Sistema de automatização do processo de compra de uma adega utilizando tecnologia RFID

 Resumo 

O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema de automação para uma adega que identifique os produtos por meio de leitores RFID e o microcontrolador ESP32 instalados nas cestas ou carrinhos que farão as leituras da tag de início, a dos produtos e de finalização do pedido. Fazendo com que o cliente chegue ao caixa com os produtos já processados na sua lista de pedidos. Assim evitando que o consumidor final perca tempo com filas em estabelecimento lotado.

 1. Introdução 

Atualmente o que desperta o desejo de desistência de uma compra para um cliente, é a incerteza de quanto tempo ele demorará para fazê-la, ou seja, quanto tempo será necessário do seu dia para adquirir o item desejado sem precisar passar por grandes filas no caixa.

“A gestão de filas representa um desafio para as organizações, de maneira que, determinar os gargalos de uma produção ou de um atendimento, passou a significar um dos fatores de vantagem competitiva para as empresas”, segundo MORAES e SILVA (2021).

Observando o mercado de trabalho atual vemos que os postos de trabalho estão cada vez mais sendo substituídos por sistemas automatizados, isso, entretanto não está correlacionado com o desemprego, pois também vemos uma adequação no sistema de profissões, ou seja, os trabalhadores que se adequarem com as novas automações terão seus cargos realocados para trabalhos menos repetitivos.

Segundo (ANTONIO et al., 2018) será preciso evoluir profissionalmente conforma a implantação de novas tecnologias. A mão de obra braçal irá ser substituída por engenheiros e programadores.

Este projeto foi desenvolvido inicialmente para automatizar o sistema de compras em uma adega, futuramente podendo ser aplicado em outras áreas do varejo, de tal forma, que por leitores RFID e um microcontrolador ESP32, colocados na cesta de compras, o cliente possa ir passando os itens que deseja enquanto faz a compra, e indo para o caixa apenas realizar o pagamento. Esse modelo é conhecido como self-checkout.

O self-checkout consiste em um estabelecimento onde o próprio consumidor processa suas compras sem o auxílio de um operador de caixa. Esse modelo foi implementado pela primeira vez em 1992 pela rede de supermercados americana Piggly Wiggly.

Segundo (POLACCO; BACKES, 2018), um estudo realizado na globalmente aponta que quem usa o self-checkout que aprecia a conveniência e facilidade de uso que ele oferece.

 2. Motivação 

Uma grande motivação deste projeto é trazer uma parte da tecnologia que já está sendo desenvolvida em outros países, demonstrando que a automatização não significa a não necessidade de seres humanos para realização de trabalhos, e sim deixar que os trabalhos mais repetitivos e desgastante sejam feitos por máquina, enquanto para os humanos os trabalhos com maior grau de importância e necessário nível logico de raciocínio seja desenvolvido, não apenas por estes postos serem mais bem remunerados, mas também pela qualidade de vida que eles trazem.

Para a frente de caixa, que é o foco de automatização do projeto, de uma adega podemos considerar que os funcionários desse setor têm uma jornada de trabalho no sistema 12/36, totalizando 43h semanais. É preciso dois grupos de funcionários, que se alternem entre os dias da semana.

A faixa salarial do Operador de Caixa fica entre R$ 1.365,00 salário mediana da pesquisa e o teto salarial de R$ 2.206,86, sendo que R$ 1.382,80 é a média do piso salarial 2022 de acordos coletivos levando em conta profissionais em regime CLT de todo o Brasil. (REDAÇÃO, 2022)

A faixa salarial do Operador de Caixa fica entre R$ 1.365,00 salário mediana da pesquisa e o teto salarial de R$ 2.206,86, sendo que R$ 1.382,80 é a média do piso salarial 2022 de acordos coletivos levando em conta profissionais em regime CLT de todo o Brasil. (REDAÇÃO, 2022).

Se considerarmos que uma adega de pequeno porte tenha 4 caixas, serão 2 grupos de operadores com 4 funcionários cada. Dessa forma a empresa tem um gasto mensal de aproximadamente 12 mil reais com os salários mais os custos trabalhistas.

