基于二维条码在物联网中的应用.doc
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1、基于二维条码在物联网中的应用 摘 要 条形码技术是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的一门集合编码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新兴技术。随着科技的发展,一维条码由于受到信息容量的限制和使用时对数据库的依赖,已经不能适应社会的需要,于是二维条码就诞生了。二维条码具有信息可随载体移动,成本低,不依赖于计算机网络和数据库、保密防伪性能强等优点,在众多二维条码中,应用最为广泛的即为PDF417条形码。本文简要介绍了二维条码PDF417的编码和纠错原理,然后研究了二维条码PDF417在三种模式下编码算法,最后对于二维条码的物流管理系统的设计进行了分析,并设计了应用系统程序来实现PDF417的编
2、码。关键词 二维条码,PDF417,编码,物流管理系统ABSTRACTBar code technology is a kind of new technology developing on the basis of computer technology and information technology,which assembles the technology of encoding,print,recognizing, data acquisition and processing. With the development of science and technology,
3、the one dimensional barcode can no longer meet the societys need because of its limited information capacity and dependence on the database while being used, therefore the two dimensional barcode came into beingTwodimensional barcode has numerous advantages such as low costportable information,conse
4、rved,anti counterfeit,no dependence on internet and database.And among various two dimensional barcodes,the PDF417 is the most widely used This paper briefly introduces the encoding and error correction principle of two dimensional barcode PDF417 , and then makes a study of encoding algorithm of PDF
5、417 in three different modes, finally analyses the design of logistics management system for two dimensional barcode and designs the application system program to achieve the encoding of PDF417.Key words:Two-dimensional barcode,PDF417, Recognition,Logistics management system目录1 绪论111 二维条码产生的背景112 课题
6、研究目的和意义22 二维条码的概述321 二维条码的分类322 PDF417条码的技术特点323 二维条形码的应用53 PDF417条码结构和编码原理731 PDF417条形码的结构732 PDF417条码符号字符的结构833 PDF417条码的簇834 PDF417行指示符号字符935 PDF417条码的压缩模式结构10351 模式锁定与模式转移10352文本压缩模式(TC)11353字节压缩模式(BC)13354数字压缩模式(NC)1336 错误纠正与Reed-Solomon错误控制码14361错误纠正等级与错误纠正码字14362 PDF417条码的检测与纠正15363 错误纠正容量153
7、64 错误检测与错误纠正码的计算16365 错误纠正等级的选择174 PDF417编码软件及应用1841物流管理简介1842基于二维条码的物联网物流管理系统的设计分析1843编码压缩2044编码软件的实现21结论26参考文献27附 录128附 录234答 谢35341 绪论11 二维条码产生的背景一维条码自出现以来,得到了人们的极大关注,发展速度十分迅速。它的使用,极大提高了数据采集及信息处理的速度,提高了工作效率,并为管理的科学化和现代化做出了很大贡献1。但随着条形码的广泛应用,新的要求不断产生,传统的一维条码渐渐表现出了它的局限,一维条码的信息密度低、信息容量小,仅能容l020个字节的数字
