感知层技术剖析

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1、物联网技术导论物联网技术导论 第3章 感知层技术 通常我们将物联网大致分为三层：感知层、网 络层 和应用层，如图3-1所示。感知层相当于人体 的皮肤 和五官，网络层相当于人体的神经中枢和 大脑，应 用层相当于人的社会分工。 3.1 条码技术 3.2 电子标签RFID 3.3 传感器及检测技术 3.4 智能检测系统 3.5 MEMS技术 公共感知层 中间件部分 （云计算处理） 物联网应用系统拓扑图 感知是指对客观事物的信息直接获取并进行认知和理解 的过程。感知层，承担信息的采集，可以应用的技术包 括条码和扫描器、智能卡、RFID电子标签和读写器、摄 像头、GPS、传感器、传感器网络等。其中条码和

2、RFID 标签显示身份，传感器捕捉信息状态，摄像头记录图像 ，GPS进行跟踪定位，最终实现识别物体、采集信息的 目标。人类对事物的信息需求主要是对事物的识别与辨 别、 定位及状态和环境变化的动态信息。感知信息的获 取需要技术的支撑,人们对于信息获取的需求促使其不断 研发新的技术来获取感知信息,目前这些技术应用社会 实践活动中的主要有以下几种。 3.1 条码技术：物联网的第一代身份证 一、条码产生的背景 20世纪20年代，为了实现信件自动分拣想出在信 封上做条码标 记，条码中的信息是收件人的地址，如 现在的邮政编码。使用一个 条表示“1”，两个条表示 “2”，而条码识别设备：一个能够发射光并 接

3、收反射 光的扫描期；一个测定反射信号“条”和“空”的方法。 扫描 器利用光电采集器来收集发射光。“空”发射回来 的是强信号，“条” 反射回来的是弱信号。 1949年10月20日提出了 今日条码雏形的专利 该条码最大的特点是将竖直 的条码弯曲呈环形，就像是箭靶 或是公牛眼一样。公牛眼代码的 好处在于无论什么地方都可以扫 描出来，缺点是太浪费空间，如 图3-2所示。 1959年提出能够描述数字0-9中 每个数字可由7段平行条码组成 的条码。 20世纪初，伍德兰教授致力于条码的开发，其研 究成果成为现代通用产品代码（UPC, Uniform Product Code)的码规基础。60年代末，条码的读

4、 取开始与计算机互联。 1970年， 条码识别用在了有轨电车和北美铁路系 统。第一次在仓库管理系统中得到应用。 1973年，美国统一代码委员会（UCC, Uniform Code Committee)建立了UPC条码系统，并全面实现 了该条码编码 以及其所标识的商品的标准化。 UPC 条码一般包括12个数字，每个字符由两个黑 线条和 两个白线条组成。代码由左右两个半截线条组成， 便于实现双扫描识别。 UPC条码有四大优点： 利用商店结 账机可快速加 以识别 从各种角度 都能识别 印刷成本比 较便宜 不需多余的 费用 1974年，Intermec公司推出39码，很 快被美国国防部所采纳。 197

5、5年欧洲共同体在UPC条码基础上 ， 开发了欧洲物品编码系统（EANS, European Article Numbering System)， 简 称EAN码，正式成立欧洲物品编码协 会 （EAN, European Article Numbering Association)，直到1981年该组织发展为 国际性组织，称为“国际物品编码协会” （IAN, International Article Numbering Association)。并推出EAN128码和93码 （其密度均比39码高出近30%） 1981年，建立行业标准和本业内的条 码应用系统。 2005年1月，EAN正式更名为全

6、球第一标 准 化组织 （GSI，Global standard 1st)。 2005年6月，UCC正式更名为GS1 US。 目前，EPCglobal就是GS1和GS1 US两大标 准联合成立。 1970年Iterface Mechanisms公司开发出“二 维码”，组合成高密度信息图案。 随着LED、微处理器和激光二极管的不断 发展，迎来了新的标识符号（象征学）和其 应用的大爆炸，被称之为“条码工业”。 3.1.2条码的构成与工作原理 条形码是一种信息的图形化表示方法，可以把信息制作 成条形码，然后用相应的扫描设备把其中的信息输入到计 算机中。条形码分为一维条码和二维条码，一维码比较常 见，如

