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INTERNET DAS COISAS NA
MANUFATURA AVANÇADA: CASO DA
PRODUÇÃO DE MUDAS DE CANA DE
AÇUCAR
Fredy Joao Valente (UFSCar )
Alfredo Colenci Neto (FATEC )
A Internet das Coisas (IoT) tem atraído cada vez mais atenção das
organizações por permitir que objetos se conectem entre si sem a
necessidade de interferência humana, permitindo a coleta de dados dos
dispositivos e das suas condições operaacionais em tempo real. As
aplicações relacionadas a IoT são inúmeras, podendo ser utilizadas em
diferentes segmentos de mercado, como por exemplo na manufatura de
produtos. O presente artigo tem como propósito apresentar um
referencial teórico sobre o tema internet das coisas, as tecnologias
habilitadoras e sua arquitetura, faz-se também um estudo de caso de
uma aplicação real em uma usina de cana de açúcar voltado para o
controle da produção de mudas de cana em uma recém inaugurada bio
fabrica. O projeto consistiu na implantação de uma plataforma de Iot
que possibilitou o uso de um sistema de identificação por rádio
frequência (RFID) no controle da movimentação de mudas de cana
durante os estágio produtivos e no monitoramento através de sensores
de temperatura, umidade, radiação e luminosidade.
Palavras-chave: Internet das Coisas, industria 4.0, identificação por
rádio frequência, sensores digitais, automação da produção, .
XXXVII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO “A Engenharia de Produção e as novas tecnologias produtivas: indústria 4.0, manufatura aditiva e outras abordagens
avançadas de produção” Joinville, SC, Brasil, 10 a 13 de outubro de 2017.
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avançadas de produção” Joinville, SC, Brasil, 10 a 13 de outubro de 2017.
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1. Introdução
A Internet das Coisas, do inglês Internet of Things (IoT) é a extensão da internet ao
mundo físico à nossa volta, que torna possível a interação e comunicação entre objetos do
cotidiano de modo que cooperem entre si. Sendo então composta por inúmeros equipamentos
sensores e atuadores que monitoram e interagem com o ambiente.
A proposta da IoT viabiliza soluções em diferentes cenários como aplicações na área
de saúde, transporte, monitoramento de trafego, agronegócios, automação residencial, predial,
industrial, entre outras. (ASHTON, 2013).
Diante deste contexto pode-se destacar, entre outros benefícios, a coleta de dados dos
dispositivos e das suas condicões operacionais em tempo real. Com esses dados, é possível
automatizar tarefas e a melhorar a tomada de decisão nas empresas a partir de uma melhor
visão dos processos que ocorrem no ambiente onde IoT está inserido no ambiente.
É nesta conjuntura que se desenha a idéia da Internet das Coisas, esse conceito
cunhado em 1999 pelo pesquisador Kevin Ashton do Instituto de Tecnologia de
Massachusetts - MIT, que se baseia na idéia de que vive-se o momento em que duas redes
distintas, a rede de comunicações humana (exemplificada na internet) e o mundo real das
coisas se encontram.
Para aplicações de IoT voltado a manufatura, referenciado como IIoT (IoT Industrial)
ou ainda Indústria 4.0, tem-se um cenário bastante promissor. Segundo Mckinsey (2016), o
valor de investimentos para a Indústria 4.0 poderá ser potencializado devido às diversas
oportunidades de aplicação na otimização de operações, manutenção preventiva e otimização
de estoques. Este panorama pode alcançar um valor mundial de US$ 1,2 trilhões a US$ 3,7
trilhões por ano em 2025.
Ainda segundo Mckinsey (2016), o tema manufatura avançada (ou Indústria 4.0) refere-se
à 4ª revolução industrial, caracterizada pela integração e o controle remotos da produção, a
partir de sensores e equipamentos conectados em rede (sistemas de automação associados a
sistemas ciberfísicos. Nessas indústrias inteligentes, linhas de montagem e produtos
“conversam” ao longo do processo de fabricação e de produção, sendo que as soluções
baseadas em IoT são fundamentais para a implementação da manufatura avançada.
