物联网科技导论李梅第2章自动识别技术

1、范东琦物联网三层架构物联网三层架构1、条码识别技术2、语音识别技术3、生物特征识别技术4、磁识别和IC卡技术1、条码识别技术、条码识别技术2、语音识别技术3、生物特征识别技术4、磁识别和IC卡技术一维条码技术20世纪20年代 约翰科芒德（John Kermode） 对邮政单据实现自动分检发展历史发展历史在信封上做条码标记，条码中的信息是收信人的地址 随着零售业和消费市场的飞速扩大和发展，也促进了条码标签业务的增长。早在上个世纪70年代，条码已经在全球零售业得到了小范围的应用，而现如今，条码和自动识别系统和数据采集技术依然在全球范围发挥着至关重要的作用。发展前景发展前景 实际上，在全球范围内，每

2、天需要运用到条码扫描的次数已经超过上亿次，其应用范围也涉及到各个领域和行业，其中包括物流、仓储，图书馆，银行，pos收银系统，医疗卫生、零售商品、服装、食品服务以及高科技电子产品等等，而目 前仍然会在每天都在一些新增加的项目上持续的用到条码应用领域。发展前景发展前景基本概念基本概念一维条码一维条码条形码是由宽度不同、反射率不同的条和条形码是由宽度不同、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则（码制）编制成的，用以表达空，按照一定的编码规则（码制）编制成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符一组数字或字母符号信息的图形标识符条形码是一组粗细不同，条形码是一组粗细不同，按照一定的规则安排间距

3、的按照一定的规则安排间距的平行线条图形常见的条形平行线条图形常见的条形码是由反射率相差很大的黑码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称条（简称条）和白条（简称空）组成的。空）组成的。一个完整的条码的组成次序依次为：静区（前）、起始符、数据符、终止符、静区（后）。唯一性唯一性：同种规格同种产品对应同一个产品代码，同种产品不同规格应对应不同的产品代码。根据产品的不同性质，如：重量、包装、规格、气味、颜色、形状等等，赋予不同的商品代码。永久性永久性：产品代码一经分配，就不再更改，并且是终身的。当此种产品不再生产时，其对应的产品代码只能搁置起来，不得重复起用再分配给其它的商品。无含义无含义：为

4、了保证代码有足够的容量以适应产品频繁的更新换代的需要，最好采用无含义的顺序码。编码规则编码规则UPC码是美国统一代码委员会制定的一种商品用条码，主要用于美国和加拿大地区，我们在美国进口的商品上可以看到。UPC码(Universal Product Code)是最早大规模应用的条码，其特性是一种长度固定、连续性的条码，目前主要在美国和加拿大使用，由于其应用范围广泛，故又被称万用条码。 UPC码仅可用来表示数字，故其字码集为数字09。UPC码码EAN码是国际物品编码协会制定的一种商品用条码，通用于全世界。EAN码符号有标准版（EAN-13）和缩短版（EAN-8）两种标准版表示13位数字，又称为EA

5、N13码，缩短版表示8位数字，又称EAN8。EAN码(英文全称：European Article Number）由前缀码、厂商识别码、商品项目代码和校验码组成。EAN码码厂商识别码、商品项目代码和校验码厂商识别码、商品项目代码和校验码几种码制几种码制条形码校验码条形码校验码校验码用来防止条码被误读，如果读出的条码数据与其应对应的校验码不匹配，则系统将认为你的条码有问题。 条形码校验码公式： 1、首先，把条形码从右往左依次编序号为1,2,3,42、从序号二开始把所有奇数序号位上的数相加求和，用求出的和乘3、再把所有偶数序号上的数相加求和，用求出的和加上刚才奇数序号上的数的和乘3的积，然后得出和。

6、4、再用大于或等于这个和的最小的10的倍数减去这个和，就得出校验码。 举个例子： 此条形码为：977167121601X（X为校验码）。 1.1+6+2+7+1+7=24 2.243=72 3.0+1+1+6+7+9=24 4.72+24=96 5.100-96=4 所以最后校验码X=4。此条形码为9771671216014识别原理识别原理由于不同颜色的物体，其反射的可见光的波长不同，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光为了阅读出条形码所代表的信息，需要一套条形为了阅读出条形码所代表的信息，需要一套条形码识别系统，它由条形码扫描器、放大整形电路、码识别系统，它由条形码

