Ψηφιακά Συστήματα Εισαγωγή στο ZigBee και στο barcode

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ψηφιακά Συστήματα Εισαγωγή στο ZigBee και στο barcode Μόσχογλου Στυλιανός η Σεπτεμβρίου, 2012

2 1 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Λίγο ἀκόμα θὰ ἰδοῦμε τὶς ἀμυγδαλιὲς ν ἀνθίζουν. Λίγο ἀκόμα θὰ ἰδοῦμε τὰ μάρμαρα νὰ λάμπουν, νὰ λάμπουν στὸν ἥλιο κι ἡ θάλασσα νὰ κυματίζει. Λίγο ἀκόμα, νὰ σηκωθοῦμε λίγο ψηλότερα. Γ. Σεφέρης

3 2 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Περιεχόμενα Περιεχόμενα... 2 Λίστα Σχημάτων... 4 Εισαγωγή... 6 Το ZigBee... 7 Πρόλογος... 7 Συντομογραφίες... 8 Τα βασικά στοιχεία του ZigBee Τι είναι το ZigBee; ZigBee εναντίον Bluetooth και IEEE Κλάσεις ασύρματων δικτύων μικρής εμβέλειας Η σχέση μεταξύ του ZigBee και του IEEE Συχνότητες λειτουργίας και ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων Διαλειτουργικότητα Τύποι συσκευών Ρόλοι συσκευών Τοπολογίες δικτύων ZigBee Τα βασικά των επικοινωνιών στο ZigBee και IEEE Μοντέλα μεταφοράς δεδομένων Επαλήθευση δεδομένων Διευθυνσιοδότηση Συσχέτιση και αποσυσχέτιση Συνδεσιμότητα O αυτοσχηματισμός και η αυτοεπούλωση του ZigBee Οι λειτουργίες του δικτυακού επιπέδου στο ZigBee και στο IEEE To επίπεδο NWK Το επίπεδο APL Ασφάλεια Η πύλη του ZigBee Παραδείγματα εφαρμογών ZigBee Αυτοματισμοί σε κατοικίες... 35

4 3 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Απομακρυσμένος έλεγχος ηλεκτρικών συσκευών Αυτοματοποίηση στη βιομηχανία Αυτοματισμοί στο σύστημα υγείας Άλλων ειδών εφαρμογές Βιβλιογραφία ZigBee Το barcode Τα βασικά στοιχεία του barcode Ο ορισμός του barcode Γενική ανατομία των 1D και 2D barcodes Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του barcode Εφαρμογές του barcode Η τεχνολογία του barcode Η ιστορία του barcode Η ανάπτυξη του barcode Barcode συστήματα Αναδυόμενες τεχνολογίες του barcode Βιβλιογραφία barcode

5 4 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Λίστα Σχημάτων Σχήμα 1 Συγκρίνοντας το ZigBee με το Bluetooth και το IEEE Σχήμα 2 Κατηγοριοποίηση σε WLAN και WPAN Σχήμα 3 Επίπεδα δικτύου του ZigBee (networking layers) Σχήμα 4 Οι ζώνες συχνοτήτων στο πρότυπο IEEE Σχήμα 5 Κατηγορίες συσκευών στο ZigBee Σχήμα 6 Τοπολογία αστέρα (star) Σχήμα 7 Τοπολογία peer-to-peer Σχήμα 8 Τοπολογία tree Σχήμα 9 Δεδομένα προς συντονιστή σε beacon/nonbeacon δίκτυα Σχήμα 10 Δεδομένα από συντονιστή σε beacon/nonbeacon δίκτυα Σχήμα 11 Γενική δομή πακέτου PHY Σχήμα 12 Δομή πλαισίου beacon Σχήμα 13 Πλαίσιο δεδομένων MAC Σχήμα 14 Πλαίσιο αναγνώρισης MAC Σχήμα 15 Πλαίσιο εντολών MAC Σχήμα 16 Τυπικές εφαρμογές ZigBee σε μια οικεία Σχήμα 17 Διαχείριση φωτισμού με ZigBee συσκευές Σχήμα 18 Διαχείριση συστήματος HVAC σε ένα σπίτι Σχήμα 19 Διαχείριση πόρων σε μία επιχείρηση Σχήμα 20 Απομακρυσμένη διαχείριση ασθενούς Σχήμα 21 Δομή ενός τυπικού 1D barcode Σχήμα 22 Δομή ενός τυπικού 2D barcode Σχήμα 23 Δομή του ISBN Σχήμα 24 Bull s eye symbol Σχήμα 25 Παράδειγμα RCA/Kroger barcode symbol Σχήμα 26 Παράδειγμα Littion Zellweger/Migros barcode symbol Σχήμα 27 Διάφορα barcode symbols Σχήμα 28 2D-like barcode με Kanban Σχήμα 29 2D barcode με Kanban Σχήμα 30 Ροή δεδομένων σε ένα σύστημα PLU Σχήμα 31 Κατηγοριοποίηση των 1D barcodes Σχήμα 32 Παράδειγμα τύπου Interleaved 2 of Σχήμα 33 Παράδειγμα τύπου Code Σχήμα 34 Παράδειγμα τύπου Code Σχήμα 35 Παράδειγμα τύπου EAN Σχήμα 36 Παράδειγμα τύπου UPC-A Σχήμα 37 Παραδείγματα τύπων EAN-8 και UPC-E Σχήμα 38 Παραδείγματα τύπου stacked και matrix code Σχήμα 39 Μοτίβα σάρωσης... 79

6 5 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 40 Ένας CCD σαρωτής και οι δύο ειδών φωτοευαίσθητοι αισθητήρες Σχήμα 41 Παράδειγμα τύπου PDF Σχήμα 42 Κωδικοποίηση του 0 στα τρία διαφορετικά clusters Σχήμα 43 Επίπεδα διόρθωσης λαθών του PDF Σχήμα 44 Παράδειγμα τύπου MicroPDF Σχήμα 45 Παράδειγμα τύπου MaxiCode Σχήμα 46 Επίπεδα επιδιόρθωσης λαθών για το MaxiCode Σχήμα 47 Κωδικοποίηση δεδομένων στο MaxiCode Σχήμα 48 Παράδειγμα τύπου 3D barcode Σχήμα 49 Symbols της οικογένειας GS1 DataBar Σχήμα 50 Δωμές κώδικα της οικογένειας GS1 DataBar Σχήμα 51 Συγκρίσεις μεταξύ 1D, 2D barcode, RFID και NFC... 99

7 6 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Εισαγωγή Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του μαθήματος Ψηφιακά Συστήματα ΙΙΙ, της Πολυτεχνικής Σχολής του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, υπό την επίβλεψη του καθηγητού Δοκουζγιάννη Σταύρου. Χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη. Το πρώτο, αφορά την καινοτόμα τεχνολογία ZigBee, η οποία επεκτείνει τις δυνατότητες του κοινότυπου Bluetooth και αποτελεί το μέλλον σε όλους τους τομείς των τεχνολογικών προϊόντων. Το δεύτερο μέρος, διαπραγματεύεται την ευρέως διαδεδομένη τεχνολογία των barcodes. Γίνεται ιδιαίτερη μνεία στην ανάπτυξή της όσον αφορά τις φορητές συσκευές, όπως τα κινητά τηλέφωνα, δεδομένου ότι οι φορητές συσκευές είναι το state of the art τη συγκεκριμένη περίοδο και η τάση των αγορών. Θα πρέπει να σημειωθεί πως και τα δυο θέματα με τα οποία θα ενασχοληθούμε στη συνέχεια δεν υπάρχουν εκτενώς στην ελληνική βιβλιογραφία και απόπειρά μας ήταν το δυνατό να καινοτομήσουμε στον χώρο αυτόν και να συμπληρώσουμε την ελληνική βιβλιογραφία. Ευχαριστώ θερμά τον κύριο Δοκουζγιάννη που πάντα είναι και ήταν αρωγός σε οιαδήποτε ακαδημαϊκή μου προσπάθεια και συνέβαλλε τα μάλα στην ενασχόλησή μου με τον τομέα των Ψηφιακών Συστημάτων.

8 7 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Το ZigBee Πρόλογος Η ασύρματη τεχνολογία ZigBee είναι το κυρίαρχο διεθνές πρότυπο για την υλοποίηση χαμηλού κόστους, χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, μικρής εμβέλειας ασύρματων δικτύων, με εκτεταμένη διάρκεια ζωής. Η συμμαχία ZigBee (ZigBee Alliance) είναι ένας οργανισμός εταιριών που συνεργάζονται ώστε να διασφαλίσουν αξιόπιστα, οικονομικά, χαμηλής κατανάλωσης, ασύρματα ελεγχόμενα προϊόντα που βασίζονται πάνω στο ανοιχτό διεθνές πρότυπο (open global standard). Η σχετική βιβλιογραφία που έχει εκδοθεί από τη ZigBee Alliance και την IEEE WPAN Working Group είναι οι επίσημες πηγές αναφοράς για την υλοποίηση δικτύων βασισμένων στις τεχνολογίες ZigBee και IEEE (την τελευταία θα την αναλύσουμε εν συνεχεία και είναι απαραίτητη για την ομαλή λειτουργία του ZigBee). Ωστόσο, αυτά τα επίσημα έγγραφα είναι πολύ τεχνικά, μακροσκελή και μπορούν πολλές φορές να περιορίσουν τους ενδιαφερόμενους που έχουν συγκεκριμένες χρονικές προθεσμίες στην υλοποίηση ενός project ή περιορισμένη τεχνική επάρκεια. Ως συνέπεια των παραπάνω, δημιουργήθηκε η ανάγκη για την ύπαρξη μιας πηγής η οποία περιγράφει σε βάθος όλες τις απαραίτητες τεχνικές λεπτομέρειες αλλά και περιέχει υψηλού επιπέδου (high level) μοντέλα που αφορούν τις βασικές και ουσιώδεις λειτουργίες της ασύρματης δικτύωσης μέσω του ZigBee. Στόχος του συγκεκριμένου τμήματος της εργασίας είναι να εξοικειώσει τον αναγνώστη με την τεχνολογία του ZigBee, ώστε να είναι σε θέση να κατανοήσει τεχνικά τι ακριβώς συμβαίνει πίσω από αυτήν την καινοτόμα τεχνολογία, αλλά και να μπορεί να υλοποιήσει ασύρματα δίκτυα της αρεσκείας του.

9 8 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Συντομογραφίες AIB - Application Support Layer Information Base AES - Advanced Encryption Standard AF - Application Framework APDU - Application Support Sublayer Protocol Data Unit APL - Application Layer APS - Application Support Sublayer APSDE - Application Support Sublayer Data Entity APSDE-SAP - APSDE-Service Access Point APSME - Application Support Sublayer Management Entity ASDU APS - Service Data Unit ASK - Amplitude Shift Keying AWGN - Additive White Gaussian Noise BPSK - Binary Phase-Shift Keying BRT - Broadcast Retry Timer BSN - Beacon Sequence Number BTR - Broadcast Transaction Record BTT - Broadcast Transaction Table CAP - Contention Access Period CBC-MAC - Cipher Block Chaining Message Authentication Code CCA - Clear Channel Assessment CCM - Counter with CBC-MAC CFP - Contention-Free Periodwww.newnespress.com CRC - Cyclic Redundancy Check CSMA-CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance DSN - Data Sequence Number DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum ED - Energy Detection EIRP - Effective Isotropic Radiated Power ERP - Effective Radiated Power EVM - Error Vector Magnitude FCS - Frame Check Sequence FFD - Full-Function Device FH - Frequency Hopping FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum GTS - Guaranteed Time Slot HDR - Header IB - Information Base IFS - Interframe Spacing ISM - Industrial, Scientific, and Medical LIFS - Long Interframe Spacing LQI - Link Quality Indicator LR-WPAN - Low-Rate Wireless Personal Area Network LSB - Least Significant Bit MAC - Medium Access Control MCPS - MAC Common Part Sublayer

10 9 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e MCPS-SAP - MAC Common Part Sublayer Service Access Point MFR - MAC Footer MHR - MAC Header MIC - Message Integrity Code MLME - MAC Layer Management Entity MLME-SAP - MAC Layer Management Entity Service Access Point MSB - Most Significant Bit MPDU - MAC Protocol Data Unit MSDU - MAC Service Data Unit NF - Noise Figure NHLE - Next Higher Layer Entity NIB - Network Layer Information Base NLDE - Network Layer Data Entitynewnespress.com NLME - Network Layer Management Entity NLME-SAP - Network Layer Management Entity Service Access Point NPDU - Network Layer Protocol Data Unit NSDU - Network Service Data Unit NWK - Network Layer OCDM - Orthogonal Code Division Multiplexing O-QPSK - Offset Quadrature Phase-Shift Keying OSI - Open Systems Interconnection PAN - Personal Area Network PC - Personal Computer PD - PHY Data PD-SAP - PHY Data Service Access Point PER - Packet Error Rate PHR - PHY Header PHY - Physical Layer PIB - PAN Information Base PLME - Physical Layer Management Entity PLME-SAP - Physical Layer Management Entity Service Access Point PN - Pseudorandom Noise POS - Personal Operating Space PPDU - PHY Protocol Data Unit PSD - Power Spectral Density PSDU - PHY Service Data Unit PSSS - Parallel Sequence Spread Spectrum QOS - Quality of Service RF - Radio Frequency RFD - Reduced Function Device RREP - Route Reply RREQ - Route Request RX - Receiver SAP - Service Access Point SFD - Start-of-Frame Delimiter SHR - Synchronization Header SIFS - Short Interframe Spacing

11 10 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e SIR - Signal-to-Interference Ratio SNR - Signal-to-Noise Ratio SKKE - Symmetric-Key Key Establishment.newnespress.com SSP - Security Services Provider TRX - Transceiver TX - Transmitter WLAN - Wireless Local Area Network WPAN - Wireless Personal Area Network ZDO - ZigBee Device Object

12 11 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Τα βασικά στοιχεία του ZigBee Στο παρόν κεφάλαιο θα κάνουμε μία πλήρη εισαγωγή στο ZigBee για μικρής εμβέλειας ασύρματα δίκτυα. Στόχος του κεφαλαίου είναι να παρέχουμε μία σύντομη, γενική, ολοκληρωτική αναφορά των βασικών στοιχείων του ZigBee αλλά και στις ιδιότητες που το διέπουν, συμπεριλαμβάνοντας την τοπολογία δικτύου, τους μηχανισμούς προσβασιμότητας των σταθμών, καθώς και τον ρόλο καθενός από τα επίπεδα πρωτοκόλλων που το συνοδεύουν. Τα θέματα που συζητούνται σε αυτό το κεφάλαιο, παρόλο που είναι εισαγωγικό, είναι αναλυτικά και περιεκτικά, χωρίς να αφήνουν τον αναγνώστη με ερωτηματικά ή απορίες. Τι είναι το ZigBee; Το ZigBee είναι ένα πρότυπο που καθορίζει ένα σύνολο από πρωτόκολλα επικοινωνίας για χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, μικρής εμβέλειας ασύρματων δικτύων. Οι ασύρματες συσκευές βασισμένες στο πρότυπο του ZigBee λειτουργούν στις ζώνες συχνοτήτων 868MHz, 915MHz, και 2.4GHz. Ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι 250K bits ανά δευτερόλεπτο. Το ZigBee χρησιμοποιείται ως επί το πλείστον σε εφαρμογές όπου απαιτούνται μπαταρίες για τη λειτουργία τους και μερικές από τις κύριες απαιτήσεις είναι ο χαμηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, το χαμηλό κόστος, και η μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Σε πολλές εφαρμογές του ZigBee, ο συνολικός χρόνος που κάθε μία από τις ασύρματες συσκευές συμμετέχει σε κάθε είδους δραστηριότητα στο δίκτυο είναι πολύ περιορισμένος. Η συσκευή καταναλώνει το μεγαλύτερο διάστημά της σε κατάσταση αδράνειας (powersaving mode), που είναι γνωστή και ως sleep mode. Ως εκ τούτου, οι συσκευές που βασίζονται στο ZigBee έχουν την ιδιότητα να βρίσκονται σε λειτουργία για αρκετά χρόνια πριν χρειαστεί να αντικατασταθούν οι μπαταρίες τους. Μία από τις λειτουργίες του ZigBee είναι η εντός οικίας παρακολούθηση ενός ασθενούς. Η αρτηριακή πίεση του ασθενούς ή ο αρτηριακός σφυγμός του, παραδείγματος χάριν, μπορούν να μετρηθούν από συσκευές που τις φοράει ο ίδιος. Ο ασθενής λοιπόν φοράει μία συσκευή βασισμένη στο ZigBee που αλληλεπιδρά με το σώμα του ασθενούς μέσω ενός αισθητήρα και συγκεντρώνει πληροφορίες σχετικά με την υγεία του, όπως την αρτηριακή πίεση ανά τακτές, συγκεκριμένης διάρκειας περιόδους. Τότε τα δεδομένα μεταφέρονται ασύρματα σε έναν τοπικό διακομιστή (server), όπως ένας προσωπικός υπολογιστής που βρίσκεται εντός του χώρου διαμονής του ασθενούς, όπου η αρχική ανάλυσή τους τίθεται σε λειτουργία. Τελικώς, όλα αυτά τα ουσιώδη δεδομένα στέλνονται στου ασθενούς τη νοσοκόμα που έχει αναλάβει την παρακολούθησή του ή στον αντίστοιχο ιατρό του μέσω του διαδικτύου για περαιτέρω ανάλυση.

13 12 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Ένα άλλο παράδειγμα εφαρμογής του ZigBee είναι ο έλεγχος της στατικής συνοχής μεγάλης έκτασης κτιρίων και εγκαταστάσεων. Σε αυτού του είδους τις εφαρμογές, αρκετοί ασύρματοι αισθητήρες (π.χ. επιταχυνσιόμετρα) εξοπλισμένοι με όλες τις λειτουργίες του ZigBee μπορούν να εγκατασταθούν λ.χ. σε έναν ουρανοξύστη και όλοι αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να συνθέσουν ένα ευρύτερο ασύρματο δίκτυο που συγκεντρώνει πληροφορίες οι οποίες εν συνεχεία θα χρησιμοποιηθούν για να αξιολογηθεί η στατικότητα του ουρανοξύστη και ενδεχομένως για να βρεθούν περιοχές πιθανών βλαβών. Μετά από έναν σεισμό, για παράδειγμα, ένας ουρανοξύστης απαιτεί έλεγχο της στατικότητάς του, πριν γίνει ξανά διαθέσιμος προς τους πολίτες. Όλα αυτά τα απαραίτητα δεδομένα συλλέγονται από τους προαναφερθέντες αισθητήρες και συμβάλλουν τα μάλα στην επίσπευση και αλλά και στη μείωση του κόστους των ελέγχων. Το πρότυπο του ZigBee (ZigBee standard) αναπτύσσεται από τη συμμαχία ZigBee (the ZigBee Alliance), που συμπεριλαμβάνει εκατοντάδες επιχειρήσεις, από παραγωγούς ημιαγωγών έως και κατασκευαστές λογισμικού για παραγωγή πρωτότυπου εξοπλισμού (OEMs) και εγκαταστάτες. Η ZigBee Alliance σχηματίστηκε το 2002 σαν ένας μη κερδοσκοπικός οργανισμός, ανοιχτή σε οιονδήποτε επιθυμεί να συμμετάσχει στο εγχείρημα. Το πρότυπο ZigBee υιοθέτησε το πρότυπο του IEEE σαν το φυσικό επίπεδο διεπαφής (Physical Layer, PHY) και σα Μέσο Πρόσβασης Ε- λέγχου (Medium Access Control, MAC). Όπως γίνεται κατανοητό από τα παραπάνω, κάθε συσκευή συμβατή με το ZigBee είναι συμβατή επίσης και με το πρότυπο IEEE Η ιδέα να χρησιμοποιείται η ασύρματη επικοινωνία προκειμένου να συγκεντρωθούν πληροφορίες ή να εκτελεστούν συγκεκριμένες εργασίες μέσα σε μια οικία ή ένα εργοστάσιο δεν είναι καινούρια. Υπάρχουν διαφόρων ειδών πρότυπα για μικρής εμβέλειας ασύρματα δίκτυα, όπως π.χ. το IEEE Wireless Local Area Network (WLAN) και το Bluetooth. Κάθε ένα από αυτά τα πρότυπα έχει τα πλεονεκτήματά του σε συγκεκριμένου είδους εφαρμογές. Το πρότυπο του ZigBee χρησιμοποιείται κυρίως όπου απαιτούνται εφαρμογές πολύ χαμηλού κόστους, χαμηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων και πάρα πολύ χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Το πρότυπο ZigBee συμβάλλει στη μείωση του κόστους εγκατάστασης, με την α- πλοποίηση των πρωτοκόλλων επικοινωνίας και με τη μείωση του ρυθμού δεδομένων. Οι ελάχιστες απαιτήσεις που ικανοποιούν τα πρότυπα ZigBee και IEEE είναι σχετικά χαλαρές αν τις συγκρίνουμε με άλλα πρότυπα, όπως το IEEE , με αποτέλεσμα να μειώνεται η πολυπλοκότητα και το κόστος εγκατάστασης πομποδεκτών συμβατών με το ZigBee. Ο κύκλος καθηκόντων (duty cycle) είναι ο λόγος του χρόνου που μια συσκευή είναι ενεργή στο δίκτυο προς τον συνολικό χρόνο που αυτή λειτουργεί, είτε αυτή είναι ενεργή, είτε σε sleep mode. Για παράδειγμα, αν μια συσκευή ενεργοποιείται

14 13 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e κάθε λεπτό και μένει ενεργή για 60ms, τότε ο κύκλος καθηκόντων της συγκεκριμένης συσκευής είναι 0.001, ή 0.1%. Στις περισσότερες εφαρμογές τύπου ZigBee, οι συσκευές έχουν κύκλους καθηκόντων μικρότερους από 1%, ώστε να διασφαλίσουν μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. ZigBee εναντίον Bluetooth και IEEE Συγκρίνοντας το πρότυπο του ZigBee με αυτά των Bluetooth και IEEE WLAN, μας βοηθάει στο να κατανοήσουμε πώς το ZigBee διαφοροποιείται από τα ήδη υ- πάρχοντα αυτά πρότυπα. Το παρακάτω σχήμα, πριν προχωρήσουμε σε περαιτέρω ανάλυση, συγκεντρώνει τα βασικά χαρακτηριστικά αυτών των τριών προτύπων. Σχήμα 1 Συγκρίνοντας το ZigBee με το Bluetooth και το IEEE Το πρότυπο IEE είναι μια οικογένεια προτύπων. Το IEEE b επιλέγεται εδώ επειδή λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων 2.4GHz, που είναι και η συνήθης ζώνη για το Bluetooth και το ZigBee. Το ΙΕΕΕ b έχει έναν υψηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (μέχρι 11Mbps), και η παροχή μίας ασύρματης σύνδεσης στο διαδίκτυο είναι μία από τις τυπικές εφαρμογές του. Η περιοχή εμβέλειάς του είναι τυπικά γύρω στα 30 με 100 μέτρα. Το Bluetooth, από την άλλη μεριά, έχει μικρότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (μικρότερο από 3Mbps) και η περιοχή εμβέλειάς του είναι τυπικά γύρω στα 2 με 10 μέτρα. Μια διάσημη εφαρμογή του Bluetooth είναι η επικοινωνία μεταξύ ενός κινητού τηλεφώνου και ενός σετ από hands-free. Το ZigBee έχει το μικρότερο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων αλλά και τη μικρότερη πολυπλοκότητα μεταξύ αυτών των τριών προτύπων και παρέχει σημαντικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής στη μπαταρία. Ο χαμηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων του ZigBee σημαίνει ότι δεν είναι η βέλτιστη επιλογή για την υλοποίηση μία ασύρματης σύνδεσης στο διαδίκτυο ή ενός ασύρματου hands-free με ποιότητα φωνής αντίστοιχη αυτής του CD όπου ταχύτητες περισσότερες από 1Mbps απαιτούνται. Ωστόσο, αν ο στόχος της ασύρματης επικοινωνίας είναι να στέλνονται και να λαμβάνονται απλές εντολές ή συγκέντρωση πληροφοριών από αισθητήρες όπως θερμοκρασίας, υγρασίας, κ.λπ., τότε το ZigBee

15 14 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e είναι αυτό που προσφέρει τη μεγαλύτερη ισχύ και την πιο οικονομική λύση συγκριτικά με το Bluetooth και το IEEE b. Κλάσεις ασύρματων δικτύων μικρής εμβέλειας Οι μέθοδοι μικρής εμβέλειας ασύρματων δικτύων χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLANs) και τα προσωπικά ασύρματα δίκτυα (WPANs). Κάτωθι, παρουσιάζεται μια οπτική κατηγοριοποίησή τους: Σχήμα 2 Κατηγοριοποίηση σε WLAN και WPAN Το WLAN είναι η αντικατάσταση ή η μετεξέλιξη των wired local area networks (LANs) όπως το Ethernet (IEEE 802.3). Μια WLAN συσκευή μπορεί να συνυπάρξει με ένα δίκτυο LAN, και από τη στιγμή που η WLAN συσκευή γίνει μέρος του δικτύου, το δίκτυο πλέον θα μεταχειρίζεται την ασύρματη συσκευή όπως κάθε άλλη ενσύρματη συσκευή μέσα στο δίκτυο. Ο στόχος του WLAN είναι να μεγιστοποιήσει την εμβέλεια και τον ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Τα WPANs, σε αντίθεση, δεν έχουν σχεδιαστεί για να αντικαταστήσουν κάποιο ήδη υπάρχον ενσύρματο LAN. Τα WPANs έχουν δημιουργηθεί για να παρέχουν τα μέσα για οικονομική σε κατανάλωση ισχύος ασύρματη επικοινωνία μέσα σε ένα προσωπικό χώρο λειτουργίας (Personal Operating Service, POS), χωρίς την ανάγκη ήδη υ- πάρχουσας υποδομής. Το POS είναι η σφαιρική περιοχή που συμπεριλαμβάνει την ασύρματη συσκευή και μια ακτίνα περίπου 10 μέτρων. Τα WPANs χωρίζονται σε τρεις κλάσεις, όπως φαίνεται στο σχήμα άνωθεν: high-rate (HR) WPANs, medium-rate (MR) WPANs, και low-rate (LR) WPANs. Ένα παράδειγμα ενός HR-WPAN είναι το με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων από 11 έως και 55Mbps. Αυτός ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων βοηθάει εφαρμογές όπως η μετάδοση βίντεο σε ζωντανό χρόνο από μία κάμερα ή μια κοντινή τηλεόραση. Το Bluetooth, με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων από 1 έως και 3Mbps, είναι ένα παράδειγμα ενός MR-WPAN και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση φωνής υψηλής ευκρίνειας σε ασύρματα hands-free. Το ZigBee, με μέγιστο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 250Kbps, χαρακτηρίζεται ως LR-WPAN.

16 15 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Η σχέση μεταξύ του ZigBee και του IEEE Ένας από τους πιο διαδεδομένους τρόπους για την εγκαθίδρυση ενός δικτύου επικοινωνίας (ενσύρματο ή ασύρματο) είναι να χρησιμοποιήσει κανείς το μοντέλο των επιπέδων δικτύου (networking layers). Κάθε επίπεδο είναι υπεύθυνο για συγκεκριμένες λειτουργίες στο δίκτυο. Τα επίπεδα συνήθως περνούν δεδομένα και εντολές μόνο σε επίπεδα που βρίσκονται αμέσως πιο πάνω ή πιο κάτω τους στην ιεραρχία. Τα ασύρματα δικτυακά επίπεδα του ZigBee φαίνονται στο επόμενο σχήμα: Σχήμα 3 Επίπεδα δικτύου του ZigBee (networking layers) O διαχωρισμός των επιπέδων βασίζεται στο μοντέλο αναφοράς Open System Interconnect (OSI). Το να χωρίσει κανείς ένα δίκτυο σε επίπεδα έχει μία σειρά από πλεονεκτήματα. Για παράδειγμα, αν το πρωτόκολλο αλλάζει με τον καιρό, είναι πολύ ευκολότερο να αντικαταστήσει ή να τροποποιήσει κανείς το επίπεδο που επηρεάζεται άμεσα από την αλλαγή, αντί να αντικαταστήσει ολόκληρο το πρωτόκολλο. Επιπροσθέτως, όταν σχεδιάζουμε μια εφαρμογή, τα χαμηλότερα επίπεδα του πρωτόκολλου είναι ανεξάρτητα της εφαρμογής και μπορούν να χρησιμοποιηθούν έτοιμα από τρίτες πηγές. Επομένως, ό,τι χρειάζεται κανείς να κάνει είναι να επιχειρήσει τις α- παραίτητες αλλαγές στο επίπεδο εφαρμογής (application layer) του πρωτόκολλου. Η διαδικασία εφαρμογής σε επίπεδο λογισμικού ενός πρωτοκόλλου ονομάζεται protocol stack software. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3, τα πρώτα δύο επίπεδα καθορίζονται από το πρότυπο IEEE Αυτό το πρότυπο αναπτύχθηκε από την επιτροπή IEEE 802 και ξεκίνησε επισήμως το Το IEEE ορίζει τις απαιτήσεις για τα επίπεδα PHY και MAC της ασύρματης δικτύωσης, αλλά δεν καθορίζει τις απαιτήσεις για τα επίπεδα που βρίσκεται σε υψηλότερο επίπεδο.

