作者：曹建峰
出版社：机械工业出版社
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物联网工程概论试读：
前言
物联网（Internet of Things）自从诞生以来，就引起了巨大关注，被认为是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。物联网将人类生存的物理世界网络化、信息化，将分离的物理世界和信息空间有效互连，代表了未来网络的发展趋势与方向，是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升。
物联网是一次技术革命，代表未来计算机和通信的发展方向，其发展依赖于在诸多领域内活跃的技术创新。物联网技术融合了RFID（射频识别）技术、WSN（无线传感器网络）技术、传感器技术、服务支撑技术、网络传输技术等多种技术。RFID是一种非接触式自动识别技术，可以快速读写、长期跟踪管理，在智能识别领域有着非常好的发展前景；以短距离、低功耗为特点的无线传输器网络的出现使得搭建无处不在的网络变为可能；以MEMS（微机电系统）为代表的传感器技术拉近了人与自然世界的距离；服务支撑技术则为发展物联网的应用提供了服务内容。
本书是为了配合物联网相关专业的专业前导课程“物联网工程概论”而编写的。作为一门专业前导性的课程，本书主要从物联网的层次、技术、服务、知识体系以及如何做一名合格的物联网工程师的角度，阐述了该课程包括的主要内容。本书试图通过大量的应用案例，帮助学生理解物联网的概念和应用，启发读者的学习兴趣，培养读者创新思维能力。本书既可以作为应用型本科物联网工程相关专业的课程教材，也可以作为高职高专物联网应用技术相关专业的课程教材。
全书共分8章，涉及物联网绪论、物联网感知层技术、物联网网络层技术、嵌入式技术及智能设备、物联网支撑技术、物联网安全技术及物联网技术应用。此外，考虑到高职学生特点，本书还以附录的形式提供了3个认知实验，便于学生对相关关键技术有感性的认识。无锡物联网研究院在三层架构的体系结构上，提出了“六域”的物联网国际标准，并于2014年获得通过。“六域”由用户域、目标对象域、感知控制域、服务提供域、运维管控域和资源交换域组成，本教材融入了这些物联网技术发展的最新成果。
本书由无锡职业技术学院刘全胜教授担任主编并负责组稿，彭力主审。参加本书编写工作的有刘全胜（第1章、第2.5～2.6节、第8章），吴孔培（第2.1～2.4，第6.5节），王荣（第3章），吴伟（第4章），王波（第5章），平毅（第6.1～6.4节），曹建峰（第7章）。无锡物联网产业研究院副院长沈杰及团队成员刘马飞、陈慧为本书的编写提供了部分材料，在此向他们表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免有疏误之处，希望得到读者的批评指正。编者教学建议《物联网工程概论》课程学时分配表第1章 绪论
物联网（Internet of Things，IOT）是新一代信息技术的高度集成和综合运用，具有渗透性强、带动作用大、综合效益好的特点。推进物联网的应用和发展，有利于促进生产生活和社会管理方式向智能化、精细化、网络化方向转变，对于提高国民经济和社会生活信息化水平，提升社会管理和公共服务水平，带动相关学科发展和技术创新能力增强，推动产业结构高速和发展方式转变具有重要意义。我国已将物联网作为战略性新兴产业的一项重要组成内容（摘自《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见<国发\[2013\]7号>》）。目前，在全球范围内物联网正处于快速发展阶段，作为一个新兴产业，物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。中国与德国、美国等国家一起，成为国际标准制定的主导国之一。
本章将简要介绍物联网领域目前的研究状况，从物联网概念定义、发展历程、体系架构、技术标准、关键技术和主要难点等方面进行阐述，并根据目前物联网标准发展的情况，结合具体的应用领域，以达到物联网工程及相关专业的学生学习、研究的目的。1.1 物联网的定义
国内外普遍认为物联网最初是由麻省理工学院Ashton教授在1999年提出，其理念是通过射频识别（RFID）（RFID+互联网）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，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、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“基于物与物相连的互联网”。根据物联网的定义，可得到如图1-1所示的物联网系统的一般结构。图1-1 物联网系统的一般结构