7、扫描器、放大整形电路、译码接口电路和计算机系统等部分组成。译码接口电路和计算机系统等部分组成。当条形码扫描器光源发出的光经光阑及凸透镜1后，照射到黑白相间的条形码上时，反射光经凸透镜2聚焦后，照射到光电转换器上，于是光电转换器接收到与白条和黑条相应的强弱不同的反射光信号，并转换成相应的电信号输出到放大整形电路，整形电路把模拟信号转化成数字电信号，再经译码接口电路译成数字字符信息。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同但是，由光电转换器输出的与条形码的条和空相应的电信号一般仅10mV左右，不能直接使用，因而先要将光电转换器输出的电信号送放大器放大放大后的电信号仍然是一个模拟电信号，

8、为了避免由条形码中的疵点和污点导致错误信号，在放大电路后需加一整形电路，把模拟信号转换成数字电信号，以便计算机系统能准确判读。 整形电路的脉冲数字信号经译码器译成数字、字符信息它通过识别起始、终止字符来判别出条形码符号的码制及扫描方向；通过测量脉冲数字电信号0、1的数目来判别出条和空的数目通过测量0、1信号持续的时间来判别条和空的宽度这样便得到了被辩读的条形码符号的条和空的数目及相应的宽度和所用码制，根据码制所对应的编码规则，便可将条形符号换成相应的数字、字符信息，通过接口电路送给计算机系统进行数据处理与管理，便完成了条形码辨读的全过程。二维码技术二维码技术二维码是一种比一维码更高级的条码格式

9、。一维码只能在一个方向（一般是水平方向）上表达信息，而二维码在水平和垂直方向都可以存储信息。一维码只能由数字和字母组成，而二维码能存储汉字、数字和图片等信息，因此二维码的应用领域要广得多。一位科幻小说作家艾萨克阿西莫夫（Isaac Azimov）在他的赤裸的太阳（The Naked Sun）一书中讲述了使用信息编码的新方法实现自动识别的事例。那时人们觉得此书中的条形码符号看上去象是一个方格子的棋盘，但是今天的条形码专业人士马上会意识到这是一个二维矩阵条形码符号。发展历史发展历史二维码的起源是日本，原本是Denso Wave公司为了追踪汽车零部件而设计的一种条码。 二维条码/二维码（英文名：QR

10、 Code) 是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。 在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化等特点。工作原理工作原理 智能手机和平板电脑的普及应用催生了之前并不被看好的二维码应用，大家竞相投入大量资源进行技术研发。 二维码的应用，似乎一夜之间渗透到我们生活的方方面面，地铁广告、报纸、火车票、飞机票、快餐店、电影院、团购网站以及各类商品外包装上

11、。作为物联网浪潮产业中的一个环节，二维码的应用从未这么受到关注，有专家甚至预测，将在两三年内形成上千亿的市场空间。 随着国内物联网产业的蓬勃发展，相信更多的二维码技术应用解决方案被开发出来，应用到各行各业的日常经营生活中来，届时，二维码成为移动互联网入口真正成为现实。发展应用发展应用1、条码识别技术2、语音识别技术、语音识别技术3、生物特征识别技术4、磁识别和IC卡技术 语音识别的由来其实是和计算机的发展同步的。早在 1952 年，贝尔实验室的 Davis 等人成功研究出世界上第一个能识别 10 个英文数字发音的实验系统。大规模的语音识别研究是始于上世纪 70 年代，此后，语音识别技术在孤立词

12、和小词汇量句子的识别方面取得突破。 就像一头隐藏在野马群之中的隐形大象，语音技术前进的步伐比较缓慢，尤其相对于过去几十年都处在高速发展状态的计算机行业而言，我们很容易忽视这些变化：在多年前，IBM 的语音识别软件在 PC 上就有不错的识别率了，而微软名为 Tellme 的项目也持续多年。两年前更新的腾讯 QQ2011 版就开始支持语音输入。 语音识别技术，其目标是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入，例如按键、二进制编码或者字符序列。与说话人识别及说话人确认不同，后者尝试识别或确认发出语音的说话人而非其中所包含的词汇内容。 语音识别技术的应用包括语音拨号、语音导航、室内设备控制、语音

