第2章 信息自动识别技术

物联网导论薛燕红

编著xueyanhong999@163.com21世纪高等学校规划教材机械工业出版社目录全球定位与地理信息系统

物联网导论

共十一章第6章

第8章

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第11章

第10章第1章

第2章

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射频识别与产品电子编码

无线传感网络

传感器与微机电系统

信息自动识别技术

目录物联网应用案例

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第8章

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第11章

互联网与移动互联网

物联网应用接口技术

物联网安全

物联网支撑技术

第2章信息自动识别技术2.1自动识别技术

2.1.1自动识别技术概述2.1.2生物识别技术2.1.3磁条（卡）和IC卡识别技术2.1.4图像识别技术2.1.5光学字符识别技术第2章信息自动识别技术2.2条形码技术2.2.1条形码概述2.2.2条形码的识别原理2.2.2条形码技术的优点2.2.4条形码的结构及其扫描2.2.5条形码的编码规则和方案2.2.6条形码的制作2.2.7二维条码2.1自动识别技术

自动设备识别技术（AutomaticEquipmentIdentification，AEI）是目前国际上发展很快的一项新技术，该项技术的基本思想是通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备（人员、物品）在不同状态（移动、静止或恶劣环境）下的自动识别和管理。2.1.1自动识别技术概述自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，主动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。

1.自动识别技术的特点（1）准确性：自动数据采集，极大地降低人为错误。（2）高效性：数据采集快速，信息交换可实时进行。（3）兼容性：以计算机技术为基础，可与信息管理系统无缝连接。2.1自动识别技术2.自动识别系统的一般模型完整的自动识别计算机管理系统包括自动识别系统、应用程序接口或者中间件和应用系统软件，其系统结构见图3.1。自动识别系统完成系统的采集和存储工作，应用系统软件对自动识别系统所采集的数据进行应用处理，而应用程序接口软件则提供自动识别系统和应用系统软件之间的通讯接口包括数据格式，将自动识别系统采集的数据信息转换成应用软件系统可以识别和利用的信息并进行数据传递。自动识别技术通过中间件或者接口（包括软件和硬件的）将数据传输给后台处理计算机，由计算机对所采集到的数据进行处理或者加工，最终形成对人们有用的信息。2.1自动识别技术图2.1自动识别系统结构2.1自动识别技术2.自动识别系统的一般模型企业管理信息系统（MIS）是以信息技术为基础，为企业管理和决策提供信息支持的系统。其特点是建立了企业数据库，强调达到数据共享，从系统观点出发，从全局规划和设计信息系统。企业资源计划（ERP）针对制造业的生产控制管理模块，把经营过程中有关各方如供应商、销售网络、客户、市场等纳入系统，将企业整个生产过程有机整合，以实现降低库存、提高效率、减少生产脱节、降低延误交货时间的目标。直接数字式频率合成器DDS（DirectDigitalSynthesizer，DDS）同DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。2.1自动识别技术3.自动识别技术的种类自动识别系统根据识别对象的特征可以分为两大类，分别是数据采集技术和特征提取技术。这两大类自动识别技术的基本功能都是完成物品的自动识别和数据的自动采集。数据采集技术的基本特征是需要被识别物体具有特定的识别特征载体（如标签等，仅光学字符识别例外），而特征提取技术则根据被识别物体的本身的行为特征（包括静态的、动态的和属性的特征）来完成数据的自动采集。

（1）数据采集技术●光存储器：包括条码（一维、二维）、矩阵码、光标阅读器、光学字符识别（OCR）。●磁存储器：包括磁条、非接触磁卡、磁光存储、微波。●电存储器：包括触摸式存储、RFID射频识别（无芯片、有芯片）、存储卡（智能卡、非接触式智能卡）、视觉识别、能量扰动识别。

（2）特征提取技术●静态特征：包括指纹、虹膜、视网膜、面部。●动态特征：包括签名、声音（语音）、键盘敲击、其他感觉特征。●属性特征：包括化学感觉特征、物理感觉特征、生物抗体病毒特征、联合感觉系统。2.1自动识别技术2.1.2生物识别技术生物识别技术是指利用可以测量的人体生物学或行为学特征来识别、核实个人身份的一种自动识别技术。能够用来鉴别身份的生物特征应该具有广泛性、唯一性、稳定性、可采集性等特点。生物识别大致可分为指纹识别、虹膜识别、视网膜识别、手掌几何学识别、语音识别、面部识别、签名识别、步态识别、静脉识别、基因识别等。

1．虹膜识别技术人类眼睛的虹膜是由相当复杂的纤维组织构成，其细部结构在出生之前就以随机组合的方式决定下来了。虹膜识别技术是基于在自然光或红外光照射下，对虹膜上可见的外在特征进行计算机识别的一种生物识别技术。虹膜在眼球中的位置见图3.2，其中虹膜是围绕瞳孔呈现绚丽彩色的一层生理薄膜。虹膜是包裹在眼球上的彩色环状物，每一个虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结构。2.1自动识别技术虹膜识别是将上述可见特征转化为512字节的虹膜编码，该编码被存储下来以便后期识别所用。512个字节对从虹膜获得的信息量来说是十分巨大的。从直径为11mm左右的虹膜上，Dr·Daugman的算法用3～4个字节的数据来代表每平方毫米的虹膜信息，这样，一个虹膜约有266个量化特征点，而一般的生物识别技术只有13个到60个特征点。2.1自动识别技术1．虹膜识别技术

