多年以來，物聯網應用給人的印象大多是被動的識別，而隨著技術的迭代進步和“腦洞大開”，物聯網也(ye)會應(ying)用在更多主動感(gan)知(zhi)的場景(jing)(jing)當(dang)中。在未來，隨著“智能空間”的范圍(wei)越來越廣，物(wu)聯網或許可以(yi)在更多場景(jing)(jing)中做到無限感(gan)知(zhi)，讓普適計算得以(yi)真正落地實現。
在幾天前智庫發布的《6月1日起！日本強制給貓狗植入芯片，“動物聯網”先來了》一文中，曾經提到過在國內外寵物身上植入的芯片均應用的是射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），也就是我們常說的電子標簽。經過多年發展，RFID在日常的物流、門禁、零售等場景中已經隨處可見。而在智次方·物聯網智庫前幾日舉辦的【風起·“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RFID與物聯網研究所所長、博士、博士生導師王東、上海交通大學RFID與物聯網研究所博士后張謙，也更加深入的為我(wo)們(men)帶來了RFID最新成果的相關介紹。
自2003年沃爾瑪宣布采用UHF RFID技術追蹤商品時起，在后續接近20年的發展時間里，配合著一個讀寫器，RFID標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的主要發展方向是識別，即獲取標簽的EPC、讓讀寫器讀取的距離更遠、讀取的速度更快，如在供應鏈的各環節通過RFID技(ji)術實(shi)現實(shi)物流轉信息(xi)的快速自動識別，進(jin)而(er)實(shi)現整個供應鏈的可視化(hua)，支(zhi)撐面(mian)向監管、企業產品溯源(yuan)、消(xiao)費者商(shang)品防偽等應用場(chang)景需求(qiu)。
而從2013年至今，將無源的RFID技術用于感知則成了新的發展方向。RFID讀寫器除了(le)能(neng)提供RFID標(biao)(biao)簽的ID信(xin)息外，還(huan)能(neng)提供標(biao)(biao)簽返回信(xin)號(hao)的強度值（RSSI）、相位值（Phase）以及多普勒頻率(lv)（Doppler Frequency）等(deng)參數(shu)，利用這些參數(shu)可以實(shi)現基于RFID的厘米(mi)級精準定位、追蹤(zong)、動作和(he)行為感知等(deng)，極(ji)大(da)地拓(tuo)展了(le)RFID應(ying)用的范圍和(he)層次，使RFID技術從識別走向感知。
從無源感知到泛在感知
作為近年來的一項新興技術，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域的核心支撐技術。
與傳統的有源感知相比，無源感知主要依賴于從環境中獲取的能量完成計算、感知與通信，無需電源對終端節點持續供電，因此，它在續航、部署、維護等方面擁有傳統有源感知無法匹及的潛在優勢。不過，大多數無源感知技術僅僅是基于未標記的反射信號進行感知，無法區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分，導致應用范疇受到限制。
而在眾多的感知技術之中，RFID由于標簽的輕量級、可標記、易部署等特征，成為無源感知的重要媒介。RFID的(de)出(chu)現不僅僅是提供了(le)物(wu)品“身(shen)份識(shi)別”的(de)能力，還為實(shi)現“可標記”的(de)無源(yuan)感知提供了(le)新的(de)機遇。
基于反向散射(backscatter)機制，RFID系統實現了讀寫器與標簽之間的通信。在(zai)反(fan)向散射的(de)過程中(zhong)，讀(du)寫(xie)(xie)器(qi)天線發(fa)射的(de)連續波信號(hao)被RFID標簽調制并反(fan)射，從而使讀(du)寫(xie)(xie)器(qi)有效地識別標簽信號(hao)。
