Localização e Identificação de Infra-estruturas e Objetos Enterrados através da Tecnologia RFID

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1 Localização e Identificação de Infra-estruturas e Objetos Enterrados através da Tecnologia RFID C. P. Colvero, V. R. D. Carneiro, B. F. Cunha Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial INMETRO / DIMCI / DITEL Av. Nossa Senhora das Graças, 50, Xerém, RJ, Brazil, CEP Resumo Neste trabalho apresentamos os resultados experimentais de medições em campo efetuadas em um sistema de comunicações de dados wireless com tecnologia de Radio Frequency Identification (RFID), com o objetivo de localizar e identificar dutos, cabos ou quaisquer objetos ou infra-estruturas enterradas sem a necessidade de obras destrutivas ou invasivas. Este estudo também apresenta os resultados experimentais da propagação das ondas eletromagnéticas de comunicação digital em UHF do referido sistema no solo. Os ensaios foram realizados no Campus do Inmetro em Xerém, Duque de Caxias - RJ. Palavras-chaves RFID, comunicação de dados, propagação de ondas eletromagnéticas, sistema de identificação. I. INTRODUÇÃO Recentemente os procedimentos de identificação eletrônica automática se tornaram muito populares na maioria das indústrias de serviços, logística de compras e vendas, controle de estoque, distribuição de produtos, companhias manufatureiras e sistemas de fluxo de material. Os procedimentos de identificação eletrônica automática foram desenvolvidos para fornecer informações rápidas e precisas sobre histórico de objetos, pessoas, animais, bens, produtos em trânsito, entre outros. Em muitos casos, já faz algum tempo que as etiquetas de código de barras, que iniciaram uma revolução nos sistemas de identificação, são bastante inadequadas. Os códigos de barras são dispositivos de baixo custo, mas possuem também uma baixa capacidade de armazenamento por não disponibilizam memória local integrada. A solução ótima do ponto de vista técnico na atualidade seria o armazenamento de dados em um chip de silício, onde o dispositivo eletrônico de armazenamento de dados mais comum em uso hoje em dia é o cartão inteligente baseado em um grupo de contatos como os cartões de banco. No entanto, o contato mecânico usado no cartão inteligente muitas vezes é pouco prático. Uma transferência de dados entre o dispositivo transportador de dados e seu leitor sem a necessidade de contato físico ou visada direta é muito mais flexível e interessante. C. P. Colvero, cpcolvero@inmetro.gov.br, V. R. D. Carneiro, vrcarneiro@inmetro.gov.br, B. F. Cunha, bfcunha@inmetro.gov.br, TEL: , FAX: Este trabalho foi apoiado pela Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) e o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (PROMETRO/CNPq), que são vinculadas ao Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT). No caso ideal desta tecnologia, a energia requerida para operar o dispositivo transportador de dados também deve ser enviada pelo leitor/gravador, utilizando alguma tecnologia sem a necessidade de contato físico. Com estes dispositivos utilizados para identificação e transferência de energia e dados, desenvolveu-se o sistema wireless de identificação chamado Radio Frequency Identification (RFID). Os sistemas de identificação por radiofreqüência RFID são baseados em uma nova tecnologia de armazenamento e coleta de dados sem que haja a necessidade de contato físico ou linha de visada direta entre o leitor e/ou gravador de dados e o dispositivo ou etiqueta que armazena os mesmos, que muitas vezes pode ser totalmente passivo, alimentado apenas pelo campo eletromagnético emitido pelo leitor/gravador, ou ativo, utilizando energia própria para alimentar integralmente o dispositivo ou parte de suas funções [1-5]. Em paralelo ao desenvolvimento da tecnologia RFID, encontramos muitas ocorrências de desordem pública e acidentes contra integridade humana, ocasionados por limitações de identificação e localização que resultam em má utilização do solo como