标识与自动识别技术-分布式数据库技术

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。传统的信息采集与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。使用以计算机和通信技术为基础的自动识别技术，可以对信息进行自动识别，并可以工作在各种环境之下，可以让人类对大量数据信息进行及时、准确的处理。显然，自动识别技术是物联网体系的重要组成部分，借此可以对每个物品进行标识和识别，并可以实时更新数据，是构造全球物品信息实时共享的重要组成部分，是物联网的基石。

1.自动识别技术的概念

自动识别技术（auto identification and data capture，AIDC）是一种高度自动化的信息或数据采集技术，借此对字符、影像、条码、声音、信号等记录数据的载体进行机器自动识别，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机系统以完成相关后续处理。

自动识别技术是用机器识别对象的众多技术的总称，具体来讲，就是应用识别装置，通过被识别物品与识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物体的相关信息。以常见的水果为例，就是说，要能很快、明确地自动识别出这个“苹果”不是那个“苹果”。自动识别技术可以应用在制造、物流、防伪和安全等领域中，可以采用光识别、磁识别、电识别或射频识别等多种识别方式，是集计算机、光、电、通信和网络技术为一体的高技术学科。

信息识别和管理过去大多以单据、凭证、传票为载体，使用手工记录、电话沟通、人工计算、邮寄或传真等方法，对物流信息进行采集、记录、处理、传递和反馈，这种方式陈旧，不仅极易出现差错、导致信息滞后，也使得管理者对物品在流动过程中的各个环节难以统筹协调，不能系统地控制，更无法实现系统优化和实时监控，从而造成效率低下和人力、运力、资金、场地的大量浪费。几十年来，自动识别技术在全球范围内得到了迅猛发展，从而极大地提高了数据采集和信息处理的速度，改善了人们的工作和生活环境，提高了工作效率，并为管理的科学化和现代化做出了重要贡献。

完整的自动识别计算机管理系统主要包括自动识别系统、应用程序接口（中间件）和应用系统。自动识别得到的信息，可以在“互联网”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品，并在人与物品之间进行信息交换和通信，这就构成了物联网体系。

2.自动识别技术的分类

自动识别技术的分类方法很多，可以按照国际自动识别技术的分类标准进行分类，也可以按照应用领域和具体特征的分类标准进行分类。

按照国际自动识别技术的分类标准，自动识别技术可以分为数据采集技术和特征提取技术两大类。数据采集技术可以分为光识别技术、磁识别技术、电识别技术和无线识别技术等。特征提取技术分为静态特征识别技术、动态特征识别技术和属性特征识别技术等。

按照应用领域和具体特征的分类标准，自动识别技术可以分为条码识别技术、生物识别技术、图像识别技术、磁卡识别技术、IC卡识别技术、光学字符识别技术和射频识别技术等。

1）条码识别技术^[4]

条（形）码是由一组按一定编码规则排列的条（纹）、空（白）和数字符号组成，用以表示一定的字符、数字及符号组成的信息。

条形码技术最早产生于20世纪20年代，诞生于西屋公司（Westing House）的实验室里。那时，约翰·科芒德（John Kermode）想对邮政单据实现自动分拣。他的想法是在信封上做条码标记，条码中的信息是收信人的地址，就像今天的邮政编码。为此，科芒德发明了最早的条码标识，设计方案非常简单，即一个“条”表示数字“1”，两个“条”表示数字“2”，依此类推。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；使用测定结果的方法，即译码器。科芒德的扫描器利用当时新发明的光电池来收集反射光。“空”反射回来的是强信号，“条”反射回来的是弱信号。与当今高速度的电子元器件应用不同的是，科芒德利用磁性线圈来测定“条”和“空”。科芒德用一个带铁芯的线圈在接收到“空”的信号的时候吸引开关，在接收到“条”的信号的时候释放开关并接通电路。因此，最早的条码阅读器噪音很大。开关由一系列的继电器控制，“开”和“关”由打印在信封上“条”的数量决定。通过这种方法，条码符号直接对信件进行分检。此后不久，科芒德的合作者道格拉斯·杨（Douglas Young），在科芒德码的基础上做了些改进。科芒德码所包含的信息量相当低，并且很难编出十个以上不同的地区代码。而杨码使用更少的条，但是利用条之间空的尺寸变化，就像今天的UPC条码符号使用四个不同的条空尺寸。新的条码符号可在同样大小的空间对一百个不同的地区进行编码，而科芒德码只能对十个不同的地区进行编码。

随着条码的发展和演变，目前条码的种类很多，大体可以分为一维条码和二维条码两种。一维条码和二维条码有许多码制，条、空图案对数据采用不同的编码方法，构成不同形式的码制。不同的码制有其固有的特点，可以用于一种或若干种应用场合。

（1）一维条码。

一维条码有许多种码制，包括Code25码、Code39码、Code93码、Code128码、EAN-8码、EAN-13码、库德巴码、UPC-A码和UPC-E码等（各类码制的细节，这里不再详述，有兴趣的读者建议参阅相关文档）。

