多年以來，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用給人的印象大多是被動(dòng)的識(shí)別，而隨著技術(shù)的迭代進(jìn)步和“腦洞大開”，物聯(lián)網(wǎng)也會(huì)應(yīng)用在更多主動(dòng)感知的場(chǎng)景當(dāng)中。在未來，隨著“智能空間”的范圍越來越廣，物聯(lián)網(wǎng)或許可以在更多場(chǎng)景中做到無限感知，讓普適計(jì)算得以真正落地實(shí)現(xiàn)。

在幾天前智庫發(fā)布的《6月1日起！日本強(qiáng)制給貓狗植入芯片，“動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)”先來了》一文中，曾經(jīng)提到過在國內(nèi)外寵物身上植入的芯片均應(yīng)用的是射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），也就是我們常說的電子標(biāo)簽。經(jīng)過多年發(fā)展，RFID在日常的物流、門禁、零售等場(chǎng)景中已經(jīng)隨處可見。而在智次方·物聯(lián)網(wǎng)智庫前幾日舉辦的【風(fēng)起·“無源”勝“有源”——感知無源·智能悠遠(yuǎn)】主題直播活動(dòng)上，上海交通大學(xué)RFID與物聯(lián)網(wǎng)研究所所長(zhǎng)、博士、博士生導(dǎo)師王東、上海交通大學(xué)RFID與物聯(lián)網(wǎng)研究所博士后張謙，也更加深入的為我們帶來了RFID最新成果的相關(guān)介紹。

自2003年沃爾瑪宣布采用UHF RFID技術(shù)追蹤商品時(shí)起，在后續(xù)接近20年的發(fā)展時(shí)間里，配合著一個(gè)讀寫器，RFID標(biāo)簽一直在碎片化的長(zhǎng)尾市場(chǎng)中被大量使用。在最初近10年的時(shí)間里，RFID的主要發(fā)展方向是識(shí)別，即獲取標(biāo)簽的EPC、讓讀寫器讀取的距離更遠(yuǎn)、讀取的速度更快，如在供應(yīng)鏈的各環(huán)節(jié)通過RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物流轉(zhuǎn)信息的快速自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)供應(yīng)鏈的可視化，支撐面向監(jiān)管、企業(yè)產(chǎn)品溯源、消費(fèi)者商品防偽等應(yīng)用場(chǎng)景需求。

而從2013年至今，將無源的RFID技術(shù)用于感知?jiǎng)t成了新的發(fā)展方向。RFID讀寫器除了能提供RFID標(biāo)簽的ID信息外，還能提供標(biāo)簽返回信號(hào)的強(qiáng)度值（RSSI）、相位值（Phase）以及多普勒頻率（Doppler Frequency）等參數(shù)，利用這些參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)基于RFID的厘米級(jí)精準(zhǔn)定位、追蹤、動(dòng)作和行為感知等，極大地拓展了RFID應(yīng)用的范圍和層次，使RFID技術(shù)從識(shí)別走向感知。

從無源感知到泛在感知

作為近年來的一項(xiàng)新興技術(shù)，無源感知以其特有的感知機(jī)理和方法，逐漸成為泛在感知計(jì)算領(lǐng)域的核心支撐技術(shù)。

與傳統(tǒng)的有源感知相比，無源感知主要依賴于從環(huán)境中獲取的能量完成計(jì)算、感知與通信，無需電源對(duì)終端節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電，因此，它在續(xù)航、部署、維護(hù)等方面擁有傳統(tǒng)有源感知無法匹及的潛在優(yōu)勢(shì)。不過，大多數(shù)無源感知技術(shù)僅僅是基于未標(biāo)記的反射信號(hào)進(jìn)行感知，無法區(qū)分多個(gè)反射信號(hào)的具體來源，也無法對(duì)同時(shí)存在的多個(gè)感知對(duì)象進(jìn)行有效區(qū)分，導(dǎo)致應(yīng)用范疇受到限制。

