outros componentes para o seu funcionamento, tais como memória de programa e de dados, dispositivos de entrada/saída e um circuito de clock externo, responsável pelo sincronismo e execução ordenada das instruções. Zanco (2005) diz que os microcontroladores, por outro lado, têm todos estes componentes de suporte incorporados dentro do seu chip, conforme Figura 12. Eles

33 34 operam a partir de um conjunto de instruções armazenadas em sua memória. Instruções estas que serão acessadas e decodificadas para em seguida, as operações correspondentes serem executadas. Microcontrolador Figura 12 Componentes de um Microcontrolador Fonte: Ainda Segundo Zanco (2005), apesar de possuirem um gerador de clock interno, é possível utilizar osciladores externos que geram a frequência necessária para o funcionamento do microcontrolador. Isso pode ser necessário em aplicações que necessitem de uma maior precisão em tempo de execução e rapidez de processamento, já que em geral, admite-se clocks externos com maior frequência de operação que os internos A Comunicação Entre Dispositivos e Microcontroladores Em projetos microcontrolados nos quais outros dispositivos interagem recebendo ou enviando informações, tais como displays LCD, leitores de código de barra, sensores de temperatura, computadores ou até outros microcontroladores, se faz necessário que haja algum tipo de comunicação entre eles. Segundo Pereira (2003), essa comunicação pode ser dividida em duas categorias: serial e paralela.

34 35 Na comunicação serial, a informação é fracionada em pequenas partes (bits) que são enviadas ao equipamento receptor uma após a outra, de forma sequencial. Já no modo paralelo, os bits componentes da informação, são transferidos simultaneamente (total ou parcialmente) em paralelo. Geralmente nesta comunicação, são enviados oito bits por vez, ou seja, byte a byte. A Figura 13 ilustra o processo de comunicação serial descrito abaixo. Figura 13 Sequência de Bits Transmitidos na Comunicação Serial Fonte: Messias (2009) diz que nesse modo de transmissão, para que um byte seja enviado a um dispositivo, inicialmente é enviado um bit de inicialização que informa ao receptor que uma comunicação será estabelecida. Após isso, a informação (ou parte dela) é enviada bit a bit ate que se totalize 8 bits formadores de um byte. Depois do envio da informação, um último bit de parada é enviado ao receptor para informar que a comunicação foi concluída. Se a informação for formada por mais bytes, o processo é repetido. A comunicação serial é a mais usada em sistemas microcontrolados, já que neste modo, é preciso apenas duas portas, sendo uma para a transmissão e outra para a recepção dos dados, diferente do modo paralelo, onde são necessárias pelo menos oito portas, servindo estas tanto para envio como recepção. Em um dispositivo com limitações físicas como o microcontrolador comunicar-se serialmente com outros dispositivos representa maior disponibilidade de pinos para

35 36 outros fins como, botões, acionamentos de relés e comunicação com outros dispositivos Gravação em um Microcontrolador Segundo Verle (2008), um microcontrolador vem, a princípio, sem nenhuma instrução em sua memória de programa e para que um conjunto de instruções a serem executadas seja gravado no mesmo, são necessários alguns passos básicos abaixo descritos e ilustrados na Figura 14: Figura 14 Roteiro para Gravação de um Microcontrolador Fonte: Menezes, 2011 A escrita do programa: As instruções, inicialmente, devem ser escritas em uma linguagem à escolha do desenvolvedor. A princípio, a linguagem Assembly era a única utilizada, porém, por ser de baixo nível (linguagem pouco intuitiva) e com um código relativamente longo e complexo, esta linguagem tornava o uso de microcontroladores restrito aos profissionais da área de programação e informática. Hoje instruções para microcontroladores podem ser escritas em linguagens mais amigáveis e de melhor aceitação entre os profissionais como: C, Pascal, Basic entre outras.