图1-1中，各类传感器、控制器、交互设备、视频、嵌入系统等设备，通过物联网连接起来，在总部和分布式控制中心的协调下，进行多种信息的采集与多种设备的控制，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。总之，物联网把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，即物物相息，以实现智能化识别和管理。
目前国内外对物联网还没有一个统一公认的标准。国内外不同机构对物联网的描述如下。
中国物联网校企联盟：将物联网定义为当下几乎所有技术与计算机、互联网技术的结合，实现物体与物体之间，环境以及状态信息的实时共享以及智能化的收集、传递、处理、执行。广义上说，当下涉及信息技术的应用，都可以纳入物联网的范畴。
根据中国物联网校企联盟的定义，可以看出，物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。其具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化三个重要特征。
国际电信联盟（ITU）：将物联网定义为通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
根据国际电信联盟的定义，物联网主要解决物品与物品（Thing to Thing，T2T），人与物品（Human to Thing，H2T），人与人（Human to Human，H2H）之间的互连。但是与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接，从而使得物品的连接更加简化，而H2H是指人之间不依赖于PC而进行的互连。因为互联网并没有考虑到对于任何物品连接的问题，故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。物联网顾名思义就是连接物品的网络，许多学者讨论物联网时，经常会引入一个M2M的概念，可以解释成为人到人（Man to Man）、人到机器（Man to Machine）、机器到机器（Machine to Machine）。从本质上而言，人与机器、机器与机器的交互，大部分是为了实现人与人之间的信息交互。
虽然不同组织对物联网的定义不完全相同，但从对物联网定义的本质分析，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后才出现的一种聚合性应用与技术提升，它是将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。因此物联网技术的发展几乎涉及了信息技术的方方面面，是一种聚合性、系统性的创新应用与发展，因此被称为信息产业的第三次革命性创新。物联网的本质主要体现在三个方面：一是互联网性，即对需要联网的物体要能够实现互联互通的互联网络；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别、物物通信的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。
总体上物联网可以概括为：通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程的声、光、电、热、力学、化学、生物、位置等需要的信息，通过各种可能的网络接入、实现物与物、物与人的泛在连接，从而实现对物品和过程的智能感知、识别和管理。因此，物联网有以下三个基本特征。
1）全面感知，利用射频识别技术（RFID）、传感器、二维码等技术随时随地获取物体的信息。
2）可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去。
3）智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。
但物联网中的“物”，不是普通意义的万事万物，这里的“物”要满足以下条件：①要有相应信息的接收器；②要有数据传输通路；③要有一定的存储功能；④要有处理运算单元（CPU）；⑤要有操作系统；⑥要有专门的应用程序；⑦要有数据发送器；⑧遵循物联网的通信协议；⑨在世界网络中有可被识别的唯一编号。1.2 发展概况1.2.1 物联网的起源