O custo para implementação desse sistema é de aproximadamente R$150,00 pelo hardware, R$5.000,00 pela programação, considerando 400 horas de trabalho sendo R$12,90 a hora, R$60,00 pela licença do Power Bi e R$ 1.200,00 pela hospedagem da API na plataforma Heroku, totalizando R$6.500,00. Mais um custo aproximadamente R$3.000,00 por mês de manutenção da programação.

É uma economia muito vantajosa, considerando que o gasto mensal diminui de R$12.000,00 para R$3.000,00

  3. Materiais e métodos  

Foi escolhido o método de Identificação por Radio Frequência (RFID) por ser um sistema amplo, que pode ser aplicado de diversas maneiras de acordo com a frequência que melhor se aplica.

A tecnologia RFID (Identificação por Radiofrequência), que é um sistema de TI aprimorado para identificação, rastreabilidade e controle.

A tecnologia garante confiabilidade das informações, tem auxiliado as organizações no alcance da excelência de seus processos, aperfeiçoando o gerenciamento da gestão de materiais, aumentando a velocidade do fluxo e exatidão das informações, segundo AZEVEDO JUNIOR (2022).

Complementando o estudo acima PRAZERES (2015) apresenta, sendo uma tecnologia que utiliza a comunicação por radiofrequência, sem a necessidade de fios, para transmitir dados de dispositivos móveis, basicamente utilizando o princípio do rádio, sendo fundamentada pela teoria das ondas eletromagnéticas.

 3.1 Componentes 

 3.1.1 TAG 

A transponder é popularmente conhecida como tag, identificador ou etiqueta RFID, é formada basicamente por um microchip de silício e uma antena. Sua função principal é armazenar as informações do produto em que está acoplada.

Elas podem ser classificadas como ativas, passivas e semi-passivas:

As tags ativas possuem uma bateria interna para energização e permitem o processo tanto de leitura como de escrita. A bateria alimenta o circuito integrado, e ao mesmo tempo fornece energia para o envio de sinais para a antena transmissora. Outro ponto importante é que esse tipo de tag tem a capacidade de começarem a comunicar com o leitor da base sem ter que aguardar o envio do sinal dela para transmitirem as informações que estão na etiqueta.

Já as tag passivas somente responder ao sinal enviado pelo leitor através de ondas eletromagnéticas, pois não tem bateria integrada. Sendo Fahl (2005) esse tipo de tag possui alcance médio e menor e durabilidade teoricamente infinita, uma vez que sua vida útil só tem como fator limitante o seu bom uso.

Por trabalhar numa frequência mais baixa, essas tags são mais suscetíveis a ruídos e a perdas de sinal em relação a fatores climáticos, barreiras e outras imposições. Contudo, o custo dos modelos passivos e bem inferior, e tem uma vida útil bem mais elevada, se comparado aos modelos ativos. (TEIXEIRA, 2011).

Dentro do projeto desenvolvido serão utilizadas tags passivas Rfid Em4100 125khz (Figura 1), para identificação dos produtos.

 3.1.1.2 Tags eco-friendly 

Quando se fala sobre tags RFID a questão ambiental sempre é discutida, já que há mais um plástico, mais um item eletrônico a ser descartado. Porém já existem tags feitas apenas de papel, o que a tornam 100% recicláveis, substituindo o uso de substratos a base de PET e produtos químicos agressivos ao meio ambiente.

A figura 2 que apresenta de forma clara a diferença das tags comuns e as de papel, chamada de Tags eco-friendly.

A eco-friendly não perde em performance, tem a mesma capacidade que a comum, e um custo menor por possuir apenas 3 camadas de material, além de ser mais leve diminuindo o valor do frete.

Apesar de serem mais baratas, só são fabricadas com uma ultra frequência, não se adequando ao projeto, por este motivo serão usadas tags comuns no protótipo. 

 3.1.2 Frequência 

Número de ciclos repetidos em um intervalo de tempo da onda, onde é medido em hertz (Hz). Determinam com qual rapidez será feita transferência entre o leitor e a etiqueta. Logo quanto maior a frequência, mas rápida é a transmissão de informações e vice-versa. Também define a aplicação da etiqueta. Por exemplo: etiqueta de baixa frequência, são melhores para ultrapassar a água, enquanto as de alta frequência, tem maior facilidade em serem lidas em longas distancias.