条形码技术具有以下几个方面的优点。

●输入速度快：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”。

●可靠性高：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。

●采集信息量大：利用传统的一维条码一次可采集几十位字符的信息，二维条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。

●灵活实用：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系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备连接起来实现自动化管理。

●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，且设备相对便宜。

●成本非常低：在零售业领域，因为条码是印刷在商品包装上的，所以其成本几乎为零。

（2）二维条码。

二维条码技术是在一维条码无法满足实际应用需求的前提下产生的。由于受信息容量的限制，一维条码通常是对物品的标识，而不是对物品的描述。二维条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。

二维条码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，在代码编制上巧妙地利用计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特概念，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，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。

在大多数二维条码中，常用的码制有Data Matrix、MaxiCode、Aztec、QR Code、Vericode、PDF417、Ultracode、Code 49、Code 16K等，其中，QR Code码是1994年由日本DW公司（日本丰田子公司Denso Wave）发明。QR来自英文“Quick Response”的缩写，即快速反应的意思，源自发明者希望QR码可让其内容快速被解码。QR码常见于日本、韩国，并为当前日本最流行的二维空间条码。

二维条码的流行，使二维条码的安全性也备受挑战，带有恶意的软件和病毒正成为二维条码普及道路上的绊脚石。

2）磁卡识别技术

磁卡是一种磁记录介质卡片，它由高强度、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，使用稳定可靠。磁条记录信息的方法是变化磁的极性，在磁性氧化的地方具有相反的极性（S-N和N-S），识读器材能够在磁条内分辨到这种磁性变化，这个过程称为磁变。解码器可以识读到磁性变换，并将它们转换回字母或数字的形式，以便由计算机来处理。磁卡技术能够在小范围内存储较大数量的信息，磁条上的信息可以被重写或更改。

磁条有两种形式，一种是普通信用卡式磁条，一种是强磁式磁条。强磁式磁条由于降低了信息被涂抹或损坏的机会而提高了可靠性，大多数卡片和系统的供应商同时支持这两种类型的磁条。

磁卡的特点是数据可读/写，即具有现场改变数据的能力。这个优点使得磁卡的应用领域十分广泛，如信用卡、银行ATM卡、会员卡、现金卡（如电话磁卡）、机票和公共汽车票，等等。

磁卡的数据存储的时间长短受磁性粒子极性的耐久性限制。另外，磁卡存储数据的安全性一般较低，如磁卡不小心接触磁性物质，就可能造成数据的丢失或混乱。因此，要提高磁卡存储数据的安全性能，就必须采用另外的技术，这又增加了成本。

3）IC卡识别技术

IC卡（integrated circuit card），也称智慧卡（smart card）、芯片卡（chip card）或智能卡（intelligent card）。IC卡是一种电子式数据自动识别卡，IC卡分为接触式IC卡和非接触式IC卡两种。

接触式IC卡是集成电路卡，通过卡里的集成电路存储信息，它将一个微电子芯片嵌入卡基中，做成卡片形式，通过卡片外延的金属触点与读卡器进行物理连接来完成通信和数据交换。IC卡包含微电子技术和计算机技术，作为一种成熟的高技术产品，是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具。

按照是否带有微处理器，IC卡又可分为存储卡和智能卡两种。存储卡仅包含存储芯片而无微处理器，一般的电话IC卡即属于此类。将指甲盖大小带有内存和微处理器芯片的大规模集成电路嵌入塑料基片中，就制成了智能卡。银行的IC卡通常是指智能卡，智能卡也称CPU卡，它具有数据读/写和处理功能，因而具有安全性高、可以离线操作等优点。

IC卡的外形与磁卡相似，它与磁卡的区别在于数据存储的媒体不同。磁卡是通过卡上磁条的磁场变化来存储信息，而IC卡是通过嵌入卡中的电路芯片（EEPROM^[5]）来存储数据信息。

与磁卡相比，IC卡具有以下优点。

●存储容量大。磁卡的存储容量大约在200个数字字符；IC卡的存储容量根据型号的不同而不同，小的仅为几百个字符，大的可达上百万个字符。(www.chuimin.cn)

●安全保密性好。IC卡上的信息能够随意读取、修改、擦除，但都需要密码。

●具有数据处理能力。与读卡器进行数据交换时，可对数据进行加密、解密，以确保交换数据的准确可靠，而磁卡则无此功能。

●使用寿命长。在全球IC产业市场竞争更加激烈的情况下，IC卡向更高层次的方向发展，如从接触型IC卡向非接触型IC卡转移，从低存储容量IC卡向高存储容量IC卡发展，从单功能IC卡向多功能IC卡转化，等等。

4）射频识别技术

射频识别技术是一种通过无线电波进行数据传递的自动识别技术，是一种非接触式的自动识别技术。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。与条码识别技术、磁卡识别技术和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。