36 37 Compilação do programa em uma linguagem de máquina: Com o programa escrito, é preciso convertê-lo em sistema de numeração hexadecimal que é a codificação entendida pelo microcontrolador. Esta etapa é chamada de compilação. Gravação do programa no chip: Finalmente, com o código hexadecimal criado, o programa poderá ser inserido no chip através de um gravador conectado ao computador. Uma das vantagens dessa tecnologia é a versatilidade no reaproveitamento do componente. Um microcontrolador pode ser gravado e regravado centenas de vezes PIC Corletelli (2006) define o PIC como sendo o microcontrolador produzido pela Microchip Technology Inc., fabricado em vários modelos, para atender às diversas aplicações e exigências de projetos. Estes modelos fazem parte de famílias específicas que se diferem basicamente, pelo número de portas de entrada e saída e periféricos incorporados, tais como conversores analógico/digital, porta USB, comunicação ethernet e também claro pelo desempenho. Conforme ilustra a Figura 15, os modelos mais simples de menor poder de processamento são identificados pela sigla PIC10. Geralmente, são usados em aplicações de controle mais básicos, como o acionamento de cargas (luzes, motores) mediante alguma regra estabelecida na lógica gravada em sua memória. Chegando ao extremo oposto, estão os modelos dspic e PIC32 com poder de processamento mais avançado e voltado para aplicações onde se exija maior velocidade e confiabilidade nas operações executadas. Estes são adequados para processamento e controle envolvendo aquisição, tratamento e processamento veloz de sinais analógicos (áudio e vídeo), permitindo desenvolvimento de aplicações mais complexas, ligadas à área de telecomunicações, comunicações sem fio de alta performance, controles em tempo real de alta velocidade, entre outras (CORTELETTI, 2006).

37 38 Figura 15 Famílias de Microcontroladores PIC Fonte: en jpg Aplicações Atualmente, os microcontroladores são responsáveis pela maioria dos sistemas automatizados existentes em equipamentos domésticos e industriais. Televisores, micro-ondas, celulares, computadores, automóveis, placares eletrônicos, geladeiras, enfim, praticamente todos os equipamentos modernos contam com um microcontrolador para seu funcionamento. Conforme Corteletti (2006), os sistemas microcontrolados estão presentes nas mais diversas áreas, dentre as quais a automação industrial, automação comercial, automação predial, área automobilística, agrícola, produtos manufaturados, eletrodomésticos, telecomunicações, etc. Na área automobilística Corteletti (2006) relata que modelos de automóveis mais completos podem chegar a ter dezenas de microcontroladores em seu sistema. São aplicações que agregam conforto, segurança e eficiência ao veículo, tais como: freio ABS, direção eletrônica, controle de tração, injeção eletrônica de combustível, controle de suspensão, acionamento inteligente de vidros e travas elétricas,

38 39 acionamento de air-bags, redes internas, aquisição e tratamento de informações colhidas por sensores, controles de aceleração, entre outros. Nas residências, portões automáticos, alarmes, sensores de luminosidade, cortinas motorizadas, irrigação automática, climatização, centrais telefônicas e muitos outros confortos são possíveis graças ao uso de microcontroladores. Na área de telecomunicações, os microcontroladores estão presentes em equipamentos de telefonia móvel e fixa, centrais telefônicas e nos equipamentos ativos que compõe grande parte da infraestrutura de telecomunicações em todo o mundo. No presente trabalho, um microcontrolador da Microchip será usado para integrar as tecnologias ZigBee e RFID, além de permitir que o protótipo tenha uma interface amigável com o usuário, através de uma tela de cristal líquido conectada a ele.

39 40 3. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO 3.1. FERRAMENTAS DE DESENVOLVIMENTO Para a concepção do protótipo foram usados equipamentos e aplicativos de desenvolvimento abaixo descritos: Notebook HP G42 com processador core i3 M350, 500 Gigabytes de disco rígido e 3 Gigabytes de Memória RAM; Kit de Aprendizado e Desenvolvimento em microcontroladores PIC MultiPic 4, fabricado pela Smart Radio; Gravador de Microcontroladores PIC, MultiProg, fabricado pela Smart Radio; Matriz de Contados para prototipação de Hardware Pront on board de 550 pontos; Sistema Operacional Microsoft Windows 7 Home Basic; Ambiente de desenvolvimento integrado MPLab, desenvolvido pela Microchip Corporation, fabricante dos microcontroladores PIC; Software compilador CCS, versão Free limitada a 2 KBytes de memória de programa; Software Visual Studio 2008 Express Edition, licenciado para fins não comerciais; Software X-CTU, desenvolvido pela Digi Corporation, fabricante das placas XBee ARQUITETURA DA CESTA O protótipo consiste em uma cesta de compras, equipada com um sistema eletrônico formado por: um leitor RFID, um microcontrolador, um transmissor/receptor ZigBee e um display LCD alfanumérico para a interface com o usuário. Para viabilizar o funcionamento e teste do protótipo, mais uma placa ZigBee foi instalada em um computador, dotado de um sistema de informação experimental