（1）虹膜技术的优点●便于用户使用。●是最可靠的生物识别技术之一。●无需物理的接触。

（2）虹膜技术的缺点●最主要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前的虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的唯一性认证的试验。●很难将图像获取设备的尺寸小型化。●需要昂贵的摄像头聚焦，一个这样的摄像头的最低价为7000美元。●镜头可能产生图像畸变而使可靠性降低。●黑眼睛极难读取。●需要较好光源。2.1自动识别技术2．视网膜识别有研究证明，每个人的眼睛后半部的血管图形是惟一的，即使是孪生兄弟也各不相同。视网膜图形是稳定的，除非有眼科疾病或者严重的脑部创伤。视网膜识别技术要求激光照射眼球的背面以获得视网膜特征。与虹膜识别技术相比，视网膜扫描也许是最精确可靠的生物识别技术。由于感觉上它高度介入人的身体，它也是最难被人接受的技术。（1）视网膜技术的优点●视网膜是一种极其固定的生物特征，不磨损、不老化、不受疾病影响。●使用者无需和设备直接接触。●是一个最难欺骗的系统，因为视网膜不可见，所以不会被伪造。

（2）视网膜识别的缺点●同虹膜一样，最主要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前的视网膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的唯一性认证的试验。●激光照射眼球的背面可能会影响使用者健康，这需要进一步的研究。●对消费者而言，视网膜技术没有吸引力。●很难进一步降低成本。2.1自动识别技术3．签名识别签名作为身份认证的手段已经用了几百年了，将签名数字化的过程包括将签名图像本身数字化以及记录整个签名的动作（包括每个字母以及字母之间不同的速度、笔序和压力等）。签名识别和语音识别一样，是一种行为测定学。（1）签名识别的优点●容易被大众接受。●是一种公认的身份识别的技术。

（2）签名识别的缺点●随着经验的增长、性情的变化与生活方式的改变，签名也会随着而改变。●在Internet上使用不便。●用于签名的手写板结构复杂而且价格昂贵，因为和笔记本电脑的触摸板的分辨率差异很大，在技术上将两者结合起来较难。●很难将尺寸小型化。2.1自动识别技术4．面部识别面部识别技术通过对面部特征和它们之间的关系来进行识别，识别技术基于这些唯一的特征时非常复杂，需要人工智能和机器知识学习系统。用于捕捉面部图像的两项技术为标准视频和热成像技术。标准视频技术通过一个标准的摄像头获得面部的图像或者一系列图像，捕捉后，记录一些核心点（例如眼睛、鼻子和嘴等）以及它们之间的相对位置，然后形成模板。热成像技术通过分析由面部的毛细血管的血液产生的热线来产生面部图像，与视频摄像头不同，热成像技术并不需要在较好的光源条件下，因此即使在黑暗情况下也可以使用。一个算法和一个神经网络系统加上一个转化机制就可将一幅指纹图像变成数字信号，最终产生匹配或不匹配信号。2.1自动识别技术4．面部识别（1）面部识别的优点●面部识别是非接触的，用户不需要和设备直接的接触。（2）面部识别的缺点●尽管可以使用桌面的视频摄像，但只有比较高级的摄像头才可以有效高速的捕捉面部图像。●使用者面部的位置与周围的光环境都可能影响系统的精确性。●大部分研究生物识别的人公认面部识别最不准确，也最容易被欺骗。●面部识别技术的改进有赖于提取特征与比对技术的提高，采集图像的设备比技术昂贵得多。●对于因人体面部的如头发，饰物，变老以及其他的变化需要通过人工智能补偿，机器学习功能必须不断地将以前得到的图像和现在的得到的进行比对，以改进核心数据和弥补微小的差别。●很难进一步降低设备成本。2.1自动识别技术5．指纹识别因为每个人的指纹纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是惟一的，并且终生不变。依靠这种惟一性和稳定性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份，这就是指纹识别技术。指纹具有以下三大固有特性。第一，确定性。每幅指纹的结构是恒定的，胎儿在4个月左右就形成指纹，以后就终身不变。第二，惟一性。两个完全一致的指纹出现的概率非常小，不超过10-36。第三，可分类性。可以按指纹的纹线走向进行分类。随着现代电子集成制造技术、计算机技术的发展以及快速而可靠的算法研究，指纹自动识别技术于二十世纪六十年代开始兴起并得到了飞速发展。作为生物特征识别的一种，由于它具有其他特征识别所不可比拟的优点，使得自动指纹识别有着更为广泛的应用。相对于其他生物特征鉴定技术，例如语音识别及视网膜识别等，指纹自动识别是一种更为理想的身份确认技术。2.1自动识别技术5．指纹识别（1）指纹识别的优点●指纹是人体独一无二的特征，并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征。●如果要增加可靠性，只需登记更多的指纹、鉴别更多的手指，最多可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的。●扫描指纹的速度很快，使用非常方便。●读取指纹时，用户必需将手指与指纹采集头相互接触，与指纹采集头直接接触是读取人体生物特征最可靠的方法。●指纹采集头可以更加小型化，并且价格会更加的低廉。（2）指纹识别的缺点●某些人或某些群体的指纹特征少，难成像。●过去因为在犯罪记录中使用指纹，使得某些人害怕“将指纹记录在案”。●实际上现在的指纹鉴别技术都可以不存储任何含有指纹图像的数据，而只是存储从指纹中得到的加密的指纹特征数据。●每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。2.1自动识别技术6．声音识别技术声音识别和签名识别相同，声音识别也是一种行为识别技术。声音识别设备不断地测量和记录声音波形变化，然后将现场采集到的声音同登记过的声音模板进行各种特征的匹配。声音识别的迅速发展以及高效可靠的应用软件的开发，使声音识别系统在很多方面得到了应用。声音识别系统可以用声音指令实现“不用手”的数据采集，其最大特点就是不用手和眼睛，这对那些采集数据同时还要完成手脚并用的工作场合尤为适用。

