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传统条形码、二维条形码、无线射频识别技术纵览

  

为了提高计算机识别的效率,增强其灵活性和准确性,使人们摆脱繁杂的统计识别工作,传统条形码、二维条形码、无线射频识别技术先后问世。虽然它们各有千秋,但无论是哪一项技术都是为了及时获取物品的各种信息并且进行快速、准确的处理。

  传统条形码(亦称一维条形码)技术相对成熟,在社会生活中处处可见,在全世界得到了极为广泛的应用。它作为计算机数据采集手段,以快速、准确、成本低廉等诸多优点迅速进入商品流通、自动控制、以及档案管理等各种领域,也是目前我国使用最多的一种条形码。但是由于传统条形码是一维的,它在垂直方向上不带任何信息,信息密度低,而且不能够显示汉字,容易因为磨损或皱折而被拒读,这在很大程度上限制了传统条码的应用范围。

  一、狭小的一维空间

  传统条形码由一组按一定编码规则排列的条、空符号组成,表示一定的字符、数字及符号信息。条形码系统是由条形码符号设计、条形码制作以及扫描阅读组成的自动识别系统,是迄今为止使用最为广泛的一种自动识别技术。
   到目前为止,常见的条形码的码制大概有二十多种,其中广泛使用的码制包括EAN码、Code39码、交叉25码、UPC码、128码、Code93码,以及CODABAR码等。不同的码制具有不同的特点,适用于特定的应用领域,下面介绍一些典型的码制:

  1. UPC码(统一商品条码)

  UPC码在1973年由美国超市工会推行,是世界上第一套商用的条形码系统,主要应用在美国和加拿大。UPC码包括UPC-A和UPC-E两种系统,UPC只提供数字编码,限制位数(12位和7位),需要检查码,允许双向扫描,主要应用在超市与百货业。

  2. EAN 码(欧洲商品条码)

  1977年,欧洲12个工业国家在比利时签署草约,成立了国际商品条码协会,参考UPC码制定了与之兼容的EAN码。EAN码仅有数字号码,通常为13位,允许双向扫描,缩短码为8位码,也主要应用在超市和百货业。

  3. ITF25码(交叉25码)

  ITF25码的条码长度没有限定,但是其数字资料必须为偶数位,允许双向扫描。ITF25码在物流管理中应用较多,主要用于包装、运输、国际航空系统的机票顺序编号、汽车业及零售业。

  4. Code39码

  在Code39码的9个码素中,一定有3个码素是粗线,所以Code39码又被称为“三九码”。除数字0-9以外,Code39码还提供英文字母A-Z以及特殊的符号,它允许双向扫描,支持44组条码,主要应用在工业产品、商业资料、图书馆等场所。

  5. CODABAR码(库德巴码)

  这种码制可以支持数字、特殊符号及4个英文字母,由于条码自身有检测的功能,因此无需检查码。主要应用在工厂库存管理、血库管理、图书馆借阅书籍及照片冲洗业。

  6. ISBN码(国际标准书号)

  ISBN是因图书出版、管理的需要以及便于国际间出版物的交流与统计,而出现的一套国际统一的编码制度。每一个ISBN码由一组有“ISBN”代号的十位数字所组成,用以识别出版物所属国别地区、出版机构、书名、版本以及装订方式。这组号码也可以说是图书的代表号码,大部分应用于出版社图书管理系统。

  7. Code128码

  Code128码是目前中国企业内部自定义的码制,可以根据需要来确定条码的长度和信息。这种编码包含的信息可以是数字,也可以包含字母,主要应用于工业生产线领域、图书管理等。

  8. Code93码

  这种码制类似于Code39码,但是其密度更高,能够替代Code39码。

  条形码技术给人们的工作、生活带来的巨大变化是有目共睹的。然而,由于一维条形码的信息容量比较小,例如商品上的条码仅能容纳几位或者几十位阿拉伯数字或字母,因此一维条形码仅仅只能标识一类商品,而不包含对于相关商品的描述。只有在数据库的辅助下,人们才能通过条形码得到相关商品的描述。换言之,如果离开了预先建立的数据库,一维条形码所包含的信息将会大打折扣。由于这个原因,一维条形码在没有数据库支持或者联网不方便的地方,其使用就受到了相当的限制。