40 41 desenvolvido em Visual Basic 2008 Express Edition e um banco de dados MySQL. Esse sistema tem, exclusivamente, a função de subsidiar o protótipo de informações necessárias para seu funcionamento, não fazendo parte, portanto, do objetivo do estudo. A Figura 16 mostra a estrutura básica do sistema composto pela cesta de compras e a base de dados. ZigBee ZigBee Microcontrolador Leitor RFID Banco de Dados Sistema de Informação Produto Display LCD Cesta de Compras Figura 16 Diagrama de Bloco Comunicação Cesta/banco de Dados Fonte:Menezes, 2011 Como pode ser visto na Figura 16, as placas ZigBee são responsáveis pela comunicação sem fio do sistema. Elas são as portas de entrada e saída de informações entre cesta e o sistema de informação. Através delas, as informações trafegarão em dois sentidos de fluxo: recebendo o código do produto pelo microcontrolador e transmitindo até o sistema de informação ou recebendo do sistema de informação e repassando ao microcontrolador as informações a serem visualizadas no display. O Leitor RFID, será o responsável pela extração do código ID, contido na etiqueta do produto. A cada inserção ou retirada de um item da cesta, ocorre uma nova leitura.

41 42 Com a função de concentrar e gerenciar todos os dados que passam pela cesta, está o microcontrolador. Ele recebe do leitor RFID o código do produto e repassa para a placa ZigBee realizar a transmissão, bem como recebe dela as informações sobre o produto e as envia ao display para serem visualizadas. No microcontrolador, também são feitos os cálculos de totalização da compra que aparecem disponíveis pra visualização. O display LCD, apenas recebe informações dadas pelo microcontrolador e as converte em caracteres para que possam ser mostradas ao usuário. É a interface do sistema, por onde deverá ser vista a lista de produtos inseridos e o total da compra FUNCIONAMENTO DO SISTEMA Funcionamento em Nível de Usuário Para que o sistema na cesta tenha seu uso liberado, inicialmente o usuário deverá passar pelo leitor um cartão fidelidade. Tal cartão possui tecnologia RFID, e foi oferecido ao cliente após um cadastrado feito com informações úteis que pudessem estabelecer o perfil do mesmo. Passado o cartão, o sistema identificará o usuário que a partir daí, poderá colocar produtos no interior da cesta e verá no display alfanumérico, a totalização de sua compra. Se algum produto for retirado da cesta, automaticamente será excluído da lista de compras, assim como seu valor subtraído do total. Ao final da compra o cliente deverá pressionar duas vezes o botão referente à conclusão da compra e o sistema encerrará informando o total, sendo liberado para um novo usuário Funcionamento em Nível Eletrônico Assim que o produto é inserido na cesta, o mesmo é detectado pelo leitor RFID, que enviará seu código ao microcontrolador através de uma comunicação serial. Este

42 43 por sua vez, transmitirá via ZigBee, o código ao sistema de informação que buscará em seus registros, características do produto tais como, descrição e preço. Encontrado o registro, as informações do produto são enviadas via ZigBee de volta à cesta, até o microcontrolador, que imprimirá no LCD a descrição e preço do item. A leitura de outros produtos seguirá a mesma lógica, sendo impressa na tela do LCD, a lista dos itens inseridos além do total da compra. Caso um produto seja retirado do cesta, haverá uma nova leitura do mesmo (já que o leitor fica posicionado próximo à borda) e o sistema identificará que ocorreu uma desistência na compra desta mercadoria. Então será feita a retirada deste item da lista de compras e consequentemente a subtração do valor do produto no total da compra. Esta operação não depende do sistema de informação e é feita de forma independente na cesta DETALHES DE IMPLEMENTAÇÃO O esquema eletrônico embarcado na cesta de compras é mostrado na Figura 17. Este circuito foi implementado utilizando a placa experimental Multipic4 para realização de teste e matrizes de contato com os dispositivos RFID e ZigBee acoplados a elas. Figura 17 Esquema Eletrônico do Circuito Embarcado no Protótipo Fonte: Menezes, 2011