物联网的理念最早出现于比尔·盖茨1995年《未来之路》一书，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起世人重视。1998年，美国麻省理工学院（MIT）创造性地提出了当时被称作EPC系统的“物联网”的构想。1999年，“物联网”的概念由美国麻省理工学院的Auto-ID实验室首先提出，其提出的物联网概念以RFID技术和无线传感网络作为支撑。2005年，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出物联网的概念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有物体都可以通过互联网主动进行信息交换，射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。2008年11月，IBM提出“智慧地球”的构想，如图1-2所示的IBM“智慧地球”理念及创新。从此，物联网成为重要的经济振兴战略之一。图1-2 IBM“智慧地球”理念及创新1.2.2 国外物联网现状
当前，全球主要发达国家和地区均十分重视物联网的研究，并纷纷抛出与物联网相关的信息化战略。世界各国的物联网基本都处在技术研发与试验阶段，美国、日本、韩国、欧盟等都投入巨资深入研究探索物联网，并相继推出了区域战略规划。
1.美国
奥巴马总统就职后，很快回应了IBM所提出的“智慧地球”，将物联网发展计划上升为美国的国家级发展战略。该战略一经提出，在全球范围内得到极大的响应，物联网荣升为2009年最热门话题之一。那么什么是“智慧地球”呢？就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。智慧地球的核心是以一种更智慧的方法通过利用新一代信息技术来改变政府、公司和人们相互交互的方式，以便提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度。智慧方法具体来说是有以下三个特征：更透彻的感知、更全面的互联互通、更深入的智能化。
综合美国的物联网发展历程来看，美国并没有一个国家层面的物联网战略规划，但凭借其在芯片、软件、互联网、高端应用集成等领域的技术优势，通过龙头企业和基础性行业的物联网应用，已逐渐打造出一个实力较强的物联网产业，并通过政府和企业一系列战略布局，不断扩展和提升产业国际竞争力。
2.欧盟
欧盟围绕物联网技术和应用做了不少创新性工作。2006年成立了专门进行RFID技术研究的工作组，该工作组于2008年发布了《2020年的物联网——未来路线》，2009年6月又发布了《物联网——欧洲行动计划》，对物联网未来发展以及重点研究领域给出了明确的路线图，欧盟还通过重大项目支撑物联网发展。
在物联网应用方面，至2014年，欧洲M2M市场比较成熟，发展均衡，通过移动定位系统、移动网络、网关服务、数据安全保障技术和短信平台等技术支持，欧洲主流运营商已经实现了安全监测、自动抄表、自动售货机、公共交通系统、车辆管理、工业流程自动化、城市信息化等领域的物联网应用。
欧盟各国的物联网在电力、交通以及物流领域已经形成了一定规模的应用。欧洲物联网的发展主要得益于欧盟在RFID和物联网领域的长期、统一的规划和重点研究项目。
3.日本和韩国
日本最初从E-Japan升级为U-Japan，又在2009年8月，将“U-Japan”升级为“i-Japan”战略，提出“智慧泛在”构想，将物联网列为国家重点战略之一，致力于构建个性化的物联网智能服务体系，如图1-3所示。2009年10月，韩国颁布《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新的增长动力，并提出到2012年实现通过构建世界最先进的物联网基础设施，打造未来超一流信息通信技术强国的目标。韩国目前在物联网相关的信息家电、汽车电子等领域已居全球先进行列。图1-3 日本的i-Japan计划
法国、德国、澳大利亚、新加坡等国也在加紧部署物联网发展战略，加快推进下一代网络基础设施的建设步伐。各国竞相争夺信息技术制高点。1.2.3 国内物联网应用情况
我国在物联网领域的布局较早，中科院早在十年前就启动了传感网研究。在物联网这个全新的产业中，我国技术研发水平处于世界前列，中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的四个发起国和主导国之一，其影响力举足轻重。
2009年8月，时任总理温家宝在无锡视察时指出，要在激烈的国际竞争中，迅速建立中国的传感信息中心或“感知中国”中心。物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，并写入政府工作报告中。2009年11月，总投资超过2.76亿元的11个物联网项目在无锡成功签约。2010年工信部和发改委出台了一系列政策用以支持物联网产业化发展。到2020年之前我国已经规划了3.86万亿元的资金用于物联网产业的发展。