concessão pública pelas companhias que exploram redes subterrâneas para prestação de serviços e fornecimento de produtos. Como por exemplo, citamos serviços de saneamento, telecomunicações, distribuição de água, gás, energia elétrica, entre outros. Desenvolvemos este trabalho em uma aplicação da tecnologia RFID como solução ao referido problema de identificação e localização de infra-estruturas ou objetos subterrâneos passíveis de manutenção, modificação, expansão, renovação ou qualquer outra necessidade de serem localizados e identificados com rapidez, segurança e precisão. II. MOTIVAÇÃO AO ESTUDO De acordo com crescimento acelerado das redes subterrâneas de transporte e abastecimento de serviços ou produtos, tanto em ambientes densamente povoados como em zonas rurais e industriais, têm-se observado atualmente uma grande deficiência na localização e identificação destas redes após a conclusão das obras de instalação ou manutenção. Este problema é facilmente verificado diante do grande número de acidentes e interrupções de abastecimento de serviços e produtos, muitos destes essenciais, oriundos de danos provocados não intencionalmente em redes de terceiros por escavações destinadas a instalações ou manutenções na rede de outra determinada companhia. 1

2 Ao mesmo tempo, o subsolo brasileiro apresenta-se como uma via de concessão pública com controle e fiscalização inexistentes por parte dos órgãos públicos e empresas que exploram comercialmente essa via. Como conseqüência desta impossibilidade de controle e fiscalização eficiente, encontramos transtornos à sociedade, como inúmeros acidentes com danos à vida, à saúde e bens de terceiros e do estado, obstrução no tráfego, poluição sonora, visual e ambiental e interrupção de fornecimento de serviços e produtos fornecidos através das redes subterrâneas existentes, sendo muitos destes serviços e produtos considerados essenciais pela atual legislação em vigor. No modelo atual, as companhias utilizam de mapas para a realização das obras de escavações para manutenção de uma rede subterrânea, estes mapas são chamados, tecnicamente, de as built (do inglês, conforme construído ). O as built deveria ser um mapeamento da rede exatamente como ela foi construída, mas, na prática, não tem se revelado eficiente a este ponto. Devido a alterações de projeto, não inclusões de determinadas partes da rede construída no mapeamento e grande inércia das companhias nas alterações das referências utilizadas, os mapas das redes subterrâneas não garantem o conhecimento destas redes sob uma determinada via pública. Assim, uma companhia, ao realizar uma obra de escavação numa rede subterrânea, não tem condições de garantir um serviço seguro, principalmente em relação às outras companhias, pois não tem conhecimento preciso das redes que poderá encontrar no subsolo em suas escavações. Por outro lado, os órgãos reguladores do governo são constantemente questionados pelas companhias em situações passíveis de multa por acidentes e obstruções em vias públicas com alegações que sua tubulação foi danificada por terceiros. Por sua vez, o poder público não possui mecanismos de fiscalização eficientes para ter ciência das redes subterrâneas existentes no local do acidente e, conseqüentemente, não tendo meios de cobrar este mesmo conhecimento por parte da companhia envolvida no determinado acidente. Através de um meio de identificação e localização precisa, os órgãos reguladores podem possuir ferramentas que permitirão cobrar maior responsabilidade das companhias que realizam escavações, evitando transtornos à população e permitindo fiscalização e controle para evitar acidentes e punir os responsáveis pelos mesmos. Recentemente a identificação e a localização eletrônica, estas imediatas e com grande confiabilidade, se tornaram muito populares nas indústrias de serviços, logística de compras e vendas, controle de estoque, distribuição de produtos, companhias manufatureiras e sistemas de fluxo de material, fazendo com que o custo destes