Uma rede de IoT é designada em um modelo de referência por camadas bem definidas,
onde os dispositivos como tags RFID, sensores, Beacons, interagem através da camada de
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comunicação utilizando-se de redes como ZigBee, LoRa, BlueTooth enviam dados para uma
plataforma IoT referenciada como middleware-IoT que irá distribuir esses dados para as
aplicações específicas em uma camada superior.
Diante deste universo onde se encontra atualmente uma heterogeneidade de
dispositivos, tecnologias diversas de comunicação e centenas de plataformas já desenvolvidas,
se faz necessário um entendimento de forma ampla no sentido de se compreender as reais
potencialidades da Internet das Coisas. Sendo assim, apresenta-se uma contextualização sobre
internet das coisas, sua importância e aplicação em processos produtivos detalhando o estudo
de caso de um projeto real em uma usina de cana de açucar voltado para o controle da
produção de mudas de cana em uma recém inaugurada biofábrica. O projeto consistiu na
implantação de uma plataforma de IoT que possibilitou o uso de um sistema de identificação
por etiquetas RFID no controle da movimentação de mudas de cana durante todos os estágio
produtivos e no monitoramento através de sensores de temperatura, umidade, radiação e
luminosidade, apresentando assim os benefícios gerados por esse sistema.
2. Materiais e Métodos
Conforme a classificação de Gil (2008), este é um trabalho de natureza aplicada e se
qualifica como sendo do tipo estudo de caso, de abordagem qualitativa. Realizou-se também
um levantamento bibliográfico sobre o tema Internet das Coisas, sua arquitetura em camadas,
as tecnologias envolvidas e plataformas de IoT.
A investigação envolveu técnicas de observação e entrevistas, acompanhamento da
operação e desenho dos processos, afim de registrar o funcionamento do sistema e os
benefícios gerados.
Foram utilizadas tags RFID UHF passivas em 75.000 bandejas plásticas de mudas, em
500 caixas de transporte e em 200 carrinhos metálicos de transporte. Além disso, foram
instalados 8 leitores RFID e 25 antenas em pontos estratégicos de movimentação, foram
também utilizados 4 coletores RFID móveis e uma impressora portátil. Nos 5 viveiros de
mudas foram instalados sensores digitais de temperatura, umidade, radiação e luminosidade
em um total de 12 sensores. Além disso, compreendeu o projeto um Middleware de IoT uma
aplicação para monitoramento, controle e rastreabilidade da produção de mudas de cana.
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3. Internet das Coisas
Atualmente, a Internet das Coisas (IoT) vem ganhando grande destaque no cenário dos
negócios e está sendo considerada a revolução tecnológica que representa o futuro da
computação e comunicação, (TAN e WANG, 2010), (ATZORI et al., 2010).
Esta constatação é evidenciada pelas projeções quanto aos números de dispositivos a
serem conectados à rede mundial de computadores. Segundo dados da União Internacional
das Telecomunicações ITU (2012) existirão 34 bilhões de dispositvos cenectados no mundo
no ano de 2020, hoje esse número já está em 9 bilhões. Para CISCO (2011), as projeções
serão maiores e chegaram a 50 bilhões de dispositivos em 2020.
Fig
ura 1 -
Previsão de
crescimento
da Internet
das Coisas
Fonte: (CISCO, 2011)
Do ponto de vista tecnológico, a IoT é “[...] uma infraestrutura dinâmica global com
capacidades de autoconfiguração, baseada em protocolos de comunicação padronizados e
interoperáveis, onde ‘coisas‘ virtuais e físicas possuem identidades, atributos físicos e
personalidades virtuais, usam interfaces inteligentes e estão integradas de maneira
transparente à Rede de informações” (IERC, 2012).
