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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINAS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, AMBIENTAIS E DE TECNOLOGIAS FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA ANDREZZA OLIVER DE LIMA UM ESTUDO SOBRE O NFC - ALTERNATIVAS À INFLUÊNCIA DE METAL, PLÁSTICO E VIDRO NA COMUNICAÇÃO NFC CAMPINAS 2020 ANDREZZA OLIVER DE LIMA UM ESTUDO SOBRE O NFC - ALTERNATIVAS À INFLUÊNCIA DE METAL, PLÁSTICO E VIDRO NA COMUNICAÇÃO NFC Trabalho de conclusão de curso apresentado como exigência para obtenção de diploma de graduação no curso de engenharia de telecomunicações, do Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias, da Pontifícia Universidade Católica de Campinas. Orientador: Prof. Dr. Carlos Alberto de Castro Junior CAMPINAS 2020 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINAS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, AMBIENTAIS E DE TECNOLOGIAS – FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA BANCA EXAMINADORA Presidente da Banca e Orientador Prof. Carlos Alberto de Castro Junior Examinador Prof. Dr. Frank Herman Behrens “Dedico este trabalho aos meus pais, meu irmão, amigos, influencers e todos os familiares que me apoiaram por trás das cortinas. Sua grande força e incentivo foram a mola propulsora que permitiu o meu desenvolvimento e a conquista dessa vitória. Vos agradeço imensamente.” AGRADECIMENTOS Aos meus colegas de curso, os quais foram meus companheiros nos anos mais intensos da minha vida e pela troca de experiências que me proporcionaram crescer no âmbito pessoal e profissional. À Pontifícia Universidade Católica de Campinas e ao governo federal pela concessão da bolsa de graduação através do Programa Universidade para Todos (PROUNI), que me possibilitaram incríveis anos de aprendizagem. "Conheça todas as teorias, domine todas as técnicas, mas ao tocar uma alma humana seja apenas outra alma humana." Carl G. Jung RESUMO A presença de dispositivos que utilizam a comunicação sem fio para realizar trocas de dados entre si está cada dia mais presente nas atividades cotidianas, na automação das indústrias e nos serviços oferecidos pelo comércio e instituições bancárias com a ascensão da internet das coisas (IoT). O desenvolvimento das atividades deste trabalho baseia-se no estudo e caracterização do serviço de pagamento por proximidade implementado em grande parte do transporte público no Brasil. Dentro dos resultados esperados está a captação do sinal transmitido e a análise da interferência de outros materiais, como o metal, plástico e vidro que estão sempre presentes nas proximidades dos dispositivos, alterando a potência do sinal e até mesmo causando a sua distorção. Os resultados do estudo demonstram a efetividade do sistema, mesmo sob condições de perda e interferência. Termos de indexação: Near Field Communication. Transmissão de dados. Interferência. Eletromagnetismo. ABSTRACT The presence of devices that use wireless communication to exchange data among them, is becoming more present in our day-to-day activities, in the automation of industries and in the services offered by commerce and banking institutions. This work is based on the study and characterization of the payment service by proximity implemented in large proportion of public transportation in Brazil. Among the expected results are to capture the transmitted signal and analysis the interference of other materials, such as metal and plastic, which is always present in the vicinity of the devices, changing the power of the signal and even causing its distortion. The results of this study demonstrate the effectiveness of the system, even under conditions of loss and interference. Indexing Terms: Near Field Communication. Safety. Transmission of data. Interference. Electromagnetism. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Comparativo taxa de dados x alcance entre as tecnologias sem fio existentes .................................................................................................................. 17 Figura 2 - Os seis fundamentos das cidades inteligentes ......................................... 19 Figura 3 - Comparativo entre dispositivos conectados e pessoas ............................. 21 Figura 4 - Atribuição de Faixas de Frequência no Brasil ........................................... 26 Figura 5 - Diagrama de blocos de funcionamento do NFC. ...................................... 27 Figura 6 - Irradiação antena dipolo meia onda .......................................................... 30 Figura 7 - Linhas de um fluxo magnético são geradas ao redor do condutor. ........... 31 Figura 8 - Linhas de fluxo magnético ao redor de um condutor e uma bobina cilíndrica .................................................................................................................... 31 Figura 9 – Arquitetura do Sistema de Bancada ......................................................... 33 Figura 10 - Protótipo Físico do Sistema de Bancada ................................................ 33 Figura 11 - Comparação atenuação com e sem plástico (frente) .............................. 38 Figura 12 - Comparação atenuação com e sem plástico (costas) ............................. 38 Figura 13 - Atenuação com o uso de vidro ................................................................ 40 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Frequências RFID. (Wyld, 2006) .............................................................. 25 Tabela 2 - Medidas sem case plástica (frente) .......................................................... 34 Tabela 3 - Medidas sem case plástica (trás) ............................................................. 34 Tabela 4 - Medidas frente utilizando case plástica .................................................... 35 Tabela 5 - Medidas posterior utilizando case plástica ............................................... 35 Tabela 6 - Atenuação e erro médio (frente) s/ material invasor................................. 36 Tabela 7 - Atenuação e erro médio (costas) s/ material invasor ............................... 37 Tabela 8 - Atenuação e erro médio (frente) c/ case plástica ..................................... 