而在眾多的感知技術(shù)之中，RFID由于標(biāo)簽的輕量級(jí)、可標(biāo)記、易部署等特征，成為無源感知的重要媒介。RFID的出現(xiàn)不僅僅是提供了物品“身份識(shí)別”的能力，還為實(shí)現(xiàn)“可標(biāo)記”的無源感知提供了新的機(jī)遇。

基于反向散射(backscatter)機(jī)制，RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了讀寫器與標(biāo)簽之間的通信。在反向散射的過程中，讀寫器天線發(fā)射的連續(xù)波信號(hào)被RFID標(biāo)簽調(diào)制并反射，從而使讀寫器有效地識(shí)別標(biāo)簽信號(hào)。

由于RFID標(biāo)簽反向散射的信號(hào)本身非常微弱，同時(shí)又很容易受到各種環(huán)境因素的干擾，包括傳輸環(huán)境中的多徑效應(yīng)、干擾對(duì)象的能量吸收等。因此，包含環(huán)境因素的信息會(huì)天然地包含在RFID標(biāo)簽的反向散射信號(hào)中。同時(shí)，RFID的可標(biāo)識(shí)特性能夠有效區(qū)分反向散射信號(hào)的來源，從而保證了無源感知機(jī)制的“可標(biāo)記性”。利用反向散射通信機(jī)制的環(huán)境敏感特性，RFID系統(tǒng)可以基于標(biāo)簽反射信號(hào)中攜帶的環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)特征對(duì)指定對(duì)象進(jìn)行感知，例如肢體行為識(shí)別、呼吸及心跳監(jiān)測(cè)等，而這些特性才是RFID技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)由“識(shí)別”到“感知”蛻變的根本原因。

RFID帶來的全新交互方式

1991年時(shí)，馬克·維瑟提出了“Ubiquitous Computing”(普適計(jì)算)的理念，從那時(shí)起，人們就一直致力于實(shí)現(xiàn)廣泛的“人-機(jī)-物”互聯(lián)，希望以最自然的方式提供服務(wù)和進(jìn)行交互，并強(qiáng)調(diào)和環(huán)境融為一體的計(jì)算概念，讓計(jì)算設(shè)備從人們的視線里消失。普適計(jì)算本身也是一個(gè)涉及研究范圍很廣的課題，包括分布式計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、人機(jī)交互、人工智能、嵌入式系統(tǒng)、感知網(wǎng)絡(luò)以及信息融合等多方面技術(shù)的融合。在普適計(jì)算的模式下、在信息空間與物理空間融合中，計(jì)算機(jī)的計(jì)算正在消亡，取而代之的是傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們的最終愿景也變?yōu)槟軌蛟谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)、以任何方式進(jìn)行信息的獲取與處理。

對(duì)此，他和團(tuán)隊(duì)成員設(shè)想了三種形式的計(jì)算設(shè)備：

Tabs，尺寸以厘米計(jì)算，類似便利貼

Pads ，尺寸以分米計(jì)算，類似一張紙、一本書或一本雜志

Boards ，尺寸以米計(jì)算，類似一塊黑板或公告板

值得一提的是，他預(yù)測(cè)未來的物品都會(huì)包含一個(gè)計(jì)算機(jī)或者標(biāo)簽，人們可以很容易地得到有關(guān)物品的信息， 這點(diǎn)正與RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)不謀而合。

而RFID等感知技術(shù)的發(fā)展，也讓普適計(jì)算的實(shí)現(xiàn)更近了一步。

如果你常去優(yōu)衣庫，那大概已經(jīng)體驗(yàn)過了門店里自助結(jié)賬的功能：沒有攝像頭的拍攝，僅僅把衣服放在指定位置，即可進(jìn)行識(shí)別，這種幾乎無感的體驗(yàn)背后用到的就是RFID。

但RFID能做到的可不僅這些。上海交通大學(xué)RFID與物聯(lián)網(wǎng)研究所博士后張謙在演講中介紹，如果商場(chǎng)的衣服上貼附了RFID標(biāo)簽，則通過標(biāo)簽的相位或信號(hào)強(qiáng)度信息的變化就可以判斷顧客的行為和動(dòng)作。