中国“十二五”规划已经明确提出，发展宽带融合安全的下一代国家基础设施，推进物联网的应用。物联网将会在智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境与安全检测、工业与自动化控制、医疗健康、精细农牧业、金融与服务业、国防军事十大领域重点部署。1.2.4 全球物联网应用情况
目前，全球物联网应用基本还处于发展初期，各个物联网应用相对独立。全球物联网应用主要以RFID、传感器、M2M等应用项目体现，大部分是中小规模部署的，还处于探索和尝试阶段，覆盖国家或区域性大规模应用较少。
基于RFID的物联网应用相对成熟，RFID在金融（手机支付）、交通（不停车付费等）、物流（物品跟踪管理）等行业已经形成了一定的规模性应用，其市场应用包括标签、阅读器、基础设施、软件和服务等方方面面。但自动化、智能化、协同化程度仍然较低。无线传感器应用仍处于试验与试用阶段，全球范围内基于无线传感器的物联网应用部署规模并不大，很多系统都在试用阶段。发达国家物联网应用整体上较领先。美、欧及日韩等信息技术能力和信息化程度较高的国家在应用深度、广度以及智能化水平等方面处于领先地位。美国是物联网应用最广泛的国家，物联网已在其军事、电力、工业、农业、环境监测、建筑、医疗、空间和海洋探索等领域投入应用，其RFID应用案例占全球59%。欧盟的物联网应用大多围绕RFID和M2M展开，在电力、交通以及物流领域已形成了一定规模的应用。
我国物联网应用已开展了一系列试点和示范项目，在电网、交通、物流、智能家居、节能环保、工业自动控制、医疗卫生、精细农牧业、金融服务业、公共安全等领域取得了初步进展。其中RFID技术目前主要应用在电子票证/门禁管理、仓库/运输/物流、车辆管理、工业生产线管理、动物识别等。相关部门还投入大量资金实施了目前世界上最大的RFID项目（第二代居民身份证）。我们所熟知的交通一卡通、校园一卡通等也是应用了此项技术。但目前我国物联网还处在零散应用的产业启动期，距离大规模产业化推广还存在很大差距。对于物联网未来的发展，有三个值得关注的发展趋势：
1）互联互通设备数据的急剧增加以及设备体积的极度缩小。
2）物体通过移动网络连接，永久性地被使用者所携带并可被定位。
3）系统以及物体在互联互通过程中异质性和复杂性在现有和未来的应用里变得极强。1.3 物联网的体系结构
虽然物联网的定义目前没有统一的说法，但物联网的技术体系结构已基本得到统一认识，常见的有分为感知层、网络层、应用层三个大层次，这三层的物联网结构体系得到了大家的广泛认可。但在这感知层、网络层、应用层三层体系结构中，没有涉及物联网应用的相关法律、法规方面的内容，这已严重影响了物联网的发展。无锡物联网研究院在此三层的体系结构上，又提出了“六域”的物联网国际标准，并于2014年获得通过。下面以最新的物联网“六域”体系结构对物联网进行阐述。1.3.1 概念模型图1-4 物联网概念模型
物联网概念模型是从业务功能角度对物联网系统的抽象，由用户域、目标对象域、感知控制域、服务提供域、运维管控域和资源交换域组成。域之间的关联关系表示域之间存在逻辑关联或者物理连接。物联网概念模型见图1-4所示。
1.用户域
用户域是不同类型物联网用户和用户系统的集合。物联网用户可通过用户系统及其他域的实体获取对目标对象域中实体感知和操控的服务。
2.目标对象域
目标对象域是物联网用户期望获取相关信息或执行相关操控的物理对象集合，包括感知对象和控制对象。目标对象域中的物理对象可与感知控制域中的实体（如传感网系统、标签自动识别系统、智能设备接口系统等）以非数据通信类接口或数据通信类接口的方式进行关联，实现对物理对象的信息获取和操控。
3.感知控制域
感知控制域是各类获取感知对象信息与操控控制对象的系统的集合。感知控制域中的感知控制系统为其他域提供远程的管理和服务，并可提供本地化的管理和服务。
4.服务提供域
服务提供域是实现物联网业务服务和基础服务的实体集合，满足用户对目标对象域中物理对象的感知和操控的服务需求。
5.运维管控域
运维管控域是物联网系统运行维护和法规监管等的实体集合。运维管控域从系统运行技术性管理和法律法规符合性管理两大方面保证物联网其他域的稳定、可靠、安全运行等。
6.资源交换域
资源交换域是根据自身物联网系统与其他相关系统的应用服务需求，实现信息资源和市场资源的交换与共享功能的实体集合。资源交换域可为其他域提供自身系统所缺少的外部信息资源，以及对外提供其他域的相关信息资源。1.3.2 物联网应用系统参考体系结构
1.应用系统参考体系结构图
物联网应用系统参考体系结构是基于物联网概念模型，从面向应用系统功能组成的角度，描述物联网应用系统各业务功能域中主要实体及其实体之间的关系。如图1-5所示给出了面向应用的物联网参考体系结构包含的主要实体和实体之间的接口。图1-5 物联网应用系统参考体系结构
2.实体描述
表1-1给出了应用系统参考体系结构中各个域包含的实体。表1-1 物联网应用系统参考体系结构中的实体描述1.3.3 接口描述