17 16 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Το πρότυπο ZigBee ορίζει μόνο τα επίπεδα της δικτύωσης, της εφαρμογής, και της ασφάλειας, ενώ υιοθετεί τα επίπεδα IEEE PHY και MAC σαν υποσύνολο του ευρύτερου δικτυακού πρωτόκολλου. Δηλαδή, κάθε συσκευή συμβατή με το πρότυπο ZigBee είναι επίσης συμβατή και με το πρότυπο Το IEEE αναπτύχθηκε ανεξάρτητα από το πρότυπο ZigBee, και είναι ικανό να δημιουργήσει ασύρματα δίκτυα μικρής εμβέλειας βασισμένα αποκλειστικά στο IEEE , χωρίς να υλοποιεί κάποια εξειδικευμένα επίπεδα του ZigBee. Σε αυτήν την περίπτωση, οι χρήστες αναπτύσσουν τη δική τους δικτυακή εφαρμογή πάνω στα επίπεδα PHY και MAC του IEEE Αυτές οι προσωπικές εφαρμογές είναι συνήθως απλούστερες από τα επίπεδα που διέπουν το ZigBee και είναι στοχευόμενες σε συγκεκριμένα πεδία δράσης. Ένα πλεονέκτημα αυτών των εφαρμογών είναι το μικρότερο μέγεθος σε μνήμη που απαιτείται για την υλοποίησή τους συνολικά, που μπορεί να τελικώς να καταλήξει σε μια μείωση του συνολικού κόστους. Ωστόσο, υλοποιώντας κανείς κάτι με το πρότυπο ZigBee εξασφαλίζει τη διαλειτουργικότητα με των άλλων εταιριών τις ασύρματες τεχνολογίες αλλά και επιπρόσθετη αξιοπιστία εξαιτίας της μεγάλης κοινότητας και μελών που αριθμεί το ZigBee. Η απόφαση του αν ναι ή όχι θα πρέπει να υ- λοποιηθεί κάτι σε ZigBee ή απλώς σε IEEE PHY και MAC εξαρτάται από το είδος της εφαρμογής αλλά και το μακροπρόθεσμο πλάνο ανάπτυξης και ζωής του προϊόντος. Τα χαρακτηριστικά των φυσικών επιπέδων (physical levels) ενός δικτύου καθορίζονται από το επίπεδο PHY. Επομένως, παράμετροι όπως οι συχνότητες λειτουργίας, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, η ευαισθησία του δέκτη, κ.λπ., καθώς και οι τύποι των συσκευών καθορίζονται από το πρότυπο IEEE Συχνότητες λειτουργίας και ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων Υπάρχουν τρεις μπάντες συχνοτήτων στην τελευταία έκδοση του IEEE , που εκδόθηκε τον Σεπτέμβριο του 2006: Mhz (868MHz band) MHz (915MHz band) MHz (2.4GHz band) Η μπάντα των 868MHz χρησιμοποιείται στην Ευρώπη για μια σειρά από εφαρμογές, όπως αυτών των ασύρματων δικτύων μικρής εμβέλειας. Οι άλλες δύο μπάντες (915MHz και 2.4GHz) είναι μέρος των βιομηχανικών, επιστημονικών και ιατρικών (ISM) συχνοτήτων. Η μπάντα των 915MHz χρησιμοποιείται κυρίως στη Βόρεια Αμερική, ενώ η μπάντα των 2.4GHz χρησιμοποιείται παγκοσμίως. Παρακάτω, παρου-

18 17 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e σιάζονται λεπτομέρειες που αφορούν τους τρόπους με τους οποίους αυτές οι τρεις ζώνες συχνοτήτων χρησιμοποιούνται στο πρότυπο IEEE Σχήμα 4 Οι ζώνες συχνοτήτων στο πρότυπο IEEE To ΙΕΕΕ απαιτεί αν ο πομποδέκτης υποστηρίζει τη ζώνη των 868MHz, να υποστηρίζει και αυτή των 915MHz, και αντιστρόφως. Επομένως, αυτές οι δύο ζώνες συχνοτήτων θεωρούνται σε ένα ενιαίο σύνολο και συχνά στη βιβλιογραφία αναγράφονται ως η ζώνη των 868/915MHz. To IEEE έχει μια υποχρεωτική και δύο προαιρετικές απαιτήσεις για τη ζώνη των 868/915MHz. Οι υποχρεωτικές απαιτήσεις είναι ευκολότερες στην υλοποίησή τους αλλά υλοποιούν μικρότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων (20Kbps και 40Kbps, αντιστοίχως). Πριν την εισαγωγή των δύο προαιρετικών PHY ιδιοτήτων το 2006, ο μόνος τρόπος ώστε να υπάρξει ρυθμός μετάδοσης δεδομένων μεγαλύτερος από 40Kbps ήταν να ενεργοποιηθεί η ζώνη των 2.4GHz. Με την προσθήκη των δύο νέων αυτών ιδιοτήτων στο PHY, εάν για κάποιο λόγο (όπως η ύπαρξη δυνατής παρεμβολής στη ζώνη των 2.4GHz) η εφαρμογή δε δύναται να λειτουργήσει στη μπάντα των 2.4GHz, ή εάν ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων των 40Kbps δεν αρκεί, ο χρήστης τώρα διαθέτει την επιλογή να πετύχει μέχρι και 250Kbps ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στη ζώνη των 868/915MHz. Εάν ο χρήστης αποφασίσει να υλοποιήσει τις προαιρετικές λειτουργίες, το IEEE συνεχίζει να μπορεί να λειτουργεί και σε χαμηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων στη ζώνη των 868/915MHz (των 20 ή 40Kbps, ως είδαμε προηγουμένως). Επιπλέον, ο πομποδέκτης πρέπει να είναι ικανός να αλλάζει δυναμικά μεταξύ των υποχρεωτικών και προαιρετικών λειτουργιών στη ζώνη των 868/915MHz.

19 18 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Ένας πομποδέκτης της ζώνης των 2.4GHz μπορεί δυνητικά να υποστηρίξει τη ζώνη των 868/915MHz, αλλά αυτό δεν είναι κάτι που απαιτείται από το IEEE Υπάρχει χώρος για ένα μοναδικό κανάλι στη ζώνη των 868MHz. Η ζώνη των 915MHz διαθέτει μέχρι και 10 κανάλια. Ο συνολικός αριθμός των καναλιών στη ζώνη των 2.4GHz είναι 16. Η ζώνη των 2.4GHz ISM συχνοτήτων είναι κοινώς αποδεκτή παγκοσμίως και διαθέτει το μέγιστο αριθμό καναλιών και ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Εξαιτίας τούτων, η ανάπτυξη πομποδεκτών για τη ζώνη των 2.4GHz είναι μια δημοφιλής επιλογή για πολλούς κατασκευαστές. Ωστόσο, το IEEE b λειτουργεί στην ίδια ζώνη συχνοτήτων και η συνύπαρξη μπορεί να θέσει προβλήματα σε μερικές εφαρμογές. Επίσης, όσο μικρότερη είναι η ζώνη συχνοτήτων, τόσο ευκολότερα τα σήματα διαπερνούν τους τοίχους και διαφόρων ειδών αντικείμενα. Επακολούθως, μερικοί χρήστες θεωρούν την επιλογή της ζώνης των 868/915MHz καλύτερη επιλογή για τις εφαρμογές τους. Υπάρχουν τρεις τύποι διαμόρφωσης στο IEEE : binary phase shift keying (BPSK), amplitude shift keying (ASK) και offset quadrature phase shift keying (O- QPSK). Στο BPSK και O-QPSK, τα ψηφιακά δεδομένα βρίσκονται στη φάση του σήματος. Στο ASK, εν αντιθέσει, τα ψηφιακά δεδομένα βρίσκονται στο πλάτος του σήματος. Όλες οι ασύρματες μέθοδοι επικοινωνίας στο IEEE , όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4, εκμεταλλεύονται είτε τις τεχνικές του φάσματος εξάπλωσης άμεσης ακολουθίας (direct sequence spread spectrum, DSSS), είτε του φάσματος εξάπλωσης παράλληλης ακολουθίας (parallel sequence spread spectrum, PSSS). Τα DSSS και PSSS βοηθούν στη βελτίωση της απόδοσης των δεκτών σε ένα περιβάλλον πολλαπλών διαδρομών. Διαλειτουργικότητα Το ZigBee συμπεριλαμβάνει μία ευρεία γκάμα εφαρμογών. Επομένως, αρκετοί κατασκευαστές παρέχουν υπηρεσίες βασισμένες σε αυτό. Είναι πολύ σημαντικό για αυτές τις συσκευές βασισμένες στο ZigBee να μπορούν να αλληλεπιδρούν η μία με την άλλη ανεξαρτήτως από την προέλευση του κατασκευαστή. Με άλλα λόγια, τις συσκευές πρέπει να τις διέπει η αρχή της διαλειτουργικότητας. Η διαλειτουργικότητα είναι ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του πρότυπου ZigBee. Όλες οι συσκευές βασισμένες σε αυτό είναι διαλειτουργικές, ακόμη κι αν τα μηνύματα που μεταφέρονται μεταξύ τους είναι κρυπτογραφημένα για λόγους ασφαλείας.

20 19 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Τύποι συσκευών Υπάρχουν δύο τύποι συσκευών σε ένα ασύρματο δίκτυο βασισμένο στο IEEE : οι συσκευές πλήρους λειτουργίας (full-function devices, FFDs) και οι συσκευής περιορισμένης λειτουργίας (reduced-function devices, RFDs). Μία συσκευή FFD έχει τη δυνατότητα να εκτελεί όλα τα καθήκοντα, ως αυτά ορίζονται στο πρότυπο και μπορεί να αποδέχεται οιονδήποτε ρόλο σε ένα δίκτυο. Μία RFD, από την άλλη μεριά, έχει περιορισμένες δυνατότητες. Για παράδειγμα, μία FFD μπορεί να επικοινωνεί με μία άλλη συσκευή σε ένα δίκτυο, αλλά μία RFD μπορεί μόνο να μιλήσει με μία FFD. Οι συσκευές RFD χρησιμοποιούνται για πολύ απλές εφαρμογές όπως το άνοιγμα ή το κλείσιμο ενός διακόπτη. Η επεξεργαστική ισχύς και το μέγεθος της μνήμης των RFD συσκευών είναι συνήθως μικρότερα από αυτά των FFD συσκευών. Ρόλοι συσκευών Σε ένα δίκτυο IEEE , μία συσκευή FFD μπορεί να έχει τρεις διαφορετικούς ρόλους: συντονιστή, PAN συντονιστή, και συσκευής. Ο συντονιστής (coordinator) είναι μια FFD συσκευή που έχει τη δυνατότητα να αναμεταδίδει μηνύματα. Εάν ο συντονιστής είναι επίσης ο κύριος ελεγκτής ενός προσωπικού δικτύου (PAN), τότε αποκαλείται PAN συντονιστής (PAN coordinator). Εάν μία συσκευή δε λειτουργεί ως συντονιστής, τότε απλώς καλείται ως συσκευή. Το πρότυπο ZigBee χρησιμοποιεί ελαχίστως διαφοροποιημένη ορολογία. Αυτή, παρουσιάζεται σχηματικά αμέσως παρακάτω: Σχήμα 5 Κατηγορίες συσκευών στο ZigBee Ένας συντονιστής ZigBee είναι ο αντίστοιχος IEEE PAN coordinator. Αναλόγως, ένας δρομολογητής ZigBee (ZigBee router) είναι μια συσκευή που μπορεί να

21 20 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e λειτουργήσει ως ένας IEEE συντονιστής. Τελικώς, μία τερματική συσκευή ZigBee (ZigBee end device), είναι μια συσκευή που δεν είναι ούτε συντονιστής ούτε δρομολογητής. Μία τερματική συσκευή ZigBee είναι συνήθως η λιγότερα ακριβή συσκευή μέσα στο δίκτυο. Τοπολογίες δικτύων ZigBee Ο σχηματισμός του δικτύου διαχειρίζεται από το δικτυακό επίπεδο του ZigBee. Το δίκτυο πρέπει να διαθέτει μία από τις δύο δικτυακές τοπολογίες που ορίζονται στο IEEE : star (αστέρα) ή peer-to-peer. Στη συνδεσμολογία αστέρα, star topology, που φαίνεται στο Σχήμα 6, κάθε συσκευή στο δίκτυο μπορεί να επικοινωνεί μόνο με τον συντονιστή PAN. Ένα τυπικό σενάριο σε μία συνδεσμολογία αστέρα είναι να υπάρχει μία FFD, προγραμματισμένη ώστε να είναι ο PAN συντονιστής, η οποία, αφού ενεργοποιηθεί, θέτει σε λειτουργία το δίκτυο. Το πρώτο πράγμα που ο PAN συντονιστής επιχειρεί είναι να συλλέξει ένα μοναδικό PAN αναγνωριστικό που δεν χρησιμοποιείται από κανένα άλλο δίκτυο στην εμβέλεια επιρροής του (δηλαδή στην περιοχή γύρω από τη συσκευή όπου το σήμα του μπορεί επιτυχώς να επικοινωνήσει με σήματα από άλλες πηγές). Με άλλα λόγια, διασφαλίζει ότι το PAN αναγνωριστικό δεν χρησιμοποιείται από κανέναν κοντά στο δίκτυο. Σχήμα 6 Τοπολογία αστέρα (star) Στη συνδεσμολογία peer-to-peer, που φαίνεται στο Σχήμα 7, κάθε συσκευή μπορεί να επικοινωνεί απευθείας με κάθε άλλη συσκευή αν οι συσκευές τοποθετούνται αρκετά κοντά μεταξύ τους, ώστε να διεκπεραιώνουν ένα επιτυχές δίκτυο επικοινωνίας. Κάθε FFD συσκευή σε ένα peer-to-peer δίκτυο μπορεί να παίξει το ρόλο ενός PAN συντονιστή. Ένας τρόπος για να αποφασίσει κανείς ποια συσκευή θα είναι ο PAN συντονιστής, είναι να διαλέξει την πρώτη FFD συσκευή που ξεκινάει να επικοινωνεί στο δίκτυο σαν τον PAN συντονιστή. Σε ένα δίκτυο peer-to-peer, όλες οι συσκευές που συμμετέχουν στην αναμετάδοση μηνυμάτων είναι FFDs, επειδή οι RFDs δεν έχουν τη δυνατότητα να αναμεταδίδουν μηνύματα. Ωστόσο, μία RFD συσκευή μπορεί να είναι μέρος του δικτύου και να επικοινωνεί μόνο με μία συγκεκριμένη συσκευή (έναν συντονιστή ή δρομολογητή) σε ένα δίκτυο.

22 21 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 7 Τοπολογία peer-to-peer Ένα δίκτυο peer-to-peer μπορεί να πάρει διαφορετικά σχήματα ορίζοντας διάφορους περιορισμούς στις συσκευές που επικοινωνούν μεταξύ τους. Εάν δεν υπάρχει κανένας περιορισμός, το δίκτυο peer-to-peer είναι γνωστό ως τοπολογία mesh. Μία άλλη μορφή ενός peer-to-peer δικτύου ZigBee υποστηρίζει και την τοπολογία tree, η οποία φαίνεται στο Σχήμα 8. Σε αυτήν την περίπτωση, ένας συντονιστής ZigBee (PAN συντονιστής) δημιουργεί το αρχικό δίκτυο. Οι δρομολογητές ZigBee σχηματίζουν τις διακλαδώσεις και αναμεταδίδουν τα μηνύματα. Οι τερματικές συσκευές ZigBee δρουν ως φύλλα του δένδρου και δε συμμετέχουν στη δρομολόγηση των μηνυμάτων. Οι δρομολογητές ZigBee μπορούν να μεγαλώσουν το δίκτυο πέρα από το αρχικό που εγκαθίδρυσε ο συντονιστής ZigBee. Το Σχήμα 8 επίσης δείχνει ένα παράδειγμα του πώς η αναμετάδοση ενός μηνύματος μπορεί να βοηθήσει στην επέκταση του δικτύου πέρα από τα εμπόδια που παρεμβάλλονται. Για παράδειγμα, μία συσκευή Α χρειάζεται να στείλει ένα μήνυμα σε μία συσκευή B, αλλά υπάρχει ένα εμπόδιο μεταξύ τους που είναι δύσκολο το σήμα να διαπεράσει. Η τοπολογία tree βοηθάει στην αναμετάδοση, καθώς το μήνυμα περνάει κυκλικά του εμποδίου, ώστε να φθάσει τελικώς στη συσκευή Β. Αυτό μερικές φορές αναφέρεται ως multihopping, καθώς ένα μήνυμα αναπηδά (hops) από έναν κόμβο σε έναν άλλον, μέχρι να φθάσει τον τελικό του προορισμό. Αυτή η μεγαλύτερη κάλυψη προφανώς συνεπάγεται και μεγαλύτερη καθυστέρηση στην επιτυχή μετάδοση του μηνύματος. Ένα δίκτυο IEEE , ανεξαρτήτως από την τοπολογία του, πάντα δημιουργείται από έναν PAN συντονιστή. Ο PAN συντονιστής ελέγχει το δίκτυο και εκτελεί τουλάχιστον τα παρακάτω καθήκοντα: Κατανέμει μία μοναδική διεύθυνση (16-bit ή 64-bit) σε κάθε συσκευή στο δίκτυο. Θέτει σε λειτουργία, τερματίζει και δρομολογεί τα μηνύματα μέσα στο δίκτυο. Επιλέγει ένα μοναδικό PAN αναγνωριστικό για το δίκτυο. Αυτό το PAN αναγνωριστικό επιτρέπει στις συσκευές μέσα στο δίκτυο να χρησιμοποιούν τη

23 22 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e 16-bit διευθυνσιοδότηση και να εξακολουθούν αυτές να μπορούν να επικοινωνούν με άλλες συσκευές μεταξύ ανεξάρτητων δικτύων. Υπάρχει μόνον ένας PAN συντονιστής μέσα σε ολόκληρο το δίκτυο. Ο PAN συντονιστής ίσως χρειάζεται να έχει μεγάλες ενεργές περιόδους. Εξαιτίας τούτου, συνήθως είναι συνδεμένος με το κύριο δίκτυο ηλεκτροδότησης παρά με μπαταρία. Όλες οι υπόλοιπες συσκευές λειτουργούν με μπαταρίες. Το μικρότερο πιθανό δίκτυο περιλαμβάνει δύο συσκευές: έναν PΑΝ συντονιστή και μία συσκευή. Σχήμα 8 Τοπολογία tree Τα βασικά των επικοινωνιών στο ZigBee και IEEE Σε αυτό το μέρος θα ασχοληθούμε με τα βασικά στοιχεία της επικοινωνίας στο ZigBee και IEEE , όπως στη μέθοδο πολλαπλής πρόσβασης (multiple access method), στις μεθόδους μεταφοράς δεδομένων (data transfer methods) και στη διευθυνσιοδότηση (addressing). CSMA-CA To ΙΕΕΕ υλοποιεί μια απλή μέθοδος ώστε να επιτρέψει πολλαπλές συσκευές να χρησιμοποιήσουν το ίδιο κανάλι συχνότητας ως τηλεπικοινωνιακό τους μέσο. Ο μηχανισμός πρόσβασης στο κανάλι που χρησιμοποιείται είναι ο CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Στον CSMA-CA, κάθε φορά που μια συσκευή θέλει να εκπέμψει, πρώτα εκτιμά το κατά πόσο ένα κανάλι είναι ελεύθερο (clear channel assessment, CCA), ώστε να επαληθεύσει ότι το κανάλι δεν χρησιμοποιείται από κάποια άλλη συσκευή. Τότε η συσκευή ξεκινάει τη μετάδοση του μηνύματός της. Η απόφαση ώστε να ανακηρύξει ένα κανάλι ελεύθερο ή όχι μπορεί να βασιστεί στη μέτρηση της φασματικής ενέργειας στη συχνότητα του εν-

24 23 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e διαφερόμενου καναλιού προς μετάδοση ή στον εντοπισμό κάποιου άλλου σήματος, που έχει ήδη καταλάβει το κανάλι. Όταν η συσκευή σχεδιάζει να εκπέμψει ένα σήμα, πρώτα μπαίνει σε κατάσταση λήψης, ώστε να εντοπίσει και να υπολογίσει το επίπεδο της ενέργειας του σήματος στο επιθυμητό κανάλι. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή σαν εντοπισμός ενέργειας (energy detection, ED). Στην κατάσταση ED, ο δέκτης δεν προσπαθεί να αποκρυπτογραφήσει το σήμα, παρά μόνο μετράει το ενεργειακό επίπεδο του σήματος. Εάν υπάρχει ήδη ένα σήμα στη ζώνη συχνοτήτων ενδιαφέροντος, το ED δεν καθορίζει εάν αυτό είναι ή όχι ένα IEEE σήμα. Ένας εναλλακτικός τρόπος ώστε να κηρύξει κανείς ένα κανάλι συχνοτήτων ελεύθερο ή κατειλημμένο είναι βάσει του carrier sense (CS). Στο CS, σε αντίθεση με το ED, ο τύπος του κατειλημμένου σήματος καθορίζεται και, εάν αυτό το σήμα είναι ένα IEEE σήμα, τότε η συσκευή ίσως θεωρήσει το κανάλι απασχολημένο έστω και αν η ενέργεια του σήματος είναι κάτω από το κατώφλι που έχει ορίσει ο χρήστης. Εάν το κανάλι δεν είναι ελεύθερο, η συσκευή κάνει πίσω για ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και εφόσον αυτό διέλθει, επιχειρεί ξανά. Η συγκεκριμένη διαδικασία ε- παναλαμβάνεται έως ότου το κανάλι γίνεται ελεύθερο ή η συσκευή φθάνει στο μέγιστο αριθμό επαναλήψεων εκπομπής. Δίκτυα Beacon-Enabled έναντι Nonbeacon Υπάρχουν δύο μέθοδοι για πρόσβαση στο κανάλι: με ανταγωνισμό (contention based) ή χωρίς (contention free). Στην πρόσβαση με ανταγωνισμό, όλες οι συσκευές θέλουν να εκπέμψουν στο κανάλι ίδιας συχνότητας χρησιμοποιώντας τον μηχανισμό CSMA-CA, και η πρώτη που θα βρει το κανάλι διαθέσιμο ξεκινάει την εκπομπή του μηνύματός της. Στην πρόσβαση χωρίς ανταγωνισμό, ο PAN συντονιστής αφιερώνει μια συγκεκριμένη μερίδα χρόνου (time slot) σε κάθε συσκευή. Αυτό καλείται guaranteed time slot (GTS). Ως εκ τούτου, μια συσκευή με GTS θα ξεκινήσει την εκπομπή κατά τη διάρκεια του GTS της, χωρίς να χρησιμοποιηθεί ο μηχανισμός CSMA- CA. Για την παροχή του GTS, ο PAN συντονιστής χρειάζεται να επαληθεύσει ότι όλες οι συσκευές στο δίκτυο είναι συγχρονισμένες. Το Beacon είναι ένα μήνυμα με προκαθορισμένη μορφή που χρησιμοποιείται ώστε να συγχρονίσει τα ρολόγια (clocks) των κόμβων του δικτύου. Ένας συντονιστής έχει την επιλογή να μεταδώσει σήματα τύπου beacon, ώστε να συγχρονίσει όλες τις συσκευές που βρίσκονται υπό την εποπτεία του. Αυτός αποκαλείται ως beacon-enabled PAN. Το μειονέκτημα της χρησιμοποίησης beacons είναι ότι όλες οι συσκευές στο δίκτυο πρέπει να αφυπνίζονται σε τακτά χρονικά διαστήματα, να ακούν για πιθανή έλευση του beacon, να συγχρονίζουν τα ρολόγια τους και να πηγαίνουν ξανά σε sleep mode. Αυτό σημαίνει

25 24 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e ότι πολλές από τις συσκευές στο δίκτυο ίσως αφυπνίζονται μόνο για συγχρονισμό, χωρίς να εκτελούν κάποια άλλη λειτουργία ενώ είναι ενεργές. Εξαιτίας τούτου, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μιας συσκευής σε ένα δίκτυο που λειτουργεί με beacons είναι συνήθως μικρότερη από ένα δίκτυο που λειτουργεί χωρίς. Ένα δίκτυο όπου ο PAN συντονιστής δεν στέλνει beacons ονομάζεται nonbeacon δίκτυο. Σε ένα τέτοιο δίκτυο δεν υπάρχουν GTSs ούτε περίοδοι άνευ ανταγωνισμού, καθώς οι συσκευές δε μπορούν να συγχρονιστούν η μία με την άλλη. Η διάρκεια ζωής σε ένα τέτοιο δίκτυο είναι αισθητά μεγαλύτερη, καθώς οι συσκευές αφυπνίζονται πολύ πιο σπάνια. Μοντέλα μεταφοράς δεδομένων Υπάρχουν τρεις τύποι μεταφοράς δεδομένων στο IEEE : Μεταφορά δεδομένων σε έναν συντονιστή από μία συσκευή Μεταφορά δεδομένων από έναν συντονιστή σε μία συσκευή Μεταφορά δεδομένων μεταξύ δύο peer συσκευών Όλες αυτές οι μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μία peer-to-peer τοπολογία. Στην τοπολογία star, μόνο οι πρώτες δύο μπορούν να χρησιμοποιηθούν, καθώς δεν υπάρχει άμεση peer-to-peer επικοινωνία, αλλά ούτε και επιτρέπεται. Παρακάτω, παρουσιάζεται σχηματικά η δεδομένων σε beacon και nonbeacon δίκτυα. Σχήμα 9 Δεδομένα προς συντονιστή σε beacon/nonbeacon δίκτυα Μεταφορά δεδομένων προς τον συντονιστή Σε ένα δίκτυο beacon, όταν μία συσκευή αποφασίζει να αποστείλει δεδομένα στον συντονιστή, η συσκευή συγχρονίζει το ρολόι της ανά τακτά χρονικά διαστήματα και στέλνει τα δεδομένα στον συντονιστή χρησιμοποιώντας τη μέθοδος CSMA-CA (υποθέτοντας ότι η μεταφορά δεν επετεύχθη κατά τη διάρκεια του GTS). Ο συντονιστής θα στείλει επιβεβαίωση της αποστολής των δεδομένων μόνο αν αυτό απαιτηθεί από τον αποστολέα. Αυτό παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.

26 25 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Στο Σχήμα 9 επίσης φαίνεται η ακολουθία της μεταφοράς δεδομένων σε ένα nonbeacon δίκτυο. Σε αυτό το σενάριο, η συσκευή εκπέμπει τα δεδομένα μόλις το κανάλι είναι ελεύθερο. Η αποστολή της αναγνώρισης λήψης των δεδομένων από τον PAN συντονιστή είναι προαιρετική. Μεταφορά δεδομένων από έναν συντονιστή Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται οπτικά η μεταφορά δεδομένων από μία συσκευή προς τον συντονιστή. Σχήμα 10 Δεδομένα από συντονιστή σε beacon/nonbeacon δίκτυα Στο άνωθεν σχήμα (a) παρουσιάζονται τα βήματα μεταφοράς δεδομένων από έναν συντονιστή σε μία συσκευή σε ένα beacon δίκτυο. Εάν ο συντονιστής χρειάζεται να στείλει δεδομένα σε συσκευή, τότε υποδεικνύει στο μήνυμα beacon που πρόκειται να στείλει ότι ένα μήνυμα δεδομένων εκκρεμεί προς τη συγκεκριμένη συσκευή. Η συσκευή τότε στέλνει ένα μήνυμα απαίτησης δεδομένων στον συντονιστή υποδεικνύοντας ότι είναι ενεργή και έτοιμη για τη λήψη των δεδομένων. Τότε ο συντονιστής αναγνωρίζει την ετοιμότητα της συσκευής και στέλνει τα δεδομένα προς αυτήν. Η αποστολή της ετοιμότητας της επισκευής γενικώς είναι προαιρετική, αλλά καλό είναι να λαμβάνεται. Σε ένα nonbeacon δίκτυο (b), ο συντονιστής χρειάζεται να περιμένει τη συσκευή να του απαιτήσει δεδομένα. Εάν η συσκευή απαιτήσει δεδομένα αλλά δεν υπάρχουν δεδομένα προς αποστολή για τη συγκεκριμένη συσκευή, τότε ο συντονιστής στέλνει ένα μήνυμα με μία προκαθορισμένη μορφή που υποδεικνύει ότι δεν υπάρχουν αυτή τη στιγμή δεδομένα για αποστολή προς τη συγκεκριμένη συσκευή. Εναλλακτικά, ο συντονιστής ίσως στείλει ένα μήνυμα δεδομένων μηδενικού μήκους.

27 26 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Μετάδοση δεδομένων peer-to-peer Στην τοπολογία peer-to-peer, κάθε συσκευή μπορεί να επικοινωνεί απευθείας με μία άλλη συσκευή. Σε πολλές εφαρμογές, οι συσκευές που εμπλέκονται σε peer-topeer μεταφορές δεδομένων συγχρονίζονται. Επαλήθευση δεδομένων Το πακέτο είναι ένας αριθμός bits που μεταδίδονται μαζί με μία προκαθορισμένη μορφή. Ο δέκτης χρειάζεται να είναι ένα μηχανισμό ώστε να επαληθεύσει εάν κάποιο από τα ληφθέντα bits έχουν φθάσει με σφάλματα. Το ΙΕΕΕ χρησιμοποιεί ένα 16-bit Frame Check Sequence (FCS) μηχανισμός, που βασίζεται στο International Telecommunication Union (ITU) Cyclic Redundancy Check (CRC), ώστε να εντοπίσει πιθανά λάθη στο πακέτο δεδομένων. Διευθυνσιοδότηση Κάθε συσκευή σε ένα δίκτυο χρειάζεται μια μοναδική διεύθυνση (address). To IEEE χρησιμοποιεί δύο μεθόδους διευθυνσιοδότησης: 16-bit διευθυνσιοδότηση 64-bit εκτεταμένη διευθυνσιοδότηση Ένα δίκτυο μπορεί να επιλέξει είτε την 16-bit είτε την 64-bit διευθυνσιοδότηση. Η πρώτη επιτρέπει την επικοινωνία μέσα σε ένα μόνο δίκτυο. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον μηχανισμό, επιτυγχάνεται μία μείωση στο μέγεθος των μηνυμάτων και εξοικονόμηση στην απαιτούμενη μνήμη που προκαθορίζεται για την αποθήκευση των διευθύνσεων. Ο συνδυασμός ενός μοναδικού PAN αναγνωριστικού και μίας συντομευμένης διεύθυνσης των 16-bit μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επικοινωνία μεταξύ ανεξάρτητων δικτύων. Η διαθεσιμότητα 64-bit διευθυνσιοδότησης σημαίνει ότι ο μέγιστος αριθμός συσκευών σε ένα δίκτυο μπορεί να είναι 2 64, ή αλλιώς περίπου 1.8x Ως εκ τούτου, ένα ασύρματο ΙΕΕΕ δίκτυο δεν έχει πρακτικά κανένα όριο στον αριθμό των συσκευών που μπορούν να συμμετάσχουν μέσα στο δίκτυο. Το δικτυακό επίπεδο (Network layer, NWK) του πρότυπου ZigBee αποδίδει μία επιπλέον 16-bit διεύθυνση, πέρα από αυτήν του IEEE. Ένας απλός lookup table χρησιμοποιείται προκειμένου να κάνει την αντιστοίχιση των 64-bit IEEE διευθύνσεων σε

28 27 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e μία μοναδική NWK διεύθυνση. Οι δοσοληψίες στο δικτυακό επίπεδο (NWK) απαιτούν την χρήση NWK διευθύνσεων. Κάθε radio σε ένα δίκτυο μπορεί να έχει μια ατομική IEEE διεύθυνση και αντιστοίχως μια ατομική NWK διεύθυνση. Ωστόσο, μπορούν να συνδεθούν ταυτοχρόνως μέχρι και 240 συσκευές σε ένα radio. Κάθε μία από αυτές τις συσκευές διακρίνεται με έναν μοναδικό αριθμό μεταξύ 1 και 240, που είναι γνωστός και ως η endpoint διεύθυνση. Συσχέτιση και αποσυσχέτιση Η συσχέτιση (association) και η αποσυσχέτιση (disassociation) είναι υπηρεσίες που παρέχονται από το ΙΕΕΕ και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να επιτρέψουν τις συσκευές να συνδεθούν ή να φύγουν από ένα δίκτυο. Για παράδειγμα, όταν μια συσκευή θέλει να μπει σε ένα PAN, στέλνει ένα αίτημα συσχέτισης στον συντονιστή. Τότε ο συντονιστής μπορεί να αποδεχθεί ή να απορρίψει το αίτημα συσχέτισης. Η συσκευή επίσης μπορεί να χρησιμοποιήσει την υπηρεσία της αποσυσχέτισης προκειμένου να ενημερώσει τον συντονιστή ότι σκοπεύει να φύγει από το δίκτυο. Συνδεσιμότητα Η συνδεσιμότητα (binding) είναι η διαδικασία δημιουργίας λογικών συνδέσεων μεταξύ των εφαρμογών που είναι συσχετιζόμενες. Για παράδειγμα, μία ZigBee συσκευή που είναι συνδεμένη σε μία λάμπα είναι λογικά συσχετιζόμενη με μία άλλη ZigBee συσκευή συνδεμένη στον διακόπτη που ελέγχει τη λάμπα. Οι πληροφορίες που αφορούν αυτές τις λογικές συνδέσεις αποθηκεύονται στο binding table. Το πρότυπο ZigBee, στο επίπεδο της εφαρμογής, παρέχει υποστήριξη για τη δημιουργία και συντήρηση των binding tables. Οι συσκευές που είναι λογικά συσχετιζόμενες ονομάζονται στη βιβλιογραφία και ως bound devices. O αυτοσχηματισμός και η αυτοεπούλωση του ZigBee Όπως συζητήθηκε και προηγουμένως, ένα δίκτυο ZigBee ξεκινάει το σχηματισμό του αμέσως μόλις οι συσκευές γίνουν ενεργές. Σε ένα δίκτυο τύπου mesh, για παράδειγμα, η πρώτη FFD συσκευή που ξεκινάει να επικοινωνεί μπορεί να θεωρήσει τον εαυτό της ως τον συντονιστή του ZigBee, και άλλες συσκευές τότε μπορούν να εισέλθουν στο δίκτυο στέλνοντας αιτήματα συσχέτισης. Επειδή δεν απαιτείται πε-

29 28 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e ραιτέρω επίβλεψη για την εγκαθίδρυση του δικτύου, τα δίκτυα ZigBee θεωρούνται ως αυτοσχηματιζόμενα (self-forming). Από την άλλη μεριά, όταν ένα mesh δίκτυο δημιουργείται, συνήθως υπάρχει παραπάνω από ένας τρόπος για την αναμετάδοση του μηνύματος από μία συσκευή σε μία άλλη. Εκ φύσεως του δικτύου, επιλέγεται ο πιο σύντομος για τη δρομολόγηση του μηνύματος. Ωστόσο, αν ένας από τους δρομολογητές πάψει να λειτουργεί εξαιτίας της εξάντλησης της μπαταρίας του ή εάν ένα εμπόδιο μπλοκάρει τη διαδρομή του μηνύματος, τότε το δίκτυο είναι σε θέση να επιλέξει μία εναλλακτική δρομολόγηση. Αυτό είναι ένα παράδειγμα αυτοεπούλωσης (self-healing) σε ένα δίκτυο ZigBee. To ZigBee θεωρείται ένα ad-hoc ασύρματο δίκτυο. Σε ένα ad-hoc ασύρματο δίκτυο, μερικοί ασύρματοι κόμβοι είναι πρόθυμοι να προωθήσουν δεδομένα που προορίζονται για άλλες συσκευές. Ο δρομολογητής που θα κουβαλήσει ένα μήνυμα από την πηγή στον προορισμό επιλέγεται δυναμικά, βάσει της συνδεσιμότητας του δικτύου. Εάν η κατάσταση του δικτύου αλλάξει, ίσως χρηστεί απαραίτητη η αλλαγή της δρομολόγησης στο δίκτυο. Αυτό είναι αντίθετο ως προς τις συμβατικές τεχνολογίες δικτύου όπου υπάρχει μια εγκατάσταση και μερικές συσκευές και μόνον αυτές δρουν σα δρομολογητές μέσα στο δίκτυο. Οι λειτουργίες του δικτυακού επιπέδου στο ZigBee και στο IEEE Επίπεδο PHY Στην ασύρματη δικτύωση ZigBee, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3, το χαμηλότερο πρωτόκολλο είναι το IEEE Physical layer, ή εν συντομία PHY. Αυτό το επίπεδο είναι το κοντινότερο επίπεδο στο υλικό και απευθείας ελέγχει και επικοινωνεί με τον πομποδέκτη. Το επίπεδο PHY είναι υπεύθυνο για την ενεργοποίηση του πομποδέκτη που λαμβάνει ή στέλνει πακέτα. Το PHY επίσης επιλέγει τη συχνότητα του καναλιού και επαληθεύει ότι το κανάλι δεν χρησιμοποιείται την εκάστοτε χρονική στιγμή από άλλες συσκευές. Η γενική δομή του πακέτου στο PHY Τα δεδομένα και οι εντολές που κυκλοφορούν μεταξύ διαφόρων συσκευών με την μορφή πακέτων. Η γενική δομή ενός πακέτου φαίνεται στο Σχήμα 11. Το πακέτο PHY αποτελείται από τρία συστατικά μέρη: το Synchronization Header (HR), το PHY Header (PHR) και το PHY payload.

