本文來自物聯(lián)網(wǎng)智庫，作者/Levin。
多年以來，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用給人的印象大多是被動的識別，而隨著技術(shù)的迭代進步和“腦洞大開”，物聯(lián)網(wǎng)也會應(yīng)用在更多主動感知的場景當(dāng)中。在未來，隨著“智能空間”的范圍越來越廣，物聯(lián)網(wǎng)或許可以在更多場景中做到無限感知，讓普適計算得以真正落地實現(xiàn)。
在幾天前智庫發(fā)布的《6月1日起！日本強制給貓狗植入芯片，“動物聯(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】主題直播活動上，上海交通大學(xué)RFID與物聯(lián)網(wǎng)研究所所長、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)追蹤商品時起，在后續(xù)接近20年的發(fā)展時間里，配合著一個讀寫器，RFID標(biāo)簽一直在碎片化的長尾市場中被大量使用。在最初近10年的時間里，RFID的主要發(fā)展方向是識別，即獲取標(biāo)簽的EPC、讓讀寫器讀取的距離更遠、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)實現(xiàn)實物流轉(zhuǎn)信息的快速自動識別，進而實現(xiàn)整個供應(yīng)鏈的可視化，支撐面向監(jiān)管、企業(yè)產(chǎn)品溯源、消費者商品防偽等應(yīng)用場景需求。
而從2013年至今，將無源的RFID技術(shù)用于感知則成了新的發(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)簽返回信號的強度值（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)可以實現(xiàn)基于RFID的厘米級精準(zhǔn)定位、追蹤、動作和行為感知等，極大地拓展了RFID應(yīng)用的范圍和層次，使RFID技術(shù)從識別走向感知。
從無源感知到泛在感知
作為近年來的一項新興技術(shù)，無源感知以其特有的感知機理和方法，逐漸成為泛在感知計算領(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算、感知與通信，無需電源對終端節(jié)點持續(xù)供電，因此，它在續(xù)航、部署、維護等方面擁有傳統(tǒng)有源感知無法匹及的潛在優(yōu)勢。不過，大多數(shù)無源感知技術(shù)僅僅是基于未標(biāo)記的反射信號進行感知，無法區(qū)分多個反射信號的具體來源，也無法對同時存在的多個感知對象進行有效區(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、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“身份識別”的能力，還為實現(xiàn)“可標(biāo)記”的無源感知提供了新的機遇。
基于反向散射(backscatter)機制，RFID系統(tǒng)實現(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)波信號被RFID標(biāo)簽調(diào)制并反射，從而使讀寫器有效地識別標(biāo)簽信號。
由于RFID標(biāo)簽反向散射的信號本身非常微弱，同時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)、干擾對象的能量吸收等。因此，包含環(huán)境因素的信息會天然地包含在RFID標(biāo)簽的反向散射信號中。同時，RFID的可標(biāo)識特性能夠有效區(qū)分反向散射信號的來源，從而保證了無源感知機制的“可標(biāo)記性”。利用反向散射通信機制的環(huán)境敏感特性，RFID系統(tǒng)可以基于標(biāo)簽反射信號中攜帶的環(huán)境因素的動態(tài)特征對指定對象進行感知，例如肢體行為識別、呼吸及心跳監(jiān)測等，而這些特性才是RFID技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)由“識別”到“感知”蛻變的根本原因。
RFID帶來的全新交互方式
1991年時，馬克·維瑟提出了“Ubiquitous Computing”(普適計算)的理念，從那時起，人們就一直致力于實現(xiàn)廣泛的“人-機-物”互聯(lián)，希望以最自然的方式提供服務(wù)和進行交互，并強調(diào)和環(huán)境融為一體的計算概念，讓計算設(shè)備從人們的視線里消失。普適計算本身也是一個涉及研究范圍很廣的課題，包括分布式計算、移動計算、人機交互、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。在普適計算的模式下、在信息空間與物理空間融合中，計算機的計算正在消亡，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間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理。
對此，他和團隊成員設(shè)想了三種形式的計算設(shè)備：
Tabs，尺寸以厘米計算，類似便利貼
Pads，尺寸以分米計算，類似一張紙、一本書或一本雜志
Boards，尺寸以米計算，類似一塊黑板或公告板
值得一提的是，他預(yù)測未來的物品都會包含一個計算機或者標(biāo)簽，人們可以很容易地得到有關(guān)物品的信息，這點正與RFID標(biāo)簽的設(shè)計不謀而合。
而RFID等感知技術(shù)的發(fā)展，也讓普適計算的實現(xiàn)更近了一步。