  在另一方面,一维条形码无法表示汉字或者图像信息。因此,在一些需要应用汉字和图像的场合,一维条形码就显得很不方便。而且,即使我们建立了相应的数据库来存储相关产品的汉字和图像信息,这些大量的信息也需要一个很长的条形码来进行标识。而这种长的条形码会占用很大的印刷面积,从而对印刷和包装带来难以解决的困难。因此,人们希望条形码中直接包含产品相关的各种信息,而不需要根据条形码从数据库中再次进行这些信息的查询。

  基于上述的种种原因,现实的应用需要一种新的码制,这种码制除了具备一维条形码的优点外,还应该具备信息容量大、可靠性高、保密防伪性强等优点。

  20世纪70年代,在计算机自动识别领域出现了二维条形码技术,这是在传统条形码基础上发展起来的一种编码技术,它将条形码的信息空间从线性的一维扩展到平面的二维,具有信息容量大、成本低、准确性高、编码方式灵活、保密性强等诸多优点。因此自1990年起,二维条形码技术在世界上开始得到广泛的应用,经过几年的努力,现已应用在国防、公共安全、交通运输、医疗保健、工业、商业、金融、海关及政府管理等领域。

  二、从“线”到“面”的飞跃

  二维条形码VS传统条形码

  与一维条形码只能从一个方向读取数据不同,二维条形码可以从水平、垂直两个方向来获取信息,因此,其包含的信息量远远大于一维条形码,并且还具备自纠错功能。但二维条形码的工作原理与一维条形码却是类似的,在进行识别的时候,将二维条形码打印在纸带上,阅读条形码符号所包含的信息,需要一个扫描装置和译码装置,统称为阅读器。阅读器的功能是把条形码条符宽度、间隔等空间信号转换成不同的输出信号,并将该信号转化为计算机可识别的二进制编码输入计算机。扫描器又称光电读入器,它装有照亮被读条码的光源和光电检测器件,并且能够接收条码的反射光,当扫描器所发出的光照在纸带上,每个光电池根据纸带上条码的有无来输出不同的图案,来自各个光电池的图案组合起来,从而产生一个高密度信息图案,经放大、量化后送译码器处理。译码器存储有需译读的条码编码方案数据库和译码算法。在早期的识别设备中,扫描器和译码器是分开的,目前的设备大多已合成一体。

  二维条形码具有以下几个特点:

  存储量大。二维条形码可以存储1100个字,比起一维条形码的15个字,存储量大为增加,而且能够存储中文,其资料不仅可应用在英文、数字、汉字、记号等,甚至空白也可以处理,而且尺寸可以自由选择,这也是一维条形码做不到的。

  抗损性强。二维条形码采用故障纠正的技术,遭受污染以及破损后也能复原,即使条码受损程度高达50%,仍然能够解读出原数据,误读率为6100万分之一。

  安全性高。在二维条形码中采用了加密技术,所以使安全性大幅度提高。

  可传真和影印。二维条形码经传真和影印后仍然可以使用,而一维条形码在经过传真和影印后机器就无法进行识读。

  印刷多样性。对于二维条形码来讲,它不仅可以在白纸上印刷黑字,还可以进行彩色印刷,而且印刷机器和印刷对象都不受限制,印刷起来非常方便。

  抗干扰能力强。与磁卡、IC卡相比,二维条形码由于其自身的特性,具有强抗磁力、抗静电能力。

  码制更加丰富

  二维条码可以直接印刷在被扫描的物品上或者打印在标签上,标签可以由供应商专门打印或者现场打印。所有条码都有一些相似的组成部分,它们都有一个空白区,称为静区,位于条码的起始和终止部分边缘的外侧。校验符号在一些码制中也是必须的,它可以用数学的方法对条码进行校验以保证译码后的信息正确无误。与一维条形码一样,二维条形码也有许多不同的编码方法。根据这些编码原理,可以将二维条形码分为以下三种类型:

  一是线性堆叠式二维码。就是在一维条形码的基础上,降低条码行的高度,安排一个纵横比大的窄长条码行,并将各行在顶上互相堆积,每行间都用一模块宽的厚黑条相分隔。典型的线性堆叠式二维码有Code 16K、Code 49、PDF417等。

  其次是矩阵式二维码。它是采用统一的黑白方块的组合,而不是不同宽度的条与空的组合,它能够提供更高的信息密度,存储更多的信息,与此同时,矩阵式的条码比堆叠式的具有更高的自动纠错能力,更适用于在条码容易受到损坏的场合。矩阵式符号没有标识起始和终止的模块,但它们有一些特殊的“定位符”,定位符中包含了符号的大小和方位等信息。矩阵式二维条码和新的堆叠式二维条码能够用先进的数学算法将数据从损坏的条码符号中恢复。典型的矩阵二维码有Aztec、Maxi Code、QR Code、Data Matrix等。

  第三种是邮政码。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等。

  在上述介绍的二维条形码中,PDF417码由于解码规则比较开放和商品化,因而使用比较广泛,它是Portable Data File的缩写,意思是可以将条形码视为一个档案,里面能够存储比较多的资料,而且能够随身携带。它在1992年正式推出,1995年美国电子工业联谊会条码委员会在美国国家标准协会赞助下完成二维条形码标准的草案,以作为电子产品产销流程使用二维条形码的标准。PDF417码是一个多行结构,每行数据符号数相同,行与行左右对齐直接衔接,其最小行数为3行,最大行数为90行。而Data Matrix码则主要用于电子行业小零件的标识,如Intel奔腾处理器的背面就印制了这种码。Maxi Code 是由美国联合包裹服务公司研制的,用于包裹的分拣和跟踪。Aztec 是由美国韦林公司推出的,最多可容纳3832个数字、3067个字母或1914个字节的数据。

  另外,还有一些新出现的二维条形码系统。包括由UPS公司的Figrare lla等人研制的适用于分布环境下运动特性的UPS Code,这种二维条形码更加适合自动分类应用场合。而美国Veritec公司提出一种新的二维条形码——Veritec Symbol,是一种用于微小型产品上的二进制数据编码系统,其矩阵符号格式和图像处理系统已获得美国专利,这种二维码具有更高的准确性和可重复性。此外,飞利浦研究实验室的WILJ WAN GILS等人也提出了一种新型的二维码方案,即用标准几何形体圆点构成自动生产线上产品识别标记的圆点矩阵二维码表示法。这一方案由两大部分组成,一是源编码系统,用于把识别标志的编码转换成通信信息字;另一部分是信道编码系统,用于对随机误码进行错误检测和校正。还有一种二维条形码叫点阵码,它除了具备信息密度高等特点外,也便于用雕刻腐蚀制板工艺把点码印制在机械零部件上,用摄像设备识读和图像处理系统识别,这也是一种具有较大应用潜力的二维编码方案。

  二维条形码技术的发展主要表现为三方面的趋势:一是出现了信息密集度更高的编码方案,增强了条码技术信息输入的功能;二是发展了小型、微型、高质量的硬件和软件,使条码技术实用性更强,扩大了应用领域;三是与其他技术相互渗透、相互促进,这将改变传统产品的结构和性能,扩展条码系统的功能。

  二维条形码的阅读器

  在二维条形码的阅读器中有几项重要的参数:分辨率、扫描背景、扫描宽度、扫描速度、一次识别率、误码率,选用的时候要针对不同的应用视情况而定。普通的条码阅读器通常采用以下三种技术:光笔、CCD、激光,它们都有各自的优缺点,没有一种阅读器能够在所有方面都具有优势。

