2.2.1 被动标识载体

被动标识载体技术，包括但不局限于一维条形码、二维条形码、RFID、NFC等，本节仅对这四类在工业互联网中大量使用的技术进行研究和总结。

1.一维条形码

一维条形码，只在一个方向（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，由黑白相间的条纹组成的图案，如图2-17所示。黑色部分称为“条”，白色部分称为“空”，“条”和“空”代表二进制的1和0，对其进行编码，从而可以组合不同粗细间隔的黑白图案，可以代表数字、字符和符号信息，反映某种信息。一维条形码广泛应用在商业零售、仓储、邮电、运输等许多领域。一维条码技术是实现销售终端系统、EDI、电子商务和供应链管理的技术基础，是实现物流管理现代化、提高企业管理水平和竞争能力的重要手段。

一维条形码可以识别商品的基本信息如商品名称、价格等，但并不能提供商品更详细的信息，要调用更多的信息，需要数据库的进一步配合。一维条形码的应用可以提高信息录入速度、减少差错率；同时，一维条形码也存在容量较小（只有30B左右），内容只能包含字母和数字，遭到损坏后不能阅读等缺陷。常用的一维条形码有，UCC/EAN-128条码、ITF-14条码、EAN/UPC条码，见表2-8。

从载体自动识别技术的角度讲，符号会越来越小型化，占用面积越来越小；载体形式也更加多样化，性能也更加智能化。彩虹码作为一种“升级”的码制，在国际通用的GS1商品条码符号的基础上，增添了蓝绿两种颜色维度，可承载额外的信息。理论上可以实现每个物品拥有唯一的单品ID，从而实现物品的“一物一码”，这在标识载体编码技术领域是一种新的探索和尝试。

2.二维条形码

二维条形码，是在一维条形码技术的基础上衍生而来的，在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条形码，既记录横向信息也记录纵向信息，也是按照“0”和“1”的比特流原理进行设计的。二维条形码技术已广泛应用在国防、公共安全、交通运输、医疗保健、工业、商业等领域，目前在支付领域应用最多。

二维条形码是较为经济、实用的一种自动识别技术，除具备一维条形码的优点外，还具有信息容量大、信息密度高、纠错功能、可表示各种多媒体信息及多种文字信息、译码可靠性高、保密防伪性强等特点。

国内外常见的二维条形码包括PDF417、QR、Data Matrix、MaxiCode等。从技术角度分类可以分为行排式二维条形码和矩阵式二维条形码两种类型。行排式二维条形码（又称堆积式或层排式二维码）的编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成两行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备和条码印刷与一维条形码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也与一维条码不完全相同。有代表性的行排式二维条码有PDF417、Code 16K、Code 49等。典型行排式二维条形码如图2-18所示。

矩阵式二维条形码，是平时最常见的二维条形码，通过黑白（其他颜色也有）像素在矩阵中不同的分布进行编码，在矩阵元素区出现的点（方、圆等形状）表示二进制的“1”，不出现则表示“0”，通过点排列确定其信息。矩阵式二维条形码分为若干个小区域，每个区域有一定信息，角上有三个色块，可以保证无论从哪个方向扫描都可正确定位信息，中间色块可以存放个性化图标。有代表性的矩阵式二维条形码有MaxiCode、QR、Data Matrix、Aztec等，如图2-19所示。

随着二维条形码生成技术的不断完善，越来越多的推广场景中使用到二维条形码，一张创意十足富有个性的二维条形码能迅速引起用户关注和兴趣。因此，二维条形码也逐渐由普通方形、黑白颜色二维条形码向形状更具个性化的彩色二维条形码转变。彩色二维条形码是一种特殊的二维条形码，具有普通黑白二维条形码的所有功能，同时又能呈现出彩色的外观。两者最大的区别在于外观，彩色的外观更吸引人，两者承载的信息量是同样的，或许以后会有彩色二维条形码独有的识别技术可以增大彩色二维条形码信息存储量，但现阶段没有本质区别。

目前，激光蚀刻在基础零部件上有一定的应用，但存在扫码识读困难、技术成本高、打码后无法更改、信息难以读写等技术难题，发展相对缓慢。随着相关技术的发展成熟，激光蚀刻应用前景十分广阔。