Portanto, entende-se que ‘coisa’ na IoT é um conceito bastante amplo, podendo ser por
exemplo, uma pessoa com um implante de monitor cardíaco, um animal com um biochip
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transdutor, um automóvel com sensores de alerta sobre a pressão do pneu ou qualquer outro
objeto natural, ou feito pelo homem ao qual possa ser atribuído um endereço único, com a
capacidade de transmissão de dados via rede Internet (com protocolo IP), (SHIN, 2010).
Percebe-se então a existência de várias tecnologias que irão se integrar e habilitar o
funcionamento da Internet das Coisas. A diminuição de tamanho, peso, consumo de energia e
preço das tecnologias sem fio permitem que qualquer objeto possua capacidade de
comunicação. Um dos componentes chave da IoT é o RFID (Radio Frequency Identification),
tecnologia de comunicação sem fio de curto alcance, que coloca uma identificação própria
(tags ou etiquetas) em objetos ou até mesmo em humanos ou animais, tornando possível um
mapeamento do mundo real para o virtual no qual Leitores RFID se encarregam de ler as
informações armazenadas nas etiquetas RFID.
Outra tecnologia da IoT são as redes de sensores sem fio (WSN-Wireless Sensor
Networks), compostas por vários nós sensores usados no monitoramento, rastreamento,
coordenação e processamento, que podem cooperar com os sistemas RFID. As redes de
sensores e atuadores sem fio (WSN) são redes de sensores que possuem um elemento a mais
capaz de executar determinadas ações, chamados de atuadores, (AKYILDIZ et. al., 2002).
3.3 Arquitetura de Iot
A Internet das Coisas tem sido desenhada como uma arquitetura de referência por
camadas, no sentido de responder a demanda de várias industrias, empresas e sociedade. A
Figura 2 apresenta um esquema genérico de arquitetura em camadas proposto pela
International Telecomunication Union que define uma arquitetura de referência em quatro
camadas, que possuem capacidades de gerenciamento de funcionalidades e segurança, para se
acessar as funcionalidades. (ITU-T, 2012).
Figura 2 - Camadas da Arquitetura da Internet das Coisas
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Fonte: (ITU-T, 2012) e (SHIN, 2010)
Camada de dispositivos: Camada de percepção ou sensoriamento, é formada por dispositivos
que funcionam como sensores, atuadores e comunicadores (gateways).
Camada de comunicação: Também considerada como a camada de transporte ou de rede, é
responsável pela transmissão dos dados recebidos da camada de dispositivos à camada de
serviços. Faz a interface com os dispositivos e integra as diferentes redes da IoT, garantindo a
modularidade e a performance. Envolve tecnologias de conexão sem fio tais como WiFi,
LoRa, SigFox, ZigBee, NB-IoT, de baixo consumo em padrão 6LoWPAN – baseado
protocolo (6) IPv6, baixo consumo de energia (Lo) em rede privada de amplo alcance (Wide
Private Area Network) (VALENTE, 2016).
Camada de serviços: Realiza monitoramento dos eventos, armazenamento e processamento
das informações capturadas pelos sensores. Utiliza as entidades virtuais como representação
das entidades físicas da IoT. Dentre as tecnologias adotadas, pode-se citar armazenamento em
núvem, mineração de dados (data mining), algorítmos otimizados, aprendizado de máquina,
etc.
Camada de aplicações: Apresenta as interfaces de uso da IoT. Engloba todos os inúmeros
tipos de aplicações. Como por exemplo cidades, transporte, edifícios, energia, indústria, saúde
e vida inteligentes e que diretamente impactadas pelos dispositivos da IoT.
Devido a vastidão de tecnologias relacionadas a IoT existentes, este trabalho irá
brevemente descrever as tecnologias utilizadas no estudo de caso deste trabalho.
3.1 A tecnologia RFID
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A Identificação por rádio frequência é um método de identificação automática através
de sinais de rádio que recupera e armazena dados remotamente através de dispositivos
chamados de tags RFID.
