Claire Swedberg
Os pesquisadores desenvolveram um sistema que permite a interrogação de tags no estilo de identificação por radiofrequência (RFID) sem a necessidade de bateria, usando os rádios sem fio existentes nos telefones celulares em vez de um leitor RFID dedicado. O CI (circuito integrado), desenvolvido por uma equipe da University of California, San Diego (UCSD), utiliza três protocolos de comunicação: Bluetooth Low Energy (BLE), Wi-Fi e celular LTE. O chip é energizado pela transmissão LTE de um telefone, recebe um sinal de interrogação Bluetooth e responde via Wi-Fi. O dispositivo tem um alcance de 1 metro (3,3 pés), mas os pesquisadores esperam criar iterações futuras estendendo esse alcance.
O projeto começou com o objetivo de permitir comunicações de baixíssimo consumo de energia para sistemas emergentes, como dispositivos de Internet das Coisas (IoT) e vestíveis, de acordo com Patrick Mercier, professor associado da UC San Diego e codiretor do Center for Wearable Sensors e Jacobs School of Engineering. Mercier juntou-se a Dinesh Bharadia, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da universidade, diretor do Wireless Communications Sensing and Networking Group, e um dos autores seniores de um artigo resultante.
A dupla concentrou seus esforços na comunicação retroespalhada, o mesmo método usado pelos sistemas UHF ou HF RFID passivos para empregar energia de um interrogador para retroespalhar uma resposta. O objetivo da equipe era criar um sistema que não exigisse um leitor RFID dedicado, mas que pudesse aproveitar as tecnologias existentes incorporadas aos smartphones que as pessoas carregam onde quer que vão. “A ideia aqui”, diz Mercier, “é que queríamos alavancar padrões de commodities como Wi-Fi e Bluetooth, porque todos já os têm em seus telefones e em suas casas”.
Os sistemas sem fio existentes, explica Mercier, exigem investimentos em dispositivos adicionais. “Se você deseja implantar um sistema com um rádio de baixa potência, precisa comprar todo esse hardware extra.” Ele, Bharadia e sua equipe criaram o que chamaram de chip de retroespalhamento LTE-Harvesting BLE-to-Wi-Fi para interrogação tipo RFID de dispositivo único.
Quando as tags recebem sinais LTE de um telefone próximo, elas coletam sinais LTE e armazenam essa energia em um capacitor de armazenamento de energia. Isso, por sua vez, ativa um receptor de ativação Wi-Fi que detecta sinais Bluetooth. O chip pode transformar esse pacote BLE em um pacote Wi-Fi 802.11b por meio de um modulador de backscatter I/Q totalmente reflexivo. (“I/Q” refere-se a fase [I] e quadratura [Q], descrevendo a relação de ondas senoidais moduladas em amplitude com portadoras moduladas em amplitude e fase.) Esses sinais Wi-Fi modulados, transportando um identificador exclusivo para esse chip, são enviados para um telefone ou outro dispositivo de interrogação.
Como resultado, explicam os pesquisadores, o sistema permite a comunicação Wi-Fi com uma potência mil vezes menor do que os transmissores Wi-Fi convencionais exigiriam e, portanto, não precisa de fonte de energia adicional para transmissão. O uso de BLE e Wi-Fi é necessário para permitir o envio e recebimento simultâneo de sinais. Os telefones precisariam de dois módulos Wi-Fi ou Bluetooth para interrogar e receber sinais. Assim, a solução criada recebe um sinal de Bluetooth no IC e o reembala como um sinal de Wi-Fi, para que possa ser recebido de volta pelo rádio Wi-Fi do telefone.
A equipe optou por alimentar o dispositivo com sinais LTE em vez de Bluetooth. “Escolhemos a banda LTE de frequência mais baixa, 700 MHz”, explica Mercier, “[porque] tem melhores características de perda no espaço livre e os amplificadores de potência para LTE transmitem maior potência do que o Bluetooth”. Embora seja fisicamente possível energizar o chip com o sinal Bluetooth, ele acrescenta: “O LTE oferece um alcance ligeiramente maior”. O sistema usa recursos do tipo RFID, exigindo aproximadamente o mesmo tipo de níveis de energia que uma etiqueta RFID e aproximadamente o mesmo custo. A diferença, diz ele, é que não há necessidade de leitor de RFID.
A equipe da UCSD vê a tecnologia como uma alternativa à identificação por radiofrequência para aplicações nas quais os leitores de RFID não seriam nem realistas nem acessíveis. Por exemplo, supermercados automatizados ou não tripulados podem permitir que os usuários capturem o número de identificação de cada produto que colocam em sua cesta, usando seu próprio smartphone ou um telefone ou tablet disponível no local, para permitir o pagamento automático desses produtos.
Outra aplicação pode envolver o monitoramento de mercadorias em uma geladeira, aplicando uma etiqueta a cada item dentro da unidade e, em seguida, interrogando essas etiquetas por meio de um smartphone e aplicativo para determinar o que está presente e quais itens podem estar próximos de suas datas de vencimento. Embora o sistema inicial simplesmente rastreie as identidades dos itens, existe a capacidade de enviar mais dados, diz Bharadia, que podem incluir informações do sensor ou vídeo, desde que a transmissão de energia permaneça contínua.