（1）声音识别的优点：●声音识别也是一种非接触的识别技术，用户可以很自然地接受。

（2）声音识别的缺点：●作为行为识别技术，声音变化的范围太大，很难精确的匹配。●声音会随着音量、速度和音质的变化（例如感冒时）而影响到采集与比对的结果。●很容易用录在磁带上的声音来欺骗声音识别系统。●高保真的麦克风很昂贵。

综合以上分析比较，指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技术解决方案，对于广大市场的应用有着很大的潜力。2.1自动识别技术2.1.3磁条（卡）和IC卡识别技术1.磁条(卡)技术磁条技术应用了物理学和磁力学的基本原理。磁条是一层薄薄的由定向排列的铁性强化粒子组成的磁性材料（也称为涂料），用树脂粘合剂将这些磁性粒子严密地粘合在一起，并粘合在诸如纸或者塑料这样的非磁性基片媒介上，就构成了磁卡或者磁条卡。磁条技术的优点是数据可读写，即具有现场改写数据的能力。数据存储量能满足大多数需求，便于使用、成本低廉、具有一定的数据安全性且它粘附于许多不同规格和形式的基材上。这些优点，使之在很多领域得到了广泛应用，如信用卡、银行ATM卡、机票、公共汽车票、自动售货卡、会员卡、现金卡（如电话磁卡）、地铁AFC等。磁条的缺点是数据存储时间的长短受磁性粒子极性的耐久性限制以及存储数据的安全性较低。2.1自动识别技术2.IC卡技术

IC（IntegratedCard）卡是1970年由法国人RolandMoreno发明的，他第一次将可编程设置的IC芯片放于卡片中，使卡片具有更多功能。按照数据读写方式，IC卡可分为接触式IC卡和非接触式IC卡，通常说的IC卡多数是指接触式IC卡。根据所封装的IC芯片的不同，IC卡可分为存储器卡、逻辑加密卡、CPU卡和超级智能卡四大类。超级智能卡在卡上具有MPU和存储器并装有健盘、液晶显示器和电源，有的卡上还具有指纹识别装置等。IC卡相对于其他种类的卡具有存储容量大、体积小、重量轻、抗干扰能力强、便于携带、易于使用、安全性高、对网络要求不高等特点。2.1自动识别技术2.1.4图像识别技术图像识别是模式识别在图像领域的应用。图像识别系统主要涉及上图中的图像输入设备、图像处理器。一般图像信息系统框架见图3.3。

1.图像输入设备图像输入设备分为电视摄像机和CCD（Charge-coupledDevice，电荷耦合元件）两大类。电视摄像机是—种广泛使用的景物和图像的输入设备，它能将景物、图片等光学信号转变为全电视信号。目前主要有黑白摄像机和彩色摄像机两种。CCD分为线型CCD像感器和面型CCD像感器。

2.图像处理部分图像与视频是两个既有联系又有区别的概念，静止的图片称为图像（Image），运动的图像称为视频（Video）。图像的输入要靠扫描仪、数字照相机或摄像机，而视频的输入只能是摄像机、录像机、影碟机以及电视接收机等可以输出连续图像信号的设备。图像与视频处理系统包括图像与视频的输入、输出设备，通用的计算机和附加的专用处理硬件卡。不同的应用环境，所需要的硬件设备、软件环境也不同。2.1自动识别技术图2.3一般图像信息系统框架图2.1自动识别技术2.1.5光学字符识别（OCR）技术光学字符识别OCR（OpticalCharacterRecognition，OCR）是基于图型识别的一种技术，其目的就是要让计算机知道它到底看到了什么，尤其是文字资料。OCR技术能够使设备通过光学的机制来识别字符。一个OCR识别系统的处理流程如下：首先将标的物的影像输入，然后经过影像前处理、文字特征抽取、比对识别等过程，最后经人工校正将认错的文字更正，将结果输出。OCR技术主要应用于：文字资料的自动输入；建立文献档案库；文本图像的压缩存储和传输；书刊自动阅读器，盲人阅读器；书刊资料的再版输入，古籍整理；智能全文信息管理系统，汉英翻译系统；名片识别管理系统；车牌自动识别系统；网络出版；表格、票据、发票识别系统；身份证识别管理系统；无纸化评卷等。OCR的优点是人眼可视读、可扫描，但输入速度和可靠性不如条码，数据格式有限，通常要用接触式扫描器。2.1自动识别技术2.1.6条码技术条码成本最低、适于大量需求且数据不必更改的场合。例如商品包装上就很适宜，但是较易磨损、且数据量很小。而且条码只对一种或者一类商品有效，也就是说，同样的商品具有相同的条码。