如下圖中所示，當(dāng)顧客“取下”和“放回”衣服時(shí)，該衣服上RFID標(biāo)簽的相位信息就會(huì)劇烈變化，而當(dāng)“翻看”衣服時(shí)，標(biāo)簽的相位也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。利用這些信息，就可以對(duì)顧客的行為進(jìn)行感知。線上用戶行為數(shù)據(jù)可以通過追蹤用戶的網(wǎng)頁瀏覽、點(diǎn)擊記錄以及商品評(píng)論、購物車信息、購買記錄等輕松獲得，通過RFID感知技術(shù)，商家也可以獲得線下顧客的行為數(shù)據(jù)。

圖：“取下”衣服時(shí)RFID標(biāo)簽相位的劇烈變化

除了衣服上的標(biāo)簽以外，RFID標(biāo)簽還可以部署在環(huán)境中，利用人體行為動(dòng)作產(chǎn)生的多徑環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)非接觸感知，而且由于標(biāo)簽易部署、低成本、無源的特點(diǎn)，實(shí)際場(chǎng)景中可以通過部署多個(gè)標(biāo)簽組成的標(biāo)簽陣列全面地感知多徑變化，例如他們團(tuán)隊(duì)將RFID標(biāo)簽陣列和讀寫器天線分別部署在走廊兩側(cè)，不同的人經(jīng)過時(shí)，由于步態(tài)、體型等的不同，就會(huì)引起不同的信號(hào)變化，基于這種變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的身份識(shí)別。而借助多個(gè)標(biāo)簽產(chǎn)生的空間多樣性還可以有效緩解不同步態(tài)因子如背包等帶來的影響，實(shí)現(xiàn)更為魯棒的感知。

圖：基于RFID標(biāo)簽陣列的非接觸步態(tài)識(shí)別

柔性的RFID標(biāo)簽也可以用來改善人機(jī)交互的體驗(yàn)。隨著VR/AR等設(shè)備銷量的持續(xù)增長(zhǎng)，下一代的智能終端大概率非它莫屬，而鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸板等傳統(tǒng)的人機(jī)交互方式和設(shè)備完全無法勝任下一代終端的交互任務(wù)。

來自南京大學(xué)的科研人員，就構(gòu)建了利用柔性RFID標(biāo)簽的手勢(shì)微動(dòng)作感知系統(tǒng)，將標(biāo)簽分別附著在手套的五個(gè)手指上，使用RFID天線對(duì)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行持續(xù)掃描采集反向散射的信號(hào)特征，如信號(hào)強(qiáng)度、相位等 ，就可以讓用戶使用肢體甚至手指進(jìn)行體感交互，操縱顯示屏或者空中的虛擬對(duì)象， 實(shí)現(xiàn)厘米精度的“微手勢(shì)”的精確感知，從而更加自然地使用VR里的相關(guān)應(yīng)用。

圖：基于 RFID 的手勢(shì)微動(dòng)作感知系統(tǒng)

更進(jìn)一步來說，除了RFID射頻信號(hào)以外，空間中的無線信號(hào)可以說是無處不在，如聲波、毫米波、WIFI載波等。與RFID無線感知的原理相同或者相似，這些不同的無線信號(hào)也都可以用來進(jìn)行感知和交互。

無處不在的“透明”計(jì)算

實(shí)際上，類似的場(chǎng)景已經(jīng)進(jìn)入到我們的生活方方面面。

在絕大多數(shù)人的認(rèn)知中，WiFi的功能僅僅是用來連接無線網(wǎng)絡(luò)，但WiFi作為一種電磁波信號(hào)，其實(shí)是可以用來反映物體活動(dòng)情況的。利用光學(xué)中的菲涅爾區(qū)的概念，并考慮到電磁波的反射特性和WiFi信號(hào)的頻率多樣性，幾種理論結(jié)合之后的模型便可以捕獲到人體亞波長(zhǎng)級(jí)別的微小移動(dòng)，從而可以做到利用WiFi信號(hào)感知人體毫米級(jí)的行為。