  光笔是最先出现的一种手持接触式条码阅读器,使用时,操作者需将光笔接触到条码表面,通过光笔的镜头发出一个很小的光点,当这个光点从左到右划过条码时,在“空”部分,光线被反射,“条”的部分,光线将被吸收,因此在光笔内部产生一个变化的电压,这个电压通过放大、整形后用于译码。

  CCD为电子耦合器件,比较适合近距离和接触阅读,它使用一个或多个LED,发出的光线能够覆盖整个条码,它所关注的不是每一个“条”或“空”,而是条码的整体,并将其转换成可以译码的电信号。

  激光扫描仪是非接触式的,在阅读距离超过30cm时激光阅读器是惟一的选择。它的首读识别成功率高,识别速度相对光笔及CCD更快,而且对印刷质量不好或模糊的条码识别效果好。

  射频识别技术改变了条形码技术依靠“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更大的“无形”信息。它最早出现在20世纪80年代,最初应用在一些无法使用条码跟踪技术的特殊工业场合,例如在一些行业和公司中,这种技术被用于目标定位、身份确认及跟踪库存产品等。射频识别技术起步较晚,至今没有制订出统一的国际标准,但是射频识别技术的推出绝不仅仅是信息容量的提升,它对于计算机自动识别技术来讲是一场革命,它所具有的强大优势会大大提高信息的处理效率和准确度。

  三、从“有形”到“无形”的革命

  优势巨大

  与条形码识别系统相比,无线射频识别技术具有很多优势:通过射频信号自动识别目标对象,无需可见光源;具有穿透性,可以透过外部材料直接读取数据,保护外部包装,节省开箱时间;射频产品可以在恶劣环境下工作,对环境要求低;读取距离远,无需与目标接触就可以得到数据;支持写入数据,无需重新制作新的标签;使用防冲突技术,能够同时处理多个射频标签,适用于批量识别场合;可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位,提供位置信息。

  由于RFID产品的优点,无线射频识别技术在国外发展得很快,它已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域,例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。在澳大利亚,RFID技术被用于机场旅客行李管理,提高了机场的工作效率,达到了理想的效益;而在地球的另一面,欧共体宣布1997年开始生产的新型汽车必须具有基于RFID技术的防盗系统;瑞士国家铁路局也将在瑞士的全部旅客列车上安装RFID自动识别系统,调度员可以实时掌握火车运行情况,不仅利于管理,还大大减小发生事故的可能性;德国汉莎航空公司正在尝试用RFID电子标签来代替飞机票,从而改变了传统的机票购销方式。时至今日,射频识别技术的新应用仍然层出不穷。

  由于RFID芯片的小型化和高性能芯片的实用化,射频识别标签不仅帮助不同领域的管理者追踪物品的位置和搬运情况,还可以实时报告标签上附带的其他信息,比如温度和压力等。射频标签是通过连接到数据网络上的读写器来提供此类信息的,迄今为止射频识别标签主要作为条码的延伸而应用于工厂自动化或者库存管理等领域,但最终说来,尺寸更小的射频识别标签将应用于更先进的领域内。例如射频识别标签可以促进网络家电的应用,家电如果拥有网络功能,使用者即便在户外也能控制它们,例如可以检查冰箱中的食物,帮助使用者决定需要购买什么物品,在无线操作终端上选择食物烹饪的方式等。当前,电气设备和家电产品制造商已经开始开发通用软、硬件,并正在考虑制定射频识别标签在各种不同家电上的应用标准。将射频识别标签应用于医院也能带来好处,病人一进入医院,就在他(她)身上佩戴标签,标签内含有病人的识别信息,医生和护士可以通过标签内的数据来识别病人的身份,避免认错病人,标签和读写器也能帮助医生和护士确认所使用的药物是否合适,从而避免医疗事故的发生。