1.一维条码条码是由一组规则排列的条、空以及相应的数字组成，这种用条、空组成的数据编码可以供条码阅读器识读，而且很容易译成二进制数和十进制数。这些条和空可以有各种不同的组合方法，构成不同的图形符号，即各种符号体系（也称码制），适用于不同的应用场合。目前最常用的几种码制是EAN、UPC、39码，交叉25码和EAN128码。UPC条码主要用于北美地区。EAN条码是国际通用符号体系，它们是一种定长、无含义的条码，主要用于商品标识。EAN128条码是由国际物品编码协会（EANInternational）和美国统一代码委员会（UCC）联合开发、共同采用的一种特定的条码符号。它是一种连续型、非定长有含义的高密度代码，用以表示生产日期、批号、数量、规格、保质期、收货地等更多的商品信息。另有一些码制主要是适应特殊需要的应用方面，如库德巴码用于血库、图书馆、包裹等的跟踪管理、25码用于包装、运输和国际航空系统为机票进行顺序编号，还有类似39码的93码，它密度更高些，可代替39码。2.1自动识别技术2.二维条码为了提高条码信息密度，二维条码问世并得到快速发展。从结构上讲，二维条码分为两类，一类是由矩阵代码和点代码组成，其数据是以二维空间的形态编码的，另一类是包含重叠的或多行条码符号，其数据以成串的数据行显示。重叠的符号标记法有CODE49、CODEl6K和PDF417。PDF是便携式数据文件（PortableDataFile）的缩写，简称为PDF417条码。417则与多宽度代码有关，用来对字符编码。PDF417是由SymbolTechnologiesInc设计和推出的。重叠代码中包含了行与行尾标识符以及扫描软件，可以从标签的不同部分获得数据，只要所有的行都被扫到就可以组合成一个完整的数据输入，所以这种码的数据可靠性很好，对PDF417而言，标签上污损或毁掉的部分高达50%时，仍可以读取全部数据内容，因此具有很强的修正错误的能力。PDF417条码是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，其特点为：信息容量大、编码应用范围广、保密防伪性能好、译码可靠性高、条码符号的形状可变。美国的一些州、加拿大部分省份已经在车辆年检、行车证年审及驾驶证年审等方面，将PDF417选为机读标准。巴林、墨西哥、新西兰等国家将其应用于报关单、身份证、货物实时跟踪等方面。矩阵代码如Maxicode，DataMatrix，CodeOne，Vericode和DotCodeA，矩阵代码标签可以做得很小，甚至可以做成硅晶片的标签，因此适用于小物件。2.1自动识别技术2.1.7射频识别技术1.优点射频识别技术RFID的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限于视线，识别距离比光学系统远，射频识别卡可具有读写能力，可携带大量数据、难以伪造和智能性较高等。射频识别和条码一样是非接触式识别技术，由于无线电波能“扫描”数据，所以RFID可做成隐形的，有些RFID识别产品的识别距离可以达到数百米，RFID标签可做成可读写的。射频标签最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预、适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频标签，操作快捷方便。射频标签不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，短距离的射频标签可以在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距离的产品多用于交通上，可达几十米，如自动收费或识别车辆身份。RFID识别的缺点是标签成本相对较高，而且一般不能随意扔掉，而多数条码扫描寿命结束时可扔掉。2.1自动识别技术2.缺点和目前成熟的条码技术相比，RFID技术在成本、标准等问题的局限是其在发展中面临的主要问题。首先，由于制造技术复杂，RFID标签的生产费用相对较高。其次，RFID的标准还未在全球范围内统一。再次，应用环境和解决方案还不够成熟。在国际上，RFID标签的应用还处在初步的发展阶段；在国内，其应用环境的形成更需假以时日。3.应用RFID适用的领域包括物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合，由于RFID标签具有可读写能力，对于需要频繁改变数据内容的场合尤为适用。目前，最流行的应用是在交通运输（汽车、货箱识别）、路桥收费、保安（进出控制）、自动生产和动物标签等方面。射频识别技术在物流领域中应用较为广泛。2.3条形码技术条形码（简称条码）技术是集条码理论、光电技术、计算机技术、通信技术、条码印制技术于一体的一种自动识别技术。条码技术具有速度快、准确率高、可靠性强、寿命长、成本低廉等特点，因而广泛应用于商品流通、工业生产、图书管理、仓储标证管理、信息服务等领域。条码是物流信息的载体，它是解决企业信息化管理的基础技术之一，是一种全球通用的标识系统。2.3.1条形码概述近年来，随着计算机应用的不断普及，条形码的应用得到了很大的发展．条形码可以标出商品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因而在商品流通、图书管理、邮电管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的应用。

1.什么是条形码条形码(barcode)是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）排成的平行线图案。条码技术的应用解决了数据录入和数据采集的“瓶颈”问题，条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等许多信息，因而在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的应用。2.3条形码技术