3.射频识别（RFID）

RFID，是一种非接触式的自动识别技术，可通过无线电信号识别特定目标对象并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，适用于各种恶劣环境。RFID技术是条形码技术的进一步延拓，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。目前该技术已广泛应用于多个领域，典型的应用包括仓库物流、防伪识别、智能交通、身份识别、食品安全溯源等。

RFID与一维条形码、二维条形码是不同的。一维条形码和二维条形码都可以认为是打印在纸片上的标识图案，编码在图案上的黑白条或黑白格子里，没有芯片。然而，RFID是电子标签，信息保存在芯片里，芯片可以读写，使用的打印机也是专门的打印机。

RFID系统通常由标签、识读器和计算机网络系统三部分组成，如图2-20所示。RFID系统工作过程中，天线与RFID电子标签进行无线通信，通常由识读器在一个区域内发射射频能量形式的电磁场，标签通过这一区域时被触发，发送存储在标签中的数据，或者根据识读器的指令改写存储在标签中的数据。识读器可接收标签发送的数据或向标签发送数据，并能在解码后通过标准接口与计算机网络进行通信。

目前，RFID的工作频段有低频、高频和超高频，不同频段的RFID产品会有不同的特性及应用场景。不同频段RFID产品的特点及主要应用领域见表2-9。

RFID技术对于工业制造有着明显好处，可以控制生产过程、监控生产状态、形成一个闭合的制造生态圈，在物流、仓储上也能够发挥重要作用，甚至能够对工业制造企业的供应链进行整合。但是，由于受成本、技术等因素限制，目前RFID在工业制造领域中的应用很有限，应用RFID技术的工业制造企业大概只有10%左右，且多以大型的汽车整车制造、汽车零部件制造等汽车相关企业为主，如丰田、尼桑、大众、江森自控等公司。该技术主要用于解决整个供应链中与制造过程相关内外资源进行实时综合协调控制和精细化管理等问题，以便及时响应顾客的个性化需求和实现产品增值，并为顾客提供更好的服务。随着RFID成本、技术等限制因素得以解决和RFID技术的持续发展，硬件制造技术、中间件技术、系统集成应用等所构成的RFID产业链将变得更加成熟，产品也将更加多样化，其在工业制造业的应用范围将不再局限于汽车等部分领域，应用范围将越来越广，从而实现其在工业制造领域需求的较快增长，工业制造领域将成为RFID发展的重要推动力。

RFID技术与其他技术的融合，有利于RFID在工业制造领域的应用扩张，也是未来可能存在的一种趋势。如将采用ZigBee协议的无线传感器网络（WSN）与RFID进行有机结合，利用WSN高达100m的有效半径，弥补RFID的抗干扰性较差、有效距离较短的不足，构成一种新的网络。WSN负责获取物理世界的数据，RFID负责搭建起物理世界与信息世界的桥梁，应用前景将更加广阔。

在RFID的标准化工作方面，目前各个国家标准间还没有形成一致，尚未形成全球统一的国际标准体系。但是从技术和标准的发展来看，多个国际标准并存还将长期持续，如何实现不同国际标准间的兼容和互联互通是未来发展的趋势。

RFID的发展趋势除增加标签的存储容量以携带更多的信息、缩小标签的体积以降低成本、提高标签的灵敏度以增加适度距离外，未来的发展方向将在超低功耗电路、安全与隐私技术、密码功能与实现、低成本芯片设计与制造技术、新型存储技术等方面。

4.近场通信（NFC）

NFC又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在10cm内）交换数据，主要用于手持设备的短距离数据通信，其通信方式如图2-21所示。它由非接触式RFID演变而来，并向下兼容RFID。NFC与RFID看似相似，但其实有很多区别，因为RFID本质上属于识别技术，而NFC属于通信技术。

NFC的三个特点：① 安全性高，相比蓝牙或Wi-Fi这些远距离通信连接协议，NFC是一种短距离通信技术，设备必须靠得很近，从而提高数据传输过程的安全性。② 连接快、功耗低，相比蓝牙连接速度更快，功耗更低，支持无电读取。NFC设备之间采取自动连接，无须执行手动配置，只需晃动一下，就能迅速与可信设备建立连接。③ 私密性好，在可信的身份验证框架内，NFC技术为设备之间的信息交换、数据共享提供安全。

