TCC-BrunoAntonio TCC Bruno

ETAPA 1 do TCC

Cronograma de Execução

Etapas	06/2013	07/2013	08/2013	09/2013	10/2013	11/2013	12/2013
Ler artigos, textos, livros, entre outros, sobre o tema definido e elaborar a fundamentação teórica.	X	X
Definição/especificação do esquema de medição e localização		X
Especificação/compra de equipamentos		X
Projeto do sistema			X
Implementação e testes de laboratório				X	X
Testes em campo e ajustes do sistema					X
Elaboração do documento final					X	X
Defesa do TCC							X

Bibliografia

Hunt, V. Daniel; et al RFID - A Guide to RFID

Jones, Erick; Chung, Christopher RFID in Logistics A Practical Introduction

Finkenzeller, Klaus RFID Handbook

Paz, Sérgio M.; Cugnasca, Carlos E. O Sistema de Posicionamento Global (GPS) e suas aplicações

Abreu, Pedro; Vinhas, Vasco; et al Real-Time Wireless Location and Tracking System with Motion Pattern Detection

Patterson, M.; Doyle, J.; et al Quantifying Show Jumping Horse Rider Expertise using IMUs

http://www.openbeacon.org/

http://www.rfidjournal.com/articles/view?3583

http://www.rfidjournal.com/articles/view?1338/

http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4374381&tag=1

ETAPA 2 - Fundamentação Teórica

Visão geral do que é o RFID

História do RFID

O RFID tem suas origens na segunda guerra mundial. Durante a guerra já era possível identificar a presença de aviões inimigos com a ajuda de radares, porém não era possível saber se o avião era de um inimigo ou de um aliado. Os alemães porem acabaram descobrindo que se os aviões girassem enquanto voltavam para base o sinal era refletido de volta (funcionando como um sistema RFID passivo).

Sob o comando de Watson-Watt (inventor do sistema de radar) os ingleses desenvolveram o primeiro sistema ativo de IFF (Identify Friend or Foe ou em português Identificação de Amigo ou Inimigo). O sistema sistema funcionava a partir de de um transmissor colocado no aviões que quando recebia um sinal dos radares das estações que estavam no chão enviava um sinal de broadcast que o identificava como um aliado.

As pesquisas sobre a comunicação por sistemas RF (Rádio Frequência) continuaram durante as décadas de 50 e 60. Cientistas e acadêmicos do Japão, Estados Unidos e Europa em periódicos que explicavam como a tecnologia poderia ser usada para identificar objetos. Empresas começaram a produzir sistema anti-furto utilizando ondas de rádios para identificar se o produto já havia sido pago ou não. O sistema funciona de uma maneira muito simples, uma tag contendo um único bit é presa ao produto, esse bit funcionava como um interruptor que indicava se o produto havia sido pago ou não.

Mario W. Cardullo recebeu uma patente por uma tag RFID com memória regravável em 23 de janeiro de 1973. Nesse mesmo ano Charles Walton, um empresario da Califórnia, recebeu uma patente por um transponder passivo usado para destrancar uma porta. O sistema criado por Walton funcionava através de um cartão com um transponder embutido que se se comunicava com um leitor próximo a porta, quando o leitor detectava um número de identificação valido ele abria a porta.

O governo dos Estados Unidos também estava trabalhando com sistemas RFID, na década de 70, o departamento de energia requisitou que o Los Alamos National Laboratory desenvolvesse um sistema de rastreamento para material nuclear. Como resultado se um grupo de cientistas teve a ideia de colocar transponders nos caminhões e leitores nos portões das instalações, a ideia era que os leitores enviassem sinais para os transponders e esses enviassem de volta uma ID ou outra informação como por exemplo a ID do motorista. Esse sistema foi comercializado em meados da década de 80 quando o grupo que trabalhava no projeto deixou a Los Alamos e desenvolveu um sistema de pagamento automatizado.

Como requisitado pelo departamento da agricultura a Los Alamos também desenvolveu uma tag RFID passiva para rastrear vacas. O problema que levou o departamento da agricultura a pedir o desenvolvimento da tecnologia era que, as vacas recebiam hormônios e medicamentos para evitar doenças, porém era difícil se ter certeza de qual vaca havia recebido a dosagem certa e se não haviam tomado nenhuma dosagem a mais. O resultado foi um sistema RFID que usa ondas de radio UHF. O dispositivo usava a energia do sinal enviado pelos leitores e enviava de volta um sinal modulado para o leitor utilizando uma técnica conhecida backscatter.

Mais tarde empresas desenvolveram um sistema de baixa frequência que funcionava a 125 KHz, isso resultou em uma redução no tamanho dos transponders.