8、符号,只能对“物品”进行标识,而不能对“物品”进行描述,无法提供物品的名称、生产日期、使用说明等信息,而且使用一维条码,必须通过连接数据库的方式提取信息才能明确条码所表达的信息含意,因此在没有数据库或者不便联网的地方,一维条码的应用就受到了限制。在这种情况之下,二维条码应运而生,二维条码由于用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向)上分布的条、空相间的图形来记录数据符号信息,因而具有信息密度高、信息容最大、抗干扰能力强、纠错能力强等特点,不仅能标识物品,而且能精确地描述物品,在远离数据库和不便联网的地方也能对数据实现采集。目前二维条码信息容量已接近2000个字节,通过压缩技术能将凡是可以
9、数字化的信息,包括汉字、照片、指纹、签字、声音等进行编码,实现信息的携带、传递和防伪。12 课题研究目的和意义二维条形码是自动识别中的一项重要技术,也是物联网产业的关键、核心技术之一。本课题研究PDF417条形码系统的编解码规则和解码算法,可以拓宽PDF417条形码应用领域,还可以节约它的使用成本,以及研究二维条形码在物流管理中的应用,使得条码技术像一条纽带,把产品生命期中各阶段发生的信息联接在一起,使企业在激烈的市场竞争中处于有利地位。条码化从而保证了数据的准确性,而且条码设备使用既方便又快捷,真正提高了物流管理的工作效率。2 二维条码的概述21 二维条码的分类与一维条码一样,二维条码也有许
10、多不同的编码方法,或称码制。根据编码原理、结构形状的差异,一般可分为两大类型:1、行排式或层排式二维条码(2D Stacked or Tiered Barcode)。该类条码是在一维条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 49,Code 16K,本文研究的PDF417等;2、棋盘式或矩阵式二维条码(2D Checkerboard or Dot Matrix Barcode), 该类条码是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 汉信码、QR Code、Date Matrix、Code one、Maxi Code等。关于条码的简单
11、分类如图所示。二维条码行排式或层排式二维条码:PDF417、Code49、Code16K等棋盘式或矩阵式二维条码:汉信码、QRCode、Code one、Maxi Code等图2.1 二维条码的分类 图2.2 含有“西北民大”字符信息的Date Matrix条码图2.3 含有“西北民大”字符信息的PDF417条码22 PDF417条码的技术特点PDF417条码是一种高密发、高信息含量能便携式数据文件, PDF417条码其有如下特点:l、编码范围广PDF417条码可以将文字、签字、掌纹等都可以数字化的信息进行编码。2、信息量大在国际标准的证卡有效面积上,PDF417条码可以容纳1848个字母字符
12、或2729个数字字符,约500个汉字信串。其容量比普通条码信息容量高出几十倍。3、译码可靠性高普通条码的译码错误率约为2%左右,而PDF417条码的误码率不超过干万分之一,译码可靠性非常高。4、修正错误能力强PDF417采用了世界上目前最先进的错误校正技术,可以有效地防止译码错误,提高译码的可靠性及速度,还可以将由于条码符号破损、污损等丢失的信息破译出来,这种隐含于符号内的错误修正技术。5、容易制作且成本低利用现有的制卡机、激光、点阵等打印技术,即可在卡片、纸张、甚至金属表面上印出PDF417二维条码。由此所增加的耗费仅是油墨的成本,因此又称PDF417是“无成本”技术。6、保密、防伪性能好P
13、DF417条码具有很多重防伪特性,它可以采用软件加密、密码防伪及利用所包含的信息如照片、指纹等进行防伪,因此具有非常强的保密防伪性能。23 二维条形码的应用二维条码的作为一种较为新的信息存储、传递和识别技术,相对一维条形码,它具有很大的使用价值和优势,二维条码技术已经在美国、日本、英国、法国、德国、加拿大、韩国、墨西哥等世界许多国家得到了较为较广泛的应用。在我国,二维条码技术得到政府的支持和重视,国内在此领域研究开始于1993年。中国物品编码中心对几种常用的二维条码PDF417,Codel6K , Code49,Maxi Code, QR Code,Data Matrix的技术规范进行了翻译和
14、跟踪研究。在理解国外相关技术资料的基础上,我国制定了两个二维条形码的国家标准:GBT 17172-1997417条码,GBT 18284-2000快速响应矩阵码。为使二维条码技术能够在我国的许多管理领域得到应用,在国外的应用软件平台的基础上,开发了相关的数据库。根据目前状况来看,二维条形码在物流、人员管理方面得到了较大的应用及发展2。在电子信息技术高速发展的今天,与手机相结合应用将是二维条码的又一发展方向。现如今,二维条码在物流管理中具有更加相对成熟的技术,其主要是将二维条形码用来描述物品,另外在货物的存储、运输中对其进行描述必不可少。现在的情况大多是自然语言描述,这在很大程度上影响了信息的采