43 O Microcontrolador O modelo usado na aplicação foi o PIC18F2550, mostrado na Figura 18 e de fabricação da Microchip Technology Inc. Este componente possui 32 KBytes de memória interna destinada ao programa, 2 KBytes de memória de dados, e 24 pinos de entrada e saída, dentre os quais estão disponíveis: portas de comunicação serial rs232, serial USB, entradas digitais e analógicas e saídas digitais. O modelo usado pode ainda, operar com clock interno ou externo, sendo este último implementado através de cristal de até 20 Mhz. Figura 18 Microcontrolador PIC18F2550 Fonte: pic18f2550.jpg Os critérios usados para a escolha deste modelo foram: o número de portas disponíveis e o espaço em memória de dados. Portanto, não se faz obrigatório que o microcontrolador usado no protótipo tenha recursos tais como comunicação USB e conversores Analógico/Digital, já que nenhuma destas funcionalidades foi usada O Leitor RFID Por questões de custo, o leitor RFID usado no protótipo, foi um modelo de baixa frequência, o ID12 (mostrado na Figura 19) de fabricação da Innovations. Este leitor concentra em seu encapsulamento o transceiver e a antena, bastando apenas alimentá-lo com 5 Volts, para que, ao aproximar uma etiqueta RFID compatível com o mesmo, ele envie através de uma conexão serial, o código do produto associado a esta etiqueta.

44 45 Figura 19 Dispositivo leitor RFID ID12 Fonte: Menezes, 2011 Há ainda no ID12, uma saída de indicação de leitura, que envia um pulso elétrico sempre que o leitor identificar uma etiqueta dentro de seu alcance. Nela foram conectados um led para indicação visual (útil apenas na fase de desenvolvimento) e um buzzer para indicação sonora, mostrados na Figura 17 (linha C, coluna 2) O ZigBee A placas ZigBee, conectadas ao protótipo e ao computador, são do modelo XBee S2 de fabricação da Digi International e estão apresentadas na Figura 20. Elas possuem um diferencial em relação às placas desenvolvidas por outros fabricantes. Nela, a Digi incorporou um microcontrolador para gerenciar o tráfego de dados e, além disso, disponibilizou portas de saída e entradas digitais e analógicas, o que permite a implementação de pequenos sistemas de automação com apenas uma destas placas. Acionamento de cargas ou leitura de sensores são alguns das funções que podem ser executadas sem a necessidade de um microcontrolador externo. Para o protótipo apresentado nesse trabalho, fez-se necessário o uso de um microcontrolador devido a existência de um display LCD no projeto, que exigiu uma lógica de programação e memória não disponível na placa XBee.

45 46 Figura 20 Placa XBee S2 Fonte: prd-xbee-modules-fam_lg.jpg A Digi disponibiliza gratuitamente um software, o X-CTU, destinado a configuração e monitoramento das placas XBee. Através dele, é possível configurar todos os parâmetros, tais como status da placa, de coordenador, roteador ou dispositivo final; definições das portas de entrada/saída e parâmetros de comunicação serial. Todos os parâmetros podem ser alterados através de uma interface gráfica ou via linha de comando, em uma janela de terminal dentro do próprio software. É possível também, executar teste de performance e faixa através do X-CTU. Com dois ou mais dispositivos conectados entre si, o software permite medir a qualidade da transmissão, bem como a intensidade do sinal. A placa XBee está disponível em um encapsulamento de 20 pinos, para ser soldada ou acoplada diretamente à placa de circuito. Contudo, para conectá-la diretamente a um computador, é necessário o uso de algum recurso de adaptação para que ela se comunique sem que haja problemas na conexão e alimentação. Para isso, foi usada uma placa conversora rs232/usb, a COM-USBBEE de fabricação da Rogercom, mostrada na Figura 21.

46 47 Figura 21 Placa Adaptadora COM-USBBEE Fonte: Menezes, 2011 Esta placa conversora, além de prover alimentação de 3,3 Volts, através da própria USB (dispensando a necessidade de fonte externa), faz também a conversão da interface Serial do módulo XBee que opera em 3,3 Volts para USB em 5 Volts. A placa não exige de nenhuma configuração. Assim que ela é conectada ao PC, é criada uma porta serial virtual que poderá ser utilizada para acessar o dispositivo ZigBee conectado A Alimentação Como forma de garantir autonomia e baixo custo ao protótipo, a alimentação do circuito foi feita por baterias recarregáveis de 9 volts. Porém, a tensão necessária para o funcionamento do microcontrolador, leitor RFID e display LCD, é de 5 Volts. Então, para reduzir o nível de tensão ao valor desejado, foi usado um regulador de voltagem, o LM7805, mostrado na Figura 17 (linha A, coluna 3). Já o transmissor/receptor ZigBee, opera com apenas 3,3 Volts (uma das características que permite sua alimentação por pilhas) e por isso, o uso de um outro regulador de tensão foi necessário, o LM1117, que recebe em sua entrada a tensão de 5 Volts, já regulada do LM7805 e reduz para os 3,3 Volts necessários à placa ZigBee.