Com o tempo sistemas de 125 Khz passaram a ser comercializados e em seguida mudou-se para o espectro de alta frequência (13,56 MHz), o qual não era utilizado na maior parte do mundo. A utilização de altas frequências se deve ao fato de elas terem um alcance e taxas de transmissão maiores. Empresas logo começaram a usar a tecnologia para rastrear containers e outros itens.

No inicio da década de 90 engenheiros da IBM desenvolveram e patentearam um sistema RFID UHF. O UHF obtinha um alcance de leitura maior (até 20 pés ou 6,09 metros) e transferências mais rápidas. Embora tenham sido feitos testes a tecnologia nunca chegou a ser comercializado e devido a problemas financeiro a patente foi vendia à Intermec em meados da década de 90. O sistema RFID da Intermec foi instalado nas mais diversas aplicações, porém não obteve muito sucesso pelo seu preço ser caro, que se dava ao fato do baixo número de vendas e a falta de padrões internacionais.

O RFID UHF ganhou um impulso em 1999 quando a Uniform Code Council, EAN International, Procter & Gamble e Gillett financiaram o Auto-ID Center no Massachuset Institute of Tecnology. Lá dois professores (Sarma e Brock) pesquisavam sobre a possibilidade de colocar tags de baixo custo em todos os produtos de uma de suprimentos e assim poder rastreá-los. A ideia era que as tags possuíssem somente o número de série e os dados associados a ele seriam armazenados em banco de dados que seria acessível através da internet.

A ideia de Sarma e Brock foi tão bem aceita que entre 1999 e 2003 o Auto-ID Center ganhou o apoio de 100 grandes empresas, do departamento de defesa dos Estados Unidos muitos vendedores de RFID. Foram abeertos laboratórios no Japão, Austrália, Reino Unido, suiça e China. Porém em outubro de 2003 o Auto-ID Center foi fechado e suas pesquisas foram repassadas para os Auto-ID Labs .

Alguns dos maiores varejistas do mundo (Albertsons, Metro, Target, Tesco e Wal-Mart) e o departamento de defesa dos Estados Unidos disseram que planejavam utilizar a tecnologia. Outras industrias (farmacêuticas, pneus, etc) também planejavam utilizar a tecnologia.

Componentes do Sistema

Radio Frequency Identification (RFID) é uma tecnologia de comunicação sem fio que permite um usuário a identificar um objeto ou pessoa.

Um sistema RFID é composto por três componentes básicos: uma tag, um interrogator e um host.

Tag

A tag é composta basicamente por um chip semicondutor e uma antena. A função basica da tag é armazenar uma informação (pode ser um número de série, instruções, etc) e transmiti-las através de um sinal.

Interrogator

A função do interrogator é fazer a comunicação entre as tags e o host, adicionalmente a isso ele pode criptografar/descriptografar a informação, fazer autenticação e ter forma para evitar colisão entre pacotes.

Host

O host é o equipamento que ira utilizar as informações recebidas pelo interrogator.

Tipos de Tag

Passivas

As tags passivas usam a energia captada do sinal recebido para enviar o seu sinal graças a esse fator elas se tornam menores e mais baratas que as tags ativas porém elas possuem um alcance menor, uma memória interna maior, e precisam de um interrogator com uma maior potência para transmitir o sinal.

Ativas

As tags ativas por sua vez possui uma bateria interna o que permite um sinal com alcance maior, tipicamente também possuem memórias maiores (até 128 KB), porém devido a esses fatores elas, são maiores, possuem um preço maior e um tempo de vida menor (de 2 a 7 anos).

O Projeto Openbeacon

O projeto OpenBeacon foi fundado em 2006 pela companhia Bitmanufaktur GmbH como uma plataforma aberta para aplicações com RFID ativo operando na banda de 2.4GHz. O OpenBeacon é baseado em software livre, muito flexível, reprogramável e de baixo custo. Os códigos de firmware e os esquemáticos de hardware se encontram disponíveis sobre a sobre a GNU General Public License (GPL).

Visão geral do projeto

Um sistema OpenBeacon é um conjunto especifico de software e hardware envolvendo OpenBeacons que implementam uma funcionalidade especifica. Embora o OpenBeacon seja muito flexível e cada sistema acabe sendo diferente do outro a maioria dele pode ser classificados de duas maneiras:

Mestre/escrevo

Este é o clássico sistema RFID onde um ou mais OpenBeacons (tags) trocam informações com dispositivos chamados estações base (interrogators).