30 29 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 11 Γενική δομή πακέτου PHY To SHR δίνει τη δυνατότητα στον δέκτη να συγχρονίσει τη ροή των bits. Το PHR περιλαμβάνει πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος του πλαισίου, και το PHY payload παρέχεται από ανώτερα επίπεδα και περιέχει δεδομένα ή εντολές για τη συσκευή που θα λάβει τα πακέτα. Το πλαίσιο του MAC (MAC frame), που μεταφέρεται σε άλλες συσκευές σε PHY payload, έχει τρεις τομείς. Το MAC Header (MHR) που περιέχει πληροφορίες που αφορούν την ασφάλεια και διευθυνσιοδότηση. Το MAC payload που έχει ένα μεταβλητό μέγεθος (συμπεριλαμβανομένου του μηδενός) και περιέχει εντολές ή δεδομένα. Το MAC Footer (MFR) που περιέχει ένα 16-bit FCS για επαλήθευση δεδομένων. Το πλαίσιο του δικτύου (NWK frame) έχει δύο μέρη: το NWK Header (NHR) και το NWK payload. Το NWK Header έχει πληροφορίες σχετικά με τη διευθυνσιοδότηση σε επίπεδο δικτύου αλλά και πληροφορίες ελέγχου. Το NWK payload παρέχεται από το υποεπίπεδο APS. Στο πλαίσιο του υποεπιπέδου APS, o APS Header (AHR) έχει πληροφορίες σχετικά με τον έλεγχο και διευθυνσιοδότηση σε επίπεδο εφαρμογής. Το auxiliary frame header (auxiliary HDR) περιέχει τον μηχανισμό που χρησιμοποιείται για την προσθήκη ασφάλειας. Τα πλαίσια MAC και NWK μπορούν επίσης να έ- χουν προαιρετικούς auxiliary headers για επιπρόσθετη ασφάλεια. Το APS payload συμπεριλαμβάνει δεδομένα ή εντολές. To Message Integrity Code (MIC) είναι ένα χαρακτηριστικό ασφαλείας που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό μιας μη επιθυμητής αλλαγής στο περιεχόμενο του μηνύματος. Στο Σχήμα 11 φαίνεται ότι το πρώτο bit που μεταφέρεται είναι το λιγότερο σημαντικό bit (least significant bit, LSB) του SHR. Το περισσότερο σημαντικό bit (most significant bit, MSB) της τελευταίας οκτάδας του PHY payload είναι αυτό που μεταφέρεται τελευταίο.

31 30 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Επίπεδο MAC To επίπεδο MAC παρέχει την διεπαφή μεταξύ του επιπέδου PHY και του επιπέδου NWK. Το MAC είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία beacons αλλά και για τον συγχρονισμό της συσκευής στα beacons (σε ένα beacon δίκτυο). Το επίπεδο MAC επίσης παρέχει υπηρεσίες συσχέτισης και αποσυσχέτισης. Δομές πλαισίου MAC To ΙΕΕΕ καθορίζει τέσσερις δομές πλαισίου MAC: Πλαίσιο Beacon Πλαίσιο Δεδομένων Πλαίσιο Αναγνώρισης Πλαίσιο εντολών MAC To πλαίσιο beacon χρησιμοποιείται από έναν συντονιστή ώστε να μεταδώσει τα beacons. Τα beacons χρησιμοποιούνται για τον συγχρονισμό του ρολογιού όλων των συσκευών μέσα στο ίδιο δίκτυο. Η αναγνώριση (ACK) των δεδομένων που γίνεται στο πλαίσιο αναγνώρισης χρησιμοποιείται προκειμένου αφού μεταδοθούν τα δεδομένα, να λάβει ο αποστολέας ένα μήνυμα επιτυχούς λήψης. Οι εντολές τύπου MAC μεταδίνονται μέσω του πλαισίου εντολών MAC. Πλαίσιο Beacon Η δομή του πλαισίου beacon φαίνεται στο Σχήμα 12. Ολόκληρο το πλαίσιο MAC χρησιμοποιείται σαν payload σε ένα πακέτο PHY. Το περιεχόμενο του PHY payload αναφέρεται ως PHY Service Data Unit (PSDU). Σχήμα 12 Δομή πλαισίου beacon Στο πακέτο PHY, το πρόθεμα χρησιμοποιείται από τον λήπτη για τον συγχρονισμό. Ο start-of-frame περιοριστής (SDF) υποδεικνύει το τέλος του SHR και την αρχή του PHR. Το μέγεθος του πλαισίου καθορίζει τον συνολικό αριθμό οκτάδων στο PHY payload (PSDU).

32 31 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e To πλαίσιο MAC αποτελείται από τρία μέρη: το MAC Header (MHR), το MAC payload, και το MAC Footer (MFR). Το πλαίσιο του πεδίου ελέγχου στον MHR περιέχει πληροφορίες που καθορίζουν τον τύπο του πλαισίου, τη διευθυνσιοδότηση, και άλλα flags ελέγχου. Ο αριθμός ακολουθίας καθορίζει τον αριθμό ακολουθίας του beacon (beacon sequence number, BSN). Το auxiliary security header είναι προαιρετικό και περιέχει πληροφορίες που απαιτούνται για την ασφάλεια. Το MAC payload παρέχεται από το επίπεδο NWK. Το superframe είναι ένα πλαίσιο μεταξύ δύο πλαισίων beacon. Το superframe προαιρετικά χρησιμοποιείται στα beacon δίκτυα και βοηθάει στον ορισμό των GTSs. To πλαίσιο beacon δεν χρησιμοποιείται μόνο για τον συγχρονισμό των συσκευών σε ένα δίκτυο αλλά χρησιμοποιείται και ως συντονιστής ώστε να επιτρέψει σε μια συγκεκριμένη συσκευή σε ένα δίκτυο να γνωρίζει ότι υπάρχουν δεδομένα που εκκρεμούν γι αυτήν στον συντονιστή. Η συσκευή, δυναμικά, θα επικοινωνήσει με τον συντονιστή και θα αιτήσει τνη αποστολή των δεδομένων προς αυτήν. Αυτό καλείται έμμεση αποστολή (indirect transmission). To beacon payload πεδίο είναι ένα προαιρετικό πεδίο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το επίπεδο NWK και μεταδίδεται μαζί με το πλαίσιο beacon. Ο λήπτης χρησιμοποιεί το FCS πεδίο ώστε να ελέγξει για πιθανά λάθη που ελήφθησαν στο εν λόγω πλαίσιο. Πλαίσιο δεδομένων Το πλαίσιο δεδομένων MAC φαίνεται στο Σχήμα 13. Το payload των δεδομένων παρέχεται από το πλαίσιο NWK. Τα δεδομένα στο MAC payload αναφέρονται σαν MAC Service Data Unit (MSDU). Τα πεδία σε αυτό το πλαίσιο είναι παρόμοια με αυτά του beacon εκτός από το superframe, GTS και τα εκκρεμή πεδία διευθύνσεων. Το πλαίσιο δεδομένων MAC αναφέρεται ως MAC Protocol Data Unit (MPDU) και εν τέλει γίνεται το PHY payload. Σχήμα 13 Πλαίσιο δεδομένων MAC

33 32 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Πλαίσιο Αναγνώρισης Το πλαίσιο αναγνώρισης MAC, που φαίνεται στο Σχήμα 14, είναι το πιο απλό πλαίσιο MAC και δεν κουβαλάει κάποιο MAC payload (φορτίο). Το πλαίσιο αναγνώρισης στέλνεται από μια συσκευή σε μια άλλη ώστε να επαληθεύσει την επιτυχή μετάδοση ενός πακέτου. Πλαίσιο εντολών MAC Σχήμα 14 Πλαίσιο αναγνώρισης MAC Οι εντολές MAC όπως οι αιτήσεις συσχέτισης ή αποσυσχέτισης μέσα σε ένα δίκτυο μεταφέρονται χρησιμοποιώντας το πλαίσιο εντολών MAC, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 15. Το πεδίο τύπου εντολής καθορίζει τον τύπο της εντολής (π.χ. αίτηση συσχέτισης ή αίτηση δεδομένων). Το payload της εντολής περιέχει την ίδια την εντολή. Ολόκληρη η εντολή MAC τοποθετείται στο PHY payload σα PSDU. Σχήμα 15 Πλαίσιο εντολών MAC

34 33 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e To επίπεδο NWK To επίπεδο NWK επιδρά μεταξύ του MAC και του APL και είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση του σχηματισμού του δικτύου και για τη δρομολόγηση. Δρομολόγηση (routing) είναι η διαδικασία επιλογής ενός συγκεκριμένου μονοπατιού μέσω του οποίου το μήνυμα θα αναμεταδοθεί στη συσκευή που προορίζεται. Ο ZigBee συντονιστής και οι δρομολογητές είναι υπεύθυνοι για την ανακάλυψη αλλά και τη διατήρηση των διαδρομών μέσα σε ένα δίκτυο. Μια τερματική συσκευή ZigBee δεν είναι σε θέση να ανακαλύψει μία διαδρομή. Ο ZigBee συντονιστής ή ένας δρομολογητής είναι αυτός που θα αναλάβει την εύρεση της διαδρομής εκ μέρους της τερματικής συσκευής. Το NWK επίπεδο ενός ZigBee συντονιστή είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία ενός νέου δικτύου και για την επιλογή μιας τοπολογίας δικτύου (tree, star ή mesh). O ZigBee συντονιστής επίσης διανέμει τις NWK διευθύνσεις στις συσκευές μέσα στο δίκτυο. Το επίπεδο APL To επίπεδο εφαρμογής (Application layer, APL) είναι το υψηλότερο πρωτόκολλο στα ZigBee ασύρματα δίκτυα και φιλοξενεί τα αντικείμενα της εκάστοτε εφαρμογής. Οι κατασκευαστές αναπτύσσουν αντικείμενα εφαρμογών προκειμένου να προσαρμόσουν μια συσκευή για διάφορες χρήσεις και εφαρμογές. Τα αντικείμενα των εφαρμογών ελέγχουν και διαχειρίζονται τα επίπεδα των πρωτοκόλλων σε μία συσκευή ZigBee. Ως εκ τούτου, μπορούν να συνυπάρξουν μέχρι και 240 αντικείμενα εφαρμογών σε μία συσκευή. Το πρότυπο ZigBee προσφέρει την επιλογής της χρήσης προφίλ εφαρμογής (application profiles) στην ανάπτυξη μίας εφαρμογής. Ένα προφίλ εφαρμογής είναι ένα σύνολο από προκαθορισμένες εκτελέσεις επεξεργασίας δεδομένων και συγκεκριμένων μορφών μηνυμάτων. Η χρήση ενός προφίλ εφαρμογής επιτρέπει περαιτέρω διαλειτουργικότητα μεταξύ προϊόντων που δημιουργούνται από διαφορετικούς κατασκευαστές για ενός συγκεκριμένου είδους εφαρμογή. Αν δύο κατασκευαστές χρησιμοποιήσουν το ίδιο προφίλ εφαρμογής για την ανάπτυξη των προϊόντων τους, τότε το πρόγραμμα του ενός κατασκευαστή θα είναι σε θέση να αλληλεπιδράσει με το άλλο από τον δεύτερο κατασκευαστή. Ασφάλεια Σε ένα ασύρματο δίκτυο, τα μεταδιδόμενα μηνύματα μπορούν να ληφθούν από οιαδήποτε κοντινή συσκευή, συμπεριλαμβανομένου ενός εισβολέα. Υπάρχουν δύο

35 34 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e βασικοί προβληματισμοί ασφαλείας σε ένα ασύρματο δίκτυο. Το πρώτο είναι η ε- μπιστευτικότητα των δεδομένων. Η συσκευή-εισβολέας μπορεί να αποκτήσει πρόσβαση σε ευαίσθητες πληροφορίες απλώς ακούγοντας τα μεταδιδόμενα μηνύματα. Η κρυπτογράφηση των μηνυμάτων πριν σταλούν επιλύει το πρόβλημα εμπιστευτικότητας. Ένας αλγόριθμος κρυπτογράφησης τροποποιεί το μήνυμα χρησιμοποιώντας μια σειρά από bits που είναι γνωστά ως κλειδί ασφαλείας (security key), και μόνο ο στοχευμένος λήπτης θα είναι σε θέση να αποκρυπτογραφήσει το ληφθέν σήμα και να αναπαράγει τελικώς το αρχικό. Το πρότυπο IEEE υποστηρίζει την χρήση του Advanced Encryption Standard (AES) για την κρυπτογράφηση των ε- ξερχόμενων μηνυμάτων. Ο δεύτερος προβληματισμός είναι ότι η συσκευή-εισβολέας ίσως είναι σε θέση να τροποποιήσει και να επαναστείλει ένα από τα προηγούμενα μηνύματα ακόμη κι αν τα μηνύματα είναι κρυπτογραφημένα. Συμπεριλαμβάνοντας ένα message integrity code (MIC) με κάθε εξερχόμενο πλαίσιο, θα είναι σε θέση ο λήπτης να γνωρίζει αν το αρχικό μήνυμα άλλαξε καθοδόν. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται πιστοποίηση δεδομένων (data authentication). Ένας από τους βασικούς περιορισμούς στην υλοποίηση των χαρακτηριστικών α- σφαλείας σε ένα ασύρματο δίκτυο ZigBee είναι οι περιορισμένοι πόροι. Οι κόμβοι λειτουργούν κυρίως μέσω μπαταρίας και έχουν περιορισμένη υπολογιστική ισχύ καθώς και μνήμη. Το ZigBee στοχεύει γενικότερα σε χαμηλού κόστους εφαρμογές και υλικό και οι κόμβοι μπορεί να μην είναι ασφαλείς. Εάν ένας εισβολέας αποκτήσει έναν κόμβο από ένα δίκτυο που βρίσκεται σε λειτουργία και το οποίο δεν είναι ασφαλές, το κλειδί ασφαλείας μπορεί εύκολα να βρεθεί από τη μνήμη της συσκευής. Ένας ασφαλής κόμβος μπορεί να σβήσει όλα τα ευαίσθητα δεδομένα και πληροφορίες, συμπεριλαμβανομένου των κλειδιών ασφαλείας, εάν εντοπιστεί ύ- ποπτη συμπεριφορά. Η πύλη του ZigBee Μία πύλη ZigBee παρέχει επικοινωνία μεταξύ ενός δικτύου ZigBee και ενός άλλου δικτύου, που βασίζεται σε κάποιο άλλο πρότυπο. Για παράδειγμα, εάν η ασύρματη δικτύωση τύπου ZigBee χρησιμοποιείται για τη συγκέντρωση πληροφοριών ενός ασθενούς μέσα σε ένα δωμάτιο, αυτές οι πληροφορίες ίσως χρειαστεί να μεταφερθούν μέσω του διαδικτύου σε ένα σταθμό ελέγχου. Σε αυτήν την περίπτωση, η πύλη ZigBee εφαρμόζει ταυτοχρόνως και το πρωτόκολλο ZigBee και το αντίστοιχο του διαδικτύου (TCP/IP ή UDP), ώστε να είναι σε θέση να μεταφράσει τα ZigBee πακέτα στα αντίστοιχα του TCP/IP ή UDP και αντιστρόφως.

36 35 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Παραδείγματα εφαρμογών ZigBee Τα δίκτυα τύπου ZigBee περιλαμβάνουν μια τεράστια γκάμα εφαρμογών, όπως μεταξύ άλλων αυτοματισμούς σε κατοικίες, απογραφής και ελέγχου αποθεμάτων, διευκόλυνσης των συστημάτων παροχής ιατρικής και φαρμακευτικής περίθαλψης. Στο παρόν κεφάλαιο θα δούμε μία σειρά από αυτά τα προαναφερθέντα σενάρια στα οποία οι υπηρεσίες του ZigBee μπορούν να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα ή/και να μειώσουν το κόστος τους. Η πλήρης εφαρμογή του πρότυπου ZigBee έχει το πλεονέκτημα της αξιόπιστης απόδοσης δικτύων τύπου mesh, τα οποία αναλύθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο ενδελεχώς. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι σε περίπτωση που η εφαρμογή είναι αρκετά απλή πως ενδέχεται να υλοποιείται και μόνο με την χρήση των επιπέδων που μας παρέχει το πρότυπο IEEE Αυτοματισμοί σε κατοικίες Ο αυτοματισμός σε κατοικίες είναι ένα από τα σημαντικότερα πεδία εφαρμογών της ασύρματης δικτύωσης τύπου ZigBee. Εδώ, θα καλύψουμε τις πιο ευρείες και γνωστές εφαρμογές που χρησιμοποιούνται στις οικείες και όχι μόνο. Ο τυπικός ρυθμός μεταφοράς δεδομένων στους μηχανισμούς αυτοματισμού των κατοικιών είναι μόνο 10Kbps. Στο Σχήμα 16 φαίνονται μερικές πιθανές ZigBee εφαρμογές σε μία τυπική πολυκατοικία. Οι περισσότερες από αυτές τις εφαρμογές που βρίσκονται στο Σχήμα 16, αναφέρονται στη συνέχεια λεπτομερέστερα. Σχήμα 16 Τυπικές εφαρμογές ZigBee σε μια οικεία

37 36 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Συστήματα ασφαλείας Ένα σύστημα ασφαλείας αποτελείται από διάφορους αισθητήρες, συμπεριλαμβάνοντας ανιχνευτές κίνησης, σπασίματος υαλικών επιφανειών, ψηφιακών συστημάτων παρακολούθησης μέσω καμερών. Αυτές οι συσκευές πρέπει να επικοινωνούν με τον κεντρικό πίνακα ασφαλείας είτε μέσω καλωδίου είτε μέσω κάποιου ασύρματου δικτύου. Τα συστήματα ασφαλείας που βασίζονται στο πρότυπο ZigBee διευκολύνουν σε μεγάλο βαθμό την εγκατάσταση και την αναβάθμισή τους. Παρόλο το χαμηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων του ZigBee, είναι δυνατή η ασύρματη μεταφορά εικόνων με αποδεκτή ποιότητα ευκρίνειας. Για παράδειγμα, το ZigBee έχει χρησιμοποιηθεί πολλάκις σε ένα σύστημα που απαρτίζεται από ασύρματα δικτυωμένες κάμερες για την καταγραφή σε video των επισκεπτών σε ένα οίκημα και εν συνεχεία για την αποστολή του video σε μία κεντρική οθόνη παρακολούθησης σε ένα μέρος μέσα στο σπίτι. Μετρητές ποσοτήτων Οι ποσότητες διαφόρων ειδών (ηλεκτρικό ρεύμα, αέριο, νερό, κ.λπ.) χρειάζεται να μετρούνται ανά τακτά χρονικά διαστήματα προκειμένου να εκδοθούν και οι αντίστοιχοι λογαριασμοί. Ένας τρόπος επίτευξης τούτου είναι διαβάζοντας τις τιμές των μετρητών που βρίσκονται στις εγκαταστάσεις του ιδιοκτήτη και περνώντας τις εν συνεχεία σε μία βάση δεδομένων. Ένας αυτόματος μετρητής ZigBee (automatic meter-reading, AMR) μπορεί να δημιουργήσει έναν αυτοσχηματιζόμενο ασύρματο δίκτυο mesh κατά μήκος μίας οικιακής εγκατάστασης που συνδέει τους μετρητές που προαναφέραμε με τα κεντρικά γραφεία των αντίστοιχων εταιριών. Το σύστημα AMR παρέχει την δυνατότητα στον απομακρυσμένο έλεγχο του αερίου, ηλεκτρικού ρεύματος, κατανάλωσης νερού, κ.λπ. μιας κατοικίας, με αποτέλεσμα να περιορίζει την ανάγκη για επίσκεψη κάποιου υπευθύνου της εταιρίας ανά μήνα στην κατοικία για τη μέτρηση κατανάλωσης των αντίστοιχων ποσοτήτων. Ένας μετρητής AMR μπορεί να κάνει πολύ περισσότερα από το να μεταφέρει απλώς τα δεδομένα της μηνιαίας κατανάλωσης. Μπορεί να συγκεντρώσει αναλυτικές πληροφορίες, αυτοματοποιημένα να εντοπίσει διαρροές ή ελαττώματα στον εξοπλισμό, και γενικώς μπορεί να βοηθήσει σε κάθε είδους πρόβλημα. Οι ασύρματες συσκευές βασισμένες στο ZigBee δεν πραγματοποιούν απλώς ελέγχους, αλλά μπορούν να διαχειριστούν και τις παροχές σε περιόδους αιχμής, επικοινωνώντας με διάφορες συσκευές μέσα στο σπίτι. Για παράδειγμα, όταν υπάρχει τεράστια κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος, ένας θερμοσίφωνας που λειτουργεί με το πρότυπο ZigBee μπορεί παροδικά να τεθεί εκτός λειτουργίας προκειμένου να μειωθεί η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας.

38 37 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Συστήματα άρδευσης Ένα σύστημα άρδευσης με αισθητήρα που λειτουργεί σύμφωνα με το πρότυπο ZigBee μπορεί να βοηθήσει στην αποτελεσματική διαχείριση της κατανάλωσης ύδατος. Αισθητήρες κατά μήκος μιας προκαθορισμένης έκτασης μπορούν να επικοινωνούν με τον κεντρικό πίνακα άρδευσης αλλά και να μετρούν ανά πάσα στιγμή το επίπεδο υγρασίας σε διαφορετικά σημεία. Ο κεντρικός πίνακας, εφόσον λάβει τις μετρήσεις επιπέδου της υγρασίας από τα διάφορα αυτά σημεία, είναι σε θέση, ύ- στερα από εκτέλεση διαφόρων υπολογιστικών μεθόδων να υπολογίσει το ακριβές χρονικό διάστημα ποτισμού, λαμβάνοντας υπόψη τα επίπεδα της υγρασίας στα διάφορα σημεία της έκτασης, το είδος των φυτών που πρόκειται να ποτιστούν, την ώρα της ημέρας, αλλά και την εποχή. Αυτοί οι διανεμημένοι αισθητήρες που επικοινωνούν ασύρματα περιορίζουν τις τεχνικές δυσκολίες που θα προέκυπταν αν συνδέονταν ενσύρματα αλλά και μειώνουν αισθητά το κόστος συντήρησης. Συστήματα διαχείρισης φωτισμού Η διαχείριση φωτισμού είναι ένα από τα κλασικά παραδείγματα εφαρμογών τύπου ZigBee σε ένα σπίτι ή σε ένα εργοστάσιο. Στην παραδοσιακή εγκατάσταση φωτισμού, το άνοιγμα ή κλείσιμο του διακόπτη προϋποθέτει την ύπαρξη ενσύρματης δικτύωσης μεταξύ του διακόπτη και της λάμπας. Η εγκατάσταση μίας νέας λάμπας, απαιτεί εκ νέου ενσύρματη καλωδίωση με τον αντίστοιχο διακόπτη. Ωστόσο, σε περίπτωση που αυτή η νέα λάμπα και ο αντίστοιχος διακόπτης είναι εξοπλισμένοι με ZigBee συσκευές, δεν απαιτείται καμία ενσύρματη καλωδίωση μεταξύ τους. Επιπλέον, αυτές οι ZigBee συσκευές έχουν τη δυνατότητα, εφόσον το επιθυμεί ο χρήστης, να αλλάζουν δυναμικά τη συμπεριφορά τους και κάθε φορά άλλος διακόπτης να ανταποκρίνεται σε άλλη λάμπα. Με αυτόν τον τρόπο, κάθε διακόπτης σε ένα σπίτι μπορεί να ανταποκρίνεται οπουδήποτε, χωρίς να απαιτείται κάθε φορά επιπρόσθετη καλωδίωση. Στο Σχήμα 17, παρουσιάζεται ένα παράδειγμα ασύρματων συνδέσεων μεταξύ των διακοπτών και των λυχνιών σε ένα σπίτι. Στο παράδειγμά μας, οι λυχνίες τοποθετούνται στην είσοδο της οικείας, στο καθιστικό και στον διάδρομο. Οι διακόπτες που βρίσκονται στην είσοδο μπορούν να κλείσουν ή να ανοίξουν οιαδήποτε λυχνία υπάρχει στον χώρο. Από την άλλη μεριά, ο διακόπτης που βρίσκεται στο καθιστικό, επικοινωνεί μόνο με τις λυχνίες που βρίσκονται στον ίδιο χώρο, δηλαδή στο καθιστικό. Επειδή οι δύο λυχνίες του καθιστικού βρίσκονται σε πολύ κοντινή απόσταση μεταξύ τους, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία ZigBee συσκευή για την διαχείριση και των δύο ταυτοχρόνως. Η ιδέα των binding tables, που είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, είναι εφαρμόσιμη και στο παράδειγμά μας. Ο διακόπτης 1 είναι λογικά συνδεμένος και με τις

39 38 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e τέσσερις λυχνίες. Ο διακόπτης 2 αντιστοίχως είναι συνδεμένος μόνο με τις λυχνίες στο καθιστικό. Μία από τις συσκευές στο δίκτυο έχει την ευθύνη της αποθήκευσης αλλά και της συνεχούς αναβάθμισης του binding table. Σχήμα 17 Διαχείριση φωτισμού με ZigBee συσκευές Θα πρέπει να σημειωθεί εδώ ότι ο φωτισμός που λειτουργεί με συσκευές ZigBee μπορεί να είναι ακριβότερος από τον τυπικό ενσύρματο, αλλά η εγκατάστασή του είναι αισθητά φθηνότερη, καθώς δεν απαιτεί ενσύρματη καλωδίωση μεταξύ διακόπτη και λάμπας. Η διαχείριση του ασύρματου, απομακρυσμένου ελέγχου του φωτισμού δεν είναι κάτι καινούριο. Το ZigBee δίνει τη δυνατότητα να υλοποιηθεί αυτή η ιδέα σε μεγάλη κλίμακα, εξασφαλίζοντας μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και διαλειτουργικότητα μεταξύ διαφορετικών κατασκευαστών σε ένα πολύ αξιόπιστο και φθηνό δίκτυο. Πέρα από το οικονομικό όφελος, ο φωτισμός που λειτουργεί με ZigBee έχει και άλλα πλεονεκτήματα μέσα σε ένα σπίτι. Για παράδειγμα, οι ZigBee λυχνίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως δρομολογητές διαφόρων μηνυμάτων μέσα στο σπίτι ή μπορούν να προγραμματιστούν να σβήνουν ή να ελαττώνουν την φωτεινότητά τους κάθε φορά που ανοίγει η τηλεόραση. Ο μηχανισμός ελέγχου φωτισμού με ZigBee χρησιμοποιείται πλέον και για τη διαχείριση του φωτισμού των πόλεων και των φαναριών. Πολυζωνικά συστήματα Το πολυζωνικό σύστημα ελέγχου επιτρέπει κάθε μονάδα θέρμανσης, αερισμού και κλιματισμού να έχει διαφορετικές ζώνες θερμοκρασίας μέσα στο σπίτι (Heat, Ventilation, Air Conditioning System, HVAC System). Αυτό το πολυζωνικό HVAC σύστημα βοηθάει σε μεγάλο βαθμό στη μείωση κατανάλωσης ενέργειας, ελέγχοντας τη ροή