47 A Comunicação O Leitor RFID envia o código do produto ao microcontrolador através de uma comunicação serial, assim como o ZigBee, que também utiliza o mesmo modo de transferência de dados para enviar ou receber informação ao microcontrolador. Padrão este é adotado pelos fabricantes, por ser um método de comunicação simples e que utiliza um número de vias reduzido necessárias para o tráfego da informação. Entre display LCD e microcontrolador, a comunicação é a paralela. Neste caso os caracteres são enviados ao display de quatro em quatro bits simultaneamente. Para isso, ao contrário da comunicação serial, são necessárias seis portas do microcontrolador, sendo duas para controle e quatro para o tráfego dos dados. Do ponto de vista elétrico, a comunicação entre Leitor RFID e microcontrolador, se dá de forma direta, já que ambos funcionam em um mesmo nível de tensão. O mesmo ocorre display LCD. Porém, na comunicação do ZigBee, a diferença existente entre sua alimentação (3,3 Volts) e a do microcontrolador (5 Volts), gera uma incompatibilidade na comunicação entre estes dispositivos, descrita a seguir. A placa ZigBee só envia sinais com o mesmo nível de tensão de sua alimentação, ou seja, 3,3 Volts. E da mesma forma, só deve receber em sua porta de recepção, sinais com valor máximo de 3,3 Volts, caso contrário esta será danificada. O mesmo ocorre com o microcontrolador. Ele envia sinais em 5 Volts (valor de sua tensão de alimentação) e só deve receber em suas entradas valores até este limite. Para o ZigBee enviar informações ao microcontrolador vindas do banco de dados do Sistema de Informação, não há problema, seu pino de transmissão está conectado diretamente em uma entrada do PIC e serão enviados sinais elétricos da ordem de 3,3 Volts, que não ultrapassa o limite de 5 Volts permitido. Porém, no sentido inverso, quando o ZigBee receber em sua entrada, sinais a serem transmitidos, vindos do microcontrolador, o valor permitido (3,3 Volts) será excedido, já que o PIC estará transmitindo informações em um nível de 5 Volts.

48 49 Desse modo, é necessária a implementação de um circuito divisor de tensão na entrada de recepção de dados da placa ZigBee, que irá reduzir a uma faixa segura o sinal enviado do microcontrolador. Este circuito formado por dois resistores é mostrado na Figura 17 (linha E, coluna 7) RESULTADOS OBTIDOS Como resultado da pesquisa, foi construído um protótipo funcional de uma cesta de compras interativa, mostrado na Figura 22, além de um sistema de informação experimental para viabilizar o funcionamento da cesta. Através da Figura 22, pode-se perceber, que o display está disposto de modo a oferecer a melhor posição para leitura das informações. O usuário poderia utilizar a cesta da mesma forma que num processo de compras normal. Área de leitura posicionada para a parte interna da cesta Botões de rolagem da lista e de finalização da compra Figura 22 Protótipo da Cesta de Compras Iterativa (Tela inicial) Fonte: Menezes, 2011

49 50 A Figura 23 mostra todos os componentes já instalados na placa e montados em suporte feito de madeira e revestido com courvin preto para melhor. Foram usadas duas baterias de 9 Volts, para conseguir uma melhor autonomia do sistema, porém, após vários dias de uso, foi verificado que apenas uma bateria seria suficiente para o funcionamento Botões de Rolagem e finalização Display Leitor RFID Baterias Microcontrolador XBee Figura 23 Placas de Circuito do Protótipo Fonte: Menezes, 2011 A construção do protótipo priorizou a funcionalidade do sistema, aliada ao custo reduzido de material. Seguindo essas premissas, os resultados obtidos foram considerados satisfatórios, conforme descritos abaixo. Devido ao tipo de leitor usado (baixa frequência), o alcance de leitura ficou em torno de 10 centímetros, o que já era esperado. Com relação à capacidade de leitura através de objetos, ao contrário de um sistema de identificação por código de barras, no RFID não é necessário expor a etiqueta diretamente na frente do leitor. A mesma pode esta fixada em um lado da embalagem e ser lida pelo leitor, mesmo com o conteúdo do produto entre eles. Em testes práticos, a leitura foi realizada mesmo obstruindo a etiqueta com a mão.

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