Como já descrito anteriormente foi utilizado uma frequência de 125khz, com baixo alcance que pode chegar até 15cm entre a tag e a antena.

Sendo que normalmente os sistemas RFID trabalham nas frequências descritas na tabela 1:

 3.1.3 Antena 

Também conhecida como bobinas, tem a função realizar a comunicação do sistema RFID. Ela irá definir como o campo eletromagnético vai ser gerado, e realiza de forma segura a troca de informação entre o leitor e a tag. A antena emite um sinal de rádio o que faz a ativação da tag, ocorrendo assim a leituras dos dados que será enviado para o middleware do sistema. A emissão dessa onda é realizada em décimos de segundos dependendo da frequência utilizada no sistema o que garante que o tempo da exposição da tag seja muito pequeno.

 3.1.4 Leitor 

O transceiver ou investigador amplifica sinais de radiofrequência e os envia através de uma antena para um controlador que gerencia os protocolos de transmissão da tag, analisa e envia a mensagem para a interface de rede que por sua vez recebe a mensagem e é enviada para o Middleware para que o usuário possa ler os dados como representado na figura 3.

A figura 4 ilustra o leitor Rfid 125khz Leitor Rdm6300 Serial Ttl, que já vem com uma antena própria recomendada para o uso junto com microcontroladores. E é o leitor utilizado no desenvolvimento do protótipo

 3.1.5 ESP 32 

O microcontrolador ESP 32, foi lançado no mercado no ano de 2016, pela empresa desenvolvedora de tecnologia Espressif Systems em Xangai, com a promessa de ser um dos controladores mais robustos disponíveis até hoje, tendo com seus diferenciais a integração de Wi-Fi, Bluetooth e Bluetooth LE garantindo que uma gama de aplicativos possa ser direcionada e que os módulos sejam verdadeiramente versáteis. (ESPRESSIF SYSTEMS, 2022).

Segundo a Espressif Systems (2022), o uso de Wi-Fi assegura conectividade em uma distância maior, quanto que o uso de Bluetooth permite ao usuário detectar facilmente um módulo e conectá-lo a um dispositivo.

Ele aloca sensores nos pinos, e os dados são enviados por intermédio de um servidor (nuvem), onde a saída pode ser monitorada por meio de aplicativo.

É possível identificar na figura 5 o chip ESP32 com antena embutida, uma interface usb-serial e regulador de tensão 3.3V, memória flash de 4 MB, o que permite criar aplicações para projetos com acesso remoto por exemplo.

 3.1.6 Ambiente de desenvolvimento integrado 

Do inglês, IDE significa Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado onde é escrito o código através de textos. No IDE encontramos uma área de mensagens, um console de texto, uma barra de ferramentas com botões para funções comuns e uma série de menus. Ele é conectado ao microcontrolador para fazer upload de programas e se comunicar com eles. (ARDUINO, 2022).

 3.1.7 Bibliotecas 

As bibliotecas fornecem funcionalidade extra para uso em esboços (por exemplo), trabalhar com hardware ou manipular dados. (ARDUINO, 2022).

Na tabela 2 estão representadas as explicações das bibliotecas usadas nos desenvolvimentos do código do protótipo e quais suas funcionalidades:

 3.1.8 API REST 

REST (Representational State Transfer), que em português quer dizer Transferência Representacional de Estado é um modelo de arquitetura que provem diretrizes para que os sistemas distribuídos comuniquem entre si utilizando os princípios e protocolos existentes da Web sem a necessidade de SOAP ou qualquer outro protocolo.

O princípio fundamental da REST é usar o protocolo HTTP para comunicação de dados. Esta arquitetura utiliza representações de recursos para mostrar seu tipo, como XML, JSON, Texto, Imagens e assim por diante. (LIMA, 2020).

A REST não é só solicitações e respostas de registros também possível adicionar novos registros ou excluir os que já existem dentro dela.

 3.1.9 Heroku 

Segundo o próprio site Heroku (2022) “É uma plataforma de nuvem como serviço (PaaS) baseada em contêiner”. Onde desenvolvedores fazem implantação gerenciamento e dimensionamento de aplicativos, sendo uma maneira mais fácil de lançar o produto no mercado.