13、文档检索、简单的听写数据录入等。语音识别技术与其他自然语言处理技术如机器翻译及语音合成技术相结合，可以构建出更加复杂的应用，例如语音到语音的翻译。 语音识别技术所涉及的领域包括：信号处理、模式识别、概率论和信息论、发声机理和听觉机理、人工智能等等。 一般来说,语音识别的方法有三种：基于声道模型和语音知识的方法：该方法起步较早，在语音识别技术提出的开始，就有了这方面的研究，但由于其模型及语音知识过于复杂，现阶段没有达到实用的阶段模板匹配的方法：方法发展比较成熟，目前已达到了实用阶段。在模板匹配方法中，要经过四个步骤：特征提取、模板训练、模板分类、判决。人工神经网络的方法：利用人工神经网络的方法是

14、80年代末期提出的一种新的语音识别方法。由于存在训练、识别时间太长的缺点，目前仍处于实验探索阶段。一个完整的基于统计的语音识别系统：(1)语音信号预处理与特征提取;(2)声学模型与模式匹配;(3)语言模型与语言处理。对于语音识别操控技术的下一阶段发展，搜狗 CEO 王小川曾表示，需要几个方面的配合：一是对自然语言理解，归纳为“懂”；二是在人机交互的过程中，需要反问确认来降低误差，这个过程称为“问”；三是人机交互还需要根据上下文进行判断和推测，这可以理解为“猜”；除此之外，整个软件系统还需要具备持续的学习能力和良好的扩展能力。1、条码识别技术2、语音识别技术3、生物特征识别技术、生物特征识别技术

15、4、磁识别和IC卡技术在当今信息化时代，如何准确鉴定一个人的身份、保护信息安全，已成为一个必须解决的关键社会问题。传统的身份认证由于极易伪造和丢失，越来越难以满足社会的需求，目前最为便捷与安全的解决方案无疑就是生物识别技术。它不但简洁快速，而且利用它进行身份的认定，安全、可靠、准确。同时更易于配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理。由于其广阔的应用前景、巨大的社会效益和经济效益，已引起各国的广泛关注和高度重视。每个个体都有唯一的可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式，即生物特征。它可划分为生理特征（如指纹、面像、虹膜、掌纹等）和行为特征（如步态、声音、笔迹等）。生物识别就是

16、依据每个个体之间独一无二的生物特征对其进行识别与身份的认证。他的主要内容是生物识别技术和生物识别系统 生物识别技术（Biometric Identification Technology）是指利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。更具体一点，生物特征识别技术就是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性和行为特征来进行个人身份的鉴定。 生物识别系统是对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并进一步将这些代码组合而成的特征模板。人们同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据可中的特征模板进行比对，以确定是否匹配，

17、从而决定接受或拒绝该人。基本定义基本定义指纹识别从实用角度看，指纹识别是优于其他生物识别技术的身份鉴别方法。因为指纹具有各不相同、终生基本不变的特点，且目前的指纹识别系统已达到操作方便、准确可靠、价格适中的阶段，正逐步应用于民用市场。指纹识别的处理流程：通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析和比对，可以迅速、准确地鉴别出个人身份。系统一般主要包括对指纹图像采集、指纹图像处理、特征提取、特征值的比对与匹配等过程。指纹识别系统指纹识别系统指纹识别系统是一个典型的模式识别系统，包括指纹图像获取、处理、特征提取和比对等模块。指纹图像获取：通过专门的指纹采集仪可以采集指纹图

18、像。指纹图像获取：通过专门的指纹采集仪可以采集指纹图像。指纹采集仪用到的指纹传感器按采集方式主要分为划擦式指纹采集仪用到的指纹传感器按采集方式主要分为划擦式和按压式两种，按信号采集原理目前有光学式、压敏式、和按压式两种，按信号采集原理目前有光学式、压敏式、电容式、电感式、热敏式和超声波式等。另外，也可以通电容式、电感式、热敏式和超声波式等。另外，也可以通过扫描仪、数字相机等获取指纹图像。对于分辨率和采集过扫描仪、数字相机等获取指纹图像。对于分辨率和采集面积等技术指标，公安行业已经形成了国际和国内标准，面积等技术指标，公安行业已经形成了国际和国内标准，但其他行业还缺少统一标准。根据采集指纹面积大

19、体可以但其他行业还缺少统一标准。根据采集指纹面积大体可以分为滚动捺印指纹和平面捺印指纹，公安行业普遍采用滚分为滚动捺印指纹和平面捺印指纹，公安行业普遍采用滚动捺印指纹。动捺印指纹。指纹图像处理：包括指纹区域检测、图像质量判断、方向指纹图像处理：包括指纹区域检测、图像质量判断、方向图和频率估计、图像增强、指纹图像二值化和细化等。图和频率估计、图像增强、指纹图像二值化和细化等。指纹特征提取：从预处理后的图像中提取指纹的特征点信指纹特征提取：从预处理后的图像中提取指纹的特征点信息（终结点、分叉点息（终结点、分叉点.).)，信息主要包括类型、坐标、方，信息主要包括类型、坐标、方向等参数。向等参数。指纹