dispositivos caísse vertiginosamente. Diversos produtos têm surgido no mercado para atender a estas demandas do mercado, sempre aliando resultados satisfatórios com baixo custo de implementação e utilização. Dentre estas tecnologias disponíveis, como por exemplo, georadares, markers ativos e encapsulados, entre outros produtos, destaca-se a tela de segurança e sinalização instrumentada com tecnologia RFID. Esta tela, semelhante às utilizadas pelas grandes companhias de distribuição subterrânea de produtos e serviços para a identificação visual da existência de uma rede subterrânea no local, possui o diferencial de poder ser localizada e identificada sem que haja a necessidade de contato físico ou linha de visada direta, desta forma, evitando uma intervenção através de obra destrutiva ou invasiva. Este dispositivo é enterrado próximo à superfície do solo e logo acima da tubulação que se deseja proteger através da identificação rápida e segura dos dados da rede subterrânea. Na Fig. 1 podemos observar a aplicação desta em ambientes urbanos e na Fig. 2 a mesma aplicação em ambientes rurais ou industriais. Fig. 1. Instalação da tela instrumentada com sistema de identificação com tecnologia RFID em ambientes urbanos Fig. 2. Instalação da tela instrumentada com sistema de identificação com tecnologia RFID em ambientes rurais ou industriais III. SISTEMA RFID Os sistemas de identificação RFID (Radio Frequency Identification) representam uma tecnologia de 2

3 armazenamento, leitura, gravação e manipulação de dados remotos através de comunicação de dados por radiofreqüência e utilizando de dispositivos conhecidos como transponders, tags, etiquetas inteligentes, etiquetas de instrumentação, tarjas magnéticas ou markers, que são etiquetas eletrônicas, passivas, semi-passivas ou ativas do ponto de vista da fonte de alimentação. Estes dispositivos são compostos basicamente por duas partes, um circuito integrado para modulação e demodulação do sinal de radiofreqüência, armazenamento e processamento de informações, além de uma antena para recepção e transmissão do sinal citado. Os sistemas de identificação por radiofreqüência (RFID) também utilizam de equipamentos coletores e gravadores de dados, que são responsáveis pela leitura e gravação de dados no transponder, alimentação dos transponders, que não precisa necessariamente ser uma fonte de energia conectada ao mesmo, como no caso dos transponders passivos, que são excitados pelo sinal do leitor/gravador, bem como a integração dos mesmos com um sistema de banco de dados através dos sinais de radiofreqüência [1-5]. Nestes sistemas de identificação RFID, cada transponder, que funciona essencialmente como um mini-transceptor, envia uma seqüência de pulsos em radiofreqüência representando um número identificador único, usualmente entre 10 e 16 dígitos em base hexadecimal de numeração. A memória desses transponders costuma variar de poucos bits a 128 bits e normalmente é utilizada como chaves (keys) em sistemas de identificação e banco de dados [1-5]. Na Fig. 3, que ilustra o princípio de operação básico da tecnologia RFID, observa-se uma unidade leitora e/ou gravadora, que pode ser móvel ou fixa, responsável pela leitura e/ou gravação dos dados nos transponders, através da emissão de campos magnéticos ou eletromagnéticos com a unidade leitora e/ou gravadora como fonte de energia direcional ou isotrópica e em freqüências específicas através de sua antena para excitar e transmitir dados para estes transponders, para que os mesmos possam enviar seus dados guardados na memória para a unidade leitora e/ou gravadora ou receberem novas informações da mesma. O meio de transmissão exemplificado aqui é o ar livre, na aplicação referente a este trabalho o meio de propagação é o solo [3]. Na Fig. 4, um diagrama de transmissão de energia demonstra o sentido de propagação dos campos eletromagnéticos responsáveis pela excitação do dito transponder e pela transmissão dos dados da memória dos dispositivos que se deseja gravar ou ler, com