如果你常去優(yōu)衣庫，那大概已經(jīng)體驗過了門店里自助結(jié)賬的功能：沒有攝像頭的拍攝，僅僅把衣服放在指定位置，即可進行識別，這種幾乎無感的體驗背后用到的就是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，如果商場的衣服上貼附了RFID標(biāo)簽，則通過標(biāo)簽的相位或信號強度信息的變化就可以判斷顧客的行為和動作。
如下圖中所示，當(dāng)顧客“取下”和“放回”衣服時，該衣服上RFID標(biāo)簽的相位信息就會劇烈變化，而當(dāng)“翻看”衣服時，標(biāo)簽的相位也會發(fā)生相應(yīng)變化。利用這些信息，就可以對顧客的行為進行感知。線上用戶行為數(shù)據(jù)可以通過追蹤用戶的網(wǎng)頁瀏覽、點擊記錄以及商品評論、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，利用人體行為動作產(chǎn)生的多徑環(huán)境變化實現(xiàn)非接觸感知，而且由于標(biāo)簽易部署、低成本、無源的特點，實際場景中可以通過部署多個標(biāo)簽組成的標(biāo)簽陣列全面地感知多徑變化，例如他們團隊將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，由于步態(tài)、體型等的不同，就會引起不同的信號變化，基于這種變化就可以實現(xiàn)對用戶的身份識別。而借助多個標(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)識別
柔性的RFID標(biāo)簽也可以用來改善人機交互的體驗。隨著VR/AR等設(shè)備銷量的持續(xù)增長，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)簽的手勢微動作感知系統(tǒng)，將標(biāo)簽分別附著在手套的五個手指上，使用RFID天線對多個標(biāo)簽進行持續(xù)掃描采集反向散射的信號特征，如信號強度、相位等，就可以讓用戶使用肢體甚至手指進行體感交互，操縱顯示屏或者空中的虛擬對象，實現(xiàn)厘米精度的“微手勢”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的手勢微動作感知系統(tǒng)
更進一步來說，除了RFID射頻信號以外，空間中的無線信號可以說是無處不在，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也都可以用來進行感知和交互。
無處不在的“透明”計算
實際上，類似的場景已經(jīng)進入到我們的生活方方面面。
在絕大多數(shù)人的認知中，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，其實是可以用來反映物體活動情況的。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級別的微小移動，從而可以做到利用WiFi信號感知人體毫米級的行為。
因此，當(dāng)在家中部署WiFi信號發(fā)射器和接收器之后，就可以對人的連續(xù)行為進行感知，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
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，實時調(diào)控風(fēng)速、強度、方向等。
這個“腦洞”打開之后，這種類似的無感監(jiān)測就能夠應(yīng)用到更多的場景當(dāng)中，如：運動檢測、步態(tài)識別、飲食管理、生命體征監(jiān)測、位置追蹤等，而且家用WiFi還可以做到24小時的全天候監(jiān)測，也不用額外部署傳感器。
除此之外，無感監(jiān)測還可以用到讓你意想不到的場景中：利用智能設(shè)備（手機、智能手表等）內(nèi)置的揚聲器，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（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，通過對信號進行處理就可以感知周圍環(huán)境的變化，超聲波信號較短的波長（2cm左右）使其非常適用于細粒度的人機交互動作感知。
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隊就利用超聲波感知實現(xiàn)了端到端的手指寫字識別以及更細粒度的唇語識別，而且他們還通過超聲波的唇語感知信號實現(xiàn)了多模態(tài)語音增強，這樣以來，用戶在用手機發(fā)送語音消息或者記錄語音筆記時，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別
無處不在的“透明”計算
在普適計算剛剛提出來的時候，很多人都覺得這是無稽之談。但經(jīng)過多年的發(fā)展，計算機已經(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，都讓普適計算逐漸成為可能。
若要讓普適計算的理論落到實處，就要利用各種設(shè)備進行泛在感知。在過去和現(xiàn)在，計算機和手機等各種設(shè)備的“存在感”始終很強，使得本應(yīng)是機器服務(wù)于人的情況變成了人被機器所“綁架”。在未來，只有將基礎(chǔ)理論和人工智能更加有機地結(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，并能自動適應(yīng)用戶的需求變化。
除此之外，作為普適計算的分支，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識別到RFID感知》上海交通大學(xué)RFID與物聯(lián)網(wǎng)研究所所長、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“識別”到“感知”：基于RFID的可標(biāo)記無源感知》，中國計算機學(xué)會通訊
3.《靠WiFi信號就能檢測呼吸跌倒！北大這項硬科技研究越來越藏不住了》，量子位