由于RFID標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境因素的干擾，包括傳輸環境中的多徑效應、干擾對象的能量吸收等。因此，包含環境因素的信息會天然地包含在RFID標簽的反向散射信號中。同時，RFID的可標識特性能夠有效區分反向散射信號的來源，從而保證了無源感知機制的“可標記性”。利用反向散射通信機制的環境敏感特性，RFID系統可以基于標簽反射信號中攜帶的環境因素的動態特征對指定對象進行感知，例如肢體行為識別、呼吸及心跳監測等，而這些特性才是RFID技術能夠實現由“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廣泛的“人-機-物”互聯，希望以最自然的方式提供服務和進行交互，并強調和環境融為一體的計算概念，讓計算設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(shi)系統、感(gan)知網(wang)絡以及信(xin)(xin)(xin)息(xi)融(rong)(rong)合(he)等(deng)多方(fang)面技術的(de)融(rong)(rong)合(he)。在(zai)普適計算的(de)模式(shi)下、在(zai)信(xin)(xin)(xin)息(xi)空間與物(wu)理空間融(rong)(rong)合(he)中，計算機的(de)計算正在(zai)消亡，取而代之的(de)是(shi)傳感(gan)器網(wang)絡，人們的(de)最終愿景也變為能夠在(zai)任何時間、任何地點(dian)、以任何方(fang)式(shi)進(jin)行信(xin)(xin)(xin)息(xi)的(de)獲(huo)取與處(chu)理。
對此，他和團隊成員設(she)想了三種(zhong)形式的計(ji)算(suan)設(she)備：
Tabs，尺寸以厘(li)米計算，類似便(bian)利貼
Pads ，尺寸以(yi)分米(mi)計算，類似(si)一(yi)張(zhang)紙、一(yi)本(ben)書或(huo)一(yi)本(ben)雜志
Boards ，尺寸(cun)以米(mi)計算，類似一塊黑板或公告板
值得一提的是，他預測未來的物品都會包含一個計算機或者標簽，人們可以很容易地得到有關物品的信息， 這點正與RFID標簽的設計不謀而合。
而RFID等感知技術的發展(zhan)，也讓普適計(ji)算的實(shi)現更近了一步。
如果(guo)你常去優衣庫(ku)，那大概已經體驗過了門店里自助(zhu)結賬的(de)功能(neng)：沒有攝(she)像頭的(de)拍攝(she)，僅(jin)僅(jin)把衣服放在指定位(wei)置，即可進行識別(bie)，這種(zhong)幾(ji)乎(hu)無(wu)感(gan)的(de)體驗背后(hou)用到的(de)就是RFID。
但RFID能做到的可不僅這些。上海交通大學RFID與物聯網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標簽，則通過標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(suo)示，當顧(gu)客(ke)“取下”和“放回”衣(yi)服(fu)時(shi)，該(gai)衣(yi)服(fu)上RFID標簽的(de)(de)相位(wei)信息就會劇(ju)烈(lie)變化，而當“翻(fan)看”衣(yi)服(fu)時(shi)，標簽的(de)(de)相位(wei)也(ye)會發(fa)生相應變化。利用這(zhe)些信息，就可(ke)以對顧(gu)客(ke)的(de)(de)行(xing)為進行(xing)感(gan)(gan)知(zhi)。線(xian)上用戶行(xing)為數據(ju)可(ke)以通過追蹤用戶的(de)(de)網頁瀏覽、點擊記(ji)錄(lu)(lu)以及商品評論、購物車信息、購買(mai)記(ji)錄(lu)(lu)等輕(qing)松獲(huo)得，通過RFID感(gan)(gan)知(zhi)技術，商家(jia)也(ye)可(ke)以獲(huo)得線(xian)下顧(gu)客(ke)的(de)(de)行(xing)為數據(ju)。
圖：“取下”衣(yi)服(fu)時RFID標(biao)簽相(xiang)位的劇烈變化(hua)
除了衣服上的(de)(de)標(biao)(biao)(biao)簽以(yi)外，RFID標(biao)(biao)(biao)簽還可以(yi)部署(shu)在環境中，利用(yong)人體行為(wei)動作產生的(de)(de)多(duo)(duo)徑環境變化實現(xian)非接(jie)觸(chu)感(gan)知，而(er)且由于標(biao)(biao)(biao)簽易(yi)部署(shu)、低成本(ben)、無源(yuan)的(de)(de)特點，實際場景(jing)中可以(yi)通(tong)過部署(shu)多(duo)(duo)個(ge)(ge)標(biao)(biao)(biao)簽組成的(de)(de)標(biao)(biao)(biao)簽陣列全(quan)面地(di)感(gan)知多(duo)(duo)徑變化，例如他們團隊將RFID標(biao)(biao)(biao)簽陣列和(he)讀(du)寫器天(tian)線分別(bie)部署(shu)在走廊兩側，不同的(de)(de)人經過時，由于步(bu)態、體型(xing)等(deng)的(de)(de)不同，就會引(yin)起(qi)不同的(de)(de)信號變化，基于這種(zhong)變化就可以(yi)實現(xian)對用(yong)戶的(de)(de)身份識別(bie)。