2.条形码的发展历史

条形码技术最早诞生于二十世纪二十年代。一位名叫约翰·科芒德的发明家希望对邮政单据实现自动分检，为此科芒德发明了最早的条码标识，设计方案非常的简单，即一个“条”表示数字“1”，二个“条”表示数字“2”，以次类推。然后，他又发明了由基本的元件组成的条码识读设备：一个扫描器（能够发射光并接收反射光）；一个测定反射信号条和空的方法，即边缘定位线圈以及使用测定结果的方法（译码器）。此后不久，科芒德的合作者道格拉斯·杨（DouglasYoung），在科芒德码的基础上作了些改进。1973年美国统一代码协会（简称UCC）建立了UPC(UniversalProductNumber)条码系统，实现了该码制标准化。1976年在美国和加拿大超级市场上，UPC码的成功应用给人们以很大的鼓舞，尤其是欧洲人对此产生了极大兴趣。次年，欧洲共同体在UPC-A码基础上制定出欧洲物品编码EAN-13和EAN-8码，正式成立了欧洲物品编码协会（简称EAN，EuropeanArticleNumber）。到了1981年由于EAN已经发展成为一个国际性组织，故改名为“国际物品编码协会”，简称IAN。但由于历史原因和习惯，至今仍称为EAN。EAN自建立以来，始终致力于建立一套国际通行的全球跨行业的产品、运输单元、资产、位置和服务的标识体系和通信标准体系。2002年11月EAN正式接纳UCC成为EAN会员，标志着EAN-UCC系统的形成。随着EAN组织的不断壮大和EAN条码在世界各国的普及，EAN-UCC系统成为国际通用的商品标识体系。中国条形码技术的应用研究始于20世纪70年代末、80年代初；条形码应用系统建立于20世纪80年代末；中国物品编码中心于1988年12月28日正式成立，于1991年4月19日正式加入国际物品编码协会；国际物品编码协会分配给中国的前缀码为：690，691，692，693，694，695。2.3条形码技术

3.条形码的分类

（1）按码制的不同，条形码可以分为UPC码、EAN码、交叉25码、39码、库德巴码、128码、93码、49码。

（2）按维数的不同，条形码可以分为一维条形码和二维条形码一维条形码：仅在一维几何空间表示信息的条形码为一维条形码，其码的高度不表示信息。一维条形码对“物品”的标识，即只给出“物品”的识别信息。二维条形码：在一维条形码的基础上发展而来的信息储存和解读技术。除具有一维条形码的优点外，二维条形码还具有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强、易于制作、成本低等优点，被称为“便携式数据文件”。世界上应用最多的二维条码符号：PDF417、Maxicode、QRCode、Code49、CodeOne等。二维条形码对“物品”的描述，不仅给出“物品”的识别信息，还包括其他特征信息。2.3条形码技术4.二维条码与一维条码的比较二维条码（见图3.6a）除了左右（条宽）的粗细及黑白线条有意义外，上下的条高也有意义。与一维条码相比，由于左右（条宽）和上下（条高）的线条皆有意义，故可存放的信息量就比较大。我们通常见到的商品上的条码和储运包装物上的条码，基本上是一维条码（见图3.6b），其原理是利用条码的粗细及黑白线条来代表信息，当拿扫描器来扫描一维条码，即使将条码上下遮住一部分，其所扫描出来的信息都是一样，所以一维条码的条高并没有意义，只有左右（条宽）的粗细及黑白线条有意义，故称一维条码。从符号学的角度讲，二维条码和一维条码都是信息表示、携带和识读的手段。但从应用角度讲，尽管在一些特定场合我们可以选择其中的一种来满足我们的需要，但他们的应用侧重点是不同的：一维条码用于对“物品”进行标识，二维条码用于对“物品”进行描述。信息量容量大、安全性高、读取率高、错误纠正能力强等特性是二维条码的主要特点。2.3条形码技术图2.6二维条码与一维条码2.3条形码技术2.3.2条形码的识别原理1.基本原理要将按照一定规则编译出来的条形码转换成有意义的信息，需要经历扫描和译码两个过程。物体的颜色是由其反射光的类型决定的，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，所以当条形码扫描器光源发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。根据原理的差异，扫描器可以分为光笔、CCD、激光三种。电信号输出到条码扫描器的放大电路增强信号之后，再送到整形电路将模拟信号转换成数字信号。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。然后译码器通过测量脉冲数字电信号０，１的数目来判别条和空的数目。通过测量０，１信号持续的时间来判别条和空的宽度。此时所得到的数据仍然是杂乱无章的，要知道条形码所包含的信息，则需根据对应的编码规则（例如：EAN-8码)，将条形符号换成相应的数字、字符信息。最后，由计算机系统进行数据处理与管理，物品的详细信息便被识别了。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、译码接口电路和计算机系统等部分组成。2.3条形码技术

2.条形码的识读

（1）条形码识读系统构成条形码识读系统是由扫描系统、信号整形、译码三部分组成，见图2.7。图2.7条形码识读系统构成2.3条形码技术2.条形码的识读

（1）条形码识读系统构成扫描系统由光学系统及探测器即光电转换器件组成，它完成对条码符号的光学扫描，并通过光电探测器，将条码条空图案的光信号转换成为电信号。信号整形部分由信号放大、滤波、波形整形组成，它的功能在于将条码的光电扫描信号处理成为标准电位的矩形波信号，其高低电平的宽度和条码符号的条空尺寸相对应。译码部分一般由嵌入式微处理器组成，它的功能就是对条码的矩形波信号进行译码，其结果通过接口电路输出到条码应用系统中的数据终端。译码包括硬件译码和软件译码。硬件译码通过译码器的硬件逻辑来完成，译码速度快，但灵活性较差。为了简化结构和提高译码速度，现已研制了专用的条码译码芯片，并已经在市场上销售。软件译码通过固化在ROM中的译码程序来完成，灵活性较好，但译码速度较慢。实际上每种译码器的译码都是通过硬件逻辑与软件共同完成的。2.3条形码技术2.条形码的识读

（2）条码识读器的通信接口条码识读器的通信接口主要有键盘接口和RS232。

●键盘接口方式条码识读器与计算机通信的一种方式是键盘仿真，即条码阅读器通过计算机键盘接口给计算机发送信息。条码识读器与计算机键盘口通过一个四芯电缆连接，通过数据线串行传递扫描信息。这种方式的优点是：无需驱动程序，与操作系统无关，可以直接在各种操作系统上直接使用，不需要外接电源。