Basicamente um sistema de RFID deve conter os seguintes elementos:
Transponder RFID: Os Transponders (Tags RFID) são compostos por uma antena e um chip
capaz de ser identificado unicamente na cadeia de abastecimento através do padrão de
codificação EPC Gen2 da EPCGlobal/GS1. Quando o tag RFID entre em um campo de rádio
frequência de uma antena de um leitor RFID, a antena do tag sintonizada a antena do leitor
produz uma diferença de potencial nos terminais do chip, energizando-o, o que resulta no
funcionamento do chip enquanto estiver dentro do campo de rádio frequência da antena do
leitor. Os tags RFID podem ter formatos diversos tais como pastilhas, argolas e em materiais
como plástico, vidro, epóxi, etc. Tags RFID energizados desta forma são chamados de tags
passivos, enquanto que modelos com bateria embarcada são chamados de ativos. A cadeia de
abastecimento, de forma genérica utiliza o modelo passivo devido ao seu baixo custo,
confiabilidade e tempo de vida.
Leitor/Antena RFID: Dispositivo que emite frequências de rádio que são dispersas pela
antena em campo de RF controlado pelo tipo da polarização da antena no espaço. O alcance
do campo RF pode ser ajustado para alcance de até 7 metros na frequência de UHF na faixa
de 915Mhz, seguindo o padrão EPC Gen2. O leitor RFID codifica/descodifica dados que
serão escritos/lidos dos tags RFID através de um transponder RF entre o leitor e a antena do
leitor de RFID. A frequência UHF 915Mhz utilizada nos sistemas RFID para cadeia de
abastecimento permite que o sinal atravesse materiais tais como papel, cimento, plástico,
madeira, vidro, etc... Desta forma, materiais equipados com tags RFID podem ser lidos de
forma automatizada em pontos de passagem equipados com leitor/antena RFID, interligados a
um sistema computacional e um middleware-IoT, o que possibilita a automação de leitura de
materiais / produtos, e o consequente lançamento de informações sobre os mesmos baseado
em fluxo de movimentação.
Figura 3 - Visão macro do funcionamento de um sistema RFID
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Fonte: Adaptado de (MOROZ, 2004).
3.2 Middleware de IoT
O middleware ou comumente chamado de Plataforma IoT é uma camada de software
que reside entre a aplicação e a camada de rede, pois simplifica o desenvolvimento de novos
serviços e integra antigas tecnologias com as novas, (HADIM, MOHAMED, 2006).
A arquitetura de middleware IoT, incorpora modelos de computação distribuída
incluindo orientação a serviços (modelo publish/subscribe), objetos distribuídos, orientação a
mensagens (MOM – Message Oriented Middleware) e protocolos de comunicação para
implementação de comunicação transiente e persistente, normalmente implementada em redes
sobrepostas (Overlay Network), (VALENTE, 2016).
A adoção de middleware permite a decomposição de sistemas complexos em um
ecossistema de componentes simples e também a reutilização do software e hardware.
Para Delicato et al. (2013), as principais funções de um middleware são.
Interoperabilidade: Diz respeito a prover interoperabilidade entre os diversos
dispositivos e plataformas disponíveis no ambiente;
Escalabilidade: Prover suporte à escalabilidade, sendo capaz de assimilar um
número crescente de dispositivos e requisições e funcionar corretamente,
mesmo em situações de uso intenso;
Gerenciamento de grandes volumes de dados: Com o aumento do número
de dispositivos presentes em um ambiente de IoT, cresce também o volume de
dados providos e transmitidos através da rede.
Ciência de contexto: contexto é qualquer informação que pode ser utilizada
para caracterizar uma pessoa, lugar ou objeto considerado relevante ao
ambiente em questão. Dessa forma, informações de contexto, tais como o
estado do objeto, seus vizinhos e sua localização são importantes;
Segurança: Garantir que no contexto de IoT, os dispositivos integrados que
irão coletar dados privados que serão transportados através de redes devam ter
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segurança adequada. Por essa razão, é importante que uma plataforma de
middleware em IoT forneça estratégias de segurança, a fim de manter a
integridade e privacidade dos dados disponibilizados.