NFC技术的主要应用包括以下几个方面：

·手机支付领域。手机移动支付是NFC最有前景的一项应用，消费者在购买商品时，采用NFC技术通过手机等设备即可完成支付，支付可在线下进行，不需要使用移动网络，使用NFC射频通道实现与POS机或自动售货机等设备的通信，是一种新兴的移动支付方式。

· 交通领域。将城市交通卡的功能集成到NFC设备上，通过卡模式实现公交卡的功能，只需NFC设备触碰闸机口的读卡区域，即可自动打开闸机。

· 防伪领域。NFC防伪技术突破了以往防伪技术的思路，采用了一种新的举措，使其具有难以伪造性、易于识别性、信息反馈性、密码唯一性及保密性、使用唯一性等特点。目前，已在白酒、茶叶等企业得到了广泛应用。通过具有NFC功能的手机靠近商品的NFC标签，即可显示出产品的一系列信息。

· 广告领域。NFC标签因其可重复读写、可记录读取次数等特点，相比传统广告，在互动性、读取数据、收集数据、广告效果等方面具有明显的优势。

基于NFC技术的业务支持以下三种固定模式：

· 卡模式。将NFC芯片安装到一个卡上，这个模式其实就相当于一张采用RFID技术的IC卡。它可以替代大量的IC卡应用场合，如商场刷卡、门禁卡、公交卡等。此模式下的优点是卡片通过非接触式读卡器的RF域来供电。

·读卡器模式。读卡器模式的NFC通信作为非接触读卡器使用，可以从NFC标签上读取相关信息。读卡器模式的NFC手机可以从标签中采集数据资源，按照一定的应用需求完成信息处理功能，有些应用功能可以直接在本地完成。

· 点对点模式。这个模式和红外差不多，任意两个具备NFC功能的设备都可以连接通信，实现点对点数据传输，只是传输距离较短，传输创建速度较快，功耗低。可以实现电子名片交换、数据通信、蓝牙连接等功能。

NFC通信在发起设备和目标设备间发生，任何的NFC装置都可以为发起设备或目标设备。两者之间是以交流磁场方式相互耦合，并以ASK和FSK方式进行载波调制并传输数字信号。发起设备产生无线射频磁场来初始化，目标设备则响应发起设备所发出的命令，并选择由发起设备所发出的或是自行产生的无线射频磁场进行通信。NFC与其他被动标识载体技术的比较见表2-10。

虽然，NFC是在RFID技术基础上发展而来的，但NFC的通信距离在10cm内，数据传输的保密性与安全性可以得到保障。面向不同的应用场景，两者并不存在替代关系。况且现在RFID的应用场景还是非常多的，NFC已经无法比拟。即使在支付领域和近距离物体识别领域，相对于二维条形码，我国NFC支付用户较少，市场普及率较低，主要原因是其应用场景较少造成的。同时，目前对智能手机来说NFC还不是一个必需的通信接口。随着商户端POS机的覆盖率逐渐提升，以及用户端支持NFC功能的手机市场占有率不断扩大，再加上市场对NFC支付的大力推动，我国NFC支付市场进入迅速崛起阶段。同时，NFC在一些新领域也开始崛起，如温度控制NFC卡，将NFC标签（Tag）设计在名片式大小的产品中，与包装箱随运，全程记录监控箱内商品的温度及GPS定位。只需用手机轻触就可以读取商品在过程中的温度和GPS定位等资料，且误差很小。例如NFC穿戴项链，将NFC标签内嵌在项链中，用于记录幼童健康的资料，可以通过手机应用程序即时更新储存的健康资料，使幼童健康履历随身携带，方便后续进行个人健康状况分析。

尽管NFC技术在一些领域得到了广泛应用，但仍存在诸多问题。例如兼容性问题，目前不同厂商的NFC设备兼容性问题还比较突出，如何实现NFC设备间兼容互通是未来要解决的重点问题。同时，NFC应用领域还比较局限，仍有很多新领域有待探索。