表1-2给出了物联网应用系统参考体系结构中主要接口的描述。表1-2 物联网应用系统参考体系结构中主要接口描述（续）（续）1.4 物联网关键技术和应用难点
物联网的涵盖范围广阔，涉及学科领域众多，运用到的原理技术复杂，至今还未能达成世界公认的统一技术标准，但通过分析其技术基础，以及展望未来应用的需求，发展了物联网技术主要涉及架构技术、标识技术、通信技术、网络技术、软件技术、硬件技术、安全技术、标准等，这些技术构成了目前研究平台以及后续发展的基础，汇总得到了物联网关键技术，如表1-3所示。表1-3 物联网关键技术描述表1-4 物联网发展亟待解决的主要问题（续）本章小结
物联网的发展是随着互联网、传感器等发展而发展的。理念是在计算机和互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信等技术，构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网。
物联网分为硬件的感知控制层、网络传输层，软件的应用服务层，其中每一部分既相互独立，又密不可分。物联网标准体系既可以分为感知控制层标准、网络控制层标准、应用服务层标准，又包含共性支撑标准。目前介入物联网领域主要的国际标准组织有IEEE、ISO、ETSI、ITU-T，3GPP、3GPP2等，不同的标准组织基本上都按照各自的体系进行研究，采用的概念也各不相同。
RFID和EPC技术、传感控制技术、无线网络技术、组网技术以及人工智能技术为物联网发展应用的关键支撑技术，而其推广应用的主要难点体现在技术标准问题、数据安全问题、IP地址问题、终端问题。
物联网的显著特点是技术高度集成、学科复杂交叉、综合应用广泛，目前发展应用主要体现在智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、智能医疗等领域。
总之，通过本章的学习，能够掌握物联网的核心问题、本质特点以及最高目标，应对物联网的概念定义、基本组成结构、关键技术和主要问题以及发展应用领域有一个基本了解，并建立物联网的整体概念，为后续各章节的学习打下良好的基础。习题与思考题
1-1简述物联网的定义，分析物联网的“物”的条件。
1-2简述物联网应具备的三个特征。
1-3简要概述物联网的框架结构。
1-4分析物联网的关键技术和应用难点。
1-5举例说明物联网的应用领域及前景。第2章 射频识别（RFID）技术
在“沙漠风暴”战争中，美军成堆的军用物资拥挤在各个货栈或仓库之中，或者没有标记，不知集装箱或货柜中所装为何物；或者没有人认领，不知道这些货物是发给谁或是谁要的。要搞清楚集装箱内所装何物，有时甚至要打开包装箱才知道。为此，美国国防部主持开发了一个“联合后勤管理信息系统”，对军中一切资产进行自动识别和跟踪，包含从供应商订货开始，直接运输、仓储及送达用户手中的全过程。这套系统利用了“射频识别（Ra⁃dio Frequency Identification，RFID）标签”取代原有识别技术——条形码，安装在每个集装箱、货柜或特定的装备上。在美军运送货物的每条路线的关卡或检查站，都装有“射频询问器”。射频询问器可从集装箱或货柜所带的“射频识别标签”上取得所载物资的标号信息（图2-1）。美军的这项军用信息技术很快就向民用转移，并引起了极大的关注，使得自动识别技术发展成一种能够让物品“开口说话”的技术。当前RFID技术研究与应用的目标是形成在全球任何地点、任何时间、自动识别任何物体的物品识别体系。RFID技术为物联网的发展奠定了重要的基础。图2-1 军事物资仓储管理2.1 自动识别技术简介
随着人类社会步入信息时代，人们所获取和处理的信息量不断加大。传统的信息采集输入是通过人工手段录入的，不仅劳动强度大，而且数据误码率高。那么怎么解决这一问题呢？答案是以计算机和通信技术为基础的自动识别技术。自动识别技术将数据自动采集，对信息自动识别，并自动输入计算机，使得人类得以对大量数据信息进行及时、准确的处理。
自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技术、磁条磁卡技术、IC卡技术、光学字符识别、射频技术、声音识别及视觉识别等集计算机、光、磁、物理、机电、通信技术为一体的高新技术学科。中国物联网校企联盟认为自动识别技术可以分为：光符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、条形码技术、IC卡技术、射频识别技术（RFID）。这里简要介绍常见的条形码技术以及IC卡技术。2.1.1 条形码技术
条形码（barcode），读者都很熟悉，在我们身边随处可见，是随着计算机与信息技术的发展和应用而诞生的，条形码技术是集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新型自动识别技术。常见的条形码有一维条形码和二维条形码。因为条形码是印刷在商品包装上的，所以其成本几乎为“零”。如图2-2所示。图2-2 一维条形码和二维条形码a）一维条形码 b）二维条形码