40 39 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e του αέρα σε κάθε δωμάτιο και αποτρέποντας την ανεπιθύμητη ψύξη ή θέρμανση σε μη αξιοποιήσιμες περιοχές. Στο παρακάτω σχήμα εμφανίζεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα που δείχνει μηχανισμούς που ελέγχουν τα διαφράγματα αέρα αλλά και που καθορίζουν τη ροή του αέρα σε διαφορετικές ζώνες. Σχήμα 18 Διαχείριση συστήματος HVAC σε ένα σπίτι Οι συσκευές ZigBee ελέγχουν αυτούς τους μηχανισμούς βασιζόμενες σε εντολές που λαμβάνουν από τον κεντρικό πίνακα ελέγχου του συστήματος HVAC αλλά και από τους αισθητήρες θερμοκρασίας. Ένας εναλλακτικός τρόπος υλοποίησης ενός πολυζωνικού συστήματος είναι η σύνδεση του κεντρικού πίνακα, των μηχανισμών και των αισθητήρων με καλωδίωση αντί για την ασύρματη δικτύωση. Ένα ενσύρματο δίκτυο ως είναι φυσικό έχει πολύ μικρότερη ευελιξία και επιπρόσθετη οικονομική επιβάρυνση σε ανθρώπινο δυναμικό για την καλωδίωση. Ωστόσο, το κόστος των μεμονωμένων μερών ίσως είναι λίγο φθηνότερο. Το συνολικό κόστος και η ευελιξία του συστήματος για μελλοντικές τροποποιήσεις θα πρέπει να είναι οι παράγοντες που θα ληφθούν υπ όψιν πριν κάνουμε οιαδήποτε βεβιασμένη κίνηση. Απομακρυσμένος έλεγχος ηλεκτρικών συσκευών Στις συνήθεις ηλεκτρικές συσκευές, το ZigBee μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ασύρματη διαχείρισή τους. Παραδείγματα αποτελούν τα χειριστήρια των παιχνιδιών, το ποντίκι του προσωπικού υπολογιστή, και πολλές άλλες εφαρμογές. Σε αυτό το μέρος, θα αναλύσουμε εν συντομία την εφαρμογή τέτοιων ZigBee ασύρματων συσκευών. Ένας ελεγκτής υπέρυθρης ακτινοβολίας (infrared, IR) επικοινωνεί με τηλεοράσεις, DVD players, και άλλες συσκευές ψυχαγωγίας μέσω υπερύθρων σημάτων. Ο περιορισμός αυτών των συσκευών είναι ότι παρέχουν μόνο μιας κατεύθυνσης επικοινωνία μεταξύ του κεντρικού συστήματος και της απομακρυσμένης συσκευής. Επίσης, τα σήματα υπερύθρων δε διαπερνούν τοίχους ή άλλα αντικείμενα και ως εκ τούτου

41 40 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e απαιτούν οπτικό πεδίο με το κεντρικό σύστημα προκειμένου να λειτουργήσουν ο- μαλά. Οι ραδιοφωνικές συχνότητες (radio frequencies, RF) ωστόσο, εύκολα διαπερνούν τους τοίχους και τα περισσότερα αντικείμενα. Το πρότυπο IEEE είναι ένας άξιος αντικαταστάτης της τεχνολογίας IR για τη διαχείριση ασύρματων συσκευών, επειδή έχει χαμηλό κόστος και μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, καθώς βασίζεται στο πρότυπο ZigBee. Επίσης, το ZigBee μπορεί να δημιουργήσει αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ του κεντρικού συστήματος και της εκάστοτε συσκευής. Για παράδειγμα, οι πληροφορίες ενός τραγουδιού ή οι ρυθμίσεις της τηλεόρασης μπορούν να κατέβουν στο τηλεχειριστήριο, ακόμη κι αν αυτό δε βρίσκεται στον ίδιο χώρο με αυτή. Αυτοματοποίηση στη βιομηχανία Σε επίπεδο βιομηχανίας, τα δίκτυα mesh τύπου ZigBee μπορούν να βοηθήσουν σε περιοχές όπως η διαχείριση ενέργειας, φωτισμού, επεξεργασίας αλλά και περιουσιακών στοιχείων (asset management). Σε αυτό το σημείο, θα αναλύσουμε εν συντομία τη διαχείριση των πόρων και του προσωπικού σε ένα εργοστάσιο με την χρήση εφαρμογών τύπου ZigBee. Διαχείριση πόρων και εντοπισμός προσωπικού Οι ετικέτες (tags) των passive radio frequency identification (RFID) έχουν χρησιμοποιηθεί εδώ και αρκετά χρόνια. Παρόλο που ένα παθητικό RFID tag δε διαθέτει κάποια μπαταρία, ο RFID reader μπορεί να διαθέτει μία. Ένα παθητικό RFID tag μπορεί να μεταδώσει μόνο απλές πληροφορίες όπως έναν διακριτό αριθμό (ID number), που επαρκεί για αρκετές εφαρμογές διαχείρισης πόρων. Τα ενεργά RFIDs, όπως οι συσκευές ZigBee, διαθέτουν μπαταρίες και γενικά είναι πιο ακριβά από τα αντίστοιχα παθητικά. Τα ενεργά ZigBee RFIDs έχουν μεγαλύτερη περιοχή εμβέλειας από τα αντίστοιχα παθητικά και μπορούν να παρέχουν επιπλέον υπηρεσίες όπως η θέση των διάφορων πόρων ή του προσωπικού. Η βασική ιδέα του υπολογισμού της θέσης φαίνεται στο Σχήμα 19, όπου οι θέσεις του προσωπικού βρίσκονται μέσα σε ένα τυπικό σύνολο γραφείων και θαλάμων. Υπάρχουν τρεις προκαθορισμένοι κόμβοι ZigBee με γνωστές τοποθεσίες. Ο κινούμενος κόμβος ZigBee βρίσκεται πάνω σε έναν εργαζόμενο και εκπέμπει το σήμα, το οποίο εν συνεχεία λαμβάνεται από τους υπόλοιπους τρεις προκαθορισμένους κόμβους. Το σήμα γίνεται όλο και πιο αδύνατο όσο απομακρύνεται ο εργαζόμενος. Επόμενως, το πλάτος του σήματος που λαμβάνεται από κάθε προκαθορισμένο κόμβο μπορεί να είναι διαφορετικό. Υπάρχουν διάφοροι αλγόριθμοι που λαμβάνουν το πλάτος του σήματος σε τρία διαφορετικά, προκαθορισμένα σημεία (θέσεις κόμβων) για να υ-

42 41 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e πολογίσουν προσεγγιστικά τη θέση του κινητού κόμβου. Θα πρέπει να σημειωθεί πως το σήμα που εκπέμπεται από τον κινούμενο κόμβο αντανακλάται από τοίχους και άλλα αντικείμενα μέχρι να φθάσει στους προκαθορισμένους κόμβους, με αποτέλεσμα να μειώνεται η ακρίβεια της μέτρησης της τοποθεσίας. Υπάρχουν ωστόσο διάφορες μέθοδοι που βελτιώνουν την ακρίβεια της μέτρησης της τοποθεσίας. Έλεγχος κοπαδιών Σχήμα 19 Διαχείριση πόρων σε μία επιχείρηση Τα ζώα είναι ευάλωτα σε ασθένειες, επομένως είναι σημαντικό να εντοπίζονται και να αναγνωρίζονται τα ασθενή αμέσως. Η γρήγορη ανταπόκριση σε εκδήλωση ασθένειας κάποιου ζώου μειώνει κατά πολύ των αριθμό των κτηνοτρόφων που επηρεάζονται από ενδεχόμενο ξέσπασμα μιας ασθένειας ή άλλα προβλήματα που εμφανίζονται στα ζώα. Τα παθητικά RFID tags χρησιμοποιούνταν σα μια οικονομική λύση για τον έλεγχο των κοπαδιών και η αλήθεια είναι ότι επαρκούν για ορισμένες ε- φαρμογές. Ωστόσο, τα παθητικά RFID tags έχουν περιορισμένη εμβέλεια και μπορούν μόνο να παρέχουν προηγούμενες αποθηκευμένες πληροφορίες όπως π.χ. τον μοναδικό αριθμό αναγνώρισης (identification number). Τα ενεργά RFID tags τύπου ZigBee κοστίζουν περισσότερο από τα παθητικά, ωστόσο έχουν διευρυμένη εμβέλεια και μπορούν να παρέχουν επιπλέον πληροφορίες που αφορούν τον σφυγμό των ζώων ή τη θέση τους κάθε στιγμή. Αυτοματισμοί στο σύστημα υγείας Μία από τις ουσιώδεις εφαρμογές του πρότυπου ZigBee στο σύστημα υγείας είναι ο

43 42 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e απομακρυσμένος έλεγχος των ζωτικών πληροφοριών ενός ασθενούς. Θεωρείστε έναν ασθενή στο σπίτι του αλλά από τον οποίο είναι απαραίτητο ο ιατρός του να ελέγχει τον σφυγμό της καρδιάς του αλλά και την πίεση του αίματός του συνεχώς. Σε αυτές τις συνθήκες, το δίκτυο τύπου ZigBee μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συλλογή δεδομένων από διαφορετικούς αισθητήρες που είναι συνδεμένοι στον α- σθενή. Το πρότυπο ZigBee χρησιμοποιεί την τεχνολογία 128-bit Advanced Encryption Standard (AES) για την ασφαλή μεταφορά των δεδομένων μεταξύ των ZigBee συσκευών και των υπόλοιπων δικτύων. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα ασύρματου ε- λέγχου. Ο ασθενής φοράει μια ZigBee συσκευή που επικοινωνεί με έναν αισθητήρα, όπως έναν αισθητήρα μέτρησης πίεσης του αίματος, που συγκεντρώνει πληροφορίες σε περιοδικά χρονικά διαστήματα. Τότε οι πληροφορίες αυτές αποστέλλονται σε μέσω μιας πύλης τύπου ZigBee. Η πύλη ZigBee παρέχει τη διεπαφή μεταξύ ενός δικτύου τύπου ZigBee και άλλων ειδών δικτύων, όπως αυτών των IP. Οι πληροφορίες του ασθενούς τότε μεταφέρονται μέσω του Internet στον προσωπικό υπολογιστή του ιατρού ή της νοσοκόμας που παρακολουθεί τον ασθενή. Αυτό το σύστημα βοηθάει τα νοσοκομεία να βελτιώσουν την φροντίδα του ασθενούς και απαλλάσσουν τα ίδια από συνωστισμούς, καθώς οι ασθενείς ελέγχονται απομακρυσμένα από την οικεία τους. Σχήμα 20 Απομακρυσμένη διαχείριση ασθενούς Άλλων ειδών εφαρμογές Πρόσβαση επισκεπτών σε δωμάτια ξενοδοχείων Τα συστήματα βασισμένα σε ZigBee μπορούν να αντικαταστήσουν τα μαγνητικά συστήματα που λειτουργούν με κάρτες στα ξενοδοχεία προκειμένου να επιτρέψουν την πρόσβαση ενός πελάτη στο δωμάτιό του. Η παραδοσιακή πρόσβαση στα δωμάτια γίνεται με πλαστικές κάρτες που έχουν μια μαγνητική ταινία στο πίσω μέρος τους. Ένας ελεγκτής κάρτας τοποθετείται πάνω στην πόρτα του δωματίου και διαβάζει τις πληροφορίες που βρίσκονται αποθηκευμένες πάνω στη μαγνητική ταινία. Ανάλογα με τα δεδομένα που βρίσκει, επιτρέπει ή όχι την πρόσβαση στο δωμάτιο. Εναλλακτικώς, μία συσκευή τύπου ZigBee μπορεί να χρησιμοποιηθεί προκειμένου

44 43 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e να επιτρέψει την πρόσβαση στο δωμάτιο. Αυτό γίνεται με την χρήση μιας φορητής συσκευής ZigBee που λειτουργεί σα την κάρτα και μια συσκευή ZigBee που λειτουργεί με μπαταρία, βρίσκεται μέσα στην πόρτα και αναλόγως την κλειδώνει ή την ξεκλειδώνει. Σε αντίθεση με τον παραδοσιακό τρόπο, η πρόσβαση σε ένα δωμάτιο με συσκευές τύπου ZigBee δεν απαιτεί καλωδίωση καμίας πόρτας, με αποτέλεσμα να μειώνεται αισθητά το κόστος εγκατάστασης. Συστήματα πυρόσβεσης Τα συστήματα πυρόσβεσης ελέγχονται κάθε 30 μέρες προκειμένου να επαληθευτεί ότι όλα τα κάνιστρα είναι φορτισμένα και ότι η πίεση που επικρατεί σε κάθε πυροσβεστήρα είναι επαρκής. Αντί να γίνεται ο έλεγχος του κάθε πυροσβεστήρα χειροκίνητα κάθε μήνα, σε ένα σύστημα που είναι βασισμένο στο ZigBee, ένας αισθητήρας τοποθετείται πάνω σε κάθε πυροσβεστήρα προκειμένου να ελέγχονται όλα τα στοιχεία του ασύρματα. Εν συνεχεία, τα στοιχεία του αυτά αποστέλλονται στον αρμόδιο ελεγκτή και σε περίπτωση που χρειάζεται κάποιος πυροσβεστήρας συντήρηση, τότε και μόνο τότε επεμβαίνει. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το σύστημα τύπου ZigBee να σώζει χρόνο και χρήμα από όλες τις απόψεις. Επίσης, πέραν τούτων, βοηθάει πολύ στην ασφάλεια καθώς επικοινωνεί αμέσως με τις αρχές σε περίπτωση που κάποιος πυροσβεστήρας δε λειτουργεί κανονικά.

45 44 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Βιβλιογραφία ZigBee [1] ZigBee Specification, Jan. 2008, διαθέσιμο στο [2] S. Dagtas, Multi-stage Real Time Health Monitoring via ZigBee in Smart Homes, Proceedings of 2007 IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops (AINAW), σ [3] J. P. Lynch, An overview of wireless structural health monitoring for civil structures, Phil. Trans. R. Soc. A, 2007, σ [4] ZigBee Alliance, διαθέσιμο στο [5] IEEE : Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), Sept [6] IEEE : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. [7] J. Gutierrez, Low-Rate Wireless Personal Area Networks, IEEE Press, [8] IEEE : Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). [9] Open Systems Interconnection Basic Reference Model: The Basic Model, ISO/IEC :1994. [10] IEEE 802 LAN/MAN standards committee, διαθέσιμο στο [11] European Radiocommunications Committee (ERC)/CEPT Report 98, διαθέσιμο στο [12] H. Schwetlick, PSSS Parallel Sequence Spread Spectrum: A Physical Layer for RF Communication, IEEE International Symposium on Consumer Electronics, 2004, σ [13] International Telecommunication Union, διαθέσιμο στο [14] Advanced Encryption Standard (AES), Federal Information Processing Standards Publication 197, U.S. Department of Commerce/N.I.S.T, Springfi eld, Virginia, Nov. 26, Διαθέσιμο στο [15] J. Adams, Busy as a Bee, IEEE Spectrum, Oct. 2006, διαθέσιμο στο

46 45 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e [16] Home Heartbeat (EATON) Zigbee-Based Security System, διαθέσιμο στο [17] Automatic Meter Reading Association (AMRA), διαθέσιμο στο [18] J. D. Lee, Development of ZigBee-Based Street Light Control System, Proceedings of IEEE Power System Symposium and Exposition, σ [19] Freescale Semiconductor, διαθέσιμο στο [20] National Animal Identifi cation System (NAIS), διαθέσιμο στο [21] ZigBee Wireless Networks and Transceivers, Shahin Farahani, Elsevier, 2008.

47 46 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Το barcode Τα βασικά στοιχεία του barcode Καταρχάς, είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε τη σχέση μεταξύ της λέξης code (κώδικας) και symbol (σύμβολο) σύμφωνα με το εξής πλαίσιο: Η στενογραφία που χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει τη λεκτική περιγραφή ενός αντικειμένου είναι ο κώδικας ταυτοποίησης του προϊόντος. Αυτός ο κώδικας ταυτοποίησης του προϊόντος συντομεύεται και αναφέρεται συχνά απλά με τη λέξη code. Η χρησιμοποίηση της λέξης code δεν πρέπει να συγχέεται με τη λέξη barcode, που είναι η τεχνική ονομασία της λέξης symbol. Ένα barcode symbol χρησιμοποιείται για να αναγνωρίσει και να ταυτοποιήσει ανθρώπους, αντικείμενα, ακόμη και μέρη. Ο ορισμός του barcode Ο ορισμός του barcode δίδεται από τις επιτροπές International Organization for Standardization και την International Electrotechnical Commission (ISO/IEC ), με τη συνδρομή των αντίστοιχων τεχνολογιών: Automatic Identification and Data Capture (AIDC) και Optically Readable Media (ORM). Επίσης, υπάρχει εξίσου ένας αρκετά διαδεδομένος ορισμός του barcode από την Japenese Standards Association (JSA), ο οποίος και συνήθως επιλέγεται, λόγω του ότι περιλαμβάνει μόνο τα barcodes μίας διάστασης. Το barcode αποτελεί μια αναπαράσταση πληροφοριών που είναι ικανές να διαβαστούν από μηχανές και σχηματίζεται από συνδυασμούς υψηλών και χαμηλών περιοχών ανάκλασης στην επιφάνεια ενός αντικειμένου, και οι οποίες μεταφράζονται σε 1 και 0 από την εκάστοτε μηχανή. Αυτός ο ορισμός συμπεριλαμβάνει και μίας διάστασης αλλά και δύο διαστάσεων barcodes. Αρχικώς, οι πληροφορίες κωδικοποιούνταν σε μία σειρά από συνεχόμενες μπάρες και κενά, διαφορετικού πλάτους, και από εκεί παραγόταν το αντίστοιχο barcode. Αυτός ο τύπος barcode ονομάζεται γραμμικό, μίας διάστασης (linear, one-dimensional 1D) barcode. Τα σύμβολα σε ένα barcode τύπου 1D μπορούν να διαβαστούν από έναν σαρωτή, ο οποίος σαρώνει με μια ευθεία ακτίνα φωτός κατά μήκος του συμβόλου barcode το αυτό σύμβολο. Αντικαθιστώντας τις μπάρες και τα κενά με τελείες (dots) και κενά, τοποθετούμενα σε μία συστοιχία ή σε έναν πίνακα, η πυκνότητα των δεδομένων μπορεί να μεγαλώσει αισθητά. Αυτό το αποτέλεσμα τότε καλείται ένα barcode δύο διαστάσεων

48 47 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e (two-dimensional, 2D). Σε αντίθεση με τα 1D, τα σύμβολα του 2D barcode χρειάζονται μία συσκευή σάρωσης που είναι ικανή να διαβάζει ταυτοχρόνως σε δύο διαστάσεις (δηλαδή οριζοντίως και καθέτως). Θέτοντάς το αυστηρά, τα περισσότερα σύμβολα τύπου 2D δεν χρησιμοποιούν καθόλου μπάρες (bars) για την κωδικοποίηση των δεδομένων τους και αυτό γενικότερα φαντάζει περισσότερο οικείο για την απόδοση των συμβόλων αυτού του είδους κλάσεων. Ωστόσο, σε γενικές γραμμές, τόσο το 1D όσο και το 2D barcode θεωρούνται διαφορετικές μορφές της barcode τεχνολογίας και διακρίνονται από άλλες αυτοματοποιημένες τεχνικές αναγνώρισης όπως τη Radio Frequency Identification (RFID), που είδαμε στο πρώτο μέρος του βιβλίου. Πέραν των 1D και 2D barcodes, υπάρχει και barcode τριών διαστάσεων (3D). Ένα 3D barcode, που καλείται επίσης και bumpy barcode, είναι κάθε γραμμικό 1D ή 2D barcode που είναι απευθείας αναγραμμένο σε μία επιφάνεια ενός υλικού. Τα barcodes τριών διαστάσεων χρησιμοποιούν χωρικά στοιχεία, ή μία ανώμαλη (bumpy) πτυχή των ήδη υπαρχόντων συμβόλων, προκειμένου να παράγουν περιοχές υψηλής ή χαμηλής ανάκλασης αντί να χρησιμοποιούν την οπτική αντίθεση μεταξύ διαφορετικών χρωμάτων. Οι όροι συμβολολογία barcode (barcode symbology), σύμβολο barcode (barcode symbol) και ετικέτα barcode (barcode label) δε θα πρέπει να συγχέονται η μία με την άλλη. Το barcode symbology είναι ένα σχεδιάγραμμα ή αλλιώς ένα σύνολο κανόνων για την κωδικοποίηση πληροφοριών σε μορφή τύπου barcode. Το barcode symbol είναι μία γραφική αναπαράσταση της συμβολολογίας που συνίσταται από στοιχεία τύπου barcode, όπως αυτών των προσκείμενων μπαρών και κενών ή τελειών και κενών. Για παράδειγμα, ένα 1D barcode symbol περιλαμβάνει μία κύρια και μία δευτερεύουσα ζώνη, έναν χαρακτήρα εκκίνησης και έναν τερματισμού, χαρακτήρες δεδομένων και άθροισμα ελέγχου (checksum), όταν απαιτείται. Το barcode label είναι η ετικέτα που φέρει το barcode. Η λέξη barcode συναντάται και ως bar code. Εμείς θα χρησιμοποιούμε τη μορφή χωρίς κενά στη συνέχεια του συγγράμματος. Γενική ανατομία των 1D και 2D barcodes Μια ευρεία γκάμα από barcode symbologies έχουν αναπτυχθεί και κάθε μία έχει τα δικά της ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Ωστόσο, υπάρχουν μερικά κοινά δομικά στοιχεία που μοιράζονται σε όλα αυτά τα barcodes. Είναι πρέπον και απαραίτητο να παρουσιάσουμε την ανατομία κάθε τύπου barcode, ώστε να παρέχουμε μια γενική εικόνα της τεχνολογίας barcode.

49 48 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Ανατομία του 1D barcode Σε γενικές γραμμές, ένα σύμβολο τύπου 1D barcode αποτελείται από έναν χαρακτήρα εκκίνησης, χαρακτήρες δεδομένων, έναν χαρακτήρα τερματισμού και ζώνες σιγής (quiet zones από τούδε και στο εξής) πριν τον χαρακτήρα εκκίνησης και μετά τον χαρακτήρα τερματισμού. Στο Σχήμα 21 παρουσιάζεται η δομή του Code 128. Ακολουθούν σύντομες περιγραφές καθενός από τα συστατικά στοιχεία που προαναφέρθηκαν. Quiet Zone Ένα quiet zone είναι η περιοχή υψηλής ανάκλασης που βρίσκεται πριν τον χαρακτήρα εκκίνησης και μετά τον χαρακτήρα τερματισμού σε ένα 1D barcode symbol. Το quiet zone είναι απαραίτητο για τα περισσότερα barcode symbols ώστε να είναι δυνατή η ανάγνωσή τους και θεωρείται μέρος του συνολικού symbol. Ωστόσο, τα καινούρια σχεδιασμένα barcodes, όπως αυτά της οικογένειας GS1 DataBar, δεν α- παιτούν quiet zones. Χαρακτήρες Εκκίνησης και Τερματισμού Ο χαρακτήρας εκκίνησης είναι μοναδικός και συνήθως τοποθετείται στην τέρμα α- ριστερή γωνία ενός οριζοντίως τοποθετημένου symbol. Ο χαρακτήρας τερματισμού είναι επίσης μοναδικός και τοποθετείται στην τέρμα δεξιά γωνία ενός οριζοντίως τοποθετημένου συμβόλου. Αυτοί οι χαρακτήρες παρέχουν στον σαρωτή οδηγίες που αφορούν την ανάγνωση όπως η κατεύθυνση σάρωσης και πότε να ξεκινήσει και να σταματήσει. Οι χαρακτήρες εκκίνησης και τερματισμού δίδουν επίσης τη δυνατότητα στα barcode symbols να μπορούν να διαβαστούν και από τις δύο διευθύνσεις. Σχήμα 21 Δομή ενός τυπικού 1D barcode

50 49 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Άθροισμα ελέγχου (Checksum) Τα barcode symbols περιλαμβάνουν ένα υποχρεωτικό ή προαιρετικό άθροισμα ε- λέγχου (επίσης καλείται χαρακτήρας ελέγχου ή ψηφίο ελέγχου), του οποίου η τιμή χρησιμοποιείται για την εκτέλεση ενός μαθηματικού ελέγχου για την επαλήθευση της σωστής κωδικοποίησης του barcode. Χαρακτήρες δεδομένων Οι χαρακτήρες δεδομένων ή χαρακτήρες μηνυμάτων εμφανίζονται μετά τον χαρακτήρα εκκίνησης. Στο Σχήμα 21, οι χαρακτήρες!, 1, A, a κωδικοποιούνται από τα αριστερά προς τα δεξιά. Χ διάσταση (X dimension) Το X dimension αποτελεί το στενότερο στοιχείο (είτε bar είτε κενό) ενός barcode symbol. Τα πιο πλατιά στοιχεία ενός symbol είναι γενικώς πολλαπλάσια του X dimension. Συνήθως μετρούνται σε millimeters, ή υποπολλαπλάσια της ίντσας. Γενικότερα, όσο μεγαλύτερο είναι το X dimension, τόσο πιο επακριβής μέτρηση σε έναν σαρωτή barcode μπορεί να επιτευχθεί. Ωστόσο, ένα μεγαλύτερο X dimension αυξάνει το μέγεθος του barcode symbol και, ως συνέπεια, απαιτεί περισσότερο χώρο για την αποτύπωσή του. Οι περισσότερες συμβολολογίες απαιτούν το quiet zone να είναι δεκαπλάσιο του X dimension του symbol, ή το ένα τέταρτο της ίντσας, αναλόγως το ποιο εκ των δύο είναι μεγαλύτερο. Τα δεδομένα που είναι κωδικοποιημένα σε ένα 1D barcode είναι εγκάρσια. Αυτό επαυξάνει την αξιοπιστία στην ανάγνωσή τους, επιτρέποντας στη σωστή τους ανάγνωση, ακόμη κι αν έχουν μερικώς υποστεί ζημιές. Όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος των bars, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα να διαβαστεί το barcode. Ωστόσο, το ύψος των bars αυξάνει την ποσότητα του χώρου που απαιτείται για την αποτύπωση των symbols. Από την άλλη μεριά, τα 2D barcodes κωδικοποιούν δεδομένα όχι μόνο καθέτως αλλά και οριζοντίως. Αυτό αυξάνει σημαντικά την χωρητικότητα δεδομένων στα 2D barcodes, η οποία ωστόσο δε συνοδεύεται από ανάλογη αύξηση χωρική, αλλά από συμπύκνωση στην κωδικοποίηση, με αποτέλεσμα να είναι πιο πιθανή η εύρεση σφάλματος κατά την ανάγνωση. Ανατομία του 2D barcode Στις μέρες μας υπάρχει μία ποικιλία από 2D barcodes και μερικά από αυτά έχουν ιδιαιτέρως ξεχωριστά σχήματα. Ωστόσο, τα περισσότερα από τα 2D barcodes, ειδικά αυτά που χρησιμοποιούνται από τις φορητές συσκευές, έχουν τη μορφή τετραγωνικών συστοιχιών. Με μερικές ελάχιστες εξαιρέσεις, τα 2D barcodes περιέχουν κοινά, βασικά στοιχεία: ένα πατρόν εύρεσης (finder pattern), μία περιοχή δεδομένων (data

51 50 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e area) και μία ζώνη σιγής (quiet zone) που περικυκλώνει το γραφικό symbol. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η ανατομία ενός 2D barcode που ονομάζεται Visual Code. Finder pattern Σχήμα 22 Δομή ενός τυπικού 2D barcode Κάθε συμβολολογία ενός 2D barcode έχει έναν μοναδικό finder pattern που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό και την εύρεση της τοποθεσίας ενός 2D barcode symbol. Ένα finder pattern μπορεί να έχει ένα όριο (border) μορφής L, τετραγωνικού πλαισίου, ή κυκλικού με το κύριο μέρος του τοποθετημένο στο κέντρο του symbol. Ένα finder pattern χρησιμοποιείται επίσης για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων ενός συμβόλου (μέγεθος, τοποθεσία, προσανατολισμός) και την επιδιόρθωσή τους, όταν αυτό απαιτείται. Στο Σχήμα 22, τα τετραγωνικά κελιά στις άκρες του symbol (οι α- κρογωνιαίοι λίθοι) και δύο bars (οι bars καθοδήγησης) συνιστούν το finder pattern. Πέρα από τον εντοπισμό του symbol, οι ακρογωνιαίοι αυτοί λίθοι χρησιμοποιούνται και για την επιδιόρθωση της αλλοίωσης του symbol. Τα bars καθοδήγησης βοηθούν επίσης στον εντοπισμό και επιδιόρθωση του προσανατολισμού του symbol. Τα περισσότερα 2D barcodes έχουν μηχανισμούς εντοπισμού λαθών και επιδιόρθωσής τους, το οποίο αυξάνει την αξιοπιστία της ανάγνωσής τους. Με τις τεχνικές εντοπισμού λαθών και επιδιόρθωσης, τα αρχικά δεδομένα μπορούν να ληφθούν επακρι-

52 51 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e βώς ακόμη κι αν το symbol είναι μερικώς παραμορφωμένο. Αν το finder pattern ή μέρος του είναι αλλοιωμένο, σε μεταγενέστερες αναγνώσεις ο χρόνος ανάγνωσης μπορεί να αυξηθεί κατακόρυφα ακόμη κι αν το barcode symbol πρόκειται να αποκωδικοποιηθεί επιτυχώς. Περιοχή δεδομένων Μέσα στο γραφικό symbol, στο Σχήμα 22, η που δεν περιλαμβάνεται στον finder pattern είναι η περιοχή των δεδομένων. Συμπεριλαμβάνει τελείες και κενά που καλούνται κελιά (cells) ή μονάδες (modules), τοποθετημένα σε μια συστοιχία. Τα κελιά μπορεί να είναι τετραγωνικά, κυκλικά, τριγωνικά, εξαγωνικά, ή να έχουν οιοδήποτε άλλο γεωμετρικό σχήμα. Quiet zone Τα περισσότερα 2D barcodes απαιτούν ένα quiet zone, το οποίο και περιφέρει το γραφικό symbol. Το quiet zone βοηθάει στον εντοπισμό του barcode symbol, ξεχωρίζοντας ξεκάθαρα το symbol από το φόντο του (background). Τα περισσότερα 1D barcodes λειτουργούν ως δείκτες (index) σε μία βάση δεδομένων, κωδικοποιώντας μόνο μια περιορισμένη περιοχή δεδομένων. Από την άλλη μεριά, τα 2D barcodes μπορούν να λειτουργήσουν και σα μια φορητή βάση δεδομένων, μιας και έχουν αρκετά μεγαλύτερη χωρητικότητα. Ωστόσο, ως προς το σύνολο, όλες οι τεχνολογίες τύπου barcode έχουν τα πλεονεκτήματά τους και τα αντίστοιχα μειονεκτήματα. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του barcode Οι τεχνολογίες barcode τύπου 1D, 2D ή 3D λειτουργούν διαφορετικά. Κάθε μία από αυτές έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Ωστόσο, σε γενικές γραμμές, οι τεχνολογίες τύπου barcode έχουν τα εξής πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Πλεονεκτήματα Γρήγορη, ακριβής και αξιόπιστη ανάγνωση των δεδομένων. Η τεχνολογία αυτή είναι πολύπλευρη και λειτουργεί χωρίς κόστος, χρησιμοποιώντας απλώς χαρτί και μελάνι. Η τεχνολογία αυτή παρέχει πληροφορίες και ζωντανό χρόνο (real-time) και επιτρέπει τη λήψη αποφάσεων σύμφωνα με τις λειτουργίες που εκτελούνται την εκάστοτε χρονική στιγμή.