因此，當(dāng)在家中部署WiFi信號(hào)發(fā)射器和接收器之后，就可以對(duì)人的連續(xù)行為進(jìn)行感知，如：睡眠、呼吸、摔倒等，沒有任何的接觸和額外的成本即可實(shí)現(xiàn)。相比于使用攝像頭，還避免了隱私相關(guān)的困擾。

圖：WiFi睡眠監(jiān)測(cè)

不僅如此，配合著WiFi的感知功能，一些智能家居也不再需要手動(dòng)或者語音操控，如空調(diào)就可以通過WiFi感知到的房間人數(shù)和位置，實(shí)時(shí)調(diào)控風(fēng)速、強(qiáng)度、方向等。

這個(gè)“腦洞”打開之后，這種類似的無感監(jiān)測(cè)就能夠應(yīng)用到更多的場(chǎng)景當(dāng)中，如：運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、步態(tài)識(shí)別、飲食管理、生命體征監(jiān)測(cè)、位置追蹤等，而且家用WiFi還可以做到24小時(shí)的全天候監(jiān)測(cè)，也不用額外部署傳感器。

除此之外，無感監(jiān)測(cè)還可以用到讓你意想不到的場(chǎng)景中：利用智能設(shè)備（手機(jī)、智能手表等）內(nèi)置的揚(yáng)聲器，讓其以設(shè)定的調(diào)制方式和頻率產(chǎn)生人耳聽不見的聲波信號(hào)（17KHz~24KHz），再利用設(shè)備的麥克風(fēng)采集經(jīng)由環(huán)境反射回的聲波信號(hào)，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理就可以感知周圍環(huán)境的變化，超聲波信號(hào)較短的波長(zhǎng)（2cm左右）使其非常適用于細(xì)粒度的人機(jī)交互動(dòng)作感知。

例如，上海交通大學(xué)RFID與物聯(lián)網(wǎng)研究所王東老師的團(tuán)隊(duì)就利用超聲波感知實(shí)現(xiàn)了端到端的手指寫字識(shí)別以及更細(xì)粒度的唇語識(shí)別，而且他們還通過超聲波的唇語感知信號(hào)實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)語音增強(qiáng)，這樣以來，用戶在用手機(jī)發(fā)送語音消息或者記錄語音筆記時(shí)，借助超聲波感知技術(shù)就可以有效過濾掉周圍環(huán)境中的噪聲。

圖：基于超聲波的端到端唇語識(shí)別

無處不在的“透明”計(jì)算

在普適計(jì)算剛剛提出來的時(shí)候，很多人都覺得這是無稽之談。但經(jīng)過多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了集中式、分布式、嵌入式等階段，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能也伴隨著各種終端得到了廣泛的部署和應(yīng)用，各種感知和控制設(shè)備的設(shè)備的興起，都讓普適計(jì)算逐漸成為可能。

若要讓普適計(jì)算的理論落到實(shí)處，就要利用各種設(shè)備進(jìn)行泛在感知。在過去和現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)和手機(jī)等各種設(shè)備的“存在感”始終很強(qiáng)，使得本應(yīng)是機(jī)器服務(wù)于人的情況變成了人被機(jī)器所“綁架”。在未來，只有將基礎(chǔ)理論和人工智能更加有機(jī)地結(jié)合起來，才能將“無感”式的感知真正變成空氣中的氧氣、變成以人為中心，并能自動(dòng)適應(yīng)用戶的需求變化。

除此之外，作為普適計(jì)算的分支，智慧城市、智慧樓宇、智能家居等的持續(xù)發(fā)展，也會(huì)讓“無限感知”真正變得“無處不在”。

參考資料：

1.《基于RFID的無源感知技術(shù)及應(yīng)用——從RFID識(shí)別到RFID感知》 上海交通大學(xué)RFID與物聯(lián)網(wǎng)研究所所長(zhǎng)、博士、博士生導(dǎo)師 王東；上海交通大學(xué)RFID與物聯(lián)網(wǎng)研究所博士后 張謙

2.《從“識(shí)別”到“感知”：基于 RFID 的可標(biāo)記無源感知》，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊

3.《靠WiFi信號(hào)就能檢測(cè)呼吸跌倒！北大這項(xiàng)硬科技研究越來越藏不住了》，量子位