Imagine uma câmera doméstica inteligente, por exemplo, diz Bharadia, que poderia potencialmente transmitir conteúdo de vídeo diretamente para o telefone de um usuário sem a necessidade de um servidor. Se o telefone estivesse dentro do alcance, o chip poderia transmitir dados a uma taxa de 500 kilobits por segundo. “Se você tiver energia quiescente suficiente”, acrescenta ele, “[o chip] continua colhendo” e simplesmente esgotando a mesma quantidade de energia que transmite. Bharadia diz que a maior capacidade de dados pode sustentar muito mais aplicativos.
Adicionar uma bateria ou outra fonte de energia pode estender o alcance da etiqueta, observa Bharadia, além de permitir que ela armazene dados. Por exemplo, um painel solar ou outra fonte de energia pode permitir que uma tag em um espaço externo colete e armazene dados ou transmita vídeo ou outro conteúdo. O alcance seria aumentado com uma fonte de bateria, por um fator de dezenas de metros na distância de transmissão. “Então, de repente, isso abre outro tipo de espaço de aplicação”, afirma.
No entanto, o objetivo inicial da tecnologia é para aplicações sem bateria, de baixo custo e baixo impacto ambiental. Bharadia diz que a crescente prevalência de baterias está levando a um aumento no lixo eletrônico. Ele cita os veículos elétricos como um exemplo. “Então, agora”, diz ele, “realmente a questão é: ‘Podemos ficar sem bateria para economizar lixo eletrônico e avançar para um futuro mais sustentável?'”
A etiqueta projetada pela UCSD atinge um alcance de leitura menor do que o UHF RFID, relatam os pesquisadores, que pode atingir uma média de 15 metros (49 pés), em parte devido aos requisitos da FCC em relação às transmissões LTE. Embora o RFID transmita um único tom de RF de alta potência, diz Mercier, a potência máxima permitida pelas regras da FCC é menor para sinais LTE – e é modulada, portanto, possui uma relação de potência de pico para média projetada para não exceder os regulamentos da FCC. “Isso coloca uma desvantagem de 7 dB [decibéis], logo de cara”, afirma Mercier. A equipe planeja continuar modificando seu retificador para processar mais energia.
Assim como o RFID, o sistema pode ler um grande número de tags por meio de uma única interrogação e pode ser configurado para interrogar apenas tags específicas identificadas por um determinado usuário. Assim, a tecnologia poderia rastrear mercadorias etiquetadas em um depósito ou ambiente de logística, onde os usuários não possuem leitores de RFID, mas possuem telefones celulares ou tablets. Bharadia prevê aplicativos do tipo metaverso pelos quais produtos ou itens marcados em torno de um smartphone podem ser identificados e rastreados por indivíduos usando fones de ouvido de realidade virtual ou artificial para obter contexto sobre esses itens, sem vê-los fisicamente.
Os dados da etiqueta coletados podem ser lidos por relógios inteligentes ou outros dispositivos vestíveis via Wi-Fi, LTE ou 5G integrado e funcionalidade Bluetooth. “Não é um substituto para o RFID”, diz Mercier, “mas pode ser equivalente”. Os pesquisadores imaginam um potencial para etiquetas RFID híbridas que podem vir com recursos de Bluetooth e Wi-Fi, bem como uma etiqueta UHF integrada para aplicações de longo alcance de leitura. Por exemplo, os produtos podem ser lidos à medida que passam por portais de leitores de RFID em um alcance de leitura relativamente maior e, em seguida, interrogados usando o smartphone do consumidor.
“Dessa forma”, diz Bharadia, “você cria uma espécie de sistema de coexistência coeso, com combinação de RFID e Wi-Fi/Bluetooth.” Embora o Near Field Communication (NFC) possa permitir que um smartphone interrogue tags usando transmissões de RF de 13,56 MHz compatíveis com ISO 14443, o caso de uso é diferente, observa ele. NFC é normalmente implantado para transmissão segura de curto alcance, como para aplicativos como pagamentos inteligentes, somente quando um telefone está a poucos centímetros de um leitor de ponto de venda. “O mecanismo do NFC é, por design, feito para funcionar apenas em alguns centímetros, porque eles querem fornecer segurança a você.”
A equipe da universidade pretende projetar um receptor de energia melhor, bem como aumentar a potência de saída de um telefone para aumentar o alcance de leitura. “Não estamos transmitindo uma tonelada de potência de saída do telefone”, diz Mercier. “Se realmente explodirmos isso, talvez possamos fazer ainda melhor.” O próximo passo, acrescenta, é encontrar suporte e aplicativos de desenvolvimento comercial. “Estamos pensando em pegar os vários sistemas que temos agora e passar do laboratório acadêmico para o setor comercial.” Para isso, sua equipe está atualmente buscando parcerias com empresas de tecnologia e avaliando suas opções.