●RS232方式扫描条码得到的数据由串口输入，需要驱动或直接读取串口数据，需要外接电源。条码扫描器在传输数据时使用RS232串口通信协议，使用时要先进行必要的设置，如：波特率、数据位长度、有无奇偶校验和停止位等。2.3条形码技术2.3.3条形码技术的优点条形码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。条形码技术具有以下几个方面的优点。

1.可靠性强条形码的读取准确率远远超过人工记录，平均每15000个字符才会出现一个错误。键盘输入数据出错率为三百分之一，利用光学字符识别技术出错率为万分之一，而采用条形码技术误码率低于百万分之一。键盘输入数据出错率为三百分之一，利用光学字符识别技术出错率为万分之一，而采用条形码技术误码率低于百万分之一。2.效率高条形码的读取速度很快，相当于每秒40个字符。与键盘输入相比，条形码输入的速度是键盘输入的5倍，并且能实现“即时数据输入”。2.3条形码技术3.成本低与其它自动化识别技术相比较，条形码技术仅仅需要一小张贴纸和相对构造简单的光学扫描仪，成本相当低廉。4.易于制作条形码的编写很简单，制作也仅仅需要印刷，被称作为“可印刷的计算机语言”。条形码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，识别设备操作容易，不需要特殊培训，且设备也相对便宜。5.构造简单条形码识别设备的构造简单，使用方便。2.3条形码技术6.灵活实用条形码符号可以手工键盘输入，也可以和有关设备组成识别系统实现自动化识别，还可和其他控制设备联系起来实现整个系统的自动化管理。条形码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别设备组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。7.采集信息量大利用传统的一维条形码一次可采集几十位字符的信息，二维条形码更可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。2.3条形码技术2.3.4条形码的结构及其扫描1.条形码的结构条形码的扫描需要扫描器，扫描器利用自身光源照射条形码，再利用光电转换器接受反射的光线，将反射光线的明暗转换成数字信号。不论是采取何种规则印制的条形码，都由静区、起始字符、数据字符与终止字符组成。有些条码在数据字符与终止字符之间还有校验字符。条形码的结构见图2.8。图2.8条形码的结构其中的含义如下：2.3条形码技术1.条形码的结构其中的含义如下：静区：没有任何印刷符或条形码信息，它通常是白的，位于条形码符号的两侧。其作用是提示阅读器（扫描器）准备扫描条形码符号。起始字符：条形码符号的第一位字符是起始字符，它的特殊条、空结构用于识别一个条形码符号的开始。阅读器首先确认此字符的存在，然后处理，由获得的一系列脉冲信号。数据字符：由条形码字符组成，用于代表一定的原始数据信息。校验字符：检验读取到的数据是否正确。不同编码规则可能会有不同的校验规则。若条形符号有效，阅读器就向计算机传送数据住处并向操作者提供“有效读入”的反馈。其作用是避免了不完整信息的输入。当采用校验字符时，终止字符指示阅读器对数据字符实施校验计算。终止字符：最后一位字符，一样具有特殊结构，用于告知代码扫描完毕，同时还起到只是进行校验计算的作用。为了方便双向扫描，起止字符具有不对称结构。因此扫描器扫描时可以自动对条码信息重新排列。2.3条形码技术2.条码扫描器条码扫描器是用来扫描条形码的设备，利用光学原理，把条形码的内容解码后通过数据线或者无线的方式传输到电脑或者别的设备。目前条码扫描器通过有线的方式和电脑连接主要为PS/2键盘接口、RS232串口、USB接口三种接口，通过无线方式和电脑连接主要是蓝牙和2.4G的方式，一般无线的距离基本都在30米到100米。条码扫描器按条码分类又分为一维条码扫描器、二维条码扫描器；又可分为手持式扫描器、固定式条码扫描器、平台式条码扫描器。根据扫描方式条码扫描器可分为光笔、CCD、激光三种，激光又可分为激光手持式扫描器和全角度扫描器/条码扫描枪两种。2.3条形码技术2.条码扫描器

（1）光笔光笔是最原始的扫描方式，需要手动移动光笔，并且还要与条形码接触。光笔属于接触式、固定光束扫描器。在其笔尖附近中含有发光二极管LED作为照明光源，并含有光电探测器。在选择光笔时，要根据应用中的条码符号正确选择光笔的孔径(分辨率)，分辨率高的光笔的光点尺寸能达到4密尔（0.1毫米），6密尔属于高分辨率，10密尔属于低分辨率。一般光笔的光点尺寸在0.2毫米左右。卡槽式扫描器属于固定光束扫描器，其内部的结构和光笔类似，它上面有一个槽，手持带有条码符号的卡从槽中滑过实现扫描。这种识读其广泛用于时间管理以及考勤系统。它经常和带有液晶显示和数字键盘的终端集成为一体。2.3条形码技术2.条码扫描器（2）CCD条码扫描器CCD条码扫描器是利用光电藕合（CCD）原理，对条码印刷图案进行成像，然后再译码。优势：无转轴，马达，使用寿命长；价格便宜。选择CCD扫描器时注意，由于CCD的成像原理类似于照相机，如果要加大景深，则相应的要加大透镜，从而使CCD体积过大，不便操作。优秀的CCD应无须紧贴条码即可识读，而且体积适中，操作舒适。如果要提高CCD分辨率，必须增加成像处光敏元件的单位元素。低价CCD一般是5口像素（pixel），识读EAN，UPC等商业码已经足够，对于别的码制识读就会困难一些。中档CCD以1024pixel为多，有些甚至达到2048pixe1，能分辨最窄单位元素为0.1mm的条码。2.3条形码技术2.条码扫描器