53 52 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Τα τυπωμένα symbols μπορούν να διαρκέσουν μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς επιδείνωση της κατάστασής τους, ακόμη και υπό δυσμενείς συνθήκες. Η τεχνολογία αυτή προσφέρει ασφάλεια στις διάφορες λειτουργίες. Εφόσον τα δεδομένα κωδικοποιηθούν στη μορφή τύπου barcode, δε μπορούν να τροποποιηθούν χωρίς φυσική αλλοίωση. Μειονεκτήματα Υπάρχουν και μειονεκτήματα στην χρησιμοποίηση της barcode τεχνολογίας. Τα πιο σημαντικά είναι τα εξής: Για την ανάγνωση των barcode symbols, απαιτείται ένα καθαρό οπτικό πεδίο επαφής (clear Line of Sight, clear LOS). Δε μπορούν να αναγνωστούν ταυτοχρόνως παραπάνω από ένα barcode symbol. Η τεχνολογία αυτή δεν έχει τη δυνατότητα να σαρώσει ένα αντικείμενο που βρίσκεται μέσα σε ένα κιβώτιο ή μέσα σε μία θήκη. Η απόσταση ανάγνωσης πρέπει να είναι σχετικά κοντινή. Μερικοί σαρωτές απαιτούν φυσική επαφή με το αντικείμενο προκειμένου να αναγνώσουν τα barcode symbols. Κάθε μορφή barcode, π.χ. 1D barcode, 2D barcode ή 3D barcode, έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Επιπροσθέτως, κάθε τεχνολογία barcode σε κάθε τύπο barcode έχει επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά της. Εφαρμογές του barcode H τεχνολογία του barcode, ως αναφέρθηκε και προηγουμένως, είναι πολύπλευρη και μυριάδες τύποι του barcode είναι πανταχού παρόντες στις μέρες μας. Καινούριες εφαρμογές εισάγονται και αναπτύσσονται στον τεχνολογικό χώρο καθημερινώς. Αντί να αναφέρουμε την κάθε μία εφαρμογή ξεχωριστά, θα σας δώσουμε πληροφορίες σχετικά με το πού και πώς οι τεχνολογίες του barcode χρησιμοποιούνται σήμερα. Στόχος μας είναι να αναλύσουμε πρωτίστως τις εφαρμογές στις φορητές συσκευές και ιδίως στα κινητά τηλέφωνα, καθώς αυτή είναι η νέα τάξη πραγμάτων στον χώρο του barcode. Συστήματα point-of-sale σε καταστήματα χονδρικής και λιανικής Οι τυπικοί και πιο γνωστοί χρήστες του barcode βρίσκονται σε περιοχές μεταπώλησης προϊόντων της εφοδιαστικής αλυσίδας. Στο μέρος της πώλησης (point-of-sale, POS), τα barcodes είναι οι αγωγοί αλλά και τα κλειδιά στη μετάδοση των πληρο-

54 53 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e φοριών. Στην πραγματικότητα, οι έμποροι ήταν αυτοί που έλαβαν την πρωτοβουλία εισαγωγής της τεχνολογίας του barcode στον υπόλοιπο κόσμο. Τα 1D barcodes που ονομάζονται European Article Number (EAN) και Universal Product Code (UPC) είναι οι κύριοι πρωταγωνιστές στην αναγνώριση αντικειμένων στα POS. Με το EAN ή το UPC, το οποίο είναι γνωστό και ως το International Article Numbering (IAN) ή World Product Code (WPC), κάθε αντικείμενο μπορεί να αναγνωριστεί μοναδικά σε ολόκληρο τον κόσμο. Ωστόσο, εξαιτίας του περιορισμού τους όμως ως προς την χωρητικότητα των δεδομένων τους, το EAN και το UPC θα αντικατασταθούν από την οικογένεια GS1 DataBar, που θα αναλυθεί στο επόμενο κεφάλαιο. Τα συστήματα barcode τύπου EAN και UPC στα POS, προσφέρουν ακριβείς και ζωντανού χρόνου (real-time) πληροφορίες σχετικά με τα προϊόντα. Αυτό βελτιώνει σημαντικά τη διαχείριση των προϊόντων, επιτρέποντας αποδοτικό έλεγχο των αποθεμάτων, τη σωστή απογραφή τους αλλά και το σωστό έλεγχο των αποστολών τους. Logistics σε αποθήκες Ενώ τα ίδια τα προϊόντα κωδικοποιούνται με το EAN ή το UPC, τα κιβώτια των προϊόντων συνήθως κωδικοποιούνται με άλλες κωδικοποιήσεις. Το interleaved 2 of 5 (ITF), είναι μία συμβολολογία που κωδικοποιεί τα πακέτα και είναι αυτή που χρησιμοποιείται κυρίως γι αυτές τις ανάγκες. Τα τελευταία χρόνια, το Electronic Data Interchange (EDI), δηλαδή η τυποποιημένη ηλεκτρονική μορφή για τις συναλλαγές σε επιχειρήσεις, έχει παγκοσμίως χρησιμοποιηθεί στο πεδίο της φυσικής διανομής. Στο EDI, ένα 14-ψήφιο Global Trade Item Number (GTIN), κωδικοποιημένο στο ITF-14, χρησιμοποιείται συνήθως σαν αναγνωριστικό για να αναζητήσει κανείς το προϊόν στη βάση δεδομένων. Η τεχνολογία του barcode επιτρέπει την αποδοτική διαχείριση των logistics σε μια επιχείρηση, στην οποία ακριβείς πληροφορίες προϊόντων όπως το όνομα (ή ID), η ποσότητα, η τιμή και η τοποθεσία σε μια δεδομένη χρονική στιγμή απαιτούνται. Σε αποθήκες, για παράδειγμα, τα barcodes βοηθούν στην απλοποίηση της καταγραφής, της αναζήτησης και του ελέγχου, στην αποφυγή σφαλμάτων στις αποστολές και επιτρέπουν την εκτέλεση διαφόρων εκκρεμοτήτων αναλόγως με την ημερομηνία εντολής. Βιομηχανία και κατασκευαστικές Στον βιομηχανικό τομέα, οι τύποι των barcodes έχουν την ικανότητα να κωδικοποιούν περαιτέρω πληροφορίες πέρα από τα κλειδιά που έχουν οριστεί για τη βάση των δεδομένων. Η αρχική τάση ήταν να υιοθετηθούν 1D barcodes που ήταν σε θέση να κωδικοποιούν αλφαριθμητικά δεδομένα όπως οι κώδικες Code 39 και ο Code

55 54 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e 128. Μετά την εφεύρεση των 2D barcodes, η τάση έγειρε προς τις τεχνολογίες των 2D, εξαιτίας της αποτελεσματικότητάς τους ως προς την χωρητικότητα που προσέφεραν και την ευελιξία στον χώρο. Ο κώδικας Code 39 χρησιμοποιείται σε μερικές αυτοκινητοβιομηχανίες αλλά και στο Υπουργείο Άμυνας των Ηνωμένων Πολιτειών. Οι τεχνολογίες 2D όπως η Data Matrix, QR Code, PDF417 και MaxiCode έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί συχνά σε αυτοκινητοβιομηχανίες, εξαιτίας της ευρείας έκτασης της χωρητικότητάς τους. Η ένωση Automotive Industry Action Group (AIAG) έλαβε την πρωτοβουλία στην προώθηση της τεχνολογίας 2D barcode στους υπόλοιπους τομείς της βιομηχανίας. Η AIAG ανέπτυξε συγκεκριμένους κανόνες εφαρμογών για κάθε διαφορετική χρήση του 2D barcode. Συνέστησε το πρότυπο Data Matrix για σήμανση των αντικειμένων και για τον εντοπισμό τους, το MaxiCode για τη διαλογή των εμπορευμάτων και εντοπισμό τους και το PDF417 για γενικού είδους εφαρμογές όπως τα στοιχεία παραγωγής, τη διαχείριση της διάρθρωσης των βιομηχανιών, των δελτίων δεδομένων ασφαλείας των υλικών, τις αποστολές και το EDI. Στις κατασκευαστικές, το 2D barcode έχει υιοθετηθεί για δύο κύριους λόγους: την αναγνώριση αντικειμένων και τον έλεγχο της διαδικασίας συναρμολόγησης του προϊόντος. Με τα 2D barcodes, κάθε αντικείμενο μπορεί να αναγνωριστεί επακριβώς και να εντοπιστεί χωρίς την απαίτηση ύπαρξης κάποιας βάσης δεδομένων. Τα κινούμενα, επικολλημένα δεδομένα πάνω στα προϊόντα δίδουν τη δυνατότητα ε- ντοπισμού κάποιου προϊόντος κατά τη διαδικασία της συναρμολόγησης και, σαν αποτέλεσμα, εντοπίζεται η τοποθεσία του προβλήματος και επιδιορθώνεται. Τέτοια συστήματα μπορούν να σώσουν χρόνο και χρήματα στη διαδικασία συναρμολόγησης, συμβάλλοντας έτσι σε μια πολύ πιο παραγωγική δραστηριότητα. Επίσης, η βιομηχανία ηλεκτρονικών είναι ένας από τους πρωτοπόρους χρήστες της τεχνολογίας 2D barcode. Τέτοιου είδους barcodes, όπως το DataMatrix, που μπορούν να αποθηκεύσουν δεδομένα μέσα σε έναν περιορισμένο χώρο, έχουν γίνει οι βέλτιστες επιλογές για τους ηλεκτρονικούς κατασκευαστές. Στην πραγματικότητα, η ένωση Electronic Industries Alliance (EIA) έχει θεωρήσει τον τύπο DataMatrix μέσα στα πρότυπά της (EIA-706, EIA-802). Τα προηγούμενα πρότυπα καλύπτουν την χρησιμοποίηση 2D barcodes για την επισήμανση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων του πρώτου επιπέδου συναρμολόγησης, ενώ το τελευταίο πρότυπο καλύπτει όλα τα επίπεδα και την απευθείας επισήμανση των προϊόντων, συμπεριλαμβάνοντας διαδικασίες ελέγχου των χαρακτηριστικών του symbol αλλά και της αντοχής του στο πέρασμα του χρόνου. Τα barcodes δύο διαστάσεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για τον εντοπισμό των εξαρτημάτων, να βοηθήσουν στην αυτοματοποιημένη κατασκευή τους, στον έλεγχο της ποιότητάς τους, κ.λπ.

56 55 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Στον χώρο της υγείας Στη βιομηχανία των ιατροφαρμακευτικών εταιριών υπήρξε ένα πρώιμο ενδιαφέρον για την τεχνολογία του barcode. Η σημασία της επακριβούς καταχώρησης δεδομένων και αναγνώρισής τους, είναι ύψιστου ενδιαφέροντος για αυτές τις εταιρίες, καθώς η ζωή των ανθρώπων βρίσκεται στα χέρια τους. Ένα μικρό λάθος μπορεί να καταλήξει σε μια τραγική αμέλεια. Παρ όλα αυτά, οι οργανισμοί υγείας κατακλύζονται από πολλά διαφορετικά είδη φαρμάκων και μία σειρά από διαφόρων ειδών ιατρικών εξοπλισμών. Οι ημερομηνίες λήξης είναι προκαθορισμένες, για τα περισσότερα από αυτά, για λόγους ασφαλείας και αποδοτικής χρήσης. Μόλις η επέλθει η ημερομηνία λήξης, δεν θα πρέπει να χορηγούνται ή να χρησιμοποιούνται, ανεξαρτήτως του πόσο ακριβά είναι. Ως μέτρο πρόληψης θα πρέπει να λαμβάνεται η γρήγορη αναπλήρωσή τους. Για να διασφαλιστεί η σωστή μεταχείριση των ασθενών και η διαρκής βελτίωση των παροχών υγείας, η εγκαθίδρυση συστημάτων ανίχνευσης είναι πολύ βασική. Τα δεδομένα θεραπείας ενός ασθενούς, για παράδειγμα, στα οποία διάφορα φάρμακα και εξοπλισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί, πότε και πού, από ποιον, κ.λπ., πρέπει να είναι επακριβώς καταγεγραμμένα. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση της εξάπλωσης του προβλήματος ακόμη κι αν συμβεί κάποια αμέλεια. Σε ανταπόκριση αυτών των απαιτήσεων, τα barcodes μπορούν να χρησιμοποιηθούν για: Ελαχιστοποίηση λαθών και ως εκ τούτου των αμελειών Έλεγχο της καταγραφής εξοπλισμών και της πρόωρης αντικατάστασής τους Συστήματα ανίχνευσης Ακριβή και γρήγορο τρόπο πληρωμής Στις Ηνωμένες Πολιτείες, από το 1987, η ένωση Health Industry Business Communications Council (HIBCC) έχει καθιερώσει το σύστημα Health Industry Number (HIN) προκειμένου να αφανίσει τις ακριβές και μη επαρκείς διαχειριστικές διαδικασίες. Ο HIN, ένας τυχαίως επιλεγμένος 9-ψήφιος αλφαριθμητικός χαρακτήρας, σχεδιάζεται για την αναγνώριση όλων των εταίρων που επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω υπολογιστή. Μπορεί να αναγνωρίσει όχι μόνο τους συγκεκριμένους χώρους υγείας αλλά και τις τοποθεσίες ή τα τμήματα στα οποία βρίσκονται. Για την αναγνώριση των προϊόντων, το 1995, το υπουργείο Άμυνας των Ηνωμένων Πολιτειών (Department of Defense, DoD), διέταξε την χρήση του UPN ως την κύρια μέθοδος ταυτοποίησης προϊόντων υγείας ή χειρουργικών εργαλείων. Κάθε προϊόν σε όλα τα επίπεδα κατασκευής φέρει ένα μοναδικό UPN που μπορεί να δημιουργηθεί είτε χρησιμοποιώντας το πρότυπο Code 39 ή το τυποποιημένο από την HIBCC ή το διεθνές, GS1-128 (που ήταν γνωστό πριν ως UCC/EAN128). Το UPN υπερτερεί σε όλους τους τομείς, καθώς έχει τη δυνατότητα χρήσης του EDI, το οποίο επιτρέπει την απλή, γρήγορη και ακριβή διανομή.

57 56 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Ο οργανισμός Food and Drug Administration (FDA) στις Ηνωμένες Πολιτείες διαχειρίζεται και ελέγχει τα φάρμακα και τις ιατρικές συσκευές χρησιμοποιώντας το National Drug Code (NDC) και το National Health Related Item Code (NHRIC). Το πρώτο χρησιμοποιείται για την αναγνώριση των φαρμακευτικών προϊόντων, ενώ το δεύτερο αναγνωρίζει τις ιατροφαρμακευτικές συσκευές. Και οι δύο οι κώδικες μπορούν απευθείας να ενσωματωθούν στο Global Trade Identification Number (GTIN). Η τάση για σαφή αναγνώριση και διαχωρισμό των ιατρικών και χειρουργικών προϊόντων κατά μήκος των λωρίδων παραγωγής και διάθεσης έλαβε χώρα και στην Ευρώπη. Το 1995, η ένωση European Health Industry Business Communications Council (EHIBCC) υιοθέτησε το UCC/EAN128 (τώρα γνωστό ως GS1-128) πρότυπο για την κωδικοποίηση των ιατρικών και χειρουργικών προϊόντων, που έγινε τελικώς το de facto διεθνές πρότυπο. Όταν πολύ μικρά προϊόντα δε μπορούν να συμπεριλάβουν καμία μορφή του barcode (π.χ. τα πακετάκια μιας δόσης), τότε επιστρατεύεται η πολύ υψηλής πυκνότητας, εξοικονόμησης χώρου, GS1-DataBar συμβολολογία και άλλου τέτοιου είδους τεχνολογίες 2D barcode, όπως η MicroPDF417. Εκδοτικοί οίκοι International Standard Book Numbering Το International Standard Book Numbering (ISBN) που αναπτύχθηκε σύμφωνα με το ISO 2108/1972 χρησιμοποιείται διεθνώς για την αριθμονόμηση των δημοσιευμένων βιβλίων. Το ISBN, που ήταν μέχρι πρότινος ένας μοναδικός 10-ψήφιος αριθμός, επικολλάται σε κάθε έκδοση και παραλλαγή ενός βιβλίου. Οι οργανισμοί International Article Numbering Association Number (EAN) και International ISBN Agency έχουν συμφωνήσει για το συντονισμό των EAN και ISBN συστημάτων. Αυτός ο συντονισμός επιτρέπει τα EAN symbols να χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση ενός ISBN αριθμού, με την προσθήκη του προθέματος 978 για κάθε ISBN. Το πρόθεμα έχει υιοθετηθεί για την κωδικοποίηση του κάθε βιβλίου παγκοσμίως. Από την 1η Ιανουαρίου του 2007, μια αναθεώρηση του προτύπου ISO που αφορά τα ISBNs έχει τεθεί σε εφαρμογή, που επιβάλλει έναν μοναδικό 13-ψήφιο αριθμό για κάθε ISBN. Αυτό συνέβη επειδή προέκυψε μία έλλειψη αριθμών στις κατηγορίες του ISBN. Αυτό οδήγησε στην έκδοση ISBN 13 ψηφίων από την 1η Ιανουαρίου του 2007 και έπειτα και στην έκδοση 10 ψηφίων νωρίτερα. Το πρώτο ονομάζεται ISBN- 13, ενώ το δεύτερο ISBN-10. Το ISBN-13 έχει την ίδια μορφή με το ISBN-10, όταν α- ναπαρίσταται στη μορφή ενός EAN symbol. Στο αμέσως παρακάτω σχήμα φαίνεται η δομή του ISBN-13.

58 57 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 23 Δομή του ISBN-13 Αν αφαιρέσουμε το πρόθεμα από το ISBN-13, θα πάρουμε τη δομή του ISBN-10. Το πρόθεμα 979 έχει επιλεχθεί από το ISBN Agency ως μελλοντική επέκταση. International Standard Serial Numbering Για μερικές σειριακές εκδόσεις όπως αυτές των περιοδικών, το International Standard Serial Number (ISSN) χρησιμοποιείται παγκοσμίως. Το σύστημα ISSN έχει αναπτυχθεί πάνω στη βάση του ISO 3297/1975. Οι επιτροπές International Article Numbering Association EAN και International Center for the Registration of Serial Publications συμφώνησαν στο συντονισμό του EAN με το ISSN σύστημα. Το πρόθεμα 977 έχει επιλεχθεί από το ISSN Agency για την χρήση των περιοδικών και εφημερίδων σε όλη την υφήλιο. Καινοτομική χρήση του barcode Τα τελευταία χρόνια, ο συνδυασμός δύο φορητών τεχνολογιών, του 2D barcode και της κάμερας στα κινητά τηλέφωνα, κερδίζει όλο και περισσότερους υποστηρικτές και γίνεται όλο και πιο διάσημος στον χώρο της τεχνολογίας. Με τις ενσωματωμένες κάμερες, τα κινητά τηλέφωνα μπορούν να λειτουργήσουν ως σαρωτές που διαβάζουν barcode symbols και φορητά δεδομένα με τη βοήθεια του διαδικτύου. Όταν το 2D barcode χρησιμοποιείται μαζί με τις κάμερες των κινητών τηλεφώνων, ενώνει τον φυσικό με τον ψηφιακό κόσμο. Η πιο δημοφιλής εφαρμογή είναι η ένωση των καμερών των κινητών τηλεφώνων με ιστοσελίδες εμπορίου, μέσω του προτύπου 2D barcode. Τέτοιες εφαρμογές επιτρέπουν στους χρήστες να έχουν πάντα πρόσβαση στις online δραστηριότητές τους και πληροφορίες όπως οι online αγορές, οι πληροφορίες real-time σχετικά με τα μέσα μαζικής μεταφοράς, κ.λπ. Αποθηκευμένα στα κινητά τηλέφωνα, τα 2D barcode symbols μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σαν φορητά δεδομένα για αρχεία όπως ηλεκτρονικά εισιτήρια ή ηλεκτρονικά κουπόνια. Μπορούν να αγοραστούν και να ανταλλαχθούν μέσω του διαδικτύου. Τα ηλεκτρονικά εισιτήρια που φαίνονται στην οθόνη του κινητού μπορούν να σαρωθούν και να πιστοποιηθούν κατά τη διάρκεια

59 58 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e χρησιμοποίησής τους, χωρίς να απαιτούν κάποιον να είναι παρόν, γεγονός που συμβάλλει σε πολύ γρηγορότερη εξυπηρέτηση. Επιπροσθέτως, δεν χρησιμοποιείται καθόλου χαρτί, κάνοντας τη διαδικασία φυσικά φιλική ως προς το περιβάλλον. Αν λάβουμε υπόψη τις γρήγορες βελτιώσεις ως προς την απόσταση ανάγνωσης καθώς και στην αξιοπιστία των barcodes, τη διαθεσιμότητά τους αλλά και τις υπηρεσίες που προσφέρουν, οι εφαρμογές που επιτρέπουν στις κάμερες των κινητών τηλεφώνων να αλληλεπιδρούν με 2D barcodes είναι από τις πιο ραγδαία αναπτυσσόμενες τεχνολογικές περιοχές στις μέρες μας. Με τα 2D barcodes, οι χρήστες μπορούν να έχουν πρόσβαση σε πληροφορίες οποτεδήποτε, οπουδήποτε, χωρίς να α- παιτείται η χρήση του διαδικτύου. Μια μεγάλη ποικιλία τύπων 2D barcodes έχει αναπτυχθεί προκειμένου να υλοποιηθούν καινοτόμες εφαρμογές και η τάση αυτή συνεχίζεται ασταμάτητα.

60 59 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Η τεχνολογία του barcode Από τότε που το πρότυπο του barcode εισήχθη για πρώτη φορά σε ένα supermarket στο Cincinnati στις Ηνωμένες Πολιτείες, 40 περίπου χρόνια πριν, η τεχνολογία έχει αναπτυχθεί ραγδαία μαζί με τις τεχνικές εκτύπωσης και σάρωσης. Οι τυπωμένες ετικέτες παράγονται χωρίς μεγάλα έξοδα, καθώς τα κοστολόγια του χαρτιού και των εκτυπωτικών συσκευών δεν είχαν ποτέ μεγάλες τιμές. Αυτό βοήθησε πολύ την ανέξοδη λειτουργία του συστήματος των barcodes, και αυτό είχε ως συνέπεια τη μεγάλη εξάπλωσή τους. Η τεχνολογία σάρωσης έχει επίσης μεγάλη επιρροή στην ανάπτυξη της τεχνολογίας του barcode, καθώς χωρίς ένα αποδοτικό σαρωτή τα συστήματα τύπου barcode δε μπορούν να λειτουργήσουν. Στην πραγματικότητα, η έλλειψη τέτοιων συστημάτων σάρωσης στο παρελθόν καθυστέρησε την ανάπτυξη των πρώτων συστημάτων τύπου barcode. Διαφορετικοί τύποι της τεχνολογίας του barcode, όπως έχουμε δει, 1D, 2D ή 3D, έ- χουν αναπτυχθεί για να καλύψουν τις ανάγκες των χρηστών, μαζί με διάφορες συμβολολογίες barcode. Κάθε τέτοια συμβολολογία έχει μοναδικά χαρακτηριστικά προκειμένου να ικανοποιεί συγκεκριμένες ανάγκες. Ως εκ τούτου, μια τεράστια γκάμα από τεχνολογίες barcode είναι σήμερα διαθέσιμη, που όχι μόνον καλύπτει τις ανάγκες των χρηστών αλλά η ύπαρξή της είναι απαραίτητη στην καθημερινότητά μας. Σε αυτό το κεφάλαιο θα καλύψουμε τα βασικά της ιστορίας του barcode και στη συνέχεια θα δούμε αναλυτικά πώς εξελίχθηκαν τα 2D και 3D barcodes από την γέννηση του 1D barcode. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα συστήματα barcodes και οι συμβολολογίες που χρησιμοποιούνται συνήθως στις μέρες μας. Τελικώς, παραθέτουμε τις τάσεις του μέλλοντος και πώς η τεχνολογία αυτή αναμένεται να διαδραματίσει ακόμη πιο σημαντικό ρόλο στις ζωές μας. Επιπροσθέτως, αναφέρεται η υιοθέτηση άλλων αναδυόμενων τεχνολογιών, όπως αυτής του RFID. Η ιστορία του barcode Η ιδέα της αυτοματοποιημένης αναγνώρισης και ενός συστήματος λήψης δεδομένων έχει σχετικά μεγάλη ιστορία. Σύμφωνα με ιστορικές πηγές, η ιδέα αυτή παρουσιάστηκε πρώτα στις αρχές του 1800, όπου διάφορες συσκευές εφευρέθηκαν προκειμένου να βοηθήσουν τους τυφλούς να διαβάσουν. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι αυτοματοποιημένης αναγνώρισης και συστήματος λήψης δεδομένων όπως το optical character recognition (OCR), το RFID, η μαγνητική ταινία, καθώς και το barcode. Κάθε ένα από αυτά έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του.

61 60 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Ένα από τα πιο ξεχωριστά πλεονεκτήματα του barcode είναι η ανέξοδη λειτουργία του. Ο LaMoreuax ισχυρίστηκε ότι αυτός ο τρόπος τύπωσης πληροφοριών σε κώδικα κατανοητό από τις μηχανές, είναι ο λιγότερο ακριβός. Οι Rekimoto και Ayatsuka υπεστήριξαν αυτή την ιδέα, αναφέροντας ότι οι τυπωμένες ετικέτες είναι πιθανότατα η λιγότερο ακριβή και πιο πολύπλευρη τεχνολογία στον τομέα της: μπορεί πολύ εύκολα να δημιουργηθεί από συμβατικούς εκτυπωτές, να προσκολληθεί σχεδόν σε οιοδήποτε φυσικό αντικείμενο και να αναγνωριστεί από συμβατικούς σαρωτές. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι αυτός είναι ο πιο απλός τρόπος εισαγωγής πληροφοριών σε έναν υπολογιστή χωρίς πληκτρολόγηση. Η τεχνολογική πρόοδος, ιδιαίτερα στον τομέα των ηλεκτρονικών υπολογιστών, επιτάχυνε την αναζήτηση καλύτερων τεχνικών εισαγωγής δεδομένων. Τα σχέδια (patterns) αναγνώρισης δεδομένων, όμοια με αυτά της υπάρχουσας barcode τεχνολογίας, αναπτύχθηκαν κατά τη δεκαετία του 1950 ή ακόμη και νωρίτερα. Τον Οκτώβριο του 1949, μια πατέντα μιας εφαρμογής με τον τίτλο Classifying apparatus and method, καταχωρήθηκε από δύο τελειόφοιτους του Drexel Institute of Technology, τους Norman J. Woodland και Bernand Silver. Η πατέντα αναγνωρίστηκε τον Οκτώβρη του Η συμβολολογία που εφευρέθηκε από τους Woodland και Silver είναι γνωστή ως bull s eye (μάτι του ταύρου), καθώς αποτελείται από μία σειρά από ομόκεντρους κύκλους, παρά από ευθείες γραμμές. Ακολουθεί στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 24 Bull s eye symbol

62 61 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Αυτό ήταν το πρώτο βήμα προς το σημερινό γραμμικό σύστημα του barcode. Στην πραγματικότητα, ο Woodland αρχικά σχεδίαση μία συμβολολογία barcode από λεπτές και πιο φαρδιές ευθείες, κάθετες γραμμές, αλλά αυτό αντικαταστάθηκε από τους ομόκεντρους κύκλους ώστε να επιτρέπει την κατευθυντική σάρωση. Ωστόσο, η υιοθέτηση της πρώτης barcode συμβολολογίας εμποδίστηκε από την μη επαρκή εξέλιξη των τεχνολογιών ανάγνωσης και σάρωσης. Παρ όλες τις εξελίξεις στον χώρο της πληροφορικής, υπήρχαν ελάχιστα μέσα σάρωσης εκείνη την εποχή. Οι μοναδικές συσκευές που χρησιμοποιούνταν τότε για ανάγνωση ήταν μορφοτροπείς (transducers). Οι τότε κυρίαρχοι τύποι σαρωτή χρησιμοποιούσαν τότε στυλό και φωτισμό τύπου flash, καθώς και καθρέφτες. Ως εκ τούτου, η άφιξη της κινούμενης ακτίνας laser κατά τη δεκαετία του 1960, είχε ως άμεση συνέπεια την εφεύρεση του σαρωτή τύπου charge coupled device (CCD) και των αντίστοιχων μηχανισμών ανάγνωσης με pixels, που συντέλεσαν καθοριστικά στην ανάπτυξη των barcode συστημάτων. Ένας καινοτόμος σαρωτής barcode αναπτύχθηκε από τον David Collins και τον Chris Kapsambelis στη Sylvania, το 1962, που ονομάστηκε KarTrak. To KarTrak ήταν ένα οπτικό σύστημα σάρωσης, πρόγονος του barcode, κατασκευασμένο από οριζόντιες μπάρες από ανακλαστική κόκκινη, άσπρη και μπλε ταινία σε ένα μη ανακλαστικό μαύρο φόντο. Το σύστημα λειτουργούσε μετρώντας το πλάτος των οριζοντίων bars πάνω στα πλαίσια που εμφανίζονταν στις πλευρές των αμαξωμάτων, χρησιμοποιώντας έναν οπτικό αισθητήρα που μετρούσε κάθε bar το ανακλώμενο φως. Αυτή ή- ταν και η πρώτη βιομηχανική εφαρμογή του barcode και, πιο σημαντικά, η πρώτη απόπειρα να χρησιμοποιηθούν χρώματα ως στοιχεία στο barcode. To σύστημα αναπτύχθηκε κατόπιν απαίτησης, το 1959, από ένα group βιομηχανίας σιδηροδρόμων, ώστε να λυθεί το πρόβλημα της συγκέντρωσης των αμαξωμάτων και των σειριακών τους αριθμών. Το 1967, οι περισσότεροι σιδηρόδρομοι στη Βόρειο Αμερική υιοθέτησαν αυτό το σύστημα. Ωστόσο, η μη επαρκής επένδυση στους σιδηρόδρομους, τη συντήρηση και τον εξοπλισμό τους, οδήγησε στην εγκατάλειψη του συστήματος το Το 1975, μέχρι και το 20% των barcodes δεν μπορούσαν να αναγνωστούν, καθώς δεν υπήρχε επαρκής συντήρηση. Το 1968, ο Collins ίδρυσε την Computer Identics Corporation, την πρώτη εταιρία που σχεδίασε και ανέπτυξε εξοπλισμό σάρωσης για barcodes. Εφηύρε το Code 2 of 5 και στη συνέχεια το Interleave 2 of 5. Για τη σάρωση, το καινοτόμο laser από ήλιο και νέο εφευρέθηκε και χρησιμοποιήθηκε. Το σύστημα barcode της συγκεκριμένης ε- ταιρίας οδήγησε το 1972 στην πρώτη επιτυχή χρήση του barcode σε μεγάλη κλίματα για την αναγνώριση μηχανών και αξόνων στην General Motor στο Lansing, Pontiac και Michigan. Το πρότυπο barcode Interleave 2 of 5 χρησιμοποιήθηκε και υιοθετήθηκε γρήγορα από όλους τους κατασκευαστές αυτοκινήτων. Ο αρχικός σκοπός κωδικοποίησης προϊόντων στις Ηνωμένες Πολιτείες στις αρχές του 1960 και του 1970 ήταν η ελαχιστοποίηση του ανθρώπινου λάθους κατά τη

63 62 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e διάρκεια της εισαγωγής δεδομένων, αλλά και η αποδοτική επεξεργασία των δεδομένων. Ως εκ τούτου, η τεχνολογία του barcode χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να βελτιώσει την ακρίβεια και την ταχύτητα εισαγωγής δεδομένων στους υπολογιστές. Στην πραγματικότητα, η πιθανότητα σφάλματος του 1D barcode είναι πολύ μικρότερη από αυτή ενός εξειδικευμένου, με εμπειρία χρήστη (περίπου 1 λάθος στα 300). Οι ανάγκες των εμπόρων λιανικής ή χονδρικής έπαιξαν έναν καθοριστικό ρόλο στην υιοθέτηση και τυποποίηση των barcodes. Η χρήση των barcodes έδωσε τη δυνατότητα στους εμπόρους να καταχωρούν δεδομένα για κάθε προϊόν στο σημείο πώλησης (POS) και στη λήψη real-time πληροφοριών σχετικά με τα προϊόντα, οι οποίες, μετ η σειρά τους, επέτρεψαν αποδοτική επίβλεψη και έλεγχο τους. Μερικά πειράματα και δοκιμές διεξήχθησαν από τους εμπόρους των supermarkets. Για παράδειγμα, η εταιρία RCA εγκατέστησε ένα από τα πρώτα μηχανήματα σάρωσής της στο κατάστημα Kroger στο Cincinnati το Στόχευε στην παρακολούθηση της οικονομικής επιρροής του συστήματος barcode στο POS. Οι κωδικοί των προϊόντων αντιπροσωπεύονταν από bull s eyes, αρκετά παραπλήσια με αυτά που εφηύραν οι Woodland και Silver. Ακολουθεί παράδειγμα παρακάτω: Σχήμα 25 Παράδειγμα RCA/Kroger barcode symbol To 1972, οι Migros και Zellweger από την Ελβετία επίσης έκαναν ένα αντίστοιχο πείραμα σε ένα αυτοματοποιημένο σημείο πώλησης (APOSS), το οποίο, εκτός από τον κεντρικό του δακτύλιο, χρησιμοποιούσε μόνο το μισό bull s eye. Και τα δύο τα πειράματα ήταν πολλά υποσχόμενα για την εξέλιξη της χρήσης του barcode. Ωστόσο, για να καταστεί δυνατό τέτοια συστήματα να λειτουργήσουν ομαλώς, η βιομηχανία συμφώνησε να υιοθετήσει ένα τυποποιημένο μηχανισμό κωδικοποίησης,

