第三节　物联网技术

一、概念

进入21世纪，云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新兴技术广泛应用于我国国民生产的各个领域，各领域正在被各种智慧应用所改变，而物联网技术应用正是其中的代表。物联网（internet of things，IOT）起源于20世纪90年代，它的出现和发展是全球计算机网络、互联网应用、计算和传感、硬件等技术发展的必然产物。

目前国际上还没有对物联网概念进行统一定义，各国或相关国际组织大多根据自身的理解对物联网进行定义与解释，例如：

1.国际电信联盟（international telecommunication union，ITU）对物联网概念的定义是：

任何时间、任何地点，我们都能与任何东西相连。

2.美国对物联网概念的定义是：

将各种传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大的网络，目的是让所有的物理都与网络连接在一起，方便识别和管理。

3.欧盟对物联网概念的定义是：

将现有互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。

4.我国对物联网概念的定义是：

通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、跟踪、定位、监控和管理。

从各国及行业组织对物联网的定义中不难发现，物联网可以从技术层面和应用层面进行定义（图2-3）。

（一）技术层面

物联网是利用各类感应装置，如射频识别设备、红外传感器等将物体信息经传输网络后到达预定节点，最终实现物与物、人与物、人与人间的自动化信息交互、处理与存储的智能网络。

（二）应用层面

从物联网定义以及应用场景中，可以概括出关于物联网的几大特点。

1.感知手段多

通过RFID、一维码、二维码、传感器等获取物体信息。

2.传输效率高

融合互联网技术及无线网络，将物体信息准确高效地传递给用户。

3.处理能力强

利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化控制。

为进一步发展物联网技术与推动物联网产业的发展，进入21世纪，全球各国、各地区均提出基于自身实际的物联网发展规划。例如，2004年日本提出U-Japan计划、韩国提出U-Korea计划（U指ubiquitous，是普遍存在的意思）；2008年美国提出“智慧地球”，即将物联化、互联化、智能化技术充分运用到各行各业，最终通过互联网形成一张大的物联网；2009年欧盟委员会提出针对物联网的行动方案；同年，我国提出“感知中国”计划。

二、物联网的基本框架

关于物联网的体系架构标准有：NGTP标准协议及其软件体系架构、ONS/PML标准体系等。常见的物联网三层和四层的体系框架如图2-4、图2-5所示。

（一）感知层

感知层主要采集物理事件和数据，包括视频、音频、标识、各类物理量等数据。涉及的数据采集技术主要有RFID技术、传感器、定位技术、多媒体信息采集技术等。

（二）网络层

网络层是实现广泛互联的主体。网络层把感知到的数据正确、高效、安全地进行传输。目前，移动互联网技术、全球实时定位技术都已经成熟并投入商业应用。

（三）应用层

应用层包含支撑服务和应用服务。支撑服务用于支撑跨系统、跨应用间的互通、协同、共享功能。应用服务包括智能医疗、智能家居、智能交通等各行业应用。

物联网四层结构框架体系与三层技术框架体系在划分上不一样，主要内容相似。三层和四层架构的主要区别在于，四层结构框架体系中的支撑层将网络内的信息资源经过整合成为一个大型网络，为服务管理和行业应用建立一个可靠、高效的平台。核心技术主要有无线网络技术、传感器技术、RFID技术等。

1.无线网络技术

无线网络既包括近距离的Zigbee技术、红外技术及蓝牙技术，也包括允许建立远距离无线连接的数据和语音网络。

2.传感器技术

传感器技术是一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及信息识别与处理的设计、开发、测试、制造、应用及评价等方面内容。

3.RFID技术

物联网中RFID标签上存在规范而具有互通性的信息，通过无线数据通信网络，把信息采集到中央信息系统中以识别物体。

三、条形码识别技术起源与技术基础

（一）条形码识别技术起源

条形码最早出现于20世纪40年代，美国工程师贝尼·西尔佛和乔·伍德兰德开始研究用代码表示食品项目以及识别设备。20年后，IBM公司的工程师乔·伍德兰德成为北美地区统一代码（UPC条形码）的奠基人。1973年，美国统一代码委员会建立了UPC条形码系统，并全面实现条形码编码及其所标识商品编码标准化工作。同年，美国食品杂货业把UPC码作为该行业的通用标准码制，这是条形码技术在商业领域的首次应用。1974年，戴维·阿利尔推出39码。39码是第一个字母、数字式的条形码，现广泛应用于工业领域。进入20世纪80年代，全球各国开发出了密度更高的一维条形码，如EAN128码和93码。国际上大部分行业均选择使用条形码技术建立各自相关行业的条形码应用体系。