7、日常商品外包装上的条码就是一维码。它的信息存 储量小，仅能存储一个代号，使用时通过这个代号调取计 算机网中的数据。 二维码是近几年发展起来的，它能在 有限的空间内存储更多的信息，包括文字、图像、指纹、 签名等， 并可脱离计算机使用。 条码是由一组宽度不同、平行相邻的黑色条纹和空白， 按预设的格式与间距组合组合起来的符号。是一种供光电 扫描器识读、由计算机自动识别的特殊代码，深色为条， 浅色为空，条空代表的13位数字是直观的代表特定商品相 关信息。这是人与计算机 “沟通”的一种特定语言。 条码是一种信息采集的新技术 当光电扫描器发出的光束扫过条码时，扫描光线照在浅 色的空上容易发射，而找到深色的

8、条上则不反射，这样被调 取能够发射回来的强弱、长短不同的光信号即轮换成相应的 电信号，经过处理后变成计算机可接收的数据，从而读出商 品上条码的信息。商品信息输入电子收款机的计算机中后， 计 算机自动查阅商品数据库中的价格数据，再反馈给电子 收款机，随即打印出售款清单和金额，其速度几乎与扫描条 码同步完成。 印刷在商品包装袋上的条码，像一条条商品信息的纽带 ， 将世界各国制造厂商的和形形色色的商品有机地联系起 来，清清楚楚地加以识别。它使商品在世界迅速流通， 解 除了各国文字语言的障碍，给计算机信息采集带来很多方便 ，为建立起全球性的商品交易网络，发挥着很大作用。 常用的条码和条码扫描器 当光电

9、扫描器发出的光束扫过条码时，扫 描光线 照在浅色的空上容易发射，而找到深 色的条上则 不反射，这样被调取过的条码能 够发射回来的强 弱、长短不同的光信号即转 换成相应的电信号， 经过处理后变成计算机 可接收的数据，从而读出 商品上条码的信息 。 常见的大概有二十多种码制 Code39码（标准39码）、codabar码（库德巴 码）、code25码（标准25码）、ITF25码（交叉 25码）、Matrix25码（矩阵25码）、UPC-A码、 EAN-13码（EAN-13国际商品条码）、EAN-8码 （EAN-8国家商品条码）、中国邮政码（矩阵25 码的一种变体）、code-B码、MIS码、cod

10、e93 码、ISBN码、ISSN码、Code128码（Code128， 包括EAN128码）、code39EMS(EMS专用的39 码)等一维条码和PDF417等二维条码。 国际广泛使用的条码种类有： EAN、UPC码商品条码，用于在世界范 围内唯 一标识一种商品。我们在超市中最 常见的就是EAN 和UPC条码。 3.1.3一维符号结构与代码结构 1. 商品编码原则 1）唯一性 唯一性是指商品项目与其标识代码一一对应，即一个商 品项目只有一个代码，一个代码只标识同一商品项目。商品 项目代码一旦确定，永不改变，即使该商品停止生产、停止 供应了，在一段时间内（有些国家规定为3年）也不得将该 代码分

11、配给其他商品项目。 2）无含义 无含义代码是指代码数字本身及其位置不表示商品的任 何特定信息。在EAN及UPC系统中，商品编码仅仅是一种 识别商品的手段，而不是商品分类的手段。无含义使商品编 码具有简单、灵活、可靠、充分利用代码容量、生命力强 等优点，这种编码方法尤其适合于较大的商品系统。 3）全数字型 在EAN及UPC系统中，商品编码全部采用阿拉伯数字。 2. 一维符号结构 表3-1 EAN/UCC-13代码结构分配 商品上的条码 标准条码是由厂商识别代码、商品项目代码、校验码三部 分组成的13位数字代码，分为四种结构。 厂商识别代码由 710位数字组成，中国物品编码中心负责分配和管理，厂商