64 63 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e προσβάσιμο προς όλους τους κατασκευαστές, ώστε να τον χρησιμοποιήσουν και να τον εγκαταστήσουν σε όλους τους παραγωγούς και εμπόρους. Σχήμα 26 Παράδειγμα Littion Zellweger/Migros barcode symbol Το 1969, στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο οργανισμός National Association of Food Chains (NAFC) προσέλαβε την Logicon Inc. για την ανάπτυξη ενός barcode συστήματος ευρείας χρήσης. Το αποτέλεσμα που προέκυψε, το Universal Products Identifications Code (UGPIC), τέθηκε ευρέως στη διάθεση του κοινού τον επόμενο χρόνο. Στα πλαίσια αυτής της εφεύρεσης, δημιουργήθηκε μια ad-hoc επιτροπή, η Uniform Grocery Product Code Council (UGPCC), η οποία απεφάσισε να ξεχωρίσει το πρόβλημα της σχεδίασης της κωδικοποίησης από αυτό της επιλογής της. Το 1971, μία δεκαψήφια αριθμητική δομή κώδικα επελέχθη, η οποία ακολουθήθηκε από την επιλογή της αντίστοιχης συμβολολογίας, στις 30 Μαρτίου του 1973, από την επιτροπή Symbol Selection Subcommittee η οποία εκπροσωπούσε όλους τους εμπόρους, λιανικής και χονδρικής. Τον Απρίλη του 1973 οι έμποροι επισήμως καθιέρωσαν τη συμβολολογία Universal Product Code (UPC) σαν την τυπική για την επισήμανση των προϊόντων μέσω barcode, και γι αυτό συχνά θεωρείται σαν η γέννηση του 1D barcode. Με δευτερεύουσες αλλαγές, αυτό το σύνολο συμβόλων αναπτύχθηκε από τον George Laurer για λογαριασμό της IBM και είναι ακόμη και σήμερα σε χρήση στις Ηνωμένες Πολιτείες. Παρακάτω, παρουσιάζονται διάφορα παραδείγματα υποψηφίων συμβόλων: Σχήμα 27 Διάφορα barcode symbols

65 64 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e To UPC ήταν το πρώτο γραμμικό πρότυπο barcode που υιοθετήθηκε ευρέως. Ολόκληρος ο κώδικας αλλά και η επιβολή των symbols έγινε λαμβάνοντας υπόψη όλους αυτούς τους τομείς ενδιαφέροντος (εμπόρους λιανικής, χονδρικής, κ.λπ.), που χρησιμοποίησαν την ίδια δομή από symbols. Ολόκληρο το σύστημα μπορεί να δουλέψει σε έναν αποδοτικό και αποτελεσματικό τρόπο, μόνο όταν όλες οι ομάδες που συμμετέχουν σε αυτό συνεργαστούν μεταξύ τους. Η ανάπτυξη του barcode Μετά την επίσημη εισαγωγή και τεράστια επιτυχία της χρήσης του 1D barcode, ειδικά όσον αφορούσε τα συστήματα διανομής, υπήρξε μια όλο και αυξανόμενη α- παίτηση στην κωδικοποίηση δεδομένων, τα οποία το 1D barcode δε μπορούσε να ικανοποιήσει, ειδικά στους τομείς των αυτοκινητοβιομηχανιών και παραγωγής ηλεκτρικών ειδών. Η Toyota Motor Corporation σε συνεργασία με την Denso Wave Inc., εφηύραν ένα τύπο barcode που ήταν παραπλήσιος με τον τύπο του 2D barcode. Ο κώδικας χρησιμοποιούνταν ανά τμήματα που ονομάζονταν Kanban και με αυτή τη μεθοδολογία υπήρξε αποδοτική διαχείριση και κωδικοποίηση των δεδομένων που απαιτούσε η γραμμή παραγωγής. Το Kanban, που σημαίνει μία κάρτα που φέρει πληροφορίες για τη γραμμή παραγωγής, συνέβαλλε κατά πολύ στην αύξηση της παραγωγικότητας της Toyota. Το 1978, ανεπτύχθη ένας απόγονος του συγκεκριμένου συστήματος, που χρησιμοποιούσε πλέον τους γνωστούς τύπου των 2D barcodes. Με αυτόν τον τρόπο επετεύχθη η ανάπτυξη διαφόρων ειδών barcodes που μπορούσαν να φιλοξενήσουν από 10 έως και 100 φορές περισσότερα δεδομένα από τα barcodes τύπου 1D, τα οποία μπορούσαν να περιέχουν το πολύ 20 χαρακτήρες. Παρά την αύξηση στην χωρητικότητα των δεδομένων, σε γενικές γραμμές τα 2D barcodes απαιτούν λιγότερο χώρο από τα 1D barcodes, για την κωδικοποίηση ενός ίδιου συνόλου δεδομένων. Αρχικώς, τα 2D barcodes θεωρούνταν ότι υπερτερούσαν σε εφαρμογές όπου ο χώρος ήταν πρόβλημα, όπου η βάση δεδομένων δε μπορούσε να προσπελαστεί ή ό- που απαιτούνταν υψηλής ταχύτητας ταξινόμηση και επεξεργασία. Ως εκ τούτου, ανεπτύχθησαν κυρίως για βιομηχανίες που αφορούσαν τους χώρους υγείας και η- λεκτρονικής. Πάντως, και οι αυτοκινητοβιομηχανίες ήταν επίσης και αυτές πρωτοπόρες στην υλοποίηση 2D barcodes με πληθώρα τρόπων, αναλόγως με τις εφαρμογές ή τα περιβάλλοντα λειτουργίας. Στις μέρες μας, τα 2D barcodes που χρησιμοποιούν το σύστημα Kanban, αντικαταστάθηκαν πλήρως από τα αμιγώς 2D barcode συστήματα. Παρακάτω, εμφανίζονται στα Σχήματα δύο ειδών 2D barcode που χρησιμοποιούν το Kanban. Το δεύτερο είναι το πιο πρόσφατο.

66 65 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 28 2D-like barcode με Kanban Σχήμα 29 2D barcode με Kanban H αυξημένη χωρητικότητα δεδομένων επιτρέπει σε μερικά 2D barcodes να έχουν πολλά και ποικίλα πλεονεκτήματα όπως ο εντοπισμός λαθών αλλά και η δυνατότητα επιδιόρθωσής τους, η κωδικοποίηση σε πολλαπλές γλώσσες και η χρήση διαφορετικών ειδών symbols, ανάλογα με το είδος των δεδομένων που απαιτείται. Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν σε αυτά τα 2D barcodes να δουλεύουν σα μία α- ξιόπιστη φορητή βάση δεδομένων, εν αντιθέσει με τα 1D barcodes, τα οποία μόνο λειτουργούν ως δείκτης σε μία στατική βάση δεδομένων. Η δυνατότητα αυτή έδωσε στις επιχειρήσεις εξοικονόμηση χρόνου και κόστους για τη διαχείριση διαφορετικών μερών και προϊόντων τους, χωρίς την πρόσβαση σε βάση δεδομένων, που οδήγησε στην υιοθέτησή τους, ανεξάρτητα από τον περιορισμό του χώρου. Η ανάπτυξη διαφόρων τυποποιημένων προτύπων στην αυτοκινητοβιομηχανία ενθάρρυνε την αποδοχή των 2D barcodes και από τις υπόλοιπες βιομηχανίες. Για να ανταποκριθούν σε όλες αυτές τις αυξανόμενες ανάγκες, περισσότερες από 40 συμβολολογίες 2D έχουν

67 66 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e αναπτυχθεί και ο συνολικός τους αριθμός πρόκειται να αυξηθεί δραματικά με την πάροδο του χρόνου. Πρόσφατα, υπάρχει μια ραγδαία αύξηση στον αριθμό των κινητών τηλεφώνων που έχουν ενσωματωμένες ψηφιακές κάμαρες. Η λειτουργία της κάμερας δίνει τη δυνατότητα στο κινητό να έχει διεπαφή με φυσικά αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένου του 2D barcode. Αυτή ανοίγει δρόμους όσον αφορά την ανάπτυξη νέων εφαρμογών βασισμένων στο συνδυασμό της τεχνολογίας του 2D barcode με την αντίστοιχη των ενσωματωμένων ψηφιακών καμερών. Πέρα από το 1D και 2D barcode, το barcode τριών διαστάσεων (3D) υπάρχει στις μέρες μας. Το 3D barcode αναγράφεται απευθείας στην επιφάνεια των υλικών, ό- πως πλαστικού, μετάλλου, κ.λπ. Μία πληθώρα διαφορετικών τεχνικών χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση των δεδομένων. Αυτές συμπεριλαμβάνουν χάραξη μέσω laser, χάραξη με θερμικές μεθόδους, κ.λπ. Τα 3D barcodes μπορούν να χρησιμοποιηθούν εκεί όπου οι τυπωμένες ετικέτες δε μπορούν να προσκολληθούν ή θα καταστραφούν λόγω των εχθρικών περιβαλλοντικών συνθηκών. Εξαιτίας αυτού, τα 3D barcodes έχουν χαρακτηριστεί ως το μέσο βελτίωσης της δυνατότητας εύρεσης των προϊόντων. Αυτό το χαρακτηριστικό δηλαδή δίνει τη δυνατότητα στους κατασκευαστές να διαχειρίζονται ένα προϊόν καθ όλη τη διάρκεια της ζωής του. Από την παραγωγή του μέχρι και την τελική του διάθεση. Τα τελευταία χρόνια, η απαίτηση σε 3D barcoding έχει κλιμακωθεί, κυρίως στην Ευρώπη και στις Ηνωμένες Πολιτείες. Barcode συστήματα Barcode συστήματα και συμβολολογίες μίας διάστασης Ένα παραδοσιακό, γραμμικό πρότυπο barcode, που είναι γνωστό και ως 1D barcode, είναι ο δυαδικός κώδικας (απαρτίζεται από 0 και 1 ). Οι γραμμές και τα κενά διαφέρουν σε πλάτος και τυπώνονται με διαφορετικούς συνδυασμούς. Τα δεδομένα, δηλαδή η συστοιχία από 0 και 1, κωδικοποιούνται μέσω αυτών των γραμμών και κενών και το τελικό symbol είναι αυτό που φέρει τα δεδομένα. Τα αρχικά δεδομένα μπορούν ληφθούν χρησιμοποιώντας έναν σαρωτή που κινείται καθέτως, κατά μήκος των γραμμών και των κενών. Ένα 1D barcode symbol αποτελείται συνήθως από τους χαρακτήρες εκκίνησης και τερματισμού, χαρακτήρες δεδομένων, με ή χωρίς διαστήματα μεταξύ των γραμμών και των κενών, αλλά και χαρακτήρες ισότητας (parity characters). Συστήματα barcode μίας διάστασης Το σύστημα barcode μίας διάστασης είναι το πιο διαδεδομένο αυτοματοποιημένης

68 67 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e αναγνώρισης πρότυπο. Αν και υπάρχουν μερικές εξαιρέσεις, οι περισσότερες συμβολολογίες 1D barcode κωδικοποιούν έναν περιορισμένο αριθμό αριθμητικών και αλφαριθμητικών χαρακτήρων, μαζί με την πιθανή προσθήκη μερικών ειδικών χαρακτήρων. Ως συνέπεια του άνωθεν, όπως έχει επισημανθεί, το 1D barcode χρειάζεται μια στατική, εξωτερική βάση δεδομένων προκειμένου να λειτουργήσει ομαλά. Αυτό σημαίνει ότι οι πληροφορίες που αφορούν την τιμολόγηση είναι απευθείας κωδικοποιημένες. Οι πληροφορίες σχετικά με το προϊόν που φέρει την ετικέτα του barcode είναι αποθηκευμένες και λαμβάνονται από μία βάση δεδομένων. Στην ουσία, το barcode symbol λειτουργεί σαν ένας δείκτης σε μία βάση δεδομένων. Όταν αυτός ο δείκτης σαρώνεται από το αντίστοιχο μηχάνημα στο POS, η τιμή του λαμβάνεται από τη διασυνδεμένη βάση δεδομένων. Αυτό είναι γνωστό και ως σύστημα τύπου Price LookUp (PLU). Κατά την περίοδο εκπτώσεων, στο σύστημα PLU γίνεται τροποποίηση των τιμών μόνο στη βάση δεδομένων, χωρίς να χρειάζεται χειροκίνητη αντικατάσταση της ετικέτας τιμής που βρίσκεται πάνω στο προϊόν. Το σύστημα PLU, σε συνεργασία με το POS, επιτρέπει τη διαχείριση σε ζωντανό χρόνο (real-time) της ροής του χρήματος αλλά και της απογραφής, αυξάνοντας έτσι την αποδοτικότητα και ακρίβεια των supermarkets. Παρακάτω, εμφανίζεται σχηματικά η παραπάνω διαδικασία: Σχήμα 30 Ροή δεδομένων σε ένα σύστημα PLU

69 68 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Τα πλεονεκτήματα χρησιμοποίησης συστημάτων 1D barcode συνοψίζονται κάτωθι: Επιτυγχάνεται γρήγορη και επακριβής εισαγωγή δεδομένων. Για παράδειγμα, η πιθανότητα ότι ο Code 39 θα διαβαστεί λάθος είναι 1 στους 3x10 6 χαρακτήρες. Απαιτείται ελάχιστη εκπαίδευση του προσωπικού. Οι αριθμοί που κωδικοποιούνται στο 1D barcode είναι παγκοσμίως μοναδικοί. Αυτό είναι πολύ θετικό στην καταγραφή των πωλήσεων αλλά και της απογραφής των προϊόντων. Πληροφορίες σε χρόνο real-time μπορούν να αποκτηθούν. Συμβολολογίες barcode μίας διάστασης Πέντε διαφορετικοί τύποι 1D barcode έχουν εγκριθεί από τον οργανισμό International Organization for Standardization (ISO), μεταξύ των πολυάριθμων 1D barcodes που έχουν αναπτυχθεί έως και σήμερα: Code 128, EAN/UPC, Interleave 2 of 5 και τα γραμμικά symbols της οικογένειας GS1 DataBar. Παρακάτω, παρουσιάζεται η κατηγοριοποίηση των 1D barcodes: Σχήμα 31 Κατηγοριοποίηση των 1D barcodes

70 69 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Ως φαίνεται και στο άνωθεν σχήμα, τα barcodes μίας διάστασης μπορούν να χωριστούν σε έξι διαφορετικές κατηγορίες, κατατάσσοντάς τα σε όρους όπως το πλάτος των bars, τον τύπο του κώδικα και το σύνολο των χαρακτήρων που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση των δεδομένων. Το σύνολο των χαρακτήρων υποδηλώνει και τις ομάδες εργασίας που ενδιαφέρονται για το συγκεκριμένο barcode. Για παράδειγμα, τα 1D barcodes που κωδικοποιούν μόνο αριθμητικούς χαρακτήρες (π.χ. EAN/UPC) συνήθως χρησιμοποιούνται από εμπόρους, παντοπώλες, κ.λπ. Οι κατασκευαστές συνήθως προτιμούν να χρησιμοποιούν τους Code 39 ή Code 128, εξαιτίας της ανάγκης τους να κωδικοποιούν αλφαριθμητικούς χαρακτήρες. Υπάρχουν δύο τύπων επίπεδα πλάτους των bars, το επίπεδο binary και το επίπεδο multi. Με το επίπεδο binary, οι συνδυασμοί των δύο τύπων πλάτους των bars, δηλαδή του στενής bar και του πλατιού bar, συνθέτουν το barcode. Η αναλογία αυτών των πλατών συνήθως είναι 2 προς 3. Ο Interleave 2 of 5 και ο Code 39, που φαίνονται στο Σχήμα 31, είναι παραδείγματα binary-level barcode. Τα symbols του κώδικα τύπου multi ή αλλιώς τύπου (n, k), έχουν περισσότερες από δύο επιλογές για τα πλάτη των bars και κενών. Το τυπικό είναι τα symbols του κώδικα να έχουν τέσσερις διαφορετικούς τύπους πλάτους των bars. Όταν αναφερόμαστε στον τύπο (n, k), τα n και k συμβολίζουν τους αριθμούς των βασικών μονάδων πλάτους, που συνθέτουν έναν χαρακτήρα δεδομένων (n) και τον αριθμό των διαφόρων μορφών των πλατών των bars (k). Ο ΕΑΝ/UPC και ο Code 128 θεωρούνται ως multi-level barcodes. Οι τιμές των n και k για τον EAN/UPC είναι 7 και 4 αντιστοίχως, ενώ για τον Code 128 είναι 11 και 4 αντιστοίχως. Σε γενικές γραμμές, ο ρυθμός ανάγνωσης δεδομένων του binary-level barcode είναι υψηλότερος από αυτού του multi-level barcode, επειδή απλώς είναι πιο εύκολος ο εντοπισμός των bars. Μικρότερες μορφές των bars σημαίνουν αυτομάτως ευκολότερη αναγνώριση. Αντιθέτως, όταν ένα multi-level barcode και ένα binary-level barcode κωδικοποιούν τα ίδια δεδομένα, το πρώτο απαιτεί λιγότερο χώρο από το δεύτερο. Τα binary-level barcodes είναι η σωστή επιλογή για εφαρμογές όπου είναι α- παραίτητη η υψηλότερη ευκρίνεια των δεδομένων, ενώ τα multi-level barcodes προτιμώνται όταν κύρια προτεραιότητα είναι η εξοικονόμηση του χώρου. Τα barcodes μπορούν επίσης να χωριστούν σε διακριτούς (discrete) και συνεχείς (continuous) τύπους, ως φαίνεται στο Σχήμα 31. Ένα κενό ή διάστημα υπάρχει μεταξύ κάθε χαρακτήρα κωδικοποίησης στον τύπο της διακριτής μορφής. Επειδή βρίσκονται ανάμεσα σε διαστήματα όλοι οι χαρακτήρες, αναγνωρίζονται πολύ εύκολα, χωρίς να εντοπίζονται συχνά λάθη ανάγνωσης. Ένας συνεχής τύπος δεν εφαρμόζει την τακτική των διαστημάτων και, ως αποτέλεσμα, δημιουργεί ένα barcode με λιγότερο πλάτος. Ο συνεχής τύπος έχει πυκνότερη μορφή κωδικοποίησης των δεδομένων από τον διακριτό τύπο σε ένα συγκεκριμένο χώρο, το οποίο και είναι ένα βα-

71 70 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e σικό πλεονέκτημα. Ωστόσο, είναι πιο δύσκολο να τυπωθεί αυτός ο τύπος καθώς τα δεδομένα συμπιέζονται αρκετά. Το αντίθετο ισχύει για τον διακριτό τύπο. Interleaved 2 of 5 To Interleaved 2 of 5 είναι ένας binary-level, συνεχής τύπος barcode. Κωδικοποιεί μόνο αριθμητικούς χαρακτήρες (δηλαδή από το 0 μέχρι το 9). Κάθε Interleaved 2 of 5 symbol περιλαμβάνει μία quiet zone δεξιά και αριστερά του symbol, τον χαρακτήρα εκκίνησης, τον χαρακτήρα δεδομένων, τον χαρακτήρα τερματισμού. Ο χαρακτήρας εκκίνησης αποτελείται από μία στενή bar, ένα στενό κενό, ακόμη μία στενή bar και ακόμη ένα κενό, με αυτή τη σειρά, ενώ μια πλατιά bar, ένα στενό κενό, και μία στενή bar αποτελούν τον χαρακτήρα τερματισμού. Ένας χαρακτήρας δεδομένων συντελείται από είτε 5 bas είτε 5 κενά, δύο από τα ο- ποία είναι πλατιά και τρία από τα οποία είναι στενά, και στις δύο περιπτώσεις. Για παράδειγμα, ένας συνδυασμός από 2 πλατιές bars και 3 στενές bars συντελεί έναν χαρακτήρα δεδομένων. Το ίδιο ισχύει και για τον χαρακτήρα δίπλα από τα δεδομένα, που είναι ένας συνδυασμός κενών. Τελικώς, προκύπτει ο Interleaved 2 of 5. Παρακάτω, φαίνεται η δομή του Interleaved 2 of 5. Σχήμα 32 Παράδειγμα τύπου Interleaved 2 of 5 Επειδή το Interleave 2 of 5 είναι μία μεταβλητού μήκους (πλάτους) τεχνολογία, λανθασμένα δεδομένα κατά τη διάρκεια κάποιας σάρωσης μπορούν να ληφθούν. Για την αποφυγή τέτοιων λαθών, προστίθενται τα bearer bars στις άνω και κάτω κορυφές των συμβόλων κατά τη διεύθυνση σάρωσης. Τα bearer bars πρέπει να αγγίζουν τις άνω και κάτω κορυφές όλων των bars που φέρουν δεδομένα. Όταν μία λανθασμένη σάρωση συμβεί, η ακτίνα σάρωσης θα περάσει από αυτά τα bearer bars, με αποτέλεσμα να εμποδιστεί η λανθασμένη αποκωδικοποίηση των symbols. Ένας εναλλακτικός τρόπος αποφυγής τέτοιων λαθών είναι η χρησιμοποίηση του Interleaved 2 of 5 σε εφαρμογές προκαθορισμένου μήκους (πλάτους). Τότε, υπολογί-

72 71 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e ζεται το άθροισμα ελέγχου (checksum), χρησιμοποιώντας ένα μηχανισμό που λειτουργεί με βάση το modulo 10. Ο τελευταίος χαρακτήρας του symbol χρησιμοποιείται για το προαιρετικό άθροισμα ελέγχου. Όταν προστίθεται ο τελευταίος χαρακτήρας για τον υπολογισμό του αθροίσματος ελέγχου, ένα μηδενικό τοποθετείται στην αριστερή άκρη μετά το τέλος των δεδομένων, καθώς το Interleave 2 of 5 πρέπει να έχει έναν άρτιο αριθμό χαρακτήρων δεδομένων, όπως έχει ήδη αναφερθεί. Code 39 Ο Code 39 (three-nine), είναι ένας binary-level διακριτός κώδικας. Κωδικοποιεί αλφαριθμητικά σύνολα χαρακτήρων. Το σύνολο χαρακτήρων του Code 39 περιλαμβάνει τα 10 ψηφία (0 έως και 9), τα 26 κεφαλαία γράμματα (A έως Z) και τους 7 ειδικούς χαρακτήρες, -,., *, $, /, +, % και τον χαρακτήρα κενού. Είναι και αυτός μία τεχνολογία μεταβλητού μήκους και μπορεί να επεκταθεί ώστε να κωδικοποιήσει τον 128 American Standard Code for Information Interchange (ASCII). O Code 39 χρησιμοποιείται ευρέως στις βιομηχανίες και κυρίως στις αυτοκινητοβιομηχανίες και στα Υπουργεία Άμυνας διαφόρων κρατών, καθώς έχει τη δυνατότητα μεταχείρισης αλφαριθμητικών χαρακτήρων. Ο Code 39 αποτελείται από μία quiet zone, έναν χαρακτήρα εκκίνησης *, τους χαρακτήρες δεδομένων, τον χαρακτήρα τερματισμού *, και μία επίσης quiet zone στο τέλος του symbol. Ο χαρακτήρας * χρησιμοποιείται ο ίδιος και ως χαρακτήρας εκκίνησης και ως χαρακτήρας τερματισμού. Ένας χαρακτήρας δεδομένων συνίσταται από πέντε bars και τέσσερα κενά, δηλαδή συνολικώς εννιά στοιχεία. Κάθε bar ή κενό είναι στενό ή πλατύ. Τα τρία εκ των εννιά αυτών στοιχείων είναι πλατιά και ως εκ τούτου έλαβε ο κώδικας το συγκεκριμένο όνομα. Ο κώδικας αυτός είναι επίσης γνωστός και ως Code 3 of 9. Η δομή του παρουσιάζεται παρακάτω: Σχήμα 33 Παράδειγμα τύπου Code 39 Ανεξαρτήτως από το τι σύνολο χαρακτήρων χρησιμοποιείται, δηλαδή αν είναι αριθμητικοί ή αλφαριθμητικοί, ο Code 39 απαιτεί την ίδια ποσότητα χώρου. Απαιτεί αρκετά περισσότερο χώρο από τα άλλα είδη του 1D barcode, καθώς ο κάθε χαρακτή-

73 72 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e ρας δεδομένων διαχωρίζεται από τον γειτονικό του με ένα ενδιάμεσο διάστημα, για την αποφυγή λαθών. Σαν συνέπεια τούτου, απαιτείται περισσότερος χώρος για τη φιλοξενία του Code 39. O Code 39 συνήθως δε συμπεριλαμβάνει κάποιο άθροισμα ελέγχου, καθώς ο κώδικας εγγενώς ελέγχει τον εαυτό του βασισμένος στο εξής μοντέλο: κάθε αποτέλεσμα που δεν ταιριάζει στο πρότυπο 3-of-9, αγνοείται ως λάθος κωδικοποίηση. Ωστόσο, είναι δυνατή η χρήση ενός αθροίσματος ελέγχου, όταν αυτό απαιτείται. Κάθε χαρακτήρας έχει μία αριθμητική τιμή πέρα από τις τιμές των δεδομένων, ώστε να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του αθροίσματος ελέγχου. Η αριθμητική αυτή τιμή του κάθε χαρακτήρα προστίθεται και εν συνεχεία το ολικό άθροισμα διαιρείται με το 43, γι αυτό και ονομάζεται αυτή η τεχνική modulo 43. Code 128 O Code 128 είναι ένας multi-level, συνεχής τύπος 1D barcode. Τα σύνολα χαρακτήρων του Code 128 περιλαμβάνουν τα δέκα ψηφία (0 έως 9), τους μικρούς αλλά και κεφαλαίους χαρακτήρες του αγγλικού αλφάβητου και τα προκαθορισμένα ASCII symbols, αλλά και τους αντίστοιχους χαρακτήρες ελέγχου. Είναι μεταβλητού μήκους και πολύ μεγάλης πυκνότητας αλφαριθμητικός τύπος barcode, σχεδιασμένος για την κωδικοποίηση ολόκληρων των 128 χαρακτήρων του ASCII. Σε αντίθεση με τον Code 39, δεν απαιτεί μεγαλύτερο χώρο για την κωδικοποίηση των δεδομένων, εξαιτίας της προηγμένης τεχνικής συμπίεσης που χρησιμοποιεί. Πράγματι, απαιτεί το λιγότερο χώρο για την κωδικοποίηση ενός συνόλου έξι ή και περισσότερων χαρακτήρων, από όλες τις συμβολολογίες του 1D barcode. Παρακάτω, φαίνεται η δομή του Code 128. Σχήμα 34 Παράδειγμα τύπου Code 128 To symbol περιλαμβάνει μία quiet zone, έναν χαρακτήρα εκκίνησης, τους χαρακτήρες δεδομένων, έναν αθροιστή ελέγχου, τον χαρακτήρα τερματισμού και μία επίσης

74 73 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e quiet zone, μετά το τέλος του symbol. Κάθε χαρακτήρας αποτελείται από 3 bars και 3 κενά, διαφορετικά στο πλάτος, μεταξύ τεσσάρων διαφορετικών επιλογών. Ο συνολικός αριθμός των διαφορετικών επιλογών για κάθε χαρακτήρα είναι 11. Ωστόσο, υπάρχει μία εξαίρεση. Ο χαρακτήρας τερματισμού αποτελείται από 4 bars και 3 κενά, χρησιμοποιώντας 13 επιλογές. Τα bars πάντα αποτελούνται από έναν άρτιο α- ριθμό επιλογών και τα κενά αποτελούνται πάντα από έναν περιττό. Ο Code 128 περιλαμβάνει τρία διαφορετικά σύνολα χαρακτήρων, τα A, B και C. Τρεις διαφορετικοί χαρακτήρες εκκίνησης χρησιμοποιούνται για να σηματοδοτήσουν το ποιο υποσύνολο θα χρησιμοποιηθεί. Κάθε ένα από αυτά τα σύνολα μπορεί να κωδικοποιήσει τους εξής χαρακτήρες: Code A τα προκαθορισμένα ASCII symbols, ψηφία, κεφαλαίους χαρακτήρες της αγγλικής και χαρακτήρες ελέγχου. Code B τα προκαθορισμένα ASCII symbols, ψηφία, κεφαλαίους και μικρούς χαρακτήρες της αγγλικής. Code C ένα σύνολο από 100 ζεύγη ψηφίων από το 00 έως και το 99. Συμπιέζοντας δύο ψηφία σε έναν χαρακτήρα, επιτυγχάνεται διπλή πυκνότητα δεδομένων. Τέλος, ο Code 128 έχει έναν αθροιστή ελέγχου, που μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με την τεχνική που αναφέρθηκε προηγουμένως, αλλά τώρα με βάση το modulo 103. EAN/UPC Το European Article Numbering (EAN) αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το πρότυπο του Universal Product Code (UPC), στοχεύοντας σε μία διεθνή χρήση. Το ΕΑΝ θεωρείται σαν ένα υπερσύνολο του UPC. Σήμερα υπάρχουν δύο εκδόσεις του ΕΑΝ και πέντε του UPC: EAN-13 και ΕΑΝ-8, και αντίστοιχα, UPC-A, UPC-B, UPC-C, UPC-D και UPC-E. Τα EAN και UPC symbols είναι multi-level και συνεχή. Μόνο αριθμοί (0 έως 9) μπορούν να κωδικοποιηθούν. Όλοι οι χαρακτήρες είναι προκαθορισμένοι ως προς το μέγεθός τους. Ωστόσο, το μήκος του κάθε symbol εξαρτάται από τον τύπο του κώδικα και την έκδοση που έχει επιλεχθεί. Θα πρέπει να τονιστεί ότι οι εκδόσεις B, C και D του UPC δεν χρησιμοποιούνται ευρέως και επομένως θα ασχοληθούμε με τους EAN-13, EAN-8, UPC-A και UPC-E. EAN-13 Οι χαρακτήρες δεδομένων του EAN-13, που περικλείονται από δύο μοτίβα φρουράς (guard patterns), τον δεξί και τον αριστερό φρουρό, μπορούν να διαχωριστούν σε δύο μισά, από έναν κεντρικό φρουρό.