（3）激光手持式扫描器激光手持式扫描器是利用激光二极管作为光源的单线式扫描器，它主要有转镜式和颤镜式两种。商业企业在选择激光扫描器时，最重要的是注意扫描速度和分辨率，而景深并不是关键因素。因为当景深加大时，分辨率会大大降低。优秀的手持激光扫描器应当是高扫描速度，固定景深范围内很高的分辨率。

（4）全角度扫描器/条码扫描枪全角度扫描器/条码扫描枪是通过光学系统使激光二极管发出的激光折射或多条扫描线的条码扫描器，主要目的是减轻收款人员录入条码数据时对准条码的劳动。选择时应着重注意其扫描线花斑分布：在一个方向上有多条平行线；在某一点上有多条扫描线通过；在一定的空间范围内各点的解读机率趋于一致。激光扫描技术的优点是，识读距离适应能力强，且具有穿透保护膜识读的能力，识读的精度和速度比较容易做得高些。缺点是对识读的角度要求比较严格，而且只能识读堆叠式二维码（如PDF417码）和一维码。另外，激光扫描器的不足之处是条码符号的长度受光学系统的限制，并与扫描器到条码符号的距离有关。2.3条形码技术2.条码扫描器（5）条码数据采集器条码数据采集器是把条码识读器和具有数据存储、处理、通信传输功能的手持数据终端设备结合在一起，成为条码数据采集器，简称数据采集器，当人们强调数据处理功能时，往往简称为数据终端。它具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。它实际上是移动式数据处理终端和某一类型的条码扫描器的集合体。数据采集器按产品性能分为手持终端、无线型手持终端、无线掌上电脑、无线网络设备等。普通的扫描设备扫描条码后，经过接口电路直接将数据传送给PC机。数据采集器扫描条码后，先将数据存储起来，根据需要再经过接口电路批处理数据，也可以通过无线局域网或GPRS或广域网相联，实时传送和处理数据。数据采集器是具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备。数据采集器随机提供可视化编程环境。2.3条形码技术

2.条码扫描器

（6）便携式数据采集器便携式数据采集器，也称为便携式数据采集终端（PortableDataTerminal，PDT）或手持终端(Hand-holdTerminal，HT)。便携式数据采集器是为适应一些现场数据采集和扫描笨重物体的条码符号而设计的，适合于脱机使用的场合。识读时，与在线式数据采集器相反，它是将扫描器带到物体的条码符号前扫描。便携式数据采集器是集激光扫描、汉字显示、数据采集、数据处理、数据通讯等功能于一体的高科技产品，它相当于一台小型的计算机。硬件上具有计算机设备的基本配置：CPU、内存、依靠电池供电、各种外设接口；软件上具有计算机运行的基本要求：操作系统；可以编程的开发平台；独立的应用程序。无线数据采集器除了具有一般便携式数据采集器的优点外，还有在线式数据采集器的优点，它与计算机的通讯是通过无线电波来实现的，可以把现场采集到的数据实时传输给计算机。要使用无线手持终端就必须先建立无线网络。无线网络设备——登陆点（AccessPoint）相当于一个连接有线局域网和无线网的网桥，它通过双绞线或同轴电缆接入有线网络，无线手持终端则通过与AP的无线通讯和局域网的服务器进行数据交换。2.3条形码技术2.3.5条形码的编码规则和方案1.编码规则（1）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。

（2）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。（3）无含义。为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。2.3条形码技术2.编码方案

（1）宽度调节法宽度调节编码法是指条形码符号有宽窄的条单元和空单元以及字符符号间隔组成，宽的条单元和空单元逻辑上表示“1”，窄的条单元和空单元逻辑上是“0”，宽的条空单元和窄的条空单元可称为四种编码元素。code-11码、code-B码、code39码、2/5code码等均采用宽度调节编码法。

（2）色度调节法色度调节编码法是指条形码符号是利用条和空的反差来标识的，条逻辑上表示“1”，而空逻辑上表示“0”。我们把“1”和“0”的条空称为基本元素宽度或基本元素编码宽度，连续的“1”、“0”则可有2倍宽、3倍宽、4倍宽等。所以此编码法可称为多种编码元素方式，如ENA/UPC码采用八种编码元素。2.3条形码技术2.3.6条形码的制作条形码的制作一般用印刷或通过条码打印机打印条形码。条码打印机和普通打印机的最大的区别就是，条码打印机的打印是以热为基础，以碳带为打印介质（或直接使用热敏纸）完成打印，配合不同材质的碳带可以实现高质量的打印效果和在无人看管的情况下实现连续高速打印。目前世界上常用的码制有EAN条形码、UPC条形码、二五条形码、交叉二五条形码、库德巴条形码、三九条形码和128条形码等，而商品上最常使用的就是EAN商品条形码。1.商品条码EAN－13通用商品条形码一般由前缀部分、制造厂商代码、商品代码和校验码组成。商品条形码中的前缀码是用来标识国家或地区的代码，赋码权在国际物品编码协会，如00-09代表美国、加拿大。45－49代表日本。690-695代表中国大陆，471代表我国台湾地区，489代表香港特区。制造厂商代码的赋权在各个国家或地区的物品编码组织，我国由国家物品编码中心赋予制造厂商代码。商品代码是用来标识商品的代码，赋码权由产品生产企业自己行使，生产企业按照规定条件自己决定在自己的何种商品上使用哪些阿拉伯数字为商品条形码。商品条形码最后用1位校验码来校验商品条形码中左起第l－12数字代码的正确性。商品条形码的编码遵循唯一性原则，以保证商品条形码在全世界范围内不重复，即一个商品项目只能有一个代码，或者说一个代码只能标识一种商品项目。不同规格、不同包装、不同品种、不同价格、不同颜色的商品只能使用不同的商品代码。