而(er)借助多(duo)(duo)個(ge)(ge)標(biao)(biao)(biao)簽產生的(de)(de)空間多(duo)(duo)樣性還可以(yi)有效緩解不同步(bu)態因子如背(bei)包等(deng)帶來的(de)(de)影響，實現(xian)更為(wei)魯(lu)棒的(de)(de)感(gan)知。
圖：基于RFID標簽陣列的(de)非接(jie)觸步(bu)態識別
柔性的RFID標簽也可以用來改善人機交互的體驗。隨著VR/AR等設備銷量的持續增長，下一代的智能終端大概率非它莫屬，而鍵盤、鼠標、觸摸板等傳統的人機交互方式和設備完全無法勝任下一代終端的交互任務。
來自南京大學的科研人員，就構建了利用柔性RFID標簽的手勢微動作感知系統，將標簽分別(bie)附(fu)著在手(shou)(shou)套的(de)(de)五個手(shou)(shou)指(zhi)上，使(shi)(shi)用RFID天線對(dui)多個標簽進行持續掃描采集反(fan)向散(san)射的(de)(de)信(xin)號特征，如(ru)信(xin)號強(qiang)度(du)、相(xiang)位等 ，就(jiu)可以讓用戶使(shi)(shi)用肢(zhi)體(ti)甚至手(shou)(shou)指(zhi)進行體(ti)感(gan)交互，操縱(zong)顯示(shi)屏或者空中的(de)(de)虛擬(ni)對(dui)象， 實現厘米(mi)精度(du)的(de)(de)“微手(shou)(shou)勢”的(de)(de)精確感(gan)知，從而(er)更加自然地使(shi)(shi)用VR里(li)的(de)(de)相(xiang)關應用。
圖：基于 RFID 的手勢微動(dong)作(zuo)感知(zhi)系(xi)統
更進(jin)一(yi)步(bu)來說(shuo)，除了(le)RFID射(she)頻信號以(yi)(yi)外，空間中的(de)(de)無線信號可以(yi)(yi)說(shuo)是(shi)無處不(bu)在，如(ru)聲波(bo)、毫米波(bo)、WIFI載波(bo)等。與RFID無線感知的(de)(de)原(yuan)理(li)相同(tong)或者相似(si)，這些不(bu)同(tong)的(de)(de)無線信號也(ye)都可以(yi)(yi)用來進(jin)行(xing)感知和交互。
無處不在的“透明”計算
實際上，類似的場景已經(jing)進入到我們的生活方(fang)方(fang)面(mian)面(mian)。
在絕大多數人的認知中，WiFi的功能僅僅是用來連接無線網絡，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。利用光學中的菲涅爾區的概念，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(dang)在家中部(bu)署WiFi信號發(fa)射(she)器(qi)和接(jie)收器(qi)之后，就可以對人的連續(xu)行為進行感知，如：睡(shui)眠、呼吸、摔(shuai)倒(dao)等，沒有任何(he)的接(jie)觸和額外的成本即可實(shi)現。相比于使用攝(she)像(xiang)頭，還避免了隱(yin)私相關的困(kun)擾(rao)。
圖：WiFi睡眠監測
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(zhe)語音操控(kong)(kong)，如空調(diao)就可以(yi)通過WiFi感知到的(de)房間(jian)人數和(he)位置(zhi)，實時(shi)調(diao)控(kong)(kong)風(feng)速(su)、強度、方向等。
這(zhe)(zhe)個“腦洞”打開之后，這(zhe)(zhe)種類似的(de)(de)無感監(jian)(jian)測就(jiu)能夠應用(yong)到更(geng)多的(de)(de)場(chang)景當中，如：運動檢測、步態識別、飲食管理、生(sheng)命體征監(jian)(jian)測、位置追(zhui)蹤等(deng)，而且家(jia)用(yong)WiFi還可(ke)以做到24小時的(de)(de)全天候監(jian)(jian)測，也不用(yong)額(e)外部署傳(chuan)感器。