a antena da unidade leitora e/ou gravadora como fonte de energia para o transponder [3]. Fig. 4. Principio do sistema de identificação RFID IV. AMBIENTE DE TESTES Para a realização das medições de comunicação de dados utilizando o solo como meio de propagação através dos sistemas RFID, foi utilizado o campus do Inmetro em Xerém, Duque de Caxias RJ, onde o solo apresenta características muito homogenias em toda a sua extensão e grande compactação, que mantém a umidade do solo estável por períodos maiores de tempo. Um exame granolumétrico detalhado de diferentes amostras deste solo utilizado nos experimentos demonstrou que se trata de um terreno com classe franco argilo arenoso, conforme pode-se observar nos exemplos demonstrados na tabela I. TABELA I. EXEMPLO DOS RESULTADOS DO EXAME GRANOLUMÉTRICO Amostra Umidade % Areia grossa % Areia fina % Silte % Argila % 1,0 m 17,9 30,8 23,0 13,6 32,7 1,5 m 18,3 33,2 22,9 14,9 29,0 2,0 m 17,3 31,3 21,3 15,9 31,4 A resistividade aparente do solo também foi adquirida através de uma técnica conhecida, que consiste na medição da resistência do solo entre dois eletrodos ao redor de diversos pontos em cada uma das escavações utilizadas nas medições, e a seguir é efetuado o pós-processamento destes valores. Estes dados de resistência do solo foram utilizados em (1) para a determinação da resistividade do solo em função da distância de cada amostra. Este solo franco argilo arenoso, para as condições dos dias da medição, apresentou uma resistividade aparente média em torno de 125 Ohms.m. RA = 2. π. d. R (1) Fig. 3. Dispositivos básicos do sistema de identificação RFID Onde RA é a resistividade aparente, em Ohm.m, d é a distância entre os eletrodos enterrados no solo em metros e R é a resistência direta medida em Ohms [6-12]. Nestas medições foram utilizados: Um equipamento leitor e gravador de dados padrão RFID UHF modelo IF5 Fixed 3

4 Reader com até 1 Watt de potência regulável de saída, nas faixas de freqüência no padrão ETSI de 865 MHz a 868 MHz e no padrão FCC de 903 MHz a 928 MHz, protocolo ANCI INCITS 256:2001, duas antenas planares de polarização circular com abertura de 65º e 7,5 dbi de ganho, modelo S9028PC12NF, uma antena omnidirecional com 5 dbi de ganho, diversos transponders passivos Smart Labels Gen 1 e Gen 2 UHF Intermec, um analisador de espectro elétrico modelo MS 8901A Anritsu e um sistema de suporte subterrâneo para os transponders, graduado em graus, com vedação superior do buraco escavado através de uma chapa de metal sólida e mecanismo de posicionamento do transponder em Fenolite isolante, construído especificamente para estes experimentos, conforme Fig. 5. V. PROCEDIMENTO DOS TESTES Os experimentos foram montados para medição da intensidade do sinal do equipamento leitor e/ou gravador de dados operando com propagação subterrânea apenas, e da resposta dos transponders em leitura e gravação, também com propagação em meio subterrâneo, mas com variação angular dos transponders. Assim, desta forma, no primeiro caso podemos medir o desvanecimento do sinal com a propagação do campo eletromagnético no solo, e no segundo caso, podemos avaliar a dinâmica do sistema como um todo, em condições de operação normais na aplicação proposta, que é identificação e localização de objetos ou dutos subterrâneos sem a necessidade de obra invasiva ou destrutiva, levando em consideração, que no momento da instalação do transponder para o objeto ou duto, o mesmo não ficou obrigatoriamente paralelo com a superfície do solo, formando um ângulo simulado pela variação do dispositivo graduado de suporte do transponder. Na Fig. 7 podemos observar algumas das escavações no campo de testes. Fig. 5. Aparato de variação angular do transponder subterrâneo No solo do campo de testes, que era o próprio meio de transmissão, foram feitas vinte escavações verticais com 10 cm de diâmetro e 50 cm de profundidade, distanciadas entre si de 20 cm, mais duas escavações também verticais com 35 cm de diâmetro e 50 cm de profundidade conforme a