Peer-to-Peer

Neste tipo de sistema os OpenBeacons comunicam-se uns com outros diretamente de tal maneira que acabam criando uma rede mesh.

Componentes do sistema

OpenBeacon tag

A tag OpenBeacon é constituída basicamente por um microcontrolador PIC16F688 e um transceiver nRF24L01. O microcontrolador PIC16F688 possui 14 pinos, opera numa faixa 2 a 5.5 V, clock de 20 MHz,tem memória flash de 4096 palavras (cada palavra possui 14 bits), memória SRAM e EEPROM de 256 bytes. O nRF24L01 é um transceiver de 2.4 GHz, baixo custo, baixo consumo de potência, opera a 1 ou 2 Mbps, 40 bits de endereçamento, 80 canais, transmissor e receptor FIFO de 32 bytes.

OpenBeacon USB 1 e USB 2

Os OpenBeacons USB 1 USB 2 são interrogators com microcontroladores ARM programáveis (AT91SAM7X e LPC1343 respectivamente). O USB 1 funciona como um dispositivo USB podendo ser conectado diretamente ao computador e acessado via HyperTerminal (como o minicom por exemplo). O USB 2 assim como o USB 1 pode ser reprogramado via USB, nesse caso via micro USB, utilizando um gcc toolchain. O USB 2 permite carregar uma bateria externa através da entrada micro USB, possui uma interface bluetooth permitindo uma conexão wireless com o computador, 4 MB de memória flash para armazenamento de dados, um acelerômetro de 3 eixos para permitir detecção e orientação e orientação 3D, 3 botões que permitem uma interface simples com o usuário e 11 pinos para expansão.

EasyReader

O OpenBeacon EasyReader é um interrogator que possui um processador ARM 32 bits (AT91SAM7X), 2 interfaces RF OpenBeacon, micro SD para armazenamento de dados, entrada Ethernet e 20 pinos para expansão.

Projetos derivados

Sputinik

O projeto Sputinik é um sistema para localização em tempo real dentro de construções usando a tag OpenBeacon.

A tag OpenBeacon é usada em combinação com 25 estações base (interrogators) para facilitar a localização. As tags quadros aleatoriamente com diferentes níveis de potência. Se o pacote for recebido por uma ou mais estações base é possível se ter uma ideia sobre a sua localização.

As estações base não exploram diferenças de tempo ou triangulação e sim apenas a força do sinal para fazer o posicionamento.

A saída das estações base é introduzida no Chaos Positionig System (CPS), queprove uma maneira mais alto nível e abstrata de manter e distribuir as informações de posicionamento.

Blinkenlights

Em Toronto 960 janelas foram iluminadas individualmente em duas construções separadas e a instalação de conexões cabeadas precisavam ser evitadas devido a manutenção, para que isso fosse possível foram criados dois dispositivos:

WDMI

Em cada lampada relevante da construção foi instalado um wireless dimmer (WDMI). O propósito era receber uma informação através da rede sem fio e desligar ou ligar a lampada através da técnica de controle de fase.

O dimmer foi feito com base em um Atmel ARM SAM7S como processador e um NRF24L01 HF (High Frequence) para comunicação RF.

WMCU

O Wireless Matrix Control Unit (WMCU) é um dispositivo feito com base em um processador Atmel ARM SAM7X feito para a instalação do Blinkenlights, possui uma interface Ethernet em um lado e um openBeacon RF do outro. Para a comunicação RF assim como no WDMI foi utilizado um NRF24L01 HF.

O WMCU tem uma lista interna de até 32 lampadas que pode controlar e possui a linha, a coluna e o endereço mac do dimmer de cada uma delas. Quando um pacote UDP contendo as informações da imagem a ser exibida é recebida pelo firmware a informação de cada pixel individual é dividida para cada lampada relevante para então ser extraída e envida em brodcast para todos os dimmers.

Na instalação do Bliinkenlights em Toronto cada um dos 36 andares foi instalado um WMCU conectado a rede Ethernet controlando 22 ou 30 lampadas. Para cada lampada foi instalado um dimmer wirelles configurado para um pixel em uma posição especifica na matriz global assim o dimmer saberia quando piscar.

Sistemas de Localização em Tempo Real (RTLS)

Um Sistemas de Localização em Tempo Real ou do inglês Real Time Location System (RTLS) permite localizar, gerenciar, analisar, ou ainda utilizar as informações sobre as pessoas ou objetos que estejam utilizando um dispositivo que faça uso de uma tecnologia que permita uma localização em tempo real.