37 Tabela 9 - Atenuação e erro médio (costas) c/ case plástica .................................... 37 Tabela 10 - Medidas posterior influência do vidro ..................................................... 39 Tabela 11 - Medidas com o uso de vidro .................................................................. 39 LISTA DE EQUAÇÕES Equação 1 ................................................................................................................. 31 Equação 2 ................................................................................................................. 32 Equação 3 ................................................................................................................. 32 Equação 4 ................................................................................................................. 36 Equação 5 ................................................................................................................. 36 Equação 6 .................................................................................................................36 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ANATEL – Agência Nacional de Telecomunicações CO2 – Dióxido de Carbono COVID-19 – Coronavirus Disease 2019 DB – Decibéis GB – Gigabyte HF – High Frequency ISM – Industrial, Scientific and Medical IoT – Internet of Things KBPS – Kilobytes per second LF – Low frequency MB – Megabyte NFC – Near Field Communication RFID – Radio Frequency Identification UHF – Ultra High Frequency QR Code – Quick Response Code SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .............................................................................................. 15 2. Apresentação do Tema ............................................................................... 16 3. Objetivo ........................................................................................................ 17 4. Justificativa .................................................................................................. 18 4.1 O conceito de cidades inteligentes ............................................................ 18 4.2 A terceira onda – IoT ................................................................................... 20 5. Fundamentação Teórica .............................................................................. 23 5.1 O RFID ........................................................................................................... 23 5.1.1 Introdução ao RFID ................................................................................ 23 5.1.2 A tecnologia do RFID ............................................................................. 24 5.1.3 Composição física sistema RFID .......................................................... 26 5.2 NFC ............................................................................................................... 28 5.2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA NFC ......................... 28 5.2.1.1 Leitor ....................................................................................................... 28 5.2.1.2 Tag ...................................................................................................... 29 5.2.1.3 Antena ................................................................................................. 29 5.3 Eletromagnetismo........................................................................................ 30 5.3.1 Força do Campo Magnético ................................................................. 30 6. METODOLOGIA ............................................................................................ 32 6.1 Materiais Utilizados ..................................................................................... 33 7. RESULTADOS .............................................................................................. 34 7.1 Descrição do Projeto ................................................................................... 34 7.2 ANÁLISE DA INTERFERÊNCIA DE MATERIAIS À COMUNICAÇÃO NFC 34 7.2.1 Sem Material Invasor ............................................................................ 34 7.2.2 A influência do plástico ........................................................................ 35 7.2.3 Erros de medição, relação frente x posterior e uso do plástico ....... 35 7.2.5 Influência de um objeto metálico ......................................................... 40 7.2.6 Simulação de um caso prático – Estrutura utilizada no ônibus ....... 41 8. CONCLUSÃO ................................................................................................ 42 9. REFÊRENCIAS ............................................................................................. 43 10. APÊNDICE A – Código do Arduino ............................................................ 45 15 1. INTRODUÇÃO Problemas são a mola propulsora para o desenvolvimento. Ao longo da história da raça humana, projetamos diferentes meios de comunicação a fim de nos aproximarmos de seres que viviam em locais distantes, desde sinais de fumaça até adestramento de pombos para que fossem utilizados como correio. Foram criadas diversas alternativas e tecnologias para a realização de múltiplas tarefas à distância, como manter-se informado, expressar ideias, participar de eventos, até alcançarmos o nível atual de globalização que nos colocou à prova durante a pandemia de COVID- 19. Vimo-nos obrigados a ficar em casa mantendo os nossos compromissos, só que de maneira remota. Um pequeno avanço para cada indivíduo, mas um grande avanço para a humanidade como um todo. Tal avanço não seria factível se não houvesse a presença da comunicação wireless embutida em nosso cotidiano. Essa revolução vem transformando o mundo desde os últimos anos do século XIV, quando Guglielmo Marconi (1874 – 1937) provou a capacidade do rádio de fornecer uma transmissão contínua com a realização da primeira transmissão em ondas de rádio. A partir de então, a tecnologia wireless foi disseminada, podendo ser aplicada em longo ou curto alcance. Conceitualmente, a comunicação wireless (sem fio) visa transmitir informações sem usar nenhum meio físico para a efetivação da comunicação, podendo ser transmitida via rádio frequência, obtendo