75 74 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Υπάρχουν έξι ψηφία σε κάθε μεριά του κεντρικού φρουρού. Το τελευταίο ψηφίο των χαρακτήρων δεδομένων στο μισό της δεξιάς μεριάς είναι ο αθροιστής ελέγχου. Οι χαρακτήρες δεδομένων περικυκλώνονται από τους φρουρούς, τις quiet zones γύρω από το symbol και τα ψηφία στην κανονική τους μορφή που διαβάζονται από έναν άνθρωπο. Αυτά συμπληρώνουν τον EAN-13. Ένας χαρακτήρας δεδομένων EAN- 13 (π.χ. ένα ψηφίο) παρίσταται από επτά διαφορετικές επιλογές που αποτελούνται από δύο bars και δύο κενά. Τα πλάτη των bars και των κενών ποικίλουν μεταξύ ενός και τεσσάρων επιλογών. Υπάρχουν συνολικώς 13 χαρακτήρες δεδομένων. Η δομή του EAN-13 παρουσιάζεται παρακάτω. Σχήμα 35 Παράδειγμα τύπου EAN-13 Οι χαρακτήρες δεδομένων στο δεξί μέρος του symbol κωδικοποιούνται χρησιμοποιώντας το μοτίβο της άρτιας ισοτιμίας (even-parity). Αντιθέτως, οι χαρακτήρες δεδομένων στο αριστερό μέρος κωδικοποιούνται χρησιμοποιώντας το μοτίβο μίας περιττής ισοτιμίας (odd-parity) και μίας αριστερής ισοτιμίας (even-parity). Τρία από τα έξι ψηφία στο αριστερό μέρος κωδικοποιούνται χρησιμοποιώντας την δεξιά ισοτιμίας και η αριστερή χρησιμοποιείται για τα υπόλοιπα τρία. Συνεπώς, το μοτίβο κωδικοποίησης που χρησιμοποιείται για κάθε ψηφίο εξαρτάται από την τοποθεσία του και στο αν η δεξιά ή αριστερή ισοτιμία χρησιμοποιείται αν το ψηφίο βρίσκεται στο αριστερό μέρος. Το ψηφίο που τοποθετείται στην αρχή του symbol σηματοδοτεί το μοντέλο του μοτίβου της περιττής και άρτιας ισοτιμίας για το αριστερό μέρος. Για παράδειγμα, το 5 στο Σχήμα 35 σηματοδοτεί ότι τα ψηφία στο αριστερό μέρος θα κωδικοποιηθούν χρησιμοποιώντας περιττή, άρτια, άρτια, περιττή, περιττή και άρτια ισοτιμία, με τη συγκεκριμένη σειρά. Όλοι οι χαρακτήρες δεδομένων στην αριστερή μεριά ξεκινούν με ένα κενό, ενώ όλοι οι χαρακτήρες δεδομένων στην δεξιά μεριά ξεκινούν με μία bar. Το μοτίβο κωδικοποίησης του δεξιού μέρους σχεδιάζεται ώστε να είναι ακριβώς όπως το μοτίβο της περιττής ισοτιμίας του αριστερού μέρους, αλλά με αντιστροφή των 1 και των 0.

76 75 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Επιπροσθέτως, τα μοτίβα άρτιας και περιττής ισοτιμίας κωδικοποίησης είναι συμμετρικά. Αυτό δίνει τη δυνατότητα ανάγνωσης και από τις δύο μεριές του EAN-13. Ένα EAN-13 barcode χωρίζεται σε τέσσερις περιοχές: τον αριθμό του συστήματος, τον κωδικό του κατασκευαστή, τον κωδικό του προϊόντος και το ψηφίο ελέγχου. Τα πρώτα δύο (ή τρία) ψηφία του αριθμού χρησιμοποιούνται σαν flag χαρακτήρες που αναγνωρίζουν την χώρα (ή οικονομική περιοχή). Στο παράδειγμα του Σχήματος 35, ο αρχικός αριθμός 50 συμβολίζει ότι έχουμε να κάνουμε με το Ηνωμένο Βασίλειο (UK). Το αναγνωριστικό της χώρας ακολουθείται από ένα πενταψήφιο αναγνωριστικό του κατασκευαστή και ένα αναγνωριστικό του προϊόντος. Το τελευταίο ψηφίο είναι το άθροισμα ελέγχου και χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό και παρεμπόδιση των λαθών κατά την κωδικοποίηση. Ο αθροιστής ελέγχου υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το modulo 10. UPC-A O UPC-A code, που είναι ένα υποσύνολο του ΕΑΝ-13, είναι η πρότυπη έκδοση των UPC symbols και είναι ευρέως χρησιμοποιούμενος στις Ηνωμένες Πολιτείες και στον Καναδά. Κωδικοποιεί 12 ψηφία. Το πρώτο συμβολίζει τον αριθμό του UPC προτύπου που χρησιμοποιείται, που με τη σειρά του συμβολίζει τον τύπο του προϊόντος (π.χ. 0 για είδη εμπορίου, 3 για φάρμακα). Καθώς το UPC-A σχεδιάστηκε ώστε να χρησιμοποιηθεί στη Βόρεια Αμερική, δεν περιλαμβάνει κωδικούς χωρών. Κατά τ άλλα, είναι εντελώς παραπλήσιο με το EAN-13. Κάθε σαρωτής που είναι ικανός να διαβάσει και να αποκωδικοποιήσει το EAN-13 είναι ικανός να πράξει το ίδιο και για το UPC. Το αντίστροφο, δεν ισχύει πάντοτε. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η δομή του UPC-A. Σχήμα 36 Παράδειγμα τύπου UPC-A Κάθε EAN-13 symbol που ξεκινάει με το ψηφίο 0 είναι, στην πραγματικότητα, ένα UPC-A symbol, όπως αναφέρθηκε νωρίτερα. Όλα τα έξι ψηφία που αποτελούν το

77 76 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e αριστερό μέρος αλλά και αυτά που απαρτίζουν το μοτίβο του κεντρικού φρουρού των EAN-13 symbols κωδικοποιούνται με περιττή ισοτιμία, μόνο όταν το πρώτο ψηφίο είναι 0. Αυτό σημαίνει ότι όλα τα symbols τύπου UPC-A είναι περιττής ισοτιμίας κατά την κωδικοποίηση του αριστερού μέρους του symbol. Με το UPC-A επιτυγχάνεται επιτυχία της πρώτης ανάγνωσης κατά 99%, ενώ η πιθανότητα λάθους είναι μικρότερη από 1 μέσα σε σαρωμένα symbols. EAN-8 και UPC-E Τα ΕΑΝ-8 και UPC-E είναι συντομευμένες εκδόσεις του EAN-13 και UPC-A, αντιστοίχως. Οι ΕΑΝ-8 και UPC-E εισήχθησαν για την χρήση μικρών προϊόντων, όπου ήταν απαραίτητη η εξοικονόμηση του χώρου. Δεν υπάρχει διαφορά στη δομή μεταξύ του EAN-8 και EAN-13, εκτός από τον αριθμό των χαρακτήρων δεδομένων. Το ΕΑΝ-8 αποτελείται από δύο (ή τρία) ψηφία που συμβολίζουν την χώρα (ή την οικονομική περιοχή), πέντε ψηφία (ή τέσσερα όπου ο κωδικός χώρας καταλαμβάνει τρία ψηφία) που συμβολίζουν τον κατασκευαστή, το προϊόν και τον αθροιστή ελέγχου. Η δομή των δεδομένων του UPC-E είναι διαφορετική από αυτή του UPC-A. Δεν υ- πάρχει μοτίβο κεντρικού φρουρού σε ένα UPC-E symbol. Οι χαρακτήρες δεδομένων βρίσκονται μεταξύ ενός αριστερού και δεξιού φρουρού. Το μοτίβο του αριστερού φρουρού αποτελείται από δύο bars, ενώ αυτό του δεξιού από τρεις bars. Επιπροσθέτως, το UPC-E δεν περιλαμβάνει κωδικό προϊόντος ή αθροιστή ελέγχου. Το UPC-E είναι μία έκδοση μηδενικής συμπίεσης του UPC. Οι δομές του EAN-8 και UPC- E φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Οι αθροιστές ελέγχου του EAN-8 υπολογίζονται με τον ίδιο τρόπο που υπολογίζονται και αυτοί του EAN-13. Σχήμα 37 Παραδείγματα τύπων EAN-8 και UPC-E

78 77 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Barcode συστήματα και συμβολολογίες δύο διαστάσεων Συστήματα barcode δύο διαστάσεων Τα barcodes δύο διαστάσεων συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα εισαγωγής δεδομένων των αντίστοιχων της μίας διάστασης, συμπεριλαμβανομένης της φορητότητας, αλλά και της τέλειας μεταφοράς δεδομένων σε μικρό χώρο. Από τη στιγμή που το 2D barcode μεταφέρει τα δεδομένα το ίδιο, δεν υπάρχει ανάγκη ύπαρξης δεύτερης βάσης δεδομένων. Ως εκ τούτου, τα 2D barcodes παρέχουν μια ιδανική λύση για συγκεκριμένες βιομηχανίες (π.χ. κατασκευάστριες ηλεκτρονικών ειδών, αυτοκινητοβιομηχανιών, κ.λπ.). Η πρόσβαση στη βάση δεδομένων για κάθε προϊόν απαιτεί αρκετό χρόνο και απαιτεί συνεχή συνδεσιμότητα με ένα σύστημα βάσης δεδομένων, με αποτέλεσμα να αυξάνει αυτό και το κόστος. Επομένως, τα 2D barcodes που δεν α- παιτούν τέτοια συστήματα βοηθούν πολύ στην εξοικονόμηση χρόνου και κόστους. Οι φαρμακοβιομηχανίες και οι αντίστοιχες κατασκευαστικές ηλεκτρονικών ειδών έδειξαν ένα πρόωρο ενδιαφέρον στην τεχνολογία του 2D barcode, εξαιτίας της έλλειψης χώρου στα προϊόντα τους. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να παρέχει μία ιδανική λύση όπου η χρήση δευτερευόντων βάσεων δεδομένων είναι αδύνατη ή μη πρακτική και απαιτείται υψηλή επεξεργασία δεδομένων. Παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών είναι οι ετικέτες πάνω στα αγαθά σε μία γραμμή παραγωγής, κ.λπ. Παρόλο που υπάρχουν μερικές εξαιρέσεις, τα 2D barcodes μπορούν να καταταχθούν σε δύο ευρείες κατηγορίες, σύμφωνα με τον τρόπο που κωδικοποιούνται και αναπαρίστανται τα δεδομένα. Έχουμε επομένως τον κώδικα στοίβας (stacked code) και κώδικα πίνακα (matrix code). Οι stacked codes, οι οποίοι είναι γνωστοί και ως πολλαπλών σειρών κώδικες (multi-row codes), αποτελούνται από συμβολολογίες τύπου 1D barcode που συντάσσονται η μία πάνω από την άλλη. Το τελικό αποτέλεσμα είναι δύο διαστάσεων. Κάθε σειρά του stacked barcode κωδικοποιεί τα δεδομένα σε μία σειρά από bars και κενά διαφορετικών πλατών, με τον ίδιο τρόπο που το κάνουν και τα 1D barcodes. Ωστόσο, τα stacked 2D barcodes αυξάνουν επίσης και τον χώρο που χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση των δεδομένων. Στον matrix code, τα δεδομένα κωδικοποιούνται σε μία μορφή πίνακα, που αποτελείται από μαύρα, τετραγωνικά κελιά (cells) κα άσπρα, τετραγωνικά επίσης κελιά, τα οποία βρίσκονται μέσα σε έναν πίνακα. Σε αντίθεση με τους stacked codes, οι matrix codes μπορούν να κωδικοποιήσουν μία αρκετά μεγαλύτερη ποσότητα δεδομένων, σε ένα αρκετά μικρότερο χώρο. Έτσι, οι matrix συμβολολογίες μπορούν να θεωρηθούν σαν τις κύριες των 2D barcodes. Παραδείγματα του stacked και matrix code φαίνονται στο παρακάτω σχήμα.

79 78 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 38 Παραδείγματα τύπου stacked και matrix code Η απαίτηση της κωδικοποίησης περισσότερων δεδομένων σε έναν περιορισμένο χώρο, αλλά και η ανάπτυξη συστημάτων που μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς την χρησιμοποίηση μίας δευτερεύουσας βάσης δεδομένων, οδήγησε στην εφεύρεση περίπου 40 ειδών 2D barcodes. Τα stacked 2D barcodes ήταν τα πρώτα που ανεπτύχθησαν για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις περισσότερης χωρητικότητας, όσον αφορά τα δεδομένα. Στη συνέχεια εμφανίστηκαν και οι matrix codes, οι οποίοι επίσης ανεπτύχθησαν για τον ίδιο λόγο. Πέρα από τη διαφορά στη δομή των symbols, μία βασική διαφορά μεταξύ των stacked και matrix συμβολολογιών είναι οι σαρωτές που χρησιμοποιούνται. Τα stacked barcodes απαιτούν ειδικούς laser σαρωτές, που είναι ικανοί να διαβάζουν σε δύο διαστάσεις (δηλαδή οριζοντίως και καθέτως) ταυτοχρόνως. Αυτοί οι σαρωτές λειτουργούν όπως και οι 1D laser σαρωτές, εκπέμποντας τον ίδιο τύπο φωτός. Ωστόσο, μπορούν να ταλαντώνουν την ακτίνα φωτός σε δύο διαστάσεις. Παρόλο που είναι λιγότερο αποδοτικά ως προς τον χρόνο, τα stacked 2D barcodes μπορούν να διαβαστούν και από τον παραδοσιακό 1D σαρωτή. Αυτό εξηγεί την αρχική επικράτηση των stacked 2D barcodes, συγκρινόμενους με τους matrix 2D barcodes. Στο Σχήμα 39 παρουσιάζονται τα μοτίβα σάρωσης για αυτού του είδους τους σαρωτές αλλά και τα αντίστοιχα των σαρωτών που χρησιμοποιούνται για τη σάρωση των 1D barcodes. Οι σαρωτές δύο διαστάσεων παρέχουν μία καλή λύση για την ανάγνωση των stacked 2D barcodes και είναι εξοπλισμένοι συνήθως με την τεχνολογία αποκωδικοποίησης. Ωστόσο, δεν έχουν τη δυνατότητα να αποκωδικοποιούν matrix 2D barcodes, καθώς αυτοί απαιτούν πιο περίπλοκη διαδικασία αποκωδικοποίησης.

80 79 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 39 Μοτίβα σάρωσης Για την ανάγνωση του matrix 2D barcode, χρησιμοποιούνται συνήθως charge coupled device (CCD) imagers. Ένας CCD, που είναι ένας ημιαγωγός με μία ποικιλία φωτοευαίσθητων περιοχών, μπορεί να έχει είτε ένα γραμμικό σύνολο από φωτοευαίσθητα στοιχεία ή μία φωτοευαίσθητη περιοχή, διατεταγμένη σε έναν πίνακα δύο διαστάσεων. Το πρώτο καλείται ως linear ή line αισθητήρας, ενώ το δεύτερο ως αισθητήρας area. Ένας σαρωτής εξοπλισμένος με έναν αισθητήρα τύπου area είναι απαραίτητος για την ανάγνωση 2D barcodes. Ένας linear αισθητήρας σάρωσης μπορεί να διαβάσει μόνο 1D barcodes. Στο Σχήμα 40 παρουσιάζεται ένας CCD σαρωτής, ένας αισθητήρας area και ένας αισθητήρας linear. Κάθε τύπος του 2D barcode εξελίχθηκε ανεξάρτητα, ώστε να ικανοποιεί τις απαιτήσεις συγκεκριμένων ομάδων, σε αντίθεση με το σύστημα του 1D barcode, όπου η τυποποίηση της δομής των symbols και του κώδικα ήταν καθολική.

81 80 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 40 Ένας CCD σαρωτής και οι δύο ειδών φωτοευαίσθητοι αισθητήρες Οι πληροφορίες που κωδικοποιούνται στο 1D barcode είναι καθέτως περιττές (vertically redundant). Ακόμη κι εάν ένα μέρος του symbol έχει υποστεί ζημιά, η αρχική πληροφορία μπορεί να ληφθεί χωρίς λάθη από το υπόλοιπο μέρος των bars και των κενών που δεν έχουν υποστεί βλάβη. Επιπροσθέτως, πληροφορίες που μπορούν κάλλιστα να αναγνωσθούν από ανθρώπους (π.χ. αλφαριθμητικοί χαρακτήρες) τυπώνονται κάτω από τα 1D barcode symbols, ώστε να επιτρέψουν την χειροκίνητη εισαγωγή δεδομένων αν ένα σφάλμα αποκωδικοποίησης συμβεί. Σε αντίθεση με τα 1D barcodes, κάθε μικρό κελί του προτύπου matrix του 2D barcode περιέχει πληροφορίες και δε μπορούν να αγνοηθούν τα λάθη σε περίπτωση λανθασμένης εκτύπωσής τους. Επίσης, από τη στιγμή που η ποσότητα των δεδομένων που κωδικοποιούνται στα 2D barcodes δεν είναι μικρή, η εκτύπωση πληροφοριών που μπορούν να διαβαστούν από ανθρώπους κάτω από τα 2D barcode symbols, είναι πρακτικά αδύνατη. Εάν μερικά κελιά αλλοιωθούν, τα κωδικοποιημένα δεδομένα μέσα στο 2D barcode symbol θα χαθούν. Για να αποφευχθεί αυτό, θα πρέπει να εφαρμοστούν περαιτέρω τεχνικές. Σχεδόν όλα τα 2D barcodes χρησιμοποιούν τεχνικές εντοπισμού λαθών και αντίστοιχες επιδιόρθωσής τους. Για παράδειγμα, όλα τα τυποποιημένα με ISO 2D barcodes χρησιμοποιούν την τεχνική Reed-Solomon για την επιδιόρθωση των λαθών.

82 81 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Με την επιδιόρθωση των λαθών, τα 2D barcodes αυξάνουν κατακόρυφα την αξιοπιστία τους κατά την ανάγνωση. Αυτό επιτυγχάνεται ιδιαιτέρως όταν τα 2D barcodes αποκωδικοποιούνται από ένα ειδικό για 2D σαρωτή. Μερικοί σαρωτές για 2D barcode μπορούν να εντοπίσουν και να αποκωδικοποιήσουν 2D barcodes τοποθετημένα πάνω σε κινούμενους στόχους, όπως αποσκευές ή ιμάντες μεταφοράς. Η αυξημένη χωρητικότητα σε δεδομένα επίσης επιτρέπει τα 2D barcodes να έχουν επιπλέον χρήσιμα χαρακτηριστικά. Αυτά περιλαμβάνουν κωδικοποίηση δεδομένων σε διαφορετικές γλώσσες, μία δομημένη λειτουργία προσάρτησης, καθώς και ασφάλεια κωδικοποίησης. Τα συστήματα barcode δύο διαστάσεων, μπορούν να προσφέρουν μία ποικιλία από αξιόπιστες και ευανάγνωστες εφαρμογές, σύμφωνα με τις ανάγκες των εκάστοτε χρηστών. Αρχικώς, η χρήση του 2D barcode ήταν περιορισμένη μέσα σε οργανισμούς, κατασκευαστικές εταιρίες ή ομάδες κοινών ενδιαφερόντων. Πρόσφατα, ω- στόσο, τα 2D barcodes παίζουν κυρίαρχο ρόλο σε όλων τις ζωές. Τα 2D barcodes που έχουν αντικαταστήσει τα γραμματόσημα για τα ταχυδρομικά τέλη, είναι ένα τέτοιο παράδειγμα. Τον Νοέμβριο του 2000, στην Ιαπωνία, οι J-Phone και Sharp Corporation εξέδωσαν το J-SH04, την πρώτη εμπορική κάμερα στον κόσμο με έναν ενσωματωμένο CCD αισθητήρα. Αυτή η εφεύρεση οδήγησε σε ενδιαφέρουσες εφαρμογές που συνδύασαν τις τεχνολογίες τόσο του barcode όσο και της κάμερας κινητού τηλεφώνου. Με προγράμματα αποκωδικοποίησης, μία κάμερα ενός κινητού τηλεφώνου μπορεί να φέρει σε πέρας λειτουργίες σάρωσης και αποκωδικοποίησης στο ίδιο το κινητό τηλέφωνο. Εάν εγκατασταθεί το σωστό πρόγραμμα αποκωδικοποίησης, ο χρήστης της κάμερας του κινητού τηλεφώνου μπορεί να αποκωδικοποιήσει οποιοδήποτε είδος 2D barcode επιθυμεί. Ο αριθμός χρηστών κινητών τηλεφώνων με κάμερα έχει αυξηθεί ραγδαία και μία έρευνα από την εταιρία Gartner προβλέπει ότι η παγκόσμια αυτή τάση θα συνεχιστεί, αντικαθιστώντας όλα τα κινητά τηλέφωνα με άλλα, τα οποία διαθέτουν κάμερα. Τα κινητά τηλέφωνα αυτού του είδους έχουν γίνει μέρος της καθημερινότητάς μας. Οι χρήστες τους μπορούν να επικοινωνήσουν, να στείλουν φωτογραφίες, να στείλουν MMS, να στείλουν s, να συνδέσουν τα κινητά τους τηλέφωνα στο διαδίκτυο, ανεξαρτήτως της τοποθεσίας ή της χρονικής στιγμής. Επιπροσθέτως, μπορούν να εκτελέσουν και άλλες λειτουργίες όπως περιήγηση σε ιστοσελίδες, online ψώνια, κ.λπ. Τα barcodes δύο διαστάσεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν ετικέτα (tag), ώστε να συνδέσουν την κάμερα των τηλεφώνων και τους χρήστες τους στο διαδίκτυο ή σε άλλες τεχνολογίες, εγκαθιστώντας και αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Με άλλα λόγια, τα 2D barcodes μπορούν να συνδέσουν τον αναλογικό με τον ψηφιακό κόσμο. Αυτή η ιδέα προσελκύει ερευνητές των οποίων το ενδιαφέρον βρίσκεται στην ανά-

83 82 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e πτυξη ενός περιβάλλοντος όπου ο φυσικός και ο ψηφιακός κόσμος θα είναι συνδεμένοι, ώστε να παρέχουν στους ανθρώπους επιπλέον πληροφορίες ή καλύτερες υπηρεσίες, μέσω της συνεχούς αυτής διασύνδεσης. Αυτή η ιδέα ονομάζεται και augmented reality (AR, εικονική πραγματικότητα). Μερικοί ερευνητές έχουν αναπτύξει τα δικά τους barcodes, ώστε να κάνουν πραγματικότητα τις δικές τους, καινοτόμες ιδέες. Συμβολολογίες barcode δύο διαστάσεων Σχεδόν 40 2D barcodes έχουν εφευρεθεί, μερικά για βιομηχανική χρήση και μερικά για τη διασύνδεση του φυσικού κόσμου με τον ψηφιακό. Έξι από αυτά έχουν καθιερωθεί στο πρότυπο ISO. Αυτά είναι τα PDF417, MicroPDF417, Data Matrix, MaxiCode, QR Code και τα 2D symbols του GS1 DataBar (γνωστά και ως RSS-14 Stacked Symbol). Οι προδιαγραφές των PDF417, MicroPDF417 και MaxiCode παρέχονται παρακάτω. Τα Data Matrix και QR Code είναι επίσης γνωστά 2D barcodes για την ανάπτυξη εφαρμογών για κινητά τηλέφωνα. PDF417 To Portable Data File (PDF) 417 εφευρέθηκε από τον Ynjiun Wang, το 1991, στη Symbol Technologies Inc. Ήταν ένα από τα πρώτα 2D barcodes της αγοράς, πιθανώς επειδή τα PDF417 symbols μπορούν να διαβαστούν όχι μόνο από CCD κάμερες, αλλά επίσης από γραμμικούς σαρωτές ή και σαρωτές τύπου laser, που ήταν ήδη σε χρήση εκείνη την εποχή. Η ευελιξία της μορφής του PDF417, καθώς και η δυνατότητα εντοπισμού των λαθών, προσέλκυσαν επίσης τις αγορές. Αυτό είναι το ευρέως χρησιμοποιημένο stacked 2D barcode και είναι γνωστό παγκοσμίως. Το 2000, το PDF417 εγκρίθηκε ως ένα ISO standard (ISO/IEC 15438). Αυτό το barcode διαθέτει μία multi-level, συνεχή, μεταβλητού μήκους τεχνολογία. Όπως υπονοεί και το όνομα, το PDF417 έχει υψηλή χωρητικότητα σε δεδομένα και έχει τη δυνατότητα κωδικοποίησης αριθμητικών, αλφαριθμητικών και δυαδικών δεδομένων. Ένα PDF417 symbol περιλαμβάνει το μοτίβο εκκίνησης και το μοτίβο τερματισμού. Το symbol περικυκλώνεται από μία quiet zone. Οι δείκτες γραμμής στο δεξί και αριστερό μέρος περιέχουν πληροφορίες όπως του συνολικού αριθμού γραμμών και στηλών, καθώς και το επίπεδο εντοπισμού λαθών. Η βασική μονάδα του PDF417 είναι μία κωδική λέξη που ξεκινάει με μία bar και τελειώνει με ένα κενό. Μία κωδική λέξη ενός PDF417 symbol αποτελείται από 17 διαφορετικές επιλογές απαρτιζόμενες από τέσσερα bars και κενά, διαφορετικού πλάτους. Η δομή του PDF417 παρουσιάζεται στο Σχήμα 41. Κάθε PDF417 symbol αποτελείται από μία στοίβα των τριών έως και 90 σειρών. Κάθε σειρά του PDF417 μπορεί να περιέχει από έναν έως και 30 χαρακτήρες. Όλες οι

84 83 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e σειρές σε ένα symbol έχουν τον ίδιο αριθμό σε κωδικές λέξεις. Η πρώτη κωδική λέξη στην περιοχή των δεδομένων συμβολίζει τον συνολικό αριθμό των κωδικών λέξεων και η τελευταία της τελευταίας σειράς χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό λαθών και την επιδιόρθωσή τους. Σχήμα 41 Παράδειγμα τύπου PDF417 Υπάρχουν τρία αμοιβαίως αποκλειόμενα σύνολα από symbols, τα οποία είναι γνωστά και ως clusters. Κάθε cluster, δηλαδή, το Cluster 0, το Cluster 3, το Cluster 6, έχουν 929 διακριτά μοτίβα κωδικών λέξεων. Σε κάθε ένα από τα clusters, οι πρώτες 900 κωδικές λέξεις (από το 0 έως και το 899) χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση των δεδομένων, και οι υπόλοιπες (από 900 έως και 928) χρησιμοποιούνται για ειδικές λειτουργίες. Οι κωδικές λέξεις του ίδιου cluster χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση σε κάθε σειρά του. Τα τρία clusters χρησιμοποιούνται επανειλημμένως σε σειρά (π.χ. Cluster 0, Cluster 3, Cluster 6, Cluster 0, Cluster 3, ). Από τη στιγμή που οι γειτονικές σειρές χρησιμοποιούν διαφορετικά clusters, ο αποκωδικοποιητές μπορεί εύκολα να εντοπίσει ένα cluster. Στο Σχήμα 42 φαίνονται τα μοτίβα από bars και κενά που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση του 0 σε κάθε cluster.

85 84 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Σχήμα 42 Κωδικοποίηση του 0 στα τρία διαφορετικά clusters Η PDF417 συμβολολογία έχει τρεις προκαθορισμένους τρόπους και εννιά ρεζερβέ για την κωδικοποίηση των δεδομένων. Οι προκαθορισμένοι είναι ο binary (δυαδικός), ο EXC (π.χ. κείμενο) και ο numeric (αριθμητικός). Στον binary, περίπου έξι χαρακτήρες μπορούν να κωδικοποιηθούν σε πέντε κωδικές λέξεις. Στον EXC, τα αλφαριθμητικά δεδομένα μπορούν να κωδικοποιηθούν σε διπλή πυκνότητα (δηλαδή δύο χαρακτήρες σε κάθε κωδική λέξη). Στον numeric, τα αριθμητικά δεδομένα μπορούν να πακεταριστούν σε σχεδόν τριπλή πυκνότητα (δηλαδή τρεις χαρακτήρες ανά κωδική λέξη). Αυτό επιτρέπει σε ένα PDF417 symbol να κωδικοποιεί μέχρι και 1108 bytes, 1850 ASCII χαρακτήρες ή 2725 ψηφία, ανάλογα με τη μέθοδο επιδιόρθωσης λαθών που έχει επιλεχθεί. Τρεις διαφορετικές μέθοδοι συμπύκνωσης, δηλαδή ο text compaction mode, ο byte compaction mode και ο numeric compaction mode, καθορίζουν την αντιστοίχιση των κωδικοποιημένων δεδομένων με τις αντίστοιχες κωδικές λέξεις. Κάθε PDF417 symbol χρησιμοποιεί την τεχνική των Reed-Solomon για την επιδιόρθωση των λαθών, η οποία επιτρέχει στο symbol να ανέχεται κάποια ζημιά στα δεδομένα του, χωρίς αυτά να χάνονται. Υπάρχουν εννιά επίπεδα επιδιόρθωσης, που κυμαίνονται από το 0 έως και 8. Το επίπεδο επιδιόρθωσης εξαρτάται από την ποσότητα των πρωτογενών δεδομένων, το μέγεθος του symbol αλλά και του περιβάλλοντος υπό του οποίου το symbol θα λειτουργήσει. Ένα υψηλότερο επίπεδο εντοπισμού λαθών ίσως απαιτηθεί σε πιο σκληρά περιβάλλοντα. Κάθε PDF417 symbol περιλαμβάνει τουλάχιστον δύο κωδικές λέξεις για επιδιόρθωση λαθών, και μέχρι 510 κωδικές λέξεις επιδιόρθωσης λαθών μπορούν να προστεθούν σε ένα symbol. Στο Σχήμα 43 παρουσιάζονται τα επίπεδα επιδιόρθωσης λαθών του PDF417. Μιας και ο αριθμός των σειρών και τα μήκη τους είναι καθοριζόμενα από τον χρήση, η αναλογία ενός PDF417 symbol μπορεί να διαφέρει ώστε να ταιριάζει στις χωρητικές απαιτήσεις για την εκτύπωσή του. Ο PDF417 code έχει επίσης ένα χαρακτηριστικό που ονομάζεται MacroPDF. Σε αυτό, αν η ποσότητα των δεδομένων για

86 85 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e την κωδικοποίηση υπερβαίνει το όριο χωρητικότητας δεδομένων του PDF417 ή εάν ένα PDF417 symbol είναι πολύ μεγάλο ώστε να τοποθετηθεί μέσα στον διαθέσιμο χώρο, μπορεί να χωριστεί σε μικρότερα PDF417 symbols που μπορούν λογικά να ενωθούν. Κάθε MacroPDF τμήμα έχει ένα αναγνωριστικό αρχείου (ID) με ένα μοναδικό δείκτη, ώστε να επαληθεύεται ότι επανασυνδέεται με τα υπόλοιπα με τη σωστή σειρά, ανεξάρτητα από τη σειρά ανάγνωσης των τμημάτων. Εάν ένα τμήμα έχει ένα διαφορετικό αναγνωριστικό αρχείου, αυτό σημαίνει ότι δεν ανήκει στη συγκεκριμένη θέση. Σε ένα ήπιο περιβάλλον, όπου ένα PDF417 symbol είναι απίθανο να υποστεί βλάβη, η χρήση του TruncatedPDF417 μπορεί να παρέχει μία οικονομική, ως προς την χρησιμοποίηση του χώρου, λύση. MicroPDF417 Σχήμα 43 Επίπεδα διόρθωσης λαθών του PDF417 To MicroPDF417, που είναι ένα παράγωγο του PDF417, είναι μία multi-level συμβολολογία που αναπτύχθηκε από την Symbol Technologies Inc. Είναι επίσης ένα καθιερωμένο ISO standard (ISO/IEC 24728) και σχεδιάστηκε για εφαρμογές όπου απαιτείται η βελτίωση του χώρου. Ένα περιορισμένο σύνολο μεγέθους symbols είναι διαθέσιμο. Το MicroPDF417 έχει τέσσερις διαφορετικές εκδόσεις στηλών (column versions). Τις 1, 2, 3 και 4, με ορισμένες διαφορές στον αριθμό των σειρών. Η column version 1 μπορεί να έχει από 11 μέχρι και 28 σειρές, και από 8 έως 26, 6 έως 44, 4 έως 44 είναι διαθέσιμες για τις εκδόσεις 2, 3 και 4 αντιστοίχως. Ένα MicroPDF417 symbol αποτελείται από μία περιοχή δεδομένων και μοτίβα διευθυνσιοδότησης σειρών. Η βασική μονάδα του MicroPDF417 είναι και πάλι η κωδική λέξη. Η δομή της κωδικής λέξης στο MicroPDF417 είναι ίδια με αυτήν του PDF417. Μία κωδική λέξη αποτελείται από τέσσερα bars και κενά με μεταβλητά μήκη που απαρτίζονται από συνολικά 17 διαφορετικές επιλογές. Το symbol ξεκινάει με μία bar και τελειώνει με ένα κενό. Το Σχήμα 44 παρουσιάζει τη δομή του MicroPDF417. Τα δεδομένα κωδικοποιούνται στο MicroPDF417 με τον ίδιο τρόπο που κωδικοποιούνται και στο PDF417. To MicroPDF417 χρησιμοποιεί τρία διαφορετικά compaction modes. Το binary, το text και το numeric. Το symbol επιτρέπει μέχρι και 150 bytes, 250 αλφαριθμητικούς χαρακτήρες, ή 366 ψηφία να αποθηκευτούν σε ένα από τα τρία compaction modes. Το επίπεδο επιδιόρθωσης λαθών του MicroPDF417 είναι προκαθορισμένο από τον αριθμό των στηλών και σειρών. Ο αριθμός των επιδιορθώσιμων κωδικών λέξεων είναι μεταξύ του εύρους 7 και 50.