20、图像压缩：大容量的指纹数据库必须经过压缩后存储，指纹图像压缩：大容量的指纹数据库必须经过压缩后存储，以减少存储空间。以减少存储空间。指纹特征匹配：计算特征提取结果与已存储的特征模板的指纹特征匹配：计算特征提取结果与已存储的特征模板的相似程度。相似程度。应用领域应用领域其他识别静脉识别，生物识别的一种。静脉识别系统就是首先通过静脉识别仪取得个人静脉分布图，从静脉分布图依据专用比对算法提取特征值，通过红外线 CCD摄像头获取手指、手掌、手背静脉的图像，将静脉的数字图像存贮在计算机系统中，将特征值存储。静脉比对时，实时采取静脉图，提取特征值，运用先进的滤波、图像二值化、细化手段对数字图像提取特征，同

21、存储在主机中静脉特征值比对，采用复杂的匹配算法对静脉特征进行匹配，从而对个人进行身份鉴定，确认身份。在包括指纹在内的所有生物识别技术中，虹膜识别是当前应用最为方便和精确的一种。虹膜识别技术被广泛认为是二十一世纪最具有发展前途的生物认证技术，未来的安防、国防、电子商务等多种领域的应用，也必然的会以虹膜识别技术为重点。这种趋势已经在全球各地的各种应用中逐渐开始显现出来，市场应用前景非常广阔。脸识别是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。用摄像机或摄像头采集含有人脸的图像或视频流，并自动在图像中检测和跟踪人脸，进而对检测到的人脸进行脸部的一系列相关技术，通常也叫做人像识别、面部识别。以

22、貌识人步态识别是一种新兴的生物特征识别技术，旨在通过人们走路的姿态进行身份识别，与其他的生物识别技术相比，步态识别具有非接触远距离和不容易伪装的优点。在智能视频监控领域，比面像识别更具优势。1、条码识别技术2、语音识别技术3、生物特征识别技术4、磁识别和、磁识别和IC卡技术卡技术磁卡磁卡IC卡卡磁识别技术 磁识别技术系列产品是集译码技术、数据存贮技术和通讯技术为一体的高新技术产品，使用磁卡作为信息录入手段。 将磁卡磁条上的信息感应成相应宽度的脉冲数字信号，然后利用计算机技术，采用微处理方法对此脉冲数字信号进行接收、量化处理然后再进行译码，解译成计算机可识读的ASCII码、键盘扫描码，利用通讯技

23、术传输给计算机。基本定义基本定义磁卡磁卡是利用磁性载体记录英文与数字信息，用来标识身份或其它用途的卡片。一种卡片状的磁性记录介质，与各种读卡器配合作用。磁卡是一种磁记录介质卡片。它由高强度、耐高温的塑料或纸质涂覆塑料制成,能防潮、耐磨且有一定的柔韧性，携带方便、使用较为稳定可靠。通常，磁卡的一面印刷有说明提示性信息，如插卡方向；另一面则有磁层或磁条，具有2-3个磁道以记录有关信息数据。基本定义基本定义工作原理工作原理 在记录时，磁卡的磁性面以一定的速度移动，或记录磁头以一定的速度移动，并分别和记录磁头的空隙或磁性面相接触。 磁头的线圈一旦通上电流，空隙处就产生与电流成比例的磁场，于是磁卡与空隙

24、接触部分的磁性体就被磁化。IC卡技术 IC卡 (Integrated Circuit Card，集成电路卡)，也称智能卡、智慧卡、微电路卡或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入标准的卡基中，做成卡片形式。 IC卡与读写器之间的通讯方式可以是接触式，也可以是非接触式。根据通讯接口把IC卡分成接触式IC卡、非接触式IC和双界面卡（同时具备接触式与非接触式通讯接口）。基本定义基本定义IC卡卡：由持卡人掌管，记录持卡人特征代码、文件资料的便携式信息载体。接口设备接口设备：即IC卡读写器，是卡与PC信息交换的桥梁，且常是IC卡的能量来源。核心为可靠的工业控制单片机，如Intel的51系列等。PC：系统的