assim um longo alcance através da utilização de antenas ou transmitida via micro-ondas, alcançando uma comunicação de curto alcance e também infravermelho (IR). Assim, existem diversas maneiras dentro de cada alcance para que seja efetuada a transmissão, como televisão, estação de rádio, sistema ponto a ponto, ponto a multiponto, redes celulares e outras redes sem fio. Neste trabalho, o foco será estudar a comunicação de curto alcance, analisando possíveis interferências físicas que possam impactar as ondas eletromagnéticas geradas para a efetivação da transferência de dados via NFC. 16 2. Apresentação do Tema Devido à crescente demanda por novos métodos de transferência de dados, como o bluetooth e o RFID (Radio Frequency Identification) que são os mais difundidos, surgiu o objeto de estudo deste trabalho, a NFC. Uma promissora tecnologia de comunicação sem fio de curto alcance, que facilita a vida de bilhões de pessoas ao redor do mundo embutida em diversos serviços, desde aplicativos de pagamento até chaves para escritórios e residências. Eventualmente, a tecnologia NFC integra todos esses serviços em um único dispositivo, o telefone celular ou até mesmo em cartões de crédito. A tecnologia NFC traz simplicidade às transações, fornece uma entrega de conteúdo fácil e permite compartilhamento de informações. Ao mesmo tempo, cria novas oportunidades para várias partes interessadas; operadoras móveis, bancos, operadores de transporte e comerciantes que desejam obter transações mais rápidas e reduzir o manuseio de papel moeda. Baseada em RFID, a NFC é uma tecnologia que parte do padrão disseminado pela tecnologia RFID, sendo assim, ambas são completamente compatíveis. Sua taxa de dados máxima pode alcançar 424 kbps, com a transmissão contactless (sem contato) em até aproximadamente quatro centímetros. O comparativo entre a NFC e as demais tecnologias sem fio existentes é mostrado na Figura 1. 17 Figura 1 - Comparativo taxa de dados x alcance entre as tecnologias sem fio existentes Fonte: NFC Fórum, novembro de 2020. 3. Objetivo Este trabalho de conclusão de curso tem por objetivo geral difundir os dados aqui estudados sobre a tecnologia NFC, buscando o incentivo da utilização da mesma através de exemplos práticos, além avaliar o impacto do meio durante a transmissão de dados da NFC a partir de medições realizadas em laboratório. Buscando remover os empecilhos do pagamento via papel moeda, atualmente as funcionalidadesde acessos às catracas e da compra de bilhetes de ônibus nas cidades de Jundiai e Campinas, são feitas exclusivamente através da utilização de um cartão com a tecnologia NFC ou QR Code. Assim, viu-se a oportunidade de estudar um problema muito frequente: a interferência causada neste serviço. A fim de avaliar tal interferência, foi construída uma estrutura física similar a existente nos ônibus, para análise se essa estrutura ou o case do cartão de ônibus, causam impactos significativos de interferência na tecnologia NFC. 18 O objetivo prático é, em bancada, estabelecer uma comunicação de dados em meio não confinado, provocar alteração no meio de transmissão e mensurar o impacto no sinal. Enumera-se, abaixo, de forma detalhada, os objetivos específicos do projeto: I. Explorar a tecnologia NFC, bem como as influências de materiais metálicos, plásticos e de vidro na transmissão; II. Projetar e construir o sistema para troca de dados; III. Aplicar material metálico, plástico e vidro na proximidade do sistema e quantizar efeitos quanto a degradação do sinal; IV. Divulgar os resultados, bem como o seu impacto aos serviços de pagamento por proximidade. 4. Justificativa Podemos dividir em dois principais temas as justificativas para estudarmos a NFC: 1. Internet das coisas (Internet of Things – IoT) 2. Cidades Inteligentes Sob o ponto de vista da internet das coisas, ou IoT, termo frequentemente utilizado, a NFC é um grande facilitador na transmissão de sinais entre as “coisas”, e a IoT vem para permitir a criação das cidades inteligentes, sendo assim, os temas se complementam. 4.1 O conceito de cidades inteligentes Em um breve resumo, o conceito de smart cities ou cidades inteligentes pode ser interpretado como uma abordagem moderna para a gestão de assuntos públicos. Ou seja, cidades que buscam aumentar a sua competitividade, capital social, através de mudanças na governança e de uma nova gestão pública, ao mesmo tempo que incluem o uso de tecnologias avançadas a fim de aumentarem a sua eficiência e melhor gerir os recursos de energia, buscando a redução de emissão de gases de CO2², garantindo consequentemente uma melhor qualidade de vida aos seus moradores (Sikora-Fernandez, 2016). As cidades foram a base para a construção de um mundo civilizado. Não são apenas a criação do trabalho humano, fruto de uma cooperação extraordinária entre as 19 pessoas (Szymańska, 2007), mas também um lugar onde se concentram as suas atividades, uma incubadora de novas ideias é uma força motriz do crescimento económico. Figura 2 - Os seis fundamentos das cidades inteligentes Fonte: www.smart-cities.eu, novembro de 2020. O desenvolvimento de cada área acima mencionadas, é beneficiado a partir da utilização de tecnologias de última geração que construirão uma base sólida para o crescimento dessas cidades, trazendo para a realidade o surgimento de uma infraestrutura eficaz, bem como uma rede crescente de sensores e módulos de direção, resultando no aumento das cidades informatizadas. O grande benefício desta tendência geral é que a qualidade dos serviços prestados aos habitantes cresce, enquanto as economias em termos de recursos financeiros, bem como de tempo e energia necessários para o funcionamento da cidade se tornam uma possibilidade. 