Fig. 6 (vista superior) abaixo. A faixa de freqüências utilizada pelo coletor de dados e, consequentemente, pelos transponders foi dentro do padrão FCC, de 903 MHz a 928 MHz. Fig. 7. Escavações de 10 cm de diâmetro no campo de testes Fig. 6. Posicionamento das escavações do local de testes Para a medição da dinâmica do sistema RFID a antena planar foi conectada ao equipamento leitor e/ou gravador de dados e posicionada nas escavações de 35 cm de diâmetro. O transponder foi instalado no dispositivo graduado de suporte e este colocado em cada uma das escavações de 10 cm de diâmetro. Foram armazenados os dados de variação angular do dispositivo de suporte de -180º (anti-horário) até 180º (horário), cobrindo desta forma qualquer posição de instalação do transponder para o objeto ou duto enterrado a ser identificado. 4

5 Para a medição do desvanecimento do campo pela propagação no solo, a mesma antena planar conectada ao equipamento leitor e/ou gravador de dados foi posicionada nas escavações de 35 cm de diâmetro, e a antena omnidirecional foi conectada ao equipamento analisador de espectro e posicionada nas escavações de 10 cm de diâmetro. Dessa forma, conseguimos medições de intensidade do sinal recebido nos transponders a diferentes distâncias no solo, conforme demonstrado na Fig. 8. Fig. 8. Posicionamento das antenas nas escavações VI. RESULTADOS Os experimentos realizados nos forneceram dois resultados relevantes para a caracterização destes sistemas de localização e identificação de objetos ou dutos enterrados, sendo o primeiro a dinâmica do sistema de acordo com a sua instalação no solo e o segundo o desvanecimento do campo propagado pela propagação dos campos no solo. Como já foi discutido anteriormente, no primeiro experimento foi avaliada a viabilidade de funcionamento dos sistemas como um todo, considerando que os mesmo são instalados sob a superfície do solo e desta forma, no aterro da escavação podem variar sua posição inicial. Conforme a Fig. 9, podemos observar que neste modelo de transponder mais comum hoje em dia, a antena é considerada omnidirecional quanto a sua irradiação, possuindo regiões de quase-nulo em suas extremidades apenas. variação considerável do ângulo na instalação do mesmo não representa um problema crítico para a localização e nem para a identificação do objeto ou duto enterrado, sendo que para o leitor na configuração de potência original e antenas planares com abertura de 65º, foi possível a perfeita leitura e escrita, em qualquer ângulo de inclinação do transponder em relação à antena, em uma lâmina de terra compactada de até 78 cm. É evidente que algumas considerações devem ser tomadas em relação a estes resultados obtidos, como por exemplo, a configuração do leitor, que pode ser operado em diferentes potências dentro dos limites da FCC de irradiação para estas freqüências, os transponders não necessitam ficar afixados diretamente no objeto, podendo estar mais próximos da superfície do solo, além de antenas direcionais, que podem ser utilizadas para casos extremos de atenuação muito elevada do solo, podendo facilmente aumentar a dinâmica do sistema em mais de 30 db. Nas medições de atenuação e desvanecimento pela propagação dos campos eletromagnéticos pelo solo, levando em consideração que o solo é da classe franco argilo arenoso, segundo exame granolumétrico de diversas amostras, e que a resistividade do solo em média era de 125 Ohms.m, traçamos um perfil de atenuação média para estas freqüências UHF em torno de 900 MHz, onde na Fig. 10 ela é demonstrada para a freqüência de 928 MHz, já processada de diversas medições em diferentes distâncias e dias, sendo utilizados os mesmos equipamentos em configurações semelhantes de operação, neste caso, variando a potência de saída de +20 dbm até +30 dbm e utilizando no leitor uma antena planar com 65º de abertura e 7,5 dbi de ganho para esta freqüência. Transponder Irradiação da Antena Semi- Nulo Fig. 9. Irradiação do campo pela antena do transponder Semi- Nulo Com relação