 3.1.10 Banco de dados PostgreSQL 

Derivado do pacote POSTGRES criado na Universidade da Califórnia em Berkeley. Hoje é o banco de dados mais avançado do mercado. O sistema gerenciador de banco de dados conhecido por PostgreSQL é código fonte aberto deste código original de Berkeley. É suportada grande parte do padrão SQL: 2003, e ainda oferece diversas funcionalidades modernas, como comandos complexos, chaves estrangeiras, controle de simultaneidade, entre outros.

O PostgreSQL também pode ser estendido pelo usuário de outras maneiras como, por exemplo, adicionando novos tipos de dados, funções de agregação, operadores, métodos de índice. (OLIVEIRA, 2007).

Devido à sua licença liberal, o PostgreSQL pode ser utilizado, modificado e distribuído por qualquer pessoa para qualquer finalidade, seja privada, comercial ou acadêmica, livre de encargos. (OLIVEIRA, 2007).

 3.1.11 Power BI 

    Segundo a Microsoft (2022) o Power BI é uma plataforma unificada e escalonável para BI (business intelligence) onde é possível conectar e visualizar os dados corporativo e por self-service. Com ele é possível a conexão com dados como planilhas do Excel, fontes de dados locais, big data, fluxo de dados e serviços de nuvem, banco de dados SQL, Google analytics, Oracle, redes sociais, entre outras variadas fontes (MICROSOFT, 2022).

 4. Resultados e discussões 

Iniciamos criando um rascunho de como seria o hardware do sistema, que ficará instalado nas cestas de supermercado como mostra a figura 6.

Conectamos o ESP 32 com o leitor RFID RDM6300 adicionamos também um resistor e LED para quando a tag entrar em contato com o leitor ele acenda e o consumidor consiga identificar que a leitura do produto foi realizada. Assim ao passar a tag cadastrada na frente da o leitor realiza a interpretação de códigos inserido na tag. O módulo RDM6300 decodificará os dados e enviará para o ESP32 via interface serial TTL RS232 que por sua vez irá guardar a informação da compra do produto escolhido pelo cliente.

Depois que as informações são guardadas pelo ESP32,ele  envia os dados coletados para uma API REST hospedada na plataforma Heroku, que no momento que receber a solicitação do microcontrolador para o servidor enviará uma representação dos estados que foram requeridos para o Banco de dados como mostra a figura 7.

A API tem como função principal trocar dados entre sistemas diferentes e no projeto desenvolvido ela é responsável por fazer essa troca entre o microcontrolador e o banco de dados, ela foi escrita em na linguagem Python e agrupa informações como os produtos como visto na figura 8, mas também é possível ver lista de clientes, data, hora e status do pedido.

Depois que as informações da compra chegarem ao banco de dados, esses dados serão gerenciados, agrupados e armazenados.

E por fim o cliente verá sua comprar através de um dashboard desenvolvido no Power BI representado na figura 9, onde aparecerá todos os dados que foram coletados e o total que deverá ser pago.

Em resumo irá funcionar da seguinte maneira:

Primeiro Obrigatoriamente deve ser feito o cadastro da Tag na plataforma Heroku, inserindo o nome do produto, o preço e o número da Tag EM4100 como apresentado na figura 10.

• Quando o cliente chega à loja e pagar a cestinha/carrinho e a posiciona em frente a tag, que dentro do esp32 estará declarada como “início”, que dará início ao processo de compra;
• Logo após o usuário pode dar sequência a suas comprar tendo em mente que todas as vezes que pegar um produto e colocar dentro do carrinho, ele será acrescentado na lista de suas comprar e o valor somado ao total;
• Ao final ele posicionar a cestinha em frente a tag de finalização do pedido;
• Pensando que a pessoa pode querer desistir do produto que já foi adicionado ao carrinho, foi implementado uma tag de cancelamento que a qualquer momento o pode ser posicionada na frente do leitor que o pedido inteiro será cancelado.

Dentro do sistema o processo de compra pode estar em três status: “Comprando”;” “Cancelado” e “Finalizado, conforme figura 11.