4. Estudo de caso: Usina de cana
A usina de cana, fruto desse estudo, está entre os maiores grupos sucroenergéticos do
Brasil, com capacidade aproximada de moagem de mais de 20 milhões de toneladas de cana,
tem na sua maior planta, localizada no interior do Brasil, com mais de 4.000 colaboradores
que processam ao redor de 10 milhões de toneladas de cana anualmente, em suas 7 frentes de
colheita que trabalham 24 horas, 7 dias por semana, para cobrir uma area aproximada de 120
mil hectares. A Usina é reconhecida nacionalmente pela inovação que gera e pelos altos
investimentos aplicados em novas tecnologias, sendo destaque no cenário do agronegócio,
tanto na área industrial quanto agrícola. Seguindo essa linha de investimentos, em 2014 a
empresa instalou uma Biofabrica de mudas de cana de açucar, trata-se de uma nova forma de
produzir cana através de mudas, conforme detalhado no tópico a seguir.
4.1 Mudas pré-brotadas
A produção de cana através do cultivo de mudas pré brotadas tem como intuito a
produção de mudas em viveiros por um período aproximado de 60 dias até serem levadas ao
campo. Segundo Segato (2014), o desenvolvimento de mudas pré brotadas (MPB) é uma nova
proposta no setor sucroalcooleiro por proporcionar um canavial mais sadio e uniforme, assim
resultando em uma matéria prima de melhor qualidade para a indústria.
Para suprir a demanda da usina, montou-se uma estrutura fabril com 2 linhas de
produção e 5 viveiros, onde 70 colaboradores tem a capacidade de produção de 90.000 mudas
por dia. O processo produtivo das mudas segue o fluxo a seguir:
Figura 4 - fluxo produtivo de mudas pré-brotadas
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Fonte: elaborado pelo autor
4.2 O projeto IoT
Após o início da operação da biofabrica e com os bons resultados alcançados pelas
mudas produzidas, teve-se como consequencia a necessidade de informatização e melhor
controle e gestão do setor. Desde então, os controles eram realizados manualmente, sem
informatização, apenas com uso de planilhas eletrônicas. Sendo assim, em outubro de 2015
iniciou-se o projeto para implementar uma arquitetura de IoT, que suportaria uma aplicação
contendo as regras de negócios do setor, baseada na tecnologia EPC Gen2 UHF RFID para
rastreabilidade na movimentação das mudas, integrando inclusive os sensores de temperatura,
umidade, radiação e umidade de cada um dos 5 viveiros existentes.
O projeto consistiu na implantação de tags UHF RFID passivas nos itens de transporte
de mudas e também nas posições dos viveiros. Ao todo foram instaladas 75.000 tags em
bandejas, 200 tags em carrinhos metálicos e 500 tags em caixas plásticas. Os 5 viveiros
possuem aproximadamente 8.500 endereços e foram utilizadas 4.500 tags RFID para
posicionamento geográfico dentro dos viveiros. Além disso, o projeto se utiliza de 4 coletores
móveis RFID, 8 leitores RFID fixos e um conjunto de 25 antenas RFID, além de 1 impressora
portátil wi-fi para emissão de recibos de transporte.
O funcionamento do sistema se dá através de registros básicos como criação de lote,
pesagem automatizada dos mini rebolos cortados e amostras de qualidade, etc. Ao realizar a
produção das mudas em tubetes e acomodá-las em bandejas plásticas com tag RFID, todos as
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movimentações na esteira de produção, entrada e saída de cada viveiro até a expedição das
mudas para plantio são registradas em sistema de forma automática. O sistema possui
funcionalidades que englobam todos os processos de produção, desde a realização dos testes
de pré produção, passando pelo recebimento da cana a ser utilizada na produção, o corte dos
minirrebolos, tratamento fito sanitário, produção, armazenamento das mudas e a expedição
para o plantio. Em todos as movimentações tem-se os registros de dados importantes
referentes a cada lote produzido.