20 4.2 A terceira onda – IoT “As tecnologias mais importantes são aquelas que desaparecem. Elas se integram à vida no dia a dia até serem indistinguíveis dele.” Mark Weiser (1952-1999) A partir citação de Mark Weiser acima, pai da computação ubíqua, que trouxe o conceito de que os dispositivos conectados serão tão comuns para o ser humano, que iremos deixar de notar a presença deles, podemos refletir sobre a crescente conectividade que alcançamos na última década. O conceito de IoT explica que, com a conectividade generalizada e com a alta produção de dados, os objetos se tornarão cada vez mais inteligentes, e a função dos computadores mais integrados ao nosso ambiente, assim eles tendem a desaparecer como máquinas mas, sua função estará presente em cada objeto, como atualmente em celulares, óculos e relógios inteligentes e etc. Enquanto são desenvolvidas novas tecnologias de comunicação entre objetos, tornando-as quase imperceptíveis e centrados em dados, assim, a conectividade tem um enorme potencial para agregar valor, tornando tarefas simples automáticas. Com o desenvolvimento massivo dos smartphones até a automação residencial que permite a automação de objetos simples como: fechaduras, lâmpadas e interruptores, objetos comuns, mas que hoje já estão conectados à internet, o que em parecia uma realidade distante quando citada por Weiser em seu estudo “The Computer for the 21st Century – 1991”, em menos de 30 anos se tornaria parte do cotidiano, possibilitado através do avanço de tecnologias como o RFID e a NFC. 21 Figura 3 - Comparativo entre dispositivos conectados e pessoas Fonte: Cisco IBSG, abril de 2011. Conforme podemos observar na Figura 3, retirado de um profundo estudo da Cisco intitulado “A Internet das Coisas: Como a próxima evolução da Internet está mudando tudo”, desde 2008 temos mais dispositivos conectados à internet do que pessoas no mundo, e assim foi considerado o “nascimento” da IoT. De acordo com o ABINC (2017), a internet passou por três grandes gerações: 1. Digitalização da informação – Transição do mundo físico para o meio digital. 2. Web 2.0 – Aumento considerável da quantidade de pessoas conectadas a internet e aparelhos. 3. Internet das Coisas – Revolução capaz de conectar pessoas e objetos a internet e comunicarem entre si. Neste contexto, a IoT torna-se imensamente importante, pois é um salto que levará a aplicativos revolucionários com potencial para melhorar drasticamente a maneira como as pessoas vivem, aprendem, trabalham e se divertem. Como exemplo, a IoT 22 já pôde tornar a Internet um ambiente sensorial através da medição de variáveis como a temperatura, pressão, vibração, luz, umidade. Além disso, a Internet está se expandindo para lugares que até então eram inacessíveis. Os pacientes estão ingerindo dispositivos da Internet em seus próprios corpos para ajudar os médicos a diagnosticar e determinar as causas de certas doenças, sensores extremamente pequenos podem ser colocados em plantas, animais e características geológicas, e tudo isso conectado à Internet, permitindo-nos assim ser mais proativos e menos reativos. É nessa transformação que a chamada Internet das Coisas encontra crescimento, a partir de uma presença generalizada de uma variedade de coisas ou objetos capazes de interagir uns com os outros para alcançar objetivos comuns, oferecendo novas camadas de valor na sociedade (Sun, 2012; Guisto et al., 2010). Com a massiva utilização de dispositivos eletrônicos (como smartphones, tablets, televisores), integrados às redes de transmissão de dados (como GPS, Wi-Fi, Bluetooth, RFID e NFC), a tecnologia consolida-se como importante aliada do ser humano para a realização de tarefas diárias (Atzori et al., 2010). Conforme Sterling (2005), a implantação concreta da Internet das Coisas ocorre com o aumento de objetos que podem ser rastreados e que criam uma comunicação entre si. Dessa forma, pode-se entender o funcionamento da Internet das Coisas a partir de quaisquer itens que estejam ligados entre si, para a troca de informação e comunicação, a fim de identificar, localizar, rastrear, monitorar e gerenciar uma rede. Nesse contexto, a NFC presta suporte a tais avanços da IoT, proporcionando a transferência de dados eficiente e rápida como uma cidade inteligente demanda. 23 5. Fundamentação Teórica 5.1 O RFID Primeiramente estudaremos o RFID, tendo em vista que o NFC é uma extensão dela, nos capítulos adiante iremos nos aprofundarao conceito de NFC. 5.1.1 Introdução ao RFID O uso do RFID começou há mais de oito décadas pelos militares britânicos durante a Segunda Guerra Mundial, buscando identificar objetos como aviões, e naquela época, também fazia parte do sistema de refinamento do radar. Na década de 1960, o RFID foi considerado pela primeira vez como uma solução para uso comercial e nos anos 70 e 80, foi desenvolvido para aplicações comerciais. Já em 1998, uma pesquisa do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) começou a encontrar novas maneiras de rastrear e identificar objetos em movimento em diferentes locais físicos. Atualmente, o RFID é desenvolvido para permitir que os sistemas sejam usados em aplicações comerciais de baixo custo. Os primeiros desenvolvimentos de RFID foram vigilâncias eletrônicas chamadas tags, e atualmente os sistemas RFID consistem em tags e leitores. Uma tag é um microchip conectado a uma antena e embalado de forma que possa ser fixado em um objeto, tais etiquetas obtêm um número de série único e o seu número de identificação, o que permite a recepção e envio de sinais com o leitor, concretizando assim a comunicação do sistema. O dever do leitor é emitir ondas eletromagnéticas da antena de forma que as ondas enviadas sejam absorvidas pela etiqueta e usadas como energia para alimentar o microchip da etiqueta a fim de 24 permitir que a etiqueta envie um sinal que inclui a identificação número de volta ao leitor. Além disso, existem dois tipos de tags, as de alta frequência (HF), que podem ser integrados a uma distância de até 0,8 metros, enquanto a ultra alta frequência (UHF) que pode ser lida a uma distância de até 15 metros de um leitor. Isto posto, as tags podem ter dois modos: • Ativo – A tag é caracterizada como ativa, quando uma etiqueta usa o transmissor para retornar informações do leitor, onde a maioria das etiquetas ativas são alimentadas por bateria. • Passivo – A tag passiva não possui fonte de alimentação, utiliza como recurso as ondas eletromagnéticas do transmissor. 