 5. Considerações finais 

O protótipo teve seu funcionamento como o esperado, ao iniciarmos conseguimos realizar a leitura das tags cadastradas, e é possível visualizar os dados coletados da compra, do usuário e os status em que o pedido se encontra tanto dentro da API, quanto no Power BI.

Foi possível também analisar a diminuição de gastos quando feita a comparação com o custo da solução apresentada e dos gastos mensais com funcionários da frente de caixa.

Podemos concluir que o sistema desenvolvido poderá de fato diminuir as filas no caixa, pois como todos os itens já foram processados e incluídos no pedido o cliente irá se direcionar até o caixa apenas para finalizar o pedido.

Como projetos futuros temos a pretensão de alterar o modelo da tag dos produtos para a de adesivo, que será colada nas embalagens. Outro melhoramento é a inclusão de um software onde o cliente possa realizar o pagamento através de uma conta cadastrada nesse software, sem haver a necessidade do uso físico do cartão. E por último realizar um estudo para a implementação do projeto em outros setores varejistas.

 Referências 

ANTONIO, Daniel Soares et al. A INDÚSTRIA 4.0 E SEUS IMPACTOS NA SOCIEDADE. [S. L.]: Revista Brazcubas, 2018. 13 p. Disponível em: https://revistas.brazcubas.br/index.php/pesquisa/article/view/498/606. Acesso em: 12 nov. 2022

AZEVEDO JUNIOR, Railson Nogueira de. RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION COMO SOLUÇÃO PARA A GESTÃO DOS ESTOQUES E LOGÍSTICA. 2022. 24 f. Monografia (Especialização) - Curso de Administração, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Mg, 2022. Disponível em: https://monografias.ufop.br/MONOGRAFIA_RadioFrequencyIdentification.pdf. Acesso em: 13 maio 2022

DESCONHECIDO (comp.). Identificação Rádio Frequência. Disponível em: https://www.gta.ufrj.br/grad/12_1/rfid/links/introducao.html. Acesso em: 13 maio 2022

HEROKU. O que é Heroku? 2022. Disponível em: https://www.heroku.com/about. Acesso em: 14 nov. 2022.

MONTEIRO, F. V.; PACHECO, G. F. D. C.; LIMA, L. C. D. RFID. Orientador: Prof.: Otto Carlos M. B. Duarte. 2010. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia de Controle e Automação, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2010. Disponível em: https://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/rfid/index.html. Acesso em: 14 mai. 2022.

MORAES1, Diego Galileu de; SILVA2, Adriano Maniçoba da. IMULAÇÃO DISCRETA APLICADA À GESTÃO DE FILAS NO VAREJO. 2020. 20 f. TCC (Graduação) - Curso de Administração, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo – Ifsp., São Paulo, 2020. Disponível em: https://periodicos.uninove.br/exacta/article/view/14842/8919. Acesso em: 03 jun. 2022.

POLACCO, Alex; BACKES, Kayla. Journal of Business and Management:: the amazon go concept: implications, applications, and sustainability. Taiwan: Department Of Management Information Systems & Roohjhr, 2018. 103 p. Tradução propria. Disponível em: http://jbm.johogo.com/pdf/volume/2401/JBM-2401-04-full.pdf Acesso em: 25 out. 2022.

PRAZERES, Ricardo Salazar dos. RFID (Radio Frequency Identification – Identificação por Rádio Freqüência) – UM ESTUDO SOBRE A VIABILIDADE EM AMBIENTE SUPERMERCADISTA. 2015. 63 f. Monografia (Especialização) - Curso de Curso Superior de Tecnologia em Segurança da Informação, Faculdade de Tecnologia de Americana, Americana, Sp, 2015. Disponível em: http://ric.cps.sp.gov.br/handle/123456789/884?locale=pt_BR Acesso em: 13 maio 2022.

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TEIXEIRA, Tiago. Controle de Fluxo de Pessoas Usando RFId. 2011. 73 f. Monografia (Especialização) - Curso de Tecnologia em Sistemas de Telecomunicações, Instituto Federal de Santa Catarina, São José, 2011. Disponível em: https://wiki.sj.ifsc.edu.br/images/f/fa/TCC_TiagoTeixeira.pdf. Acesso em: 13 maio 2022.