15、集速度和精度。将二维条形码应用于物流管理,即将二维条形码制作在货物的包装上,这是其它自动识别技术(如IC卡)不可能做到的。二维条形码在物流的应用在一定程度上加快了物流管理现代化的进程。3 PDF417条码结构和编码原理31 PDF417条形码的结构PDF417条码是一个多行结构的二维条形码。它的顶部和底部为空白区域,上下空白区域之间为多行条码结构,每一行的数据字符的数量相同,由130个数据字符组成。最大为90行,最小行数为3行,每一行左右对齐并且直接相连接。其结构如下图3.1所示:图3.1 PDF417条码符号的结构图3.1中数据区可以容纳1到30个数据符号字符。PDF417的能够编码字符集包
16、括基本ASC字符及扩展的ASC字符或8位二进制数据,多达811800 种不同的字符集。条形码的符号尺寸是可变的,宽度范围为90 X583 X , 高度范围为390行, X 表示符号的模块宽度。条形码的最大数据量(当错误纠正等级为1时)为2710个数字或1850个大写字母或1108个字节。条形码符号中,由特定的条和空组合而成的表示该信息的基本单位叫符号字符。每个字符由4个条和空组成,自左到右从条开始。每个空或条包括16个模块。在一个符号中, 4个空和4个条的总模块数为17,如图3.2 :图3.2PDF417 符号字符32 PDF417条形码符号字符的结构PDF417条形码字集多达929个码字,码
17、字的取值范围为0928。在码字集中,码字的使用遵循下列规则:1) 码字0899 :根据全球标记标识(GLI)和当前的压缩模式解释,用于表示数据。2) 码字900928:在单一模式中,用于具有特定目的符号字符的表示。码字900、901、913和924用于模式标识;码字925、926和927用于GLI;码字922,923和928用于PDF417条形码的宏;码字921用于阅读器初始化;码字903912、914920用于待用。33 PDF417条码的簇PDF417中的929个码字组成的若干集合可表示成3种不同的条码字符集,每一簇中,每一个符号字符对应仅一个码字。簇的作用是为了使相隔的二维条码层之间能够
18、相互区别,在近邻两个条码之间使用的簇是不同的,因此对条码进行识别、提取码字时就不会混淆条码层的顺序。每一符号字符在所对应的簇中也对应唯一的码字,其范围为0928。簇的编号分别是0,3,6簇,定义可将其应用于所有的PDF417条码字符,开始和终止字符除外。四一七条码的每行仅仅使用一个簇中的符号字符。同一簇隔三行重复一次。第一行使用第0簇,二三行依次使用3、6簇,第四行使用第0簇,往后以此类推。对于那些特定的符号字符,簇的编号是由下面的式子确定:簇号=(-+-)mod 9 (3-1)式中,、分别表示的为自左向右四个条的单位模块数,参见图3.2。对于每个特定的行,使用的符号字符的簇的编号将由下式计算
19、:簇号=(行号-1)mod 33 (3-2)行号由上往下依次递增,最上面一行的行号默认为1。34 PDF417行指示符号字符行指示符号字符是由左行指示字符(LF)和右行指示符号字符(RF)组成,分别与起始符和终止符相连接,见图3.1。行指示符号字符的值(码字)指示PDF417条码的行数、行号,还包括数据区中数据符号字符的列数和错误纠正等级。左行指示符号字符和右行指示符号字符分别由下式确定:30+ 当=0时30+ 当=6时30+ 当=3时(3-3)= =30+ 当=0时 30+ 当=3时30+ 当=6时(3-4)其中:=int(行号-1)3,i=1,2,390=int(行数-1)3=错误纠正等级
20、3+(行数-1)mod3=数据区的列数=第行的簇号如果这个PDF417条形码为4行,4列,错误纠正等级为1,那么(,)为(O,4,2),(,)为(3,0,6)。35 PDF417条码的压缩模式结构为了使有效地压缩并表示数据,PDF417条码数据压缩模式统一将统一采用三种设置来组成字符集。三种数据压缩模式分别是数字压缩模式(NC)、字节压缩模式(BC)和文本压缩模式(TC)。通过应用模式锁定转移(Latchshill)码字,可将一个PDF417条码符号采用多种模式来表示数据。351 模式锁定与模式转移在对所需编码的信息按照PDF417的编码原理进行编码的时候,可以在通过模式切换选择所需相应的模式
21、来进行编码。这里又采用到了两种码字,即模式转移码字和模式锁定码字。其中,模式转移码字用于将文本压缩模式(TC)暂时切换为字节压缩模式(BC),这种切换仅对切换后的第一个码字有效,随后的码字又返回到文本压缩模式。而模式锁定码字用于将当前模式切换为指定的目标模式,在模式不进行再次切换前这种设置一直有效。这三种模式之间的相互切换和切换码字的对应关系如图33所示,其中图中的数字表示或模式转移者模式锁定所用到的状态码字:图3.3 三种模式的模式切换和切换码字352文本压缩模式(TC)文本压缩模式为每一符号起始有效的默认的压缩模式。为了更高效的表示数据,文本压缩又可以分为小写字母型子模式(Lower ca
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