5.1.2 A tecnologia do RFID O sistema RFID utiliza radiofrequências para a comunicação a fim de identificar os objetos marcados, isso acontece quando um objeto etiquetado entra no ambiente de leitura do leitor, de forma que o mesmo inicializa a comunicação enviando um sinal e para a etiqueta, e a mesma absorve esses sinais e os usa como sua própria energia para enviar de volta os dados armazenados. As tags podem conter diferentes tipos de dados sobre o objeto marcado; esses dados podem incluir informações como: o número de série, carimbos de hora e data, configurações, podendo atender os mais variados públicos consumidores. Uma outra alternativa interessante proposta pelo RFID, é a inclusão de muitos leitores, onde todos esses leitores podem ser construídos em uma única rede usando um controlador. Além disso, o mesmo design é possível para um único leitor poder se comunicar com várias tags simultaneamente. Os sistemas de identificação operam em bandas de radiofrequência não licenciadas conhecidas como ISM (industrial, scientific and medical), mas as frequências precisas que são definidas para RFID podem variar dependendo dos regulamentos em diferentes países. Existem várias bandas de frequência na Europa, Japão e Estados 25 Unidos, todas designadas como ISM, e a maioria dos sistemas RFID opera nessas frequências. Essas categorias de frequência e as frequências mais usuais do sistema RFID estão listadas na Tabela 1. Em geral, as frequências de operação são organizadas em quatro bandas de frequência principais de LF, HF, UHF e Micro- ondas, onde essas frequências são mostradas na Tabela 1. Esta tabela representa as bandas de frequência aplicadas em RFID e algumas outras informações como a quantidade de taxa de dados por cada uma dessas bandas além das características e aplicações típicas. Tabela 1 - Frequências RFID. (Wyld, 2006) Frequência Alcance Aproximado Velocidade Custo do Tag Aplicações - Exemplos LF Low Frequency - (Frequência Baixa) 125kHz 5cm (passivo) Baixa Baixo Controle de acesso, identificação de animais HF High Frequency - (Frequência Alta) 13,56MHz 1m (passivo) Moderada/Baixa Médio/Baixo Cartões inteligentes, pagamentos UHF Ultra High Frequency - (Frequência Ultra Alta) 433MHz 100m (ativo) Moderada Alto Defesa UHF Ultra High Frequency - (Frequência Ultra Alta) 865- 928MHz 7m (passivo) Moderada/Alta Baixo Identificação de mercadorias, rastreamento de bagagens e encomendas Micro-ondas - 2.45 e 5,8GHz 15m (passivo), 40m (ativo) Alta Alto Rastreamento de contêineres, pagamento automático de pedágio e estacionamento 26 Na Figura 4, ilustra-se como a Agência Nacional de Telecomunicações trata as frequências ISM no Brasil: Figura 4 - Atribuição de Faixas de Frequência no Brasil Fonte: Anatel, março 2015. 5.1.3 Composição física sistema RFID Um sistema RFID consiste em três componentes principais: • Transponder (tag); • Leitor; • Controlador (middleware); https://www.anatel.gov.br/Portal/verificaDocumentos/documento.asp?numeroPublicacao=325100&pub=principal&filtro=1&documentoPath=325100.pdf 27 Figura 5 - Diagrama de blocos de funcionamento do NFC. Conforme apresentado na Figura 5, cada elemento possui uma função específica para a efetivação da comunicação RFID. Uma tag, nada mais é que um microchip (chip semicondutor) conectado a uma antena. As tags são anexadas aos objetos que serão identificados, e têm um número de série único e seu número de identificação que permite a comunicação (receber e enviar sinais) com o leitor. O leitor é um dispositivo responsável pela leitura e escrita, composto por uma antena, um módulo eletrônico de RF para transmissão e recepção de sinais e um módulo eletrônico de controle. Já o controlador ou middleware, desempenha uma das funções mais relevantes, pois ele processa os dados recebidos do leitor e traduz a informação para a interface de rede, ficando assim finalmente, o dado disponível para uso do usuário final. Normalmente é usado um computador para tal função. Através deste processo pode- se gerar relatórios ou outra infinidade de alternativas a fim de atender ás necessidades da demanda. Um bom exemplo de RFID aplicado a negócios na prática, onde a empresa JD.com, instalou em suas lojas de conveniência uma solução que utiliza o RFID (Faias, 2020), através das câmeras do teto o movimento dos clientes são identificados e geram mapas de calor para monitorar as áreas de maior ou menor fluxo dentro da loja, gerando insights sobre o mix de produtos e preferências dos consumidores (estas 28 analises são o resultado do trabalho do middleware após a leitura e interpretação dos dados do leitor). Além disso, essas câmeras identificam qual a reação do cliente ao ver o produto e, os sensores de gravidade analisam se as gôndolas estão vazias ou cheias. Dessa forma, o repositor é notificado quando existe uma ruptura, aumentando a sua performance e diminuindo as perdas por esse motivo. 5.2 NFC A NFC é uma tecnologia para comunicação ponto a ponto de curta distância sem fio de alta frequência. O alcance operacional para NFC é de menos de 20 cm, o que é bom sob uma perspectiva de segurança, pois diminui a ameaça de espionagem. Outro bom motivo para disseminar o uso da NFC é o baixo custo dos componentes necessários. O pequeno circuito é conectado em uma pequena antena, capaz de transmitir dados para um dispositivo leitor (leitor) em resposta a uma consulta. A maioria das etiquetas RFID são passivas, o que significa que eles não têm bateria e obtêm como fonte de energia o próprio sinal de consulta. Essas etiquetas já são usadas em várias aplicações, estando anexadas a: roupas, alimentos, cartões de acesso etc. Sem contato, o token cobre amaioria dos aplicativos que usam NFC para recuperar alguns dados de um token passivo. O token passivo pode ser um cartão inteligente sem contato, uma etiqueta RFID, ou um chaveiro. No aplicativo de emissão de bilhetes, a interface NFC é usada para transferir informações valiosas, os dados são armazenados em um dispositivo seguro, o que poderia também ser um cartão inteligente sem contato, mas por questões de praticidade também poderíamos utilizar um telefone celular. 5.2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA NFC 5.2.1.1 Leitor O leitor NFC é o dispositivo ativo, ou seja, é o dispositivo que fornece o campo de radiofrequência. Isso significa que o leitor NFC é quem procura dispositivos que possuem a tecnologia NFC mais próxima. “Para o leitor NFC funcionar, é preciso que ele esteja próximo de um dispositivo tag, ou seja, um dispositivo precisa ser o passivo. 