1.一维条形码
一维条形码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。一维条形码只是在一个方向（一般是水平方向）表达信息，而在垂直方向则不表达任何信息，其一定的高度通常是为了便于阅读器的对准。
常见的一维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。一维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广泛的应用。
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，69代表中国大陆，471代表中国台湾地区，489代表中国香港特区。制造厂商代码的赋权在各个国家或地区的物品编码组织，中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。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1～12数字代码的正确性。商品条形码是指由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标识，用以表示一定的商品信息的符号。其中条为深色、空为浅色，用于条形码识读设备的扫描识读。其对应字符由一组阿拉伯数字组成，供人们直接识读或通过键盘向计算机输入数据使用。这一组条空和相应的字符所表示的信息是相同的。
一维条形码的应用可以提高信息录入的速度，减少差错率，但是一维条形码也存在一些不足之处：①数据容量较小，只有30个字符左右；②只能包含字母和数字；③条形码尺寸相对较大（空间利用率较低）；④条形码遭到损坏后便不能阅读等。
2.二维条形码
在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条形码，称为二维条形码（2-dimensional bar code）。与一维条形码一样，二维条形码也有许多不同的编码方法，称为码制。就这些码制的编码原理而言，通常可分为以下三种类型。
1）线性堆叠式二维条形码：在一维条形码编码原理的基础上，将多个一维码在纵向堆叠而产生的。典型的码制如Code 16K、Code 49.PDF417等。
2）矩阵式二维条形码：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。典型的码制如Aztec、Maxi Code、QR Code、Data Matrix等。
3）邮政码：通过不同长度的条进行编码，主要用于邮件编码，如Postnet、BPO 4-State。
二维条形码相对于一维条形码，主要有以下几个优点：
1）二维条形码包含更多的信息量。二维条形码采用了高密度编码，小小的图形中可以容纳1850个大写字母、2710个数字、1108个字节或500多个汉字，是普通条码信息容量的几十倍。如此大的信息量能够让人们把更多种样式的内容转换成二维条形码，通过扫描传播更大的信息量。
2）编码范围广。二维条形码可以把图片、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，也可表示图像数据。
3）二维条形码译码准确。我们知道二维条形码只是一个图形，想要获取图形中的内容就需要对图形进行译码。二维条形码的译码误码率为千万分之一，比普通条形码的译码误码率的百分之二要低很多。
4）能够引入加密措施。和一维条形码相比，二维条形码的保密性更好。通过在二维条形码中引入加密措施，能更好地保护译码内容不被他人获得。
5）成本低，易制作。二维条形码有用非常多的内容，但其成本并不高，并且能够长久使用。
相对其他自动识别技术，二维条形码只是主要解决了一维条形码信息标识容量问题。条形码是“可视技术”，读写器在人的指导下工作，只能接收它视野范围内的条形码，并且条形码只能识别生产者和产品，贴在所有同一种产品包装上的条形码都一样，无法识别单品。这些问题的解决还需要新技术的使用。2.1.2 磁卡与IC卡技术
1.磁卡
磁卡是一种卡片状的磁性记录介质，利用磁性载体记录字符与数字信息，用来标识身份或其他用途。磁卡由高强度、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，以液体磁性材料或磁条为信息载体，将液体磁性材料涂复在卡片上或将宽约6～14 mm的磁条压贴在卡片上。磁条上有三条磁道：磁道1与磁道2是只读磁道，在使用时磁道上记录的信息只能读出而不允许写或修改；磁道3为读写磁道，在使用时可以读出，也可以写入。磁道1可记录数字（0～9）、字母（A～Z）和其他一些符号（如括号、分隔符等），最大可记录79个数字或字母。磁道2和3所记录的字符只能是数字（0～9）。磁道2最大可记录40个字符，磁道3最大可记录107个字符。磁卡磁条结构如图2-3所示。图2-3 磁卡磁条结构