  RFID开始进入实用阶段

  据统计,目前全世界已经安装了约5000个射频识别系统,实际年销售额约为9.64亿美元,但主要用于宠物与野生动物跟踪、公路和停车收费等有限的领域,而事实上,RFID有望大展身手的领域远远不止这些。现在,已经有为数不少的企业试验性地将其运用到一些新的领域。

  吉列公司是世界上最大的剃须刀制造商,该公司的产品因为体积较小、单价较高而经常受到小偷的“青睐”。为此,吉列公司决定采用射频识别技术来防止产品被盗,成立了由高层经理组成的项目执行委员会和射频识别项目办公室,分别负责指导协调项目的日常管理工作,并将有关职责列入了员工目标管理的绩效考核。吉列将该项目分成两个阶段,从内部运营与零售商货架管理两个方面着手实施:首先,吉列选择“锋速3”在少数几个地方进行货架试验,待成功后再推广到所有8个产品系列;在第二阶段,吉列计划将其融入整个供应链,实现产品从工厂到零售商配货中心、到货架再到最终消费者手中的全过程无缝跟踪与管理。

  目前,吉列公司已经完成了与沃尔玛和Tesco分别在美国波士顿和英国剑桥地区进行的第一阶段试验:吉列将射频识别标签植入“锋速3”的包装,并在零售商的货架上安装阅读器,如果有顾客一次性拿走多个剃须刀,系统会提醒店员查验是否发生了偷窃行为,甚至自动拍照记录,当货架上存货数量减少到一定水平时,系统就发出补货的信号,试验结果令人非常满意。据说,第二阶段试验也即将正式启动。值得一提的是,吉列已经向射频识别标签生产商之一艾伦科技公司订购了共计5亿枚标签,在低成本射频识别标签大规模的实质性商业化进程中,这无疑是一个意义重大的里程碑。

  国际著名零售企业——麦德龙集团最近也在其业务运营中采用了飞利浦半导体公司的射频识别解决方案,这项技术可以帮助它提高零售中的供应链效率, 同时改善消费者的购物体验。这种射频识别技术可实时地识别产品、防范窃贼、跟踪库存,还可查看客户积分卡的状态。该系统在13.56MHz频率下工作,有效识别范围为1.5米,与射频识别多媒体工作室相连接,只需扫描一下CD或DVD,消费者就可以看到他们正想购买的专辑或影片的介绍性预览。化妆品和食物也贴上了标签,并放在智能货架上,这种应用可以提供实时库存和保质期控制,及时更新销售数据并发现放置错误的物品。

  最近,沃尔玛公司也表示,今后将不再从那些未使用RFID技术的供应商处采购商品,这对应用软件产业震动极大。现在,Sun公司正在开发一个对应的中间件产品,管理从射频识别系统获取的商品数据。该产品现在正处于测试阶段,预计在今年推出商用。另外,Sun公司也在开发符合射频识别行业标准EPC的信息服务软件。

一旦用于射频识别的芯片和标签推出后,就需要相应的专门软件来管理这些数据。幸运的是,许多大型软件开发商和系统集成商已经开始进军射频识别领域,SAP、Manhattan Associates、IBM以及其他一些公司都将推出各自的解决方案。SAP公司公开表示,该公司与宝洁公司正在进行一系列的技术革新合作,将射频识别数据合并到SAP/R3系统。该系统名为AutoID,可以保护系统只获取有价值的数据,避免错误数据的干扰。另外,IBM公司也曾经在Electronic Code Symposium演示了该公司的射频识别系统,该公司可以提供射频鉴别的完整解决方案,可以不用跨系统,实现从制造商、到分销商,然后到零售商的全套业务流程。不过集成工作仍然颇具挑战性。据开发商表示,价格相当昂贵,要在2006年1月的最终期限前推出完整的射频识别软件系统还具有相当的挑战性。

除此之外, 标签也将是一个庞大的市场,特别是现在射频标签价格在20美分~30美分的高价位上,由于目前在市场上买方处于主导地位,沃尔玛公司可能会要求将射频识别标签价格降到可以接受的地步,但供应商能否提供相应的技术还未可知。

 

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