Figura 5 - Tag RFID fixada em bandejas e caixas plásticas
Fonte: elaborado pelo autor
Utilizou-se uma plataforma de IoT proprietária de uma empresa de software e a
aplicação, com as regras de negócios de todo o MPB, foi customizada pela mesma empresa
para atender a demanda da usina. Trata-se de uma aplicação em ambiente WEB rodando em
conjunto com um Middleware IoT/RFID, intuitivo, que opera inclusive em coletores móveis e
smartphones para as coletas nas áreas abertas e no campo, possui módulo de relatórios
dinâmicos, conforme apresenta a figura 7. A aplicação contempla um total de nove módulos e
foi customizada para atender as requsitos do setor do MPB.
Figura 6: Mapa gráfico do viveiro.
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Fonte: print screen da aplicação IoT.
Figura 7: Indicadores gráficos dos sensores.
Fonte: print screen da aplicação IoT.
Com a captura dos dados de movimentação de cada muda produzida, juntamente com
os dados dos sensores capturados em tempo real, tem-se uma visualização da rastreabilidade
de cada muda desde seu nascimento até sua expedição para o plantio, sabe-se assim, quais as
temperaturas em que cada muda ficou submetida, os dias em cada estágio produtivo (viveiro),
pode-se realizar uma previsão de mudas à serem expedidas o que instituiu uma cultura de
planejamento e controle da produção (PCP) anteriormente inexistente.
4.3 Resultados
Após 14 meses da implantação e início da operação do sistema em março de 2016,
presenciou-se uma mudança nos procesos produtivos e na gestão administrativa do setor com
a implantação do projeto de IoT. Entre os benefícios gerados destaca-se a redução de tempo
na coleta dos dados que passou a ser automática e em tempo real, eliminação da atividade de
digitação dos dados em planilha eletrônica, diminuição drástica no tempo de localização e
geração de informação, controle visual das posições dos viveiros com taxa de ocupação em
tempo real, rapidez e acurâcia na análise dos dados gerados pelos sensores, relatório com
dados dos lotes mais antigos para expedição (FIFO), institucionalização de um processo de
previsão de lotes a serem expedidos por período.
5. Considerações finais
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Entende-se a Internet das Coisas como uma tecnologia de grande impacto econômico e
social dos próximos anos e que já possui, desde seu surgimento, casos de implantações de
sucesso pelo mundo.
Este artigo relatou o caso real do projeto de implantação de uma arquitetura de IoT em
uma usina de cana para produção de mudas, através da implantação de um middleware de Iot,
uma aplicação WEB específica do setor produtivo e de dispositivos RFID e sensores na
camada de dispositivos. Pode-se destacar através das observações e entrevistas realizadas os
benefícios, ainda que qualitativos, mais notórios alcançados pela empresa e a comparação
com a situação anteriormente encontrada no setor até a chegada do sistema.
Vale destacar que apesar do estudo de caso ter sido realizado em uma agroindustria, o
foco está na fabricação ou montagem de itens, sendo que o mesmo conceito e as tecnologias
destacadas podem ser utilizadas em outros segmentos produtivos como a industria
metalúrgica, de plásticos ou qualquer outra com características fabris.
Outro ponto de relevância é que toda tecnologia de software do projeto foi
desenvolvida e implantada por empresa nacional, fato este que aproxima e facilita para outras
organizações de negócios que pretendem investir em Iot nos próximos períodos.
Como planos futuros, para continuidade desta pesquisa, pretende-se realizar uma
pesquisa em caráter quantitativo, com propósito de gerar em números os benefícios
alcançados por esse projeto e comparando a outros projetos de implantação de arquitetura de
Iot.
Os autores gostariam de agradecer o apoio da Fapesp (06/52010-6) neste projeto.
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