2.3条形码技术

2.印刷制作条形码的要求商品条形码的标准尺寸是37.29mmx26.26mm,放大倍率是0.8-2.0。当印刷面积允许时，应选择1.0倍率以上的条形码，以满足识读要求。放大倍数越小的条形码，印刷精度要求越高，当印刷精度不能满足要求时，易造成条形码识读困难。由于条形码的识读是通过条形码的条和空的颜色对比度来实现的，一般情况下，只要能够满足对比度（PCS值）的要求的颜色即可使用。通常采用浅色作空的颜色，如白色、橙色、黄色等，采用深色作条的颜色，如黑色、暗绿色、深棕色等。最好的颜色搭配是黑条白空。根据条形码检测的实践经验，红色、金色、浅黄色不宜作条的颜色，透明、金色不能作空的颜色。2.3条形码技术3.商品条码数字的含义以条形码6936983800013为例，此条形码分为4个部分，从左到右分别为：

1-3位：共3位，对应该条码的693，是中国的国家代码之一。

4-8位：共5位，对应该条码的69838，代表着生产厂商代码，由厂商申请，国家分配。9-12位：共4位，对应该条码的0001，代表着厂内商品代码，由厂商自行确定。

第13位：共1位，对应该条码的3，是校验码，依据一定的算法，由前面12位数字计算而得到。2.3条形码技术2.3.7二维条码由于二维条形码储存量大、可携带商品信息、可传真影印、错误纠正能力高等特点，该技术在1980年以后逐渐被重视，1990年初期已逐渐被使用。1.一维条码的局限由于受信息容量的限制，一维条码仅仅是对“物品”的标识，而不是对“物品”的描述。故一维条码的使用，不得不依赖数据库的存在。在没有数据库和不便联网的地方，一维条码的使用受到了较大的限制，有时甚至变得毫无意义。另外，要用一维条码表示汉字的场合，显得十分不方便，且效率很低。现代高新技术的发展，迫切要求用条码在有限的几何空间内表示更多的信息，从而满足千变万化的信息表示的需要。二维条码正是为了解一维条码无法解决的问题而产生的。因为它具有高密度、高可靠性等特点，所以可以用它表示数据文件(包括汉字文件)、图像等。二维条码是大容量、高可靠性信息实现存储、携带并自动识读的最理想的方法。2.3条形码技术

2.二维条码的优点

（1）高密度编码，信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2710个数字或1108个字节，或500多个汉字，比普通条码信息容量约高几十倍。

（2）编码范围广：该条码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码，用条码表示出来；可以表示多种语言文字；可表示图像数据。

（3）容错能力强，具有纠错功能：这使得二维条码因穿孔、污损等引起局部损坏时，照样可以正确得到识读，损毁面积达50％仍可恢复信息。

（4）灵活实用：条码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别设备组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。

（5）易于制作：条码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，持久耐用，识别设备操作容易，不需要特殊培训，且设备也相对便宜。

（6）译码可靠性高：它比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一。

（7）可引入加密措施：保密性、防伪性好。

（8）阅读方便：二维条码可以使用激光或CCD阅读器识读。2.3条形码技术

3.二维条码的原理二维码（2-dimensionalbarcode）最早发明于日本。是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）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。它具有条码技术的一些共性，每种码制有其特定的字符集。每个字符占有一定的宽度，具有一定的校验功能等，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。二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息。2.3条形码技术4.二维条码的分类二维条码可以分为堆叠式/行排式二维条码和矩阵式二维条码。

（1）堆叠式/行排式二维条码堆叠式/行排式二维条码（又称堆积式二维条码或层排式二维条码），其编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。有代表性的行排式二维条码有：Code16K、Code49、PDF417等。

（2）矩阵式二维码短阵式二维条码（又称棋盘式二维条码）它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意义。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维条码有：CodeOne、MaxiCode、QRCode、DataMatrix等。在目前几十种二维要码中，常用的码制有PDF417二维条码、Datamatrix二维条码、Maxicode二维条码、QRCode、Code49、Code16K、Codeone等，2.3条形码技术5.二维条形码的基本术语（1）堆叠式二维条形码(2DStackedCode)堆叠式二维条形码是一种多层符号(Multi-RowSymbology)，通常是将一维条形码的高度截短再层叠起来表示资料。（2）矩阵式二维条形码(2DMatrixCode)矩阵式二条形码是一种由中心点到与中心点固定距离的多边形单元所组成的图形，用来表示资料及其它与符号相关功能。（3）资料字元(DataCharacter)用于表示特定资料的ASCII字元集的一个字母、数字或特殊符号等字元。（4）符号字元(SymbolCharacter)依条形码符号规则定义来表示资料的线条、空白组合形式。资料字元与符号字元间不一定是一对