Tipos de RTLS

Não Baseados em imagens

GPS

O Sistemas de Posicionamento Global ou do inglês Global Positioning System (GPS) foi criado em 1973, sendo constituído por um grupo de 24 satélites, e concebido inicialmente com fins militares porém após os anos 80 se tornou disponível para o publico em geral.

O GPS determina a posição de um objeto através de cálculos feitos pelo receptor a partir dos sinais enviados pelos satélites e sua posições.

Wi-Fi

Embora possa parecer estranho é possível usar uma rede Wi-Fi em conjunto com protocolos para se criar um RTLS, uma das vantagens desse sistema é a possibilidade de se usar um único ponto de acesso para fazer a localização embora que consequentemente faça o sistema com que o sistema tenha uma baixa precisão.

RFID

É possível ter um RTLS com RFID através de uma triangulação através da potência do sinal. Um dos cenários em que esse tipo de sistema pode ser utilizado é quando se tem vários interrogators recebendo o sinal de uma ou mais tags como cada, interrogator receberá uma potencia diferente é possível se ter uma relação da distancia entre as tags e cada um dos interrogators e assim saber a posição das tags.

Métodos utilizados para determinar a distancia entre o transmissor e o receptor

http://www.lyraphase.com/doc/senior_design/RFID_Positioning_Localization_Techniques_bouet_WD08.pdf

http://www.waset.org/journals/waset/v46/v46-135.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_locating_system

http://www.clarinox.com/docs/whitepapers/RealTime_main.pdf

http://umu.diva-portal.org/smash/get/diva2:550049/FULLTEXT02.pdf

http://www.ecoca.ro/papers/applications_of_rfid_systems_-_localization_and_speed_measurement.pdf

http://oet.inescporto.pt/Thesis/thesis_paulopereira.pdf

http://repositorio.utad.pt/bitstream/10348/1405/1/msc_vmmteixeira.pdf

http://www.jpier.org/PIER/pier110/03.10100204.pdf

http://www.scis.ulster.ac.uk/~kevin/compcomm.pdf

http://www.cs.csi.cuny.edu/~zhangx/indoorLocRFID.pdf

Onde o RFID ativo pode ser utilizado

O RFID ativo por ter um alcance maior é normalmente utilizado em RTLS para projetos nas mais diversas áreas como:

Segurança

O TSI PRISM RFID é um sistema de localização desenvolvido pela empresa Alanco para presídios com o objetivo de eliminar o custo da contagem manual de detentos, diminuir os custos do sistema prisional e tornar o ambiente mais seguro.

Entre as funcionalidade do sistema se encontram identificação e localização individual, distribuição de alimentos e medicamentos, gerenciamento de áreas restritas e locais específicos, informações de entrada e saída.

Automóveis

Uma companhia do Reino Unido está desenvolvendo uma placa de automóveis com RFID ativo. O sistema possibilita os sensores de velocidade e outros mecanismos a identificar a automóveis a uma distancia de até 300 metros. O sistema tem como objetivos por pedagios, para pagamento eletrônico, localização, roubos, etc.

Aplicações do RFID ativo no esporte equestre

Alguns sistemas RFID de localização em tempo real tem sido usado no hipismo para melhora a postura de atletas como é o caso do produto desenvolvido pela empresa Integrated Equine Technologies. Normalmente instrutores e cavaleiros costumam avaliar seu desempenho treinando numa arena cercada por espelhos e assim vendo a sua desenvoltura e a de seu cavalo ou trazendo um a amigo para filmar a performance, porém o sistema desenvolvido pela empresa escolhe o melhor angulo para ser filmado por cada uma das 2 câmeras motorizadas instaladas no estabulo através de tags presas no corpo do cavalo.

Em outro exemplo do RFID sendo usado para melhorar o desempenho de atletas no hipismo temos um estudo feito pela University College Dublin usaram tags RFID para verificar a postura de cavaleiros (novatos e experiente) durante as performances para coletar dados e assim ajudar a melhorar o desempenho dos atletas.

Bibliografia

Hunt, V. Daniel; et al RFID - A Guide to RFID

Jones, Erick; Chung, Christopher RFID in Logistics A Practical Introduction

Finkenzeller, Klaus RFID Handbook

Paz, Sérgio M.; Cugnasca, Carlos E. O Sistema de Posicionamento Global (GPS) e suas aplicações

Abreu, Pedro; Vinhas, Vasco; et al Real-Time Wireless Location and Tracking System with Motion Pattern Detection

Patterson, M.; Doyle, J.; et al Quantifying Show Jumping Horse Rider Expertise using IMUs

http://www.openbeacon.org/

http://www.rfidjournal.com/articles/view?3583

http://www.rfidjournal.com/articles/view?1338/

http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=4374381&tag=1