磁卡的信息读写相对简单容易，使用方便，成本低，从而较早地获得了发展，并进入了多个应用领域，如电话预付费卡、收费卡、预约卡、门票、储蓄卡、信用卡等。信用卡是磁卡较为典型的应用。发达国家从20世纪60年代就开始普遍采用了金融交易卡支付方式。其中，美国是信用卡的发祥地，日本首创了用磁卡取现金的自动取款机及使用磁卡月票的自动检票机。1972年，日本制定了磁卡的统一规范，1979年又制定了磁条存取信用卡的日本标准JIS-B-9560、9561等。国际标准化组织也制定了相应的标准。
虽然磁卡得到了广泛应用，但磁卡受压、被折、长时间曝晒、高温，磁条划伤弄脏等也会使磁条卡无法正常使用。同时，在刷卡器上刷卡交易的过程中，刷卡器磁头的清洁与老化程度，数据传输过程中受到干扰，系统错误动作，收银员操作不当等都可能造成磁条卡无法使用。
2.IC卡
IC卡（Integrated Circuit Card，集成电路卡），也称智能卡（Smart card）、智慧卡（Intel⁃ligent card）、微电路卡（Microcircuit card）或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式。IC卡与读写器之间的通信方式可以是接触式，也可以是非接触式。根据通信接口把IC卡分成接触式IC卡、非接触式IC卡和双界面卡（同时具备接触式与非接触式通信接口）。如图2-4所示。
接触式IC卡是通过IC卡读写设备的触点与IC卡的触点接触后进行数据的读写。国际标准ISO 7816对此类卡的机械特性、电器特性等进行了严格的规定。
非接触式IC卡与IC卡设备无电路接触，是通过非接触式的读写技术进行读写（例如光或无线技术）。其内嵌芯片除了CPU、逻辑单元、存储单元外，还增加了射频收发电路。因此非接触式IC卡又称为射频卡。
双界面卡是由PVC层合芯片线圈而成，基于单芯片的，集接触式与非接触式接口为一体的智能卡，它有两个操作界面，对芯片的访问，可以通过接触方式的触点，也可以通过相隔一定距离，以射频方式来访问芯片。卡片上只有一个芯片，两个接口，通过接触界面和非接触界面都可以执行相同的操作。两个界面分别遵循两个不同的标准，接触界面符合ISO/IEC 7816标准；非接触符合ISO/IEC 14443标准。
与磁卡相比较，IC卡具有以下优缺点：存储容量大；安全保密性好，不容易被复制，IC卡上的信息能够随意读取、修改、擦除，但都需要密码；使用寿命长，可以重复充值；IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息保存年限长，读写次数在数万次以上。但IC卡的制造成本高。图2-4 IC卡a）接触式IC卡 b）非接触式IC卡 c）双界面IC卡
以RFID技术为基础的非接触式IC卡，即射频卡，使用的是通过无线电波进行数据传递的一种非接触式自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。与条码识别、磁卡识别技术和接触式IC卡识别技术等相比，它以特有的无接触、抗干扰能力强、可同时识别多个物品等优点，逐渐成为自动识别中最优秀的和应用领域最广泛的技术之一，是目前最重要的自动识别技术。2.2 RFID的概念与系统组成1.RFID的概念与特点
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是20世纪80年代发展起来的一种新兴的非接触式自动识别技术，是一种利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现非接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术。应用RFID技术，可识别高速运动的物体，并可同时识别多个标签，操作快捷、方便。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可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。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。
RFID技术是一项易于操控，简单实用且特别适合于自动化控制的灵活性应用技术，其具备的独特优越性是其他识别技术无法企及的。它既可支持只读工作模式，也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下；可进行高度的数据集成。另外，由于该技术很难被仿冒、侵入，使得RFID技术具备了极高的安全防范能力。