25、核心，完成信息处理、报表生成输出和指令发放、系统监控管理以及卡的发行与挂失、黑名单的建立等。网络与计算机网络与计算机：通常用于金融服务等较大的系统基本组成基本组成分类分类1、条码识别技术2、语音识别技术3、生物特征识别技术4、磁识别和IC卡技术内容回顾内容回顾1、条码识别技术2、语音识别技术3、生物特征识别技术4、磁识别和IC卡技术内容回顾内容回顾范东琦1、RFIDRFID的历史和现状的历史和现状2、RFID技术分析3、标签冲突4、RFID与物联网RFID射频识别技术（Radio Frequency Identification）利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触无接触信息

26、传递并通过所传递的信息达到识别目的。是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。发展历史发展历史发展历史发展历史RFID是上世纪90年代兴起的自动识别技术，首先在欧洲市场上得以使用，随后在世界范围内普及。RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。射频识别技术改变了条形码依靠有形的一维或二维几何图案来提供信息的方式，通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的无形信息。1、RFID的历史和现状2、RFID技术分析技术分析3、标签冲突4、RFID与物联网基本组成RFID系统由五个组件构成，包括：传送器、接收器、微处理

27、器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件，这三大组件一般都可由不同的生厂商生产。阅读器（读写器）阅读器（读写器）是RFID系统最重要也是最复杂的一个组件。因其工作模式一般是主动向标签询问标识信息，所以有时又被称为询问器（Interrogator）。下图显示不同类型的阅读器。阅读器可以通过标准网口、RS232串口或USB接口同主机相连，通过天线同RFID标签通信。有时为了方便，阅读器和天线以及智能终端设备会集成在一起形成可移动的手持式阅读器。天线天线同阅读器相连，用于在标签和阅读器之间

28、传递射频信号。阅读器可以连接一个或多个天线，但每次使用时只能激活一个天线。RFID系统的工作频率从低频到微波，这使得天线与标签芯片之间的匹配问题变得很复杂。标签（标签（TagTag）是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。标签进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。不同的电子标签及封装不同的电子标签及封装无线无线RFID系统系统无线无线RFID系统系统读写器与应用系统读写器与应用系统读写器与标签读写器与标签读写器

29、与标签读写器与标签从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。工作原理标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者由标签主动发送某一频率的信号，读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。技术指标频率频率RFID频率频率是RFID系统的一个很重要的参数指标，它决定了工作原理、通信距离、设备成本

30、、天线形状和应用领域等因素。RFID典型的工作频率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作频率的不同，RFID系统集中在低频、高频和超高频三个区域低频低频（LF）范围为30kHz-300kHz，RFID典型低频工作频率有125kHz和133kHz两个，该频段的波长大约为2500m。低频标签一般都为无源标签，其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得，通信范围一般小于1米。除金属材料影响外，低频信号一般能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。高频高频（HF）范围为3 MHz

31、-30 MHz，RFID典型工作频率为13.56MHz,该频率的波长大概为22米，通信距离一般也小于1米。该频率的标签不再需要线圈绕制，可以通过腐蚀活着印刷的方式制作标签内的天线，采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。超高频超高频（UHF）范围为300MHz-3GHz，3GHz以上为微波范围。采用超高频和微波的RFID系统一般统称为超高频RFID系统，典型的工作频率为：433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，频率波长大概在30厘米左右。严格意义上，2.45GHz和5.8GHz属于微波范围。 超高频标签可以是有源标签与无源标签两种，通过电磁耦合方式同阅读器通信。通信

32、距离一般大于1米，典型情况为4-6米，最大可超过10米。1、RFID的历史和现状2、RFID技术分析3、标签冲突、标签冲突4、RFID与物联网标签（标签（TagTag）是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。标签进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。标签信号冲突：随着阅读器通信距离的增加其识别区域的面积也逐渐增大，这常常会引发多个标签同时处于阅读器的识别范围之内。但由于阅读器与所有标签共用一个无线通道，当两个以上的标签同一时刻向阅读器发送标识信号时，信号将产生叠加而导致阅读器不能正常解析标签发送的信号。这个问题通常被称为标签信号冲突问题（或碰撞问题），解决冲突问题的方法被称为防冲突算法（或防碰撞算法，反冲突算法）。现有的基于时分多址防冲突算法可以分为基于ALOHA机制的算法和基于二进制树两种类型，而这两种类型又包括若干种变体。空分多路缺点缺点频分多路缺