12、 识别代码是由前缀码 和厂商代码构成的。前3位代码为前缀 码，国际物品编码协会已分配给中国大陆的前缀码为 690695， 分配给中国台湾的前缀码为471，分配给中国香 港 特别行政区的前缀码为489。 表3-1为商品标识代码之一， EAN/UCC-13代码 结构分配。例如： 图3-5所示，前3位数字代表的是国家或地区的代码。690 代表产地为中国大陆。中间4位数是厂商代码，它是由商 品的厂商自行编码的，代表这这个商品的厂商编号。后5 位是商品项目代码，由各厂自行确定产品号码，代表商品 的类别，如日期、年份等。最后一个数字则是校验码。 图右所示中，这两件商品都是同一厂家出产的，其条码只 是位数相

13、差了一位数：一个代表香辣味的，一个代表麻辣味的 。 13位代码结构 3. 条码的符号特征 条与空是由标准宽度的模块组合而成。一 个标 准宽度的条模块表示二进制的“1”， 而一个标准宽度 的空模块表示二进制的 “0”。 （1）条和空分别由14个同一宽度的深或浅颜 色的模块组成。深色模块用“1”表示， 浅色模块用 “0”表示。 （2）数字条码字符：2条2空，共7个模块。 （3）辅助条码字符：起始、终止符、中间分隔 符。 A子集与C子集互为反相， B子集与C子集互为镜像。 A子集中条码字符包含的条模块的个数为奇数，称奇 排列；B、C子集为偶数，称偶排列。 商品条码的条码字符集： 0 9。条码字符：2

14、条2 空，共7个模块。每个条或空由14个模块组成。 条码字符集: A子集、B子集、C子集。 A子集 B子集 C子集 EAN-13条码构成及符号构成 4. EAN-13商品条码字符集的选用 左侧数据符 右侧数据符 A子集和B子集 C子集 EAN-13商品条码中的前置码不用条码字符表示，不包 括在左侧数据符内。 起始符、终止符为101； 中间分隔符为01010。 表3-2 左侧数据符字符集的选用规则 选用A子集还是B子集表示左侧数据符取决于前置码的数值。 譬如，图3-8中EAN-13商品条码确定13位数字代 码6901234567892的左侧数据符的二进制表示。 第一步：根据前表，前置码为6的左侧

15、数据符所选 用的字符集依次排列为ABBBAA。 第二步：查表，左侧数据符901234的二进制表示 。 如表3-3所示。 5、店内条码 在购买散装食品时，会使 用一种独特的条码店内条 码。这种条码是工作人员现将 商品的名称和保质期输入计算 机备案数据库，消费者只要将 所过食品放在称重器上，然后 输入商品相关的信息后，就可 以进行打印了。 在商品条码的盲区里（主 要是一些散装的商品）店内条 码就成为超市唯一的选择，所 以店内条码会一定范围内和商 品条码长期共存。 图3 - 9 店内条码店内条码并不是超 市或企业自己 随意制定的，也必须遵 循相应的国家标准（GB/T18283 2008： 商品条码店内条码）。譬如 超市店内条码按国家标准必须是以 “20 24”作为前缀。店内条码的编 码分为两种：不包含价格等信息的13 位代码和包含价格等信息的13位代码 。 6. EAN部分已分配的前缀码 3.1.4二维条码组成与辨识 一维条码只是在一个方向上（一般是水平方向）表达 信息，使用时通过这个代号调取计算机网络中的数据。因 此一维条码有一个明显得缺点，即垂直方向不携带信息， 故信息密度偏低。受信息容量的限制，一维条码通常是对 物品的标识，而 不是对物品的描述。它对两个助手计 算机和数据库相