与传统条形码识别技术相比，RFID技术有以下优势：
1）快速扫描。条形码一次只能有一个条形码受到扫描；RFID辨识器可同时辨识读取数个RFID标签。
2）体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。
3）抗污染能力和耐久性。传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强的抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。
4）可重复使用。现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。
5）穿透性和无屏障阅读。在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。
6）数据的记忆容量大。一维条形码的容量是50 B，二维条形码最大的容量可储存2至3000字符，RFID最大的容量则有数MB。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。
7）安全性。由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。2.RFID系统组成
在学校里，“校园一卡通”是射频识别技术最成功、最典型的应用案例。如图2-5所示。这个系统中，大家常见的主要包括三个部分：使用的卡，读卡的机器以及发卡、充值用的计算机管理系统。“校园一卡通”的管理模式代替了传统的做法，在学校范围内，凡有现金、票证或需要识别身份的场合，均可采用一张射频卡来完成，系统涵盖了就餐、消费、考勤、洗澡堂、教室、图书及宿舍集中用电、用水、出入门禁等方面的管理，使得学校的各项管理工作变得高效、便捷。图2-5 校园卡应用图
总结校园卡的系统设计，可以得出RFID系统包括：射频（识别）标签（卡片）、射频识别读写设备（读写器）、应用软件管理系统（计算机系统）。一个典型的RFID应用系统的结构如图2-6所示。图2-6 典型的RFID应用系统的结构
RFID标签（TAG）：又称为射频标签、电子标签，主要由存有识别代码的大规模集成线路芯片（控制电路与存储器）和收发天线构成。每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。标签是被识别的目标，是信息的载体。
RFID读写器（Reader）：射频识别读写设备，是连接信息服务系统与标签的纽带，主要起到目标识别和信息读取（有时还可以写入）的功能，包括天线、控制电路与接口电路。
应用软件管理系统：针对各个不同应用领域的管理软件。2.3 RFID的基本工作原理
RFID的基本工作原理如图2-7所示。图2-7 RFID的基本工作原理
首先读写器接收管理系统的指令，发射特定频率的无线电波能量，当射频标签进入感应磁场后，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（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），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的处理。
在图2-7中，读写器与电子标签之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。以RFID读写器及射频标签之间的通信及能量感应方式来看，大致上可以分成电感耦合（Inductive Coupling）及电磁后向散射耦合（Back Scatter Coupling）两种。一般低频的RFID大都采用第一种方式，而较高频的RFID大多采用第二种方式。
电感耦合：变压器模型，依据的是电磁感应定律。读写器一方的天线相当于变压器的初级线圈，射频标签一方的天线相当于变压器的次级线圈，因此，也称电感耦合方式为变压器方式。电感耦合方式的耦合中介是空间磁场，耦合磁场在读写器初级线圈与射频标签次级线圈之间构成闭合回路。如图2-8所示。图2-8 RFID电感耦合方式示意
电磁反向散射耦合：雷达原理模型，依据的是电磁波的空间传播规律。读写器的天线将读写器产生的读写射频能量以电磁波的方式发送到定向的空间范围内，形成读写器的有效阅读区域，位于读写器有效阅读区域内的射频标签从读写器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频标签内部的电路及天线，将标签内存储的数据信息传
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