29 Com isso, o leitor NFC vai se comunicar com essa tag e irá decodificar os sinais para que realize a atividade solicitada. Quando uma etiqueta passa na região de alcance do seu campo eletromagnético, a informação armazenada no chip da etiqueta é interpretada pelo leitor que envia as informações para o middleware, o qual realiza a integração do fluxo de dados entre as etiquetas e a aplicação que solicita as informações da etiqueta.” (Alves, 2016). 5.2.1.2 Tag As etiquetas ou tags podem ser divididas em dois tipos: etiquetas ativas e etiquetas passivas. As passivas usam a própria corrente que foi induzida pelo leitor para se alimentar, responder e enviar alguma informação e as ativas utilizam sua própria alimentação. Existem então três modos de comunicação NFC, que são: ● Emulação de cartão: onde um dispositivo se passa por uma tag ou cartão NFC passivo para responder a um pedido de um iniciador ativo; ● Leitura e gravação de cartão: onde um iniciador pode ler ou gravar alguma informação em um dispositivo passivo; ● Peer to peer: onde dois dispositivos NFC ativos comunicam entre si. Em sistemas de cartão para pagamento de passagens de ônibus utiliza-se as etiquetas passivas que utilizam a energia do leitor para ativar sua identificação, ou seja, o modo de leitura e gravação e apresentam alta confiabilidade de leitura. 5.2.1.3 Antena A antena do leitor emite sinais de rádio para ativar a etiqueta. Ela é o canal de comunicação entre a etiqueta e o leitor, na qual controla aquisições de dados do sistema. O campo eletromagnético produzido por uma antena pode estar constantemente presente quando várias etiquetas são esperadas continuamente. Nos serviços de pagamento de ônibus a frequência de operação é de 13,5 MHz, a zona de detecção de uma antena, normalmente, é de no máximo 10 centímetros de distância e é uma antena dipolo. Os dois dispositivos, a etiqueta e a antena, interagem quase que instantaneamente, para completar a transação de pagamento de passagem. 30 A antena dipolo de meia onda está entre as mais utilizadas nas diversas aplicações de recepção e transmissão de sinais de radiofrequência e é caracterizada por ter um comprimento igual à metade do comprimento de onda (l=λ/2). (BRAGA, NEWTON C.) O padrão de radiação desta antena é obtido matematicamente via integração dos campos individuais das antenas diferenciais que a compõem e sua irradiação é mostrada na Figura 6. Figura 6 - Irradiação antena dipolo meia onda fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/component/content/article/101- diversos/diversos/3922-politica-site 5.3 Eletromagnetismo Para compreendermos o funcionamento da NFC, é necessário a compreensão dos princípios físicos e de eletromagnetismo relacionados. 5.3.1 Força do Campo Magnético O fluxo de corrente que move cargas elétricas em fios ou no vácuo gera campo magnético, conforme a Figura 7. A magnitude deste campo é definida pelas linhas de fluxo magnético e mostrado por H, sendo independentemente das propriedades materiais do espaço. 31 Figura 7 - Linhas de um fluxo magnético são geradas ao redor do condutor. Fonte: NFC: A technical overview De forma geral, podemos dizer que a integral de contorno da força do campo magnético ao longo de uma curva fechada é igual à soma das intensidades de corrente das correntes dentro dela e é mostrado pela equação (3.1). Para calcular a intensidade de campo H de qualquer tipo de condutor, equação 1 é aplicada (Finkenzeller 2003). Equação 1 ∑𝑰 = ∮ �⃗⃗⃗� ⋅ 𝒅𝒔⃗⃗⃗⃗ A Figura 8 mostra como o fluxo magnético se comporta quando uma corrente passa por um condutor, onde observamos que os loops dos condutores são usados como antenas magnéticas para produzir o campo magnético alternado nos dispositivos do sistema RFID acoplado indutivamente. Figura 8 - Linhas de fluxo magnético ao redor de um condutor e uma bobina cilíndrica 32 Fonte: NFC: A technical overview Além disso, em um condutor reto, a intensidade do campo H ao longo de uma linha de fluxo circular a uma distância r é constante. Para o condutor reto H pode ser calculado como: Equação 2 𝑯 = 𝟏 𝟐𝝅𝒓 O caminho da intensidade do campo ao longo do eixo x de uma bobina, pode ser calculado usando a equação 3. Considere que a intensidade do campo magnético H diminui quando o ponto de medição se afasta do centro do eixo da bobina, isto é mostrado por x na Figura 8. Equação 3 𝑯 = ⅈ ⋅ 𝑵 ⋅ 𝒓𝟐 𝟐√(𝒓𝟐 + 𝒙𝟐) 𝟑 6. METODOLOGIA Para a análise, conforme arquitetura na Figura 9, no Arduino Mega foi carregado o código descrito no apêndice A deste trabalho, do qual tinha a função de decrementar valores a fim de simular o pagamento da passagem de ônibus (assim como é decrementado o crédito no cartão). Para medição da atenuação a modo de comparar a atenuação de potência do uso do cartão sem capinha de plástico, com capinha e com interferência do vidro e de um material metálico na comunicação, utilizou-se um analisador de espectro, na função power meter obtendo valores em mili Watts (mW) e decibéis em relação ao nível de referência de um 1 mW (dBm). A antena de captação do equipamento assimilava o sinal exatamente na frequência desejada de 13,5 MHz, conforme a Figura 10 da montagem em bancada. 33 Figura 9 – Arquitetura do Sistema de Bancada Figura 10 - Protótipo Físico do Sistema de Bancada 6.1 Materiais Utilizados • Analisador de Espectro - Anritsu, modelo MS2036A; • Chip RFID-RC522; • Arduíno mega; 34 7. RESULTADOS Este capítulo tem como objetivo demonstrar a caracterização dos módulos do sistema com análise estatística dos dados, apresentando resultados e gráficos que evidenciem o tratamento abordado na execução do ensaio alternativas à influência de metal, plástico e vidro na comunicação NFC. 7.1 Descrição do Projeto A fim de provar em bancada os conceitos teóricos apresentados neste trabalho de conclusão de curso, desenvolveu-se o protótipo demonstrado no próximo capítulo, cujo o principal objetivo é simular uma situação prática de utilização da NFC no cotidiano, simulando a situação de pagamento via cartão NFC em um ônibus e a partir de tal situação, mensurar as interferências presentes durante a efetivação desta comunicação. 