87 86 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e MaxiCode (UPSCode) Σχήμα 44 Παράδειγμα τύπου MicroPDF417 O Maxicode, γνωστός και ως UPS Code, αναπτύχθηκε από την UPS, το 1992, για την γρήγορη ταξινόμηση και εντοπισμό των μονάδων. Είναι ένα προκαθορισμένου μεγέθους 2D barcode με περιορισμένη χωρητικότητα δεδομένων, που συντελεί σε μείωση του χρόνου της αποκωδικοποίησης. Παρόλο που το μέγεθος δεδομένων του MaxiCode είναι μικρότερο από αυτό των υπόλοιπων 2D barcodes, είναι αρκετό ώ- στε να διαχειριστεί εφαρμογές και ταυτοχρόνως να συμβάλει στη μείωση του χρόνου αποκωδικοποίησης. Ο MaxiCode είναι κατά 15% πυκνότερος από τους square dots κώδικες, εξαιτίας της δομής του symbol του, και περίπου 100 ASCII χαρακτήρες μπορούν να κωδικοποιηθούν σε ένα 1inch x 1inch symbol. Ο MaxiCode είναι ι- δανικός για εφαρμογές όπου η ετικέτα βρίσκεται πάνω σε ένα κινούμενο πακέτο, ή όπου ο προσανατολισμός του είναι τυχαίος, ή όπου ο χώρος είναι περιορισμένος, ή

88 87 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e όπου ο σαρωτής τοποθετείται έτσι ώστε να λαμβάνεται μία μεγάλη εικόνα του α- ντικειμένου. Ο MaxiCode εγκρίθηκε ως ένα ISO standard (ISO/IEC 16023) το Υιοθετήθηκε επίσης και ως το symbol δύο διαστάσεων της ναυτιλίας για την αποστολή και λήψη προϊόντων (ISO 51394). Η δομή του MaxiCode παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 45 Παράδειγμα τύπου MaxiCode Ένα από τα πιο ξεχωριστά χαρακτηριστικά του MaxiCode είναι το μοναδικό κυκλικό μοτίβο finder που αποτελείται από τρεις ομοκεντρικούς δακτυλίους, τους γνωστούς bull s eye. Σε έξι προκαθορισμένες θέσεις έξω από το bull s eye, έξι διαφορετικά μοτίβα προσανατολισμού (orientation patterns) είναι τοποθετημένα, δίνοντας τη δυνατότητα εντοπισμού προσανατολισμού του symbol. Κάθε μοτίβο προσανατολισμού αποτελείται από έναν συνδυασμό τριών επιλογών, με την χρησιμοποίηση μαύρων, άσπρων, ή μαύρων και άσπρων ενοτήτων. Οι σειρές τύπου offset, εξαγωνικών ενοτήτων, τοποθετούνται γύρω από το bull s eye, παράγοντας έναν ονομαστικό 1inch x 1inch πίνακα από 884 μαύρα συμπλεγμένα εξάγωνα. Αυτές οι εξαγωνικές ενότητες τοποθετούνται σε 33 σειρές, και κάθε μία από αυτές περιέχει μέχρι και άλλες 30 ενότητες. Μία κωδική λέξη του MaxiCode αποτελείται από έξι ενότητες, συνήθως τοποθετημένες ως τρεις σειρές επί δύο στήλες. Μέχρι και 144 κωδικές λέξεις μπορούν να κωδικοποιηθούν σε ένα MaxiCode symbol. Καθώς οι 6 ενότητες αντιπροσωπεύουν 6 bits, ο MaxiCode μπορεί να παράγει 64 διαφορετικές κωδικές λέξεις, με αποτέλεσμα να μπορεί να κωδικοποιήσει μέχρι και 256 χαρακτήρες δεδομένων. Πέντε διαφορετικά σύνολα από κώδικες, τα A, B, C, D και E χρησιμοποιούνται για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο. Η αριθμητική συμπύκνωση

89 88 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e επιτρέπει στον MaxiCode να κωδικοποιεί εννιά ψηφία σε έξι κωδικές λέξεις. Σαν αποτέλεσμα, η μέγιστη χωρητικότητα σε δεδομένα του MaxiCode είναι 138 ψηφία. Μέχρι 93 αλφαριθμητικοί χαρακτήρες μπορούν να κωδικοποιηθούν, και ο MaxiCode χρησιμοποιεί επίσης 15 χαρακτήρες ελέγχου του symbol. O MaxiCode επίσης χαρακτηρίζεται από τον τύπο του two-message. Η περιοχή δεδομένων χωρίζεται σε δύο μέρη, το κυρίως μήνυμα (primary message) και το δευτερεύον (secondary message). Το κυρίως μήνυμα κωδικοποιεί τον ταχυδρομικό κώδικα, τον τριψήφιο κωδικό της χώρας, κ.λπ. Η μέγιστη χωρητικότητα δεδομένων του δευτερεύοντος μηνύματος είναι 744 ενότητες (περίπου 124 κωδικές λέξεις), που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση των υπολοίπων δεδομένων. Ο MaxiCode χρησιμοποιεί την τεχνική των Reed-Solomon για τον εντοπισμό λαθών, παρέχοντας δύο επίπεδα επιδιόρθωσης λαθών: το standard error correction (SEC) και το enhanced error correction (EEC). Το επίπεδο SEC παρέχει 15% επιδιόρθωση λαθών στην περίπτωση λάθους κατά την ανάγνωση και 30% για δεδομένα που δεν μπορούσαν να αναγνωστούν. Το επίπεδο EEC μπορεί να επιτύχει έως και 21% και 42% για τις συγκεκριμένες, προηγούμενες κατηγορίες, αντιστοίχως. Το Σχήμα 46 δείχνει τους αριθμούς των δεδομένων, τα προς επιδιόρθωση λάθη και των επιδιορθωμένων, τελικώς, κωδικών λέξεων για το SEC και EEC. Σχήμα 46 Επίπεδα επιδιόρθωσης λαθών για το MaxiCode Ο MaxiCode ορίζει επτά τρόπους που καθορίζουν πώς τα δεδομένα θα πρέπει να κωδικοποιούνται σύμφωνα με τη δομή του two-message, με διαφορετικά επίπεδα επιδιόρθωσης λαθών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 47. Οι πρώτοι δύο τρόποι (Mode 0 και Mode 1) δεν χρησιμοποιούνται πλέον. Τα Modes 2 και 3 είναι για τα structured carrier messages και απαιτούν συγκεκριμένα δεδομένα στη σωστή σειρά προκειμένου να παράγουν ένα symbol που μπορεί να σαρωθεί. Τα Modes 4 και 5 χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση των δεδομένων. Το Mode 5 προσφέρει ένα λίγο μεγαλύτερο επίπεδο επιδιόρθωσης λαθών. Το Mode 6 κωδικοποιεί ένα μήνυμα που αναφέρει το πώς θα πρέπει να προγραμματιστεί η συσκευή ανάγνωσης.

90 89 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Ένα MaxiCode symbol μπορεί να διαβαστεί χρησιμοποιώντας μία CCD κάμερα ή ένα σαρωτή με laser. Ωστόσο, το symbol θα πρέπει να τυπώνεται από έναν εκτυπωτή υψηλής ανάλυσης. Σχήμα 47 Κωδικοποίηση δεδομένων στο MaxiCode Barcode συστήματα και συμβολολογίες τριών διαστάσεων Τα έγχρωμα 2D barcode symbols χρησιμοποιούν έγχρωμα στοιχεία στον χώρο των δύο διαστάσεων για την κωδικοποίηση των στοιχείων τους, και, ως συνέπεια τούτου, μπορούν να χαρακτηριστούν σαν 3D barcodes. Ωστόσο, και 3D barcodes πραγματικών τριών διαστάσεων υπάρχουν και χρησιμοποιούνται όπου η τύπωση της ε- τικέτας με μελάνη δεν είναι πρακτική ή όταν οι τυπωμένες ετικέτες δεν είναι αξιόπιστες, εξαιτίας του σκληρού περιβάλλοντος στο οποίο θα βρεθούν. Στο έγγραφό μας, θα θεωρήσουμε ότι τα 3D barcodes είναι αυτά που αποτελούνται από αμιγώς τρεις διαστάσεις στον χώρο. Τα 2D barcodes με έγχρωμα στοιχεία ή άλλες επιπλέον ιδιότητες, θα θεωρηθούν ως 2D barcodes. Για παράδειγμα, εάν ένα 2D barcode έχει ένα έγχρωμο στοιχείο, θα ονομάζεται color 2D barcode. Επίσης, ένα 2D barcode με animated (κινούμενα) στοιχεία, θα ονομάζεται animated 2D barcode, κ.λπ. Ένα barcode που τυπώνεται ανάγλυφα, απευθείας πάνω στην επιφάνεια ενός υλικού θεωρείται σαν ένα 3D barcode. Οι τύποι των 1D και 2D barcodes μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία 3D barcode symbols. Αντί των οπτικών αντιθέσεων μεταξύ διαφορετικών χρωμάτων, οι σαρωτές τύπου 3D barcode χρησιμοποιούν χωρικά στοιχεία ή την ανώμαλη (bumpy) πτυχή του symbol για τον εντοπισμό του. Επίσης, μετρούν το πλάτος των bars και κενών (ή το μέγεθος των κελιών, όταν

91 90 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e χρησιμοποιείται 2D barcode) για την αποκωδικοποίησή τους. Τα barcodes τριών διαστάσεων μπορούν να ζωγραφιστούν, να είναι επιχρισμένα, ή να αποτελούν μόνιμη ιδιότητα ενός αντικειμένου, διατηρώντας μόνιμα την αναγνωσιμότητά τους. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα παράδειγμα τύπου 3D barcode. Σχήμα 48 Παράδειγμα τύπου 3D barcode Τα 3D barcodes έχουν επικεντρώσει την προσοχή της αγοράς, καθώς είναι φιλικά προς το περιβάλλον, μιας και δεν απαιτούν επιπλέον υλικά για την τύπωση των συμβόλων. Επίσης, η επαναχρησιμοποίηση και ανακύκλωση των προϊόντων έχει γίνει ιδιαίτερης σημασίας στην εμπόδιση της καταστροφής του περιβάλλοντος και στην προστασία των διαθέσιμων πόρων της γης. Ένα σύστημα που μπορεί να ελέγξει και να διαχειριστεί τον κύκλο ζωής καθενός από τα προϊόντα που παράγονται, είναι ουσιαστικό για την προώθηση της επαναχρησιμοποίησης και ανακύκλωσης. Τα barcodes τριών διαστάσεων, μιας και μπορούν να αποτελέσουν ένα εργαλείο για τον εντοπισμό του κύκλου ζωής των προϊόντων, παίζουν ένα πολύ σημαντικό ρόλο στη διατήρηση του φυσικού περιβάλλοντος. Για την τύπωση των 3D barcode symbols χρησιμοποιούνται τεχνικές όπως η χάραξη μέσω laser (laser marking) ή η dot peen marking. Για την ανάγνωσή τους, ειδικοί χαρακτήρες και φωτισμοί απαιτούνται, αντιστοίχως. Τέλος, θα πρέπει να τονιστεί ότι 3D εικόνες δε μπορούν ακόμη να αναγνωσθούν από μία κάμερα ενός συμβατικού κινητού τηλεφώνου, με αποτέλεσμα να μη μπορούν να αναγνωριστούν από το κινητό τηλέφωνο και τα αντίστοιχα 3D barcode symbols.

92 91 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e Αναδυόμενες τεχνολογίες του barcode Από τη γέννηση του 1D barcode, τη δεκαετία του 70, η τεχνολογία του barcode έχει αναπτυχθεί ευρέως. Διαφορετικοί τύποι από τεχνολογίες τύπου barcode, όπως τα 2D και 3D barcodes έχουν αναπτυχθεί, για την υποστήριξη μίας τεράστιας γκάμας εφαρμογών. Όπως συζητήθηκε και στα προηγούμενα κεφάλαια, πάρα πολλές συμβολολογίες barcode, κάθε μία με ξεχωριστά χαρακτηριστικά, έχουν εισαχθεί και συνεχίζουν να εισάγονται. Αντί να ανταγωνίζονται το ένα το άλλο, τα διαφορετικά συστήματα barcode (1D, 2D και 3D) έχουν συνυπάρξει, κάθε ένα από τα οποία έχει τη δική του αγορά. Υπάρχει περίπτωση αλλαγής της συγκεκριμένης κατάστασης, για παράδειγμα, εξαιτίας της εμφάνισης νέων τύπων barcode τεχνολογιών και εφαρμογών ή εξαιτίας της ανάπτυξης άλλων τεχνολογιών, πέρα από αυτές του barcode; To 2006, ένας τεράστιος οργανισμός, ο GS1, που αναπτύσσει και εφαρμόζει διεθνή πρότυπα για αλυσίδες εφοδιασμού (supply chains), ανακοίνωσε ότι από την 1η Ιανουαρίου του 2010 όλες οι συμβολολογίες της οικογένειας GS1 DataBar θα είναι διαθέσιμες σε όλους σαρωτές εμπορευμάτων. Ο πολλαπλασιασμός της τεχνολογίας radio frequency identification (RFID), που συνήθως συγκρίνεται και με την τεχνολογία του 2D barcode, έχει αυξηθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια εξαιτίας του μειούμενου κόστους λειτουργίας του και της δυνατότητάς του να είναι ένα έξυπνο υ- πολογιστικό εργαλείο. Επίσης, μία ασύρματη τεχνολογίας μικρής εμβέλειας γνωστή και ως near field communication (NFC) έχει κερδίσει την προσοχή των αγορών ως ένα εξίσου κατάλληλο εργαλείο για την εκτέλεση υπολογιστικών πράξεων. Το κύριο πλεονέκτημα της τεχνολογίας του barcode είναι η οικονομική λειτουργία του, μιας και χρησιμοποιεί χαρτί και μελάνη. Οι καινούριες barcode εφαρμογές μπορούν να λειτουργήσουν ακόμη και χωρίς χαρτί ή μελάνη. Αυτές οι εφαρμογές χρησιμοποιούν barcode symbols που εμφανίζονται ψηφιακά σε ένα μέσο, όπως η οθόνη ενός κινητού τηλεφώνου. Αν λάβουμε υπόψη τις τωρινές τάσεις αυτών των τεχνολογιών, σε αυτό το κεφάλαιο θα συζητήσουμε πρώτα πώς το κάθε barcode σύστημα θα εξελιχθεί και εν συνεχεία πώς οι αναπτυσσόμενες τεχνολογίες διαφορετικού τύπου θα επηρεάσουν την ανάπτυξη των barcode τεχνολογιών και, τελικώς, πώς η τεχνολογία του barcode θα συμβάλλει στην διατήρηση του περιβάλλοντος. Πρόβλεψη της τεχνολογίας του barcode Σχεδόν τα περισσότερα 1D barcodes είναι ικανά να κωδικοποιούν μόνο έναν περιορισμένο αριθμό ψηφίων και μπορούν να θεωρηθούν ότι υπερτερούν στην τυποποίηση. Σε αντίθεση με άλλες γλώσσες, οι αριθμοί είναι κοινοί παντού σε όλον τον κόσμο. Αυτό έχει απλοποιήσει κατά πολύ την τυποποίηση και έχει προσελκύσει την τεράστια υποστήριξη των βιομηχανιών. Έτσι, το 1D barcode σύστημα έχει φθάσει σε

93 92 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e μεγάλη επιτυχία στις περισσότερες ομάδες ενδιαφέροντος, όπως π.χ. αυτές των ε- μπόρων λιανικής και χονδρικής. Τα συστήματα τύπου 2D barcode μπορούν να παρέχουν μία ανώτερη λύση για ε- φαρμογές όπου η χρήση της δευτερεύουσας, στατικής βάσης δεδομένων είναι αδύνατη ή μη πρακτική, όπου η γρήγορη επεξεργασία των δεδομένων είναι ζωτικής σημασίας, ή όπου η ποσότητα του χώρου είναι πρόβλημα. Κάθε 2D barcode και το σύστημά του έχουν εξελιχθεί ανεξάρτητα, ώστε να παρέχουν στις ομάδες ενδιαφέροντος καλύτερη διαχείριση του συστήματος σε όρους χρόνου και κόστους, το ο- ποίο τελικώς συμβάλλει σε καλύτερη παραγωγικότητα. Αυτή η τάση προβλέπεται ότι θα συνεχιστεί στις συγκεκριμένες βιομηχανίες. Δραστηριότητες για την χρήση των 2D barcodes έχουν γίνει μεταξύ εταιριών ή ομάδων που έχουν κοινά συμφέροντα. Ωστόσο, υπάρχει ελάχιστο ενδιαφέρον από λιανοπωλητές, χονδρέμπορους και παντοπώλες, που σημαίνει ότι το 1D barcode σύστημα θα συνεχίσει να υπάρχει και να εξελίσσεται. Αυτό θα συμβεί επειδή δεν υ- πάρχει κάποιο ιδιαίτερο πρόβλημα με την τωρινή χρήση των τυποποιημένων 1D barcodes, όπως των EAN13/8, UPC-A/E και UCC/EAN-128. Είναι σχεδόν αδύνατη η εισαγωγή και καθιέρωση νέων συστημάτων 2D barcodes, όταν υπάρχει μικρή ζήτηση. Επιπροσθέτως, η υιοθέτηση των GS1 DataBar συμβολολογιών (που παλαιότερα καλούταν reduced-space symbology, RSS) καλύπτει τα ελαττώματα των ήδη υπαρχόντων 1D barcodes στις φαρμακοβιομηχανίες, όπου τα αντικείμενα μερικές φορές είναι πολύ μικρά. Οι συμβολολογίες μειούμενου χώρου αναπτύχθηκαν με τη συνεργασία του EAN και Uniform Code Council (UCC), το Τα υπάρχοντα 1D barcodes όπως EAN και UPC μπορούν να κωδικοποιήσουν μέχρι και 13 ψηφία (12 ψηφία στην περίπτωση του UPC), ενώ οι συμβολολογίες στην οικογένεια του RSS μπορούν να κωδικοποιήσουν μέχρι και 14 ψηφία. Όπως και το όνομα προτείνει, οι RSS συμβολολογίες είναι σχεδιασμένες ώστε να χωρέσουν σε ένα μικρό διάστημα, χωρίς να μειώνουν την χωρητικότητα των δεδομένων. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση ενός συμπιεσμένου προτύπου. Παρόλο που ο αρχικός σκοπός των RSS symbols ήταν η χρήση για μικρά ή μη επίπεδα προϊόντα, προβλέπεται πως η χρήση τους θα διευρυνθεί σταδιακά και θα γίνει ευρέως αποδεκτή. Ο οργανισμός GS1 σχηματίστηκε από την EAN και πάνω από 100 τοπικούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένου του UCC από τις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Electronic Commerce Council of Canada (ECCC). Καθιερώθηκε ως ο κύριος διεθνής οργανισμός αφιερωμένος στη σχεδίαση και εφαρμογή των διεθνών προτύπων, ώστε να βοηθηθούν οι αλυσίδες διανομής. Στην πραγματικότητα, ο GS1 προώθησε τη διεθνή υιοθέτηση και χρήση του 14-ψηφίου GTIN από την 1η Ιανουαρίου του Ο στόχος ήταν επιτάχυνση της ροής δεδομένων σε εμπορικές συναλλαγές και η βελ-

94 93 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e τιστοποίηση του ελέγχου των αγαθών σε όλη την υφήλιο, παρέχοντας ένα διεθνές πρότυπο για barcode. GS1 DataBar συμβολολογίες Το 1999, οι συμβολολογίες της οικογένειας του GS1 DataBar (RSS εκείνη την εποχή) τυποποιήθηκαν ως International Technology Specification (ITS) από την ένωση Automatic Identification Manufacturers (AIMs). Οι συμβολολογίες εγκρίθηκαν επίσης σαν ένα ISO standard (ISO/IEC 24724). Η οικογένεια GS1 DataBar περιέχει τρείς γραμμικές τεχνολογίες: τη GS1 DataBar Limited, την GS1 DataBar Omnidirectional και την GS1 DataBar Expanded. Υπάρχουν τρεις εκδόσεις της GS1 DataBar Omnidirectional. Αυτές είναι οι GS1 DataBar Truncated, GS1 DataBar Stacked και GS1 DataBar Stacked Omnidirectional. H GS1 Data- Bar Expanded έχει επίσης μία άλλη έκδοση, την GS1 DataBar Expanded Stacked. Τα symbols της GS1 DataBar οικογένειας φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Η ιεραρχία της οικογένειας είναι από τα αριστερά προς τα δεξιά. Σχήμα 49 Symbols της οικογένειας GS1 DataBar Από τις επτά διαφορετικές μορφές της GS1 DataBar οικογένειας, οι τέσσερις σχεδιάστηκαν ειδικά για την χρήση σε συστήματα POS. Αυτές είναι οι GS1 DataBar Om-

95 94 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e nidirectional, GS1 DataBar Expanded, GS1 DataBar Stacked Omnidirectional και GS1 DataBar Expanded Stacked. Τα χαρακτηριστικά αυτών των τεσσάρων μορφών των POS αναλύονται παρακάτω. GS1 DataBar Omnidirectional Αναπτύχθηκε για την χρήση σε συστήματα τύπου POS για την αναγνώριση τυποποιημένων προϊόντων. Κωδικοποιεί ένα 14-ψηφίο, GS1, γραμμικό symbol, που μπορεί να σαρωθεί και από τις δύο διευθύνσεις (omnidirectionally), προγραμματίζοντας αντιστοίχως τους εκάστοτε σαρωτές στα POS. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η διάσταση X είναι το πλάτος του μικρότερου στοιχείου σε ένα barcode symbol. Το μέγεθος του symbol είναι 33X (αυτό είναι το ύψος, H) x 93X (αυτό είναι το μήκος, L). Όταν το X είναι 0.17mm, το μικρότερο μέγεθος του symbol θα είναι 5.6mm (H) x 15.8mm (L). GS1 DataBar Stacked Omnidirectional Αυτό το σύμβολο, που κωδικοποιεί ένα 14-ψήφιο GTIN, είναι μία παραλλαγή του GS1 DataBar Omnidirectional, όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα. Όπως υπονοεί το όνομα, η μορφή του symbol είναι σχεδιασμένη για την τοποθέτηση έξι, προκαθορισμένης θέσης, σαρωτών δύο κατευθύνσεων που συνήθως χρησιμοποιούνται στα supermarkets. Το symbol αυτό συνήθως χρησιμοποιείται για προϊόντα όπως μήλα, πατάτες, πορτοκάλια, κ.λπ., που μπορούν να παρέχουν ένα στενό και ταυτόχρονα ψηλό χώρο για την ετικέτα τους. Το μέγεθος του symbol είναι 69Χ (H) x 50X (L). Ό- ταν το X είναι 0.17mm, το μικρότερο μέγεθος του symbol θα είναι 11.7mm (H) x 8.5mm (L). GS1 DataBar Expanded Αυτό το symbol, που μπορεί να κωδικοποιήσει μέχρι και 74 αλφαριθμητικούς χαρακτήρες, αναπτύχθηκε ώστε να παρέχει μία μεταβλητής μέτρησης αναγνώριση αντικειμένων όπως αυτές του κρέατος, των θαλασσινών, των γλυκών, κ.λπ. Ο επιπρόσθετος application identifier (AI) και στοιχεία τύπου βάρους του κρέατος ή ημερομηνίας λήξης κωδικοποιούνται σε ένα γραμμικό symbol. To μικρότερο ύψος του symbol είναι 34Χ (Η). Όταν το Χ είναι 0.17mm, το μεγαλύτερο μέγεθος του symbol είναι 5.8mm (H) x 91.9mm (L). GS1 DataBar Expanded Stacked Αυτό το symbol μπορεί να τυπωθεί σε πολλαπλές σειρές όπως ένα stacked symbol, δίνοντας τελικά ένα GS1 DataBar Expanded Stacked symbol. Το GS1 DataBar Expanded Stacked έχει τα ίδια χαρακτηριστικά με το GS1 DataBar Expanded, εκτός από το ότι υπάρχουν περιορισμοί ως προς το πλάτος. Το μικρότερο ύψος κάθε σειράς

96 95 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e είναι 34Χ (H). Όταν το Χ είναι 0.17mm, το μεγαλύτερο μέγεθος symbol με έξι σειρές είναι 34.7mm (H) x 17.3mm (L). Τα υπόλοιπα τρία GS1 DataBar symbols έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές διαφορετικές από αυτές των POS. Κωδικοποιούν ένα πλήρες 14-ψήφιο GTIN στα symbols τους και δε μπορούν να αναγνωστούν από σαρωτές δύο κατευθύνσεων. Σαρωτές τύπου charged coupled device (CCD) και σαρωτές τύπου laser χρησιμοποιούνται για την ανάγνωσή τους. Ακολουθεί η ανάλυσή τους κάτωθι. GS1 DataBar Truncated Αυτό το symbol, που είναι μία παραλλαγή του GS1 DataBar Omnidirectional, έχει σχεδιαστεί για την χρήση σε προϊόντα καλλωπισμού και κοσμημάτων. Το μέγεθος του symbol είναι 13Χ (Η) x 93X (L). Όταν το X είναι 0.17mm, το μικρότερο μέγεθος του symbol είναι 2.2mm (H) x 15.8mm (L). GS1 DataBar Stacked Αυτό το symbol είναι μία παραλλαγή του GS1 DataBar Omnidirectional symbol που είναι στοιβαγμένα σε δύο σειρές και χρησιμοποιούντα όταν το κανονικό symbol είναι πολύ πλατύ για την επιθυμητή εφαρμογή. Είναι σχεδιασμένο για χρήση πάνω σε μικρά αντικείμενα που απαιτούν ένα στενό πρότυπο. Το μέγεθος του συμβόλου είναι 13X (H) x 50X (L). Όταν το Χ είναι 0.17mm, το μικρότερο μέγεθος του symbol είναι 2.2mm (H) x 8.5mm (L). GS1 DataBar Limited Αυτό είναι ένα πολύ μικρό symbol του προτύπου GS1 DataBar. Ο δείκτης του πρέπει να είναι 0 ή 1. Το μέγεθος του symbol είναι 10Χ (H) x 70X (L). Όταν το Χ είναι 0.17mm, το μικρότερο μέγεθος του symbol είναι 1.7mm (H) x 11.9mm (L). Οι συμβολολογίες της οικογένειας GS1 DataBar είναι πολλαπλών επιπέδων, συνεχείς και γραμμικές. Κάθε GS1 DataBar symbol αποτελείται από τα μοτίβα δεξιών και αριστερών φρουρών, τους χαρακτήρες δεδομένων και τα μοτίβα εύρεσης. Τα μοτίβα των φρουρών αποτελούνται από δύο στοιχεία. Τα στοιβαγμένα symbols, όπως αυτά που βρίσκονται στο GS1 DataBar stacked και GS1 DataBar Expanded Stacked έχουν μοτίβα φρουρών στο τέλος της κάθε σειράς του κάθε symbol. Κάθε symbol έχει δύο ή περισσότερους χαρακτήρες δεδομένων, κάθε έναν σύμφωνα με τη δομή (n, k), όπου n είναι ο αριθμός των ενοτήτων και k είναι ο αριθμός των bars και των κενών που συνθέτουν έναν χαρακτήρα δεδομένων. Διάφοροι τύποι από (n, k) χαρακτήρες χρησιμοποιούνται για κάθε symbol. Ωστόσο, όλοι μπορούν να διαβαστούν και από τις δύο διευθύνσεις. Τα GS1 DataBar Omnidirectional και GS1 DataBar Limited είναι προκαθορισμένα σε μήκος, ενώ το GS1 DataBar Ex-

97 96 Ε ι σ α γ ω γ ή σ τ ο Z i g B e e κ α ι σ τ ο b a r c o d e panded είναι ένα μεταβλητού μεγέθους symbol. Οι τιμές των χαρακτήρων δεδομένων συνδυάζονται μαθηματικώς ώστε να σχηματιστούν τα προς κωδικοποίηση δεδομένα. Το μοτίβο εύρεσης (finder pattern) είναι ένα σύνολο στοιχείων (π.χ. συνδυασμός από bars και κενά) που αναγνωρίζονται από τον αποκωδικοποιητή, ώστε το symbol να μπορεί να αναγνωριστεί από τη σχετική θέση των στοιχείων αυτών. Κάθε symbol περιλαμβάνει ένα ή περισσότερα μοτίβα εύρεσης. Τα μοτίβα εύρεσης επίσης καλούνται ως check characters ή segment identifiers. Οι δομές του κώδικα των αρχικών μελών της GS1 DataBar οικογένειας, δηλαδή των GS1 DataBar Limited και GS1 DataBar Expanded, παρουσιάζονται παρακάτω. Σχήμα 50 Δωμές κώδικα της οικογένειας GS1 DataBar To σύνολο των χαρακτήρων της GS1 DataBar Omnidirectional και GS1 DataBar Limited είναι 10 ψηφία (από το 0 μέχρι και το 9), ενώ ένα υποσύνολο του ISO 646 μπορεί να κωδικοποιηθεί στο GS1 DataBar Expanded. Το υποσύνολο περιλαμβάνει τους κεφαλαίους και μικρούς χαρακτήρες, ψηφία, και 20 επιλεγμένους χαρακτήρες στίξης (!, ", %, &,, (, ), *, +,,, -,., /, :, ;, <, =, >,?, _). Η μέγιστη χωρητικότητα δεδομένων του GS1 DataBar Omnidirectional και του GS1 DataBar Limited είναι η αναγνώριση ενός 14-ψήφιου αριθμητικού που αναπαριστά ένα GTIN. To AI 01 προστίθεται από τους αποκωδικοποιητές. Το GS1 DataBar Expanded έχει τη δυνατότητα να κωδικοποιεί μέχρι και 21 χαρακτήρες δεδομένων, οι οποίοι μπορούν να παράγουν 74 αριθμητικούς και 41 αλφαριθμητικούς χαρακτήρες.