（二）条形码识别技术基础

条形码的分类多种多样，一般分为一维码和二维码。常用的一维码有39码、128码、93码、EAN/JAN码、UPC码等，如表2-3所示。

1.统一产品代码（UPC）

（1）只能表示数字。

（2）共有4个版本。

（3）最后一位为校验位。

（4）常用于美国和加拿大等地，主要用于工业、医药等行业。

2.Code 3 of 9

（1）表示字母、数字和其他符号，共43个字符。

（2）条形码的长度可变化。

（3）通常用“*”号作为起始、终止符，但没有校验码。

（4）主要用于工业、图书等领域。

3.Code128码

（1）表示高密度数据、字符串。

（2）有3种不同版本。

（3）字符串可变长。

（4）符号内含校验码。

（5）主要用于工业、零售批发等领域。

4.Interleaved 2-of-5（I2 of 5）

（1）表示数字。

（2）条形码的长度可变化。

（3）在所有一维条形码中的密度最高。

（4）主要用于商品、机场、包装识别、工业等领域。

5.二维码（PDF417）

（1）多行组成的条形码。

（2）当条形码受一定破坏时，其具有的错误纠正能力可以保证条形码被正确解码。

（3）主要用于医院、驾驶证、货物运输等领域。

条形码相较于其他应用，主要有以下特点：

（1）准确度高：键盘输入中，平均300个字符出现1个错误字符；条形码输入中，平均15 000个字符才出现1个错误字符。

（2）录入速度快：键盘输入中，打字员每分钟可录入90个字符，而使用条形码，其输入速度提高了5倍。

（3）经济实惠，组装灵活：使用条形码技术所需成本与费用较低。条形码符号可单独使用，也可以和设备组成识别系统，更可和其他控制设备组装成一整套自动化管理系统。

（4）制作简单：条形码标签容易制作，对印刷设备和材料一般无特殊要求。

（三）二维条形码标准及解码技术

1.二维条形码标准

20世纪80年代末，美国、日本等国家企业、研究机构开始进行二维码研究。全球研究二维码标准化的机构主要有国际自动识别制造商协会、美国标准化协会以及条形码自动识别技术委员会等。中国际自动识别制造商协会与美国标准化协会已完成Code16K、Code49、PDF417、QR Code等码制的符号标准；条形码自动识别技术委员会已完成QR码的国际标准ISO/IEC 18004：2006等码制的符号标准。我国对二维码的研究始于20世纪90年代，中国编码中心于2005年完成了汉信码研发工作。我国质量监督局制定了二维码国家标准，二维码网格矩阵码（SJ/T 11349-2006）和二维码紧密矩阵码（SJ/T 11350-2006）标准。

（1）PDF417码：

p ortable data file（PDF）意为“便携数据文件”。PDF417条形码是堆叠式二维码，是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，是大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的优先选择之一。

PDF417条形码具有信息容量大、编码范围广、译码可靠性高、修正错误能力强、易制作且成本低等特点。一个PDF417条形码最多可容纳1850个字符或1108个字节的二进制数据，如果只表示数字，则可容纳2710个数字。PDF417的纠错能力分为9级，级别越高，纠错能力越强。由于这种纠错功能，使得污损的PDF417条形码也可以被正确读出。目前我国已制定了PDF417条形码的国家标准。1997年12月PDF417条形码国家标准已经正式颁布。

（2）QR码：

quick response（QR），即快速反应的意思。QR码是属于开放式的标准，QR码比普通条形码可存储更多数据，亦无须像普通条形码般在扫描时需直线对准扫描仪。

QR码呈正方形，只有黑白两色。在3个角落，印有较小的像“回”字的正方图案，可帮助解码软件定位，用户不需要对准，无论以任何角度扫描，数据仍可被正确读取。符号规格为21×21模块（版本1）～177×177模块（版本40）（每一规格，每边增加4个模块）。数据表示方法：深色模块表示二进制“1”，浅色模块表示二进制“0”。除了标准的QR码之外，还存在一种称为“微型QR码”的格式，是QR码标准的缩小版本，主要是为了无法处理较大型扫描的应用而设计。微型QR码同样有多种标准，最高可存储35个字符。

QR码有容错能力，QR码图形如果有破损，仍然可以被机器读取内容，最高可以到7%～30%面积破损仍可被读取，所以QR码被广泛使用在运输箱外。相对的，容错能力越高，QR码图形面积越大，所以一般折衷使用15%的容错能力。

2.二维码的解码技术

二维码解码是二维码应用中非常关键的技术，目前二维码的解码技术主要分为三类：线性CCD和线性图像式解码技术、带光栅的激光阅读器解码技术和图像式解码技术。前面两类解码技术主要用于一维码以及堆叠式二维码的识别，优点在于简单、设备成本低，但是通常识别过程复杂。图像式解码技术结合了图像识别技术与二维码技术，具有更好的通用性，但是增加了识别算法的复杂度。图像式二维码解码技术主要分为两种，即基于图像处理的二维码解码技术和基于图像采集技术的二维码解码解码。

（1）基于图像处理的二维码解码技术：

是目前最常用的一种解码算法，大体上可以分为五个步骤：①图像预处理；②定位与校正；③读取数据；④纠错；⑤译码。在目前流行的各种二维码中，该技术都得到了广泛应用，如最常用的QR码、Data Matrix码的识别。

（2）基于图像采集技术的二维码解码技术：

主要包括CMOS图像传感器、FPGA、DSP等硬件在内的各个工作模块的功能实现，并在此平台上实现了二维码图片的识读，验证平台设计的正确性、可靠性。

（吴庆斌　曹晓均　刘子强）