7.2 ANÁLISE DA INTERFERÊNCIA DE MATERIAIS À COMUNICAÇÃO NFC 7.2.1 Sem Material Invasor Conforme a figura 8, a antena dipolo meia onda irradia sinal para frente e para trás, a fim de consolidar a teoria foram feitas as medidas das tabelas 1 e 2. • Sinal Frontal Tabela 2 - Medidas sem case plástica (frente) • Sinal Posterior Tabela 3 - Medidas sem case plástica (trás) 35 Acima nota-se através da detecção do analisador de espectro, a perda de atenuação na medida em que o cartão vai se distanciando do módulo NFC. É notável, que apesar de estar se tratando de uma antena dipolo, a antena para de reconhecer o sinal quando utilizamosa parte traseira do módulo, isso pode ser observado nas perdas de atenuação por distanciamento acima. 7.2.2 A influência do plástico Também realizando medidas frente e posterior no módulo, foi utilizado uma case plástica no cartão e os dados obtidos podem ser observados nas Tabelas 4 e 5. Tabela 4 - Medidas frente utilizando case plástica Tabela 5 - Medidas posterior utilizando case plástica Os valores das tabelas 4 e 5 foram obtidos utilizando os mesmos padrões de medida, com exceção do valor inicial de potência que houve variação por conta da diferença de dia e horário em que foi realizado. Nessas medidas foram usadas o case plástico envolto no cartão NFC para analisar a diferença de atenuação. É notável que o gap entre as medidas não é significante ao ponto de influenciar no sinal até a distância de 3cm, após isso o módulo encontra dificuldade em estabelecer conexão. 7.2.3 Erros de medição, relação frente x posterior e uso do plástico Por se tratar de uma antena dipolo meia onda, foram obtidos resultados medidos nas partes da frente e posterior do componente, de modo a observar a completa irradiação, nota-se também a necessidade de encapsular o chip com a capa plástica, para mantê-lo afastado do material metálico, visto que o metal funciona como um refletor, ou seja, reflete a energia para longe da tag impedindo assim a antena de 36 receber energia e estabelecer comunicação. Então, a análise estatística se deu através de cinco medidas distando de um em um centímetro até a perda do sinal, que foi observada com quatro cm nas medidas para frente (Tabela 6) e três cm para trás (Tabela 7), sem a utilização de nenhum material invasor, em seguida obteve-se a média, a atenuação dada pela Equação 4 e por fim calculou-se o erro médio através da Equação 5 onde foi relacionado o desvio padrão pela Equação 6. Com a média o obteve-se um valor em porcentagem. Equação 4 𝐴𝑡ⅇ𝑛 = 𝑃𝑖𝑛 − 𝑃0𝑢𝑡 Equação 5 𝐸𝑅𝑅𝑂 𝑀ⅇ𝑑𝑖𝑜 = ( 𝜎 𝑚ⅇ𝑑 ) ⋅ 100 Equação 6 𝜎 = √ 𝛴𝑖=1 𝑛 (𝑥𝑖 − 𝑚é𝑑)² 𝑁 Tabela 6 - Atenuação e erro médio (frente) s/ material invasor 37 Tabela 7 - Atenuação e erro médio (costas) s/ material invasor Pode-se notar que o erro médio está menor que 5%, o que é considerado normal tendo em vista que são medidas com interferência humana e outros parâmetros externos (como o clima e a posição dos componentes) que acarreta esta incerteza. Feito isto, foram medidos os valores com a influência da case plástica a modo de verificar a sua interferência, foi medida também a atenuação em dB, dados obtidos nas Tabelas 8 e 9. Tabela 8 - Atenuação e erro médio (frente) c/ case plástica Tabela 9 - Atenuação e erro médio (costas) c/ case plástica Os valores acima foram obtidos utilizando os mesmos padrões de medida, com exceção do valor inicial de potência que houve variação por conta da diferença de dia e horário em que foi realizado. Nessas medidas foi usado o case plástico envolto no cartão NFC para analisar a diferença de atenuação. É notável que o gap entre as medidas não é significante ao ponto de influenciar no sinal até a distância de 3cm, após esta distância, o módulo encontra dificuldade em estabelecer conexão. As 38 Figuras 13 e 14 demonstram a perda comparando com a presença ou não do plástico (com barra de erro padrão) tanto para frente quanto para as costas do componente. Figura 11 - Comparação atenuação com e sem plástico (frente) Figura 12 - Comparação atenuação com e sem plástico (costas) Nota-se a atenuação à medida em que o cartão vai se distanciando do módulo NFC. É notável que, apesar de estar se tratando de uma antena dipolo, a antena apresenta dificuldade de reconhecer o sinal quando utilizamos a parte traseira do módulo. Isso 39 pode ser observado nas perdas de atenuação por distanciamento acima as medidas de costas foram feitas apenas a modo de estudo. Na sequência será utilizada apenas a frente do componente, tendo em vista que as costas serão encapsuladas com uma capa plástica de 6 cm evitando o contato com o metal. Conclui-se então que utilizando a frente do chip a atenuação é praticamente imperceptível com o uso do plástico. 7.2.4 A influência do vidro Tabela 10 - Medidas posterior influência do vidro Utilizando as mesmas equações e sistema do descrito anteriormente, introduziu-se um material de vidro de 2 cm de espessura às medidas o obteve-se os valores da Tabela 5 e Figura 14. Tabela 11 - Medidas com o uso de vidro 40 Figura 13 - Atenuação com o uso de vidro Pode-se notar que a atenuação foi bem maior que a do plástico e a perda de sinal foi notada a partir dos 2 cm. 7.2.5 Influência de um objeto metálico O maior empecilho para utilização do NFC é dividir o espaço com componentes metálicos visto, que o metal funciona como um refletor, ou seja, reflete a energia para longe da tag impedindo assim a antena de receber energia e estabelecer comunicação. A permeabilidade magnética mensura o campo magnético no interior de um material - devido ao campo magnetizante pré-existente na região onde o material é colocado bem como à magnetização por esta induzida no material - em relação ao próprio campo magnetizante em questão. Ao colocar o material no local considerado, no interior deste material verifica-se a presença de um campo magnético cujo valor deve-se tanto ao campo magnetizante quanto à magnetização induzida no material em resposta a este último. Fonte:https://pt.wikipedia.org/wiki/Permeabilidade_ma gn%C3%A9tica 41 De acordo com a citação acima a permeabilidade magnética está associada ao campo magnético, como a antena do chip NFC é um indutor que gera campo, o que alimenta a TAG e possibilita a comunicação o uso de metal interfere na transmissão impedindo o funcionamento. “A permeabilidade do ferro pode ser até 2000 vezes maior que a do ar, ou seja, podem passar 2000 vezes mais linhas de indução por determinado espaço ocupado pelo metal referido do que quando esse mesmo espaço esteja ocupado apenas pelo ar” (Aprender Eletricidade, 2019). Portanto, não foram obtidos resultados. 