除此之外，無感監測還可(ke)以(yi)用(yong)到(dao)讓你意(yi)想不(bu)到(dao)的場景中：利用(yong)智(zhi)能設備（手(shou)(shou)機、智(zhi)能手(shou)(shou)表等）內(nei)置的揚聲(sheng)器，讓其以(yi)設定的調制方式和頻率產生人耳(er)聽不(bu)見的聲(sheng)波(bo)(bo)信(xin)(xin)號(hao)(hao)（17KHz~24KHz），再利用(yong)設備的麥克風采(cai)集經由環(huan)境反射回的聲(sheng)波(bo)(bo)信(xin)(xin)號(hao)(hao)，通過對信(xin)(xin)號(hao)(hao)進(jin)行處理就可(ke)以(yi)感知周圍環(huan)境的變(bian)化(hua)，超聲(sheng)波(bo)(bo)信(xin)(xin)號(hao)(hao)較短的波(bo)(bo)長(chang)（2cm左右）使其非常適用(yong)于細(xi)粒度的人機交互動作(zuo)感知。
例如，上海交通大學RFID與物聯網研究所王東老師的團隊就利用超聲波感知實現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(ta)們還通過超聲(sheng)波的唇語(yu)感(gan)(gan)知信(xin)號(hao)實現了多模(mo)態(tai)語(yu)音(yin)增強，這樣(yang)以來，用戶在用手(shou)機(ji)發送語(yu)音(yin)消息或者記錄(lu)語(yu)音(yin)筆記時，借助超聲(sheng)波感(gan)(gan)知技術就可以有(you)效過濾掉周圍(wei)環(huan)境中的噪(zao)聲(sheng)。
圖：基(ji)于超聲波的端(duan)到端(duan)唇語識(shi)別
無處不在的“透明”計算
在普適計(ji)算剛剛提(ti)出來的(de)時候，很多(duo)人都覺得這是無稽之(zhi)談(tan)。但經過多(duo)年的(de)發(fa)展，計(ji)算機已經經歷了集中式、分布式、嵌入式等階段，物聯網(wang)和(he)(he)人工智(zhi)能也(ye)伴隨著各種終端得到了廣(guang)泛的(de)部署和(he)(he)應用，各種感知和(he)(he)控制設(she)備(bei)(bei)的(de)設(she)備(bei)(bei)的(de)興起，都讓普適計(ji)算逐漸成為(wei)可能。
若(ruo)要(yao)讓普(pu)適計(ji)算的(de)理論落到實處，就要(yao)利用各(ge)種設備(bei)進行泛(fan)在感知(zhi)。在過去(qu)和現在，計(ji)算機和手(shou)機等(deng)各(ge)種設備(bei)的(de)“存(cun)在感”始終很(hen)強，使(shi)得本應是機器服務于人(ren)的(de)情況變成(cheng)(cheng)了人(ren)被機器所“綁架”。在未(wei)來(lai)(lai)，只有將基礎理論和人(ren)工智能(neng)更加有機地結合起來(lai)(lai)，才(cai)能(neng)將“無感”式的(de)感知(zhi)真正變成(cheng)(cheng)空氣中的(de)氧氣、變成(cheng)(cheng)以(yi)人(ren)為中心，并能(neng)自動適應用戶的(de)需求變化。
除此之外，作為普適計算的分支，智慧城市、智(zhi)慧樓宇(yu)、智(zhi)能家(jia)居等的持(chi)續發展，也會讓“無限感知(zhi)”真正變得“無處(chu)不在”。
參考資料：
1.《基于RFID的無源感(gan)知技(ji)術及(ji)應用——從(cong)RFID識別到RFID感(gan)知》 上海(hai)交通大學RFID與物聯網(wang)研究所所長(chang)、博士(shi)、博士(shi)生(sheng)導師 王東；上海(hai)交通大學RFID與物聯網(wang)研究所博士(shi)后 張(zhang)謙(qian)
2.《從“識別”到(dao)“感知(zhi)”： 基(ji)于(yu) RFID 的(de)可(ke)標(biao)記無(wu)源感知(zhi)》，中國計算機學會(hui)通(tong)訊(xun)
3.《靠WiFi信號就能檢(jian)測呼吸跌倒！北(bei)大(da)這項硬科技研究越來越藏(zang)不(bu)住(zhu)了》，量(liang)子位