à orientação angular do transponder em função da superfície do solo, podemos concluir que uma Fig. 10. Atenuações médias normalizadas para diferentes distâncias e potências através da propagação dos campos eletromagnéticos no solo Nota-se nesta figura, que a atenuação do campo eletromagnético devido a penetração do mesmo no solo está demonstrada em apenas um sentido de propagação, sendo que no caso de leitura e/ou escrita no transponder, devemos considerar o dobro desta atenuação, pois o sinal de resposta do dispositivo é reenviado pelo mesmo meio de propagação e sofre a mesma atenuação novamente. 5

6 VII. CONCLUSÕES Neste trabalho experimental, foi avaliado o desempenho e a viabilidade de um novo sistema de comunicações de dados wireless com tecnologia de Radio Frequency Identification (RFID), aplicado em localização e identificação de dutos, cabos ou quaisquer objetos ou infra-estruturas enterradas sem a necessidade de obras destrutivas ou invasivas. Este sistema utiliza a propagação destes campos eletromagnéticos para a comunicação entre os dispositivos através do solo. Os experimentos foram realizados no Campus de Xerém do Inmetro, em Duque de Caxias - RJ. O experimento foi separado em duas etapas, sendo a primeira visando definir a dinâmica do sistema em diferentes condições de instalação, onde no aterro do transponder, o mesmo poderá sofrer um deslocamento angular em relação ao nível da superfície do solo. Neste caso, notou-se que a variação angular do transponder em relação a antena do leitor não gera grandes problemas, pois estes transponders em geral utilizam antenas do tipo omnidirecional, e desta forma possuem um diagrama de irradiação próximo de 360º. Foi conseguido, utilizando o leitor em configuração normal e uma antena planar de 65º de abertura e 7,5 dbi de ganho, uma distância média de leitura de 78 cm, o suficiente para identificação precisa e segura do objeto enterrado até esta profundidade. Diferentes configurações de antenas podem aumentar em mais de 30 db esta dinâmica do sistema. Na segunda etapa do experimento foi avaliada a atenuação do campo eletromagnético quando propagado pelo solo, levando-se em consideração a classe do solo, que no caso era do tipo franco argilo arenoso com resistividade aparente média de 125 Ohms.m. É evidente que estes resultados obtidos referem-se a apenas um sentido de propagação do campo eletromagnético no solo, sendo necessário dobrar este valor quando consideramos o funcionamento do dispositivo RFID, pois o sinal enviado pelo transponder propaga no mesmo meio até a antena do leitor/gravador de dados. REFERÊNCIAS [1] G. Amal, How Radio Frequency Identification and I got personal, IEEE Spectrum, vol. 44, pp , March [2] Finkenzeller, Klaus, RFID Handbook, Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, John Wiley & Sons, second edition, [3] Adair, Nick, Radio Frequency Identification (RFID) Power Budgets for Packaging Applications, PGK-491, pp. 2-11, November [4] [5] Balanis. A. Constantine, Antennas Theory, John Wiley & Sons Inc, ISBN: , [6] Balanis. A. Constantine, Advanced Engineering Electromagnetics, John Wiley & Sons Inc, ISBN: , [7] Curtin, J., Kauffman, J. R., and Riggins, F. J. Making the Most: Out of RFID Technology A Research Agenda for the Study of the Adoption, usage and impact of RFID. March 2005 and Sept [8] Clarke, Robb. "Packaging RFID For The Real World." Michigan State University School of Packaging. East Lansing, MI, Sept [9] Glidden, Rob, et al. Design of Ultra-Low-Cost UHF RFID Tags for Supply Chain Applications. IEEE Communications Magazine. Aug [10] Sweeney, Patrick J., RFID for Dummies, Wiley Publishing, Inc, ISBN: X, pp , March [11] Yifeng Han, Hao Min, System Modeling and Simulation of RFID, Auto-ID Labs at Fudan University,Shanghai, P. R. China, , pp. 3-12, [12] Mun Leng Ng, Kin Seong Leong, Peter H. Cole, Analysis of Constraints in Small UHF RFID Tag Design, Auto-ID Laboratory, Department of Electrical & Electronic Engineering, The University of Adelaide, pp. 4-8,