7.2.6 Simulação de um caso prático – Estrutura utilizada no ônibus Conforme os tópicos acima e a análise da figura 4, entendemos que a estrutura de metal utilizada nos ônibus reduz o sinal a distância máxima de 3cm, dessa forma o encapsulamento plástico faz com que a base metálica onde a estrutura é fixada não interfira na comunicação do sinal. 42 8. CONCLUSÃO O presente trabalho apresentou uma detalhada análise de interferência eletromagnética de materiais como o plástico, o metal e o vidro na comunicação NFC, simulando o pagamento de passagem de ônibus via cartão, levando em conta as seguintes relações: tipo de metal, cases comumente usadas para proteção do cartão; outros tipos de polímeros; região de leitura da antena. A análise se deu de forma numérica e experimental para demonstrar qual melhor tipo de plástico a ser usado e a perda associada, bem como a interferência do metal. Com a utilização de um analisador de espectro para visualização da perda em dB como método para avaliação dos resultados obtidos. Os resultados foram de acordo com o esperado, onde a case que envolve o cartão e a capa plástica que comumente é usada na estrutura dos ônibus tal como a tela de vidro do display não interferem significativamente na comunicação NFC a modo de perda de sinal e sim apenas na redução da distância máxima de captação do sinal e que são alternativas viáveis à base de metal, que devido à sua magnetização impede a comunicação leitor/tag e deve ser evitado em um raio de 5cm da comunicação. Para todas as medidas, além de observada a atenuação foi observada a eficácia da comunicação através de um código do Arduino que mostravaa mensagem “cartão detectado” quando a comunicação era efetivada. Por fim, utilizando o sistema da Figura 10, simulando a estrutura do ponto de ônibus não foram feitas medidas, apenas a observação da comunicação através do monitor serial do software comprovando que a estrutura de 6 cm de plástico encapsulando o chip com a tela de vidro evitava a perda do sinal pela proximidade de um material metálico e que com a distância de até 2 cm a comunicação funcionava perfeitamente. 43 9. REFÊRENCIAS [1] ALVES, ABREU e SPADOTI, A. A. C., R. L. e D. H. Análise de interferência eletromagnética nos sistemas RFID em praças de pedágio. Análise numérica e experimental em carros blindados em 915MHz. In: UNIFEI. Itajubá-MG, 2016. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/306012292_Analise_do_Desempenho_de_ Etiquetas_RFID_em_carros_comuns_e_blindados_Analise_numerica_e_experiment al_em_carros_comuns_e_blindados_em_915MHz. Acesso em: novembro 2020. [2] BERNARDES, M., ANTUNES, P. e ALMEIDA, M. NFC - Near Field Communication. Trabalho da disciplina de Seminário de Sistemas e Tecnologias da Informação I. Universidade Atlântica, Portugal. Disponível em: http://ssti1- 1112.wikidot.com/nfc-near-field-communication. Acesso em: novembro 2020. [3] FERRAZ FILHO, O. L. S. Comunicação NFC (Near Field Communication) entre Dispositivos Ativos. Trabalho de Graduação em Engenharia da Computação. In: UFPE. Recife-PE, 2010. Disponível em: https://www.cin.ufpe.br/~tg/2010-2/olsff.pdf. Acesso em: novembro 2020. [4] FILHO, H. C. Sistema termelétrico com tecnologia RFID para medição de pressão. Programa de pós-graduação em engenharia elétrica e informática industrial. In: UTFPR. Curitiba-PR, 2010. Disponível em: https://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/1039/1/CT_CPGEI_M_Luis%2C%20 Hamilton%20Costa_2010.pdf. Acesso em: novembro 2020. [5] MARTINS, R. M. IFSC - ANT – Antenas e Propagação Disponível em: https://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/images/d/d4/5_1IFSC_Engenharia_ANT_2016_1.pdf. Acesso em: maio 2019. [6] SILVA, O. L. A tecnologia NFC e os novos modelos de negócio móvel. Relatório de Dissertação para Mestrado Integrado em Engenharia Informática e Computação. Porto, Portugal. 2009. Disponível em: https://silo.tips/download/a-tecnologia-nfc-e- os-novos-modelos-de-negocio-movel. Acesso em: novembro 2019. 44 [7] SOUSA, M. F. RFID e suas aplicações – um estudo de caso com prateleiras inteligentes. Programa de pós-graduação em engenharia de teleinformática. In:UFC. Fortaleza-CE, 2010. Disponível em: https://www.livrosgratis.com.br/ler-livro-online- 141275/rfid-e-suas-aplicacoes---um-estudo-de-caso-com-prateleiras-inteligentes. Acesso em: novembro 2020. [8] EVANS, D. The Internet of Things: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything. Disponível em: https://www.cisco.com/c/dam/en_us/about/ac79/docs/innov/IoT_IBSG_0411FINAL.p df. Acesso em: novembro, 2020. [9] Sikora-Fernandez,D. THE CONCEPT OF SMART CITY IN THE THEORY AND PRACTICE OF URBAN DEVELOPMENT MANAGEMENT. 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APÊNDICE A – Código do Arduino /* PINOUT: RC522 MODULE Uno/Nano MEGA SDA D10 D9 SCK D13 D52 MOSI D11 D51 MISO D12 D50 IRQ N/A N/A GND GND GND RST D9 D8 3.3V 3.3V 3.3V * * Include the standard Arduino SPI library */ #include /* Include the RFID library */ #include /* Define the DIO used for the SDA (SS) and RST (reset) pins. */ #define SDA_DIO 9 #define RESET_DIO 8 int productname[5]={228,18,37,75,24}; int product[5]={100,120,230,125,70}; int token[5]={0,0,0,0,0}; int Total; /* Create an instance of the RFID library */ RFID RC522(SDA_DIO, RESET_DIO); void setup() { Serial.begin(9600); /* Enable the SPI interface */ SPI.begin(); /* Initialise the RFID reader */ RC522.init(); } void loop() { /* Temporary loop counter */ byte i=0; byte j=0; byte k=0; int ID; /* Has a card been detected? */ if (RC522.isCard()) { 46 /* If so then get its serial number */ RC522.readCardSerial(); Serial.print(RC522.serNum[i],DEC); //Serial.println("Card detected:"); /* Output the serial number to the UART */ ID=RC522.serNum[0]; //Serial.print(ID); Serial.println(" "); for(i=0;i<5;i++) { if(productname[i]==ID) { Serial.println("Total Purchase"); if(token[i]==0) { Total=Total+product[i]; token[i]=1; } else { Total=Total-product[i]; token[i]=0; } Serial.println(Total); break; } else if(i==5) { Serial.println("Access Denied"); break; } } Serial.println(); Serial.println(); } delay(1000); } Fonte: https://www.instructables.com/id/Interfacing-RFID-RC522-With-Arduino- MEGA-a-Simple-/
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