3.RFID技术

RFID（radio frequency identification，射频识别）技术是自动识别技术的一种，它通过无线射频方式获取物体的相关数据，并对物体加以识别。RFID技术无需与被识别物体直接接触，即可完成信息的输入和处理，能快速、实时、准确地采集和处理信息。

RFID技术以电子标签来标志某个物体，电子标签包含电子芯片和天线，电子芯片用来存储物体的数据，天线用来收发无线电波。电子标签的天线通过无线电波将物体的数据发射到附近的RFID读写器，RFID读写器就会对接收到的数据进行收集和处理。

RFID技术利用无线射频方式进行非接触数据交换，可以识别高速运动的物体，实现远程读取，并可同时识别多个目标。

RFID系统的基本工作原理是：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置天线发射出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线的调制器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息传送到后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出信号，控制读写器完成不同的读/写操作。

从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看，RFID系统一般可以分为电感耦合（磁耦合）系统和电磁反向散射耦合（电磁场耦合）系统。电感耦合系统是通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合方式一般适合中、低频率工作的近距离RFID系统；电磁反向散射耦合方式一般适合高频、微波工作频率的远距离RFID系统。

RFID技术与传统的条码识别技术相比，具有很大的优势，如下。

（1）RFID标签抗污损能力强。

传统的条码载体是纸张，它附在塑料袋或外包装箱上，特别容易受到折损。条码采用的是光识别技术，如果条码的载体受到污染或折损，将会影响物体信息的正确识别。RFID采用电子芯片存储信息，可以免受外部环境污损。

（2）RFID标签安全性高。

条码是由平行排列的宽窄不同的线条和间隔组成，条码制作容易，操作简单，但同时也产生了仿造容易、信息保密性差等缺点。RFID标签采用的是电子芯片存储信息，其数据可以通过编码实现密码保护，其内容不易被伪造和更改。

（3）RFID标签容量大。

一维条码的容量有限，二维条码容量虽然比一维条码容量增大了很多，但是大容量也只可存储3000个字符。RFID标签的容量可以是二维条码容量的几十倍，随着存储芯片的发展，数据的容量会越来越大，可实现真正的“一物一码”，满足信息流量不断增大和信息处理速度不断提高的需要。

（4）RFID可远距离同时识别多个标签。

现今的条码一次只能有一个条码接受扫描，而且要求条码与读写器的距离比较近。射频识别采用的是无线电波进行数据交换，RFID读写器能够远距离识别多个RFID标签，并可以通过计算机网络处理和传送信息。

（5）RFID是物联网的基石之一。

条码印刷上去就无法更改。RFID是采用电子芯片存储信息，可以随时记录物品在供应链上任何时候的信息，可以很方便地新增、更改和删除，并通过计算机网络使制造企业和销售企业实现互联，随时了解物品在生产、运输和销售过程中的实时信息，实时物品透明化管理，实现真正意义上的“物联网”。

RFID技术诞生于20世纪40年代，最初单纯用于军事领域。20世纪90年代是RFID技术的推广期。后来发展迅速，现在我国的基于RFID的不停车收费系统ETC已在高速公路上广泛应用。

20世纪90年代，社区和校园大门控制系统也已开始使用射频识别系统。

随着应用的推广，人们开始认识到建立统一RFID技术标准的重要性，EPC global（全球电子产品码协会）就应运而生了。EPC global是由UCC（美国统一代码委员会）和EAN（国际物品编码协会）共同发起组建的，专门负责制定RFID技术标准的机构。

20世纪90年代末和21世纪初是RFID技术的普及期。这个时期的RFID产品种类更加丰富，标准化问题日趋为人们所重视，电子标签成本不断下降，规模应用行业不断扩大。

目前RFID的应用领域包含以下这些。

●制造领域：主要用于生产数据的实时监控、产品质量追踪和生产的自动化等。

●零售领域：主要用于商品的销售数据和在库数据的实时统计、补货和防窃等。

●物流领域：主要用于物流过程中的货物追踪、信息自动采集、仓储应用、港口应用和邮政快通等。

●医疗领域：主要用于医疗器械管理、病人身份识别和婴儿防盗等。

●身份识别领域：主要用于门禁、电子护照、身份证和学生证管理等。

●军事领域：主要用于弹药管理、枪支管理、物资管理、人员管理和车辆识别与追踪等。

●防伪安全领域：主要用于贵重物品（烟、酒、药品）防伪、票证防伪、汽车防盗和汽车定位等。

●资产管理领域：主要用于贵重、危险性大、数量大且相似性高的各类资产管理。

●交通领域：主要用于不停车缴费、出租车管理、公交车枢纽管理、铁路机车识别、航空交通管制、旅客机票识别和行李包裹追踪等。

●食品领域：主要用于水果、蔬菜生长和生鲜食品保鲜等。

●图书领域：主要用于书店、图书馆和出版社的书籍资料管理等。

●动物领域：主要用于畜牧牲口、驯养动物和宠物识别、管理等。