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”，物聯網也會(hui)應用在更(geng)多主動感知(zhi)的場景當(dang)中。在未(wei)來(lai)(lai)，隨著“智能空間”的范圍(wei)越來(lai)(lai)越廣，物聯網或許可以(yi)在更(geng)多場景中做到無限感知(zhi)，讓普適計算(suan)得以(yi)真正落地實(shi)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(de)為我們帶(dai)來了RFID最新(xin)成果的(de)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(zai)供應鏈的(de)各環節通過RFID技術(shu)實現實物流轉信息的(de)快速自動識別，進而(er)實現整個供應鏈的(de)可視化，支(zhi)撐面(mian)向監管(guan)、企(qi)業產(chan)品(pin)溯源、消費者商品(pin)防偽等應用場景需求(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(xie)器除了能(neng)提供(gong)RFID標簽(qian)的ID信(xin)(xin)息外，還能(neng)提供(gong)標簽(qian)返回(hui)信(xin)(xin)號(hao)的強度(du)值（RSSI）、相位值（Phase）以及多普(pu)勒頻率（Doppler Frequency）等參(can)數，利(li)用這些參(can)數可以實現(xian)基于RFID的厘米級(ji)精(jing)準(zhun)定位、追蹤、動(dong)作和行(xing)為感知等，極大(da)地拓展了RFID應用的范圍和層次，使(shi)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的出(chu)現不僅(jin)僅(jin)是提(ti)供了(le)物品“身份識別”的能(neng)力，還為(wei)實現“可標記(ji)”的無源感知提(ti)供了(le)新的機遇(yu)。
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。在反(fan)向散射(she)(she)的過程(cheng)中(zhong)，讀寫(xie)器天線發射(she)(she)的連續(xu)波(bo)信號被RFID標(biao)簽調制并反(fan)射(she)(she)，從(cong)而(er)使讀寫(xie)器有效(xiao)地識別標(biao)簽信號。
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)(shi)(shi)系(xi)統、感知網絡以(yi)及信(xin)息融(rong)合(he)等多方面技(ji)術的(de)融(rong)合(he)。在(zai)普(pu)適計算(suan)的(de)模式(shi)(shi)(shi)下、在(zai)信(xin)息空間(jian)與(yu)物理(li)空間(jian)融(rong)合(he)中，計算(suan)機的(de)計算(suan)正在(zai)消亡，取而代(dai)之(zhi)的(de)是(shi)傳感器網絡，人們(men)的(de)最終愿景也變為能夠在(zai)任(ren)何(he)時間(jian)、任(ren)何(he)地(di)點、以(yi)任(ren)何(he)方式(shi)(shi)(shi)進(jin)行信(xin)息的(de)獲取與(yu)處理(li)。
對此，他和(he)團(tuan)隊(dui)成員設想了三(san)種形式的計算設備：
Tabs，尺(chi)寸(cun)以厘米計算，類(lei)似(si)便利貼
Pads ，尺(chi)寸(cun)以分米計(ji)算(suan)，類(lei)似(si)一(yi)張紙、一(yi)本(ben)書(shu)或一(yi)本(ben)雜(za)志
Boards ，尺(chi)寸以米(mi)計算，類似(si)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(de)(de)發展，也讓普適計算(suan)的(de)(de)實現更近(jin)了(le)一(yi)步。
如果(guo)你(ni)常去優衣庫，那(nei)大概(gai)已經體(ti)驗過了門(men)店里自助結賬的(de)功能：沒(mei)有攝像頭的(de)拍攝，僅僅把(ba)衣服放(fang)在指(zhi)定位置，即可進行識別，這種(zhong)幾(ji)乎無感(gan)的(de)體(ti)驗背后用(yong)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。
如下圖中所示，當顧客“取下”和(he)“放回”衣服時，該衣服上(shang)RFID標簽的(de)相(xiang)位信息(xi)就(jiu)會(hui)劇烈變化(hua)，而當“翻看(kan)”衣服時，標簽的(de)相(xiang)位也會(hui)發生相(xiang)應變化(hua)。利用(yong)(yong)這些信息(xi)，就(jiu)可以(yi)對顧客的(de)行為進(jin)行感知。線(xian)上(shang)用(yong)(yong)戶(hu)行為數據可以(yi)通過追蹤用(yong)(yong)戶(hu)的(de)網(wang)頁瀏覽、點擊(ji)記(ji)錄(lu)以(yi)及(ji)商品評(ping)論(lun)、購物車信息(xi)、購買記(ji)錄(lu)等(deng)輕松獲得(de)，通過RFID感知技(ji)術，商家也可以(yi)獲得(de)線(xian)下顧客的(de)行為數據。
圖：“取(qu)下”衣服時RFID標(biao)簽相位的劇烈變化(hua)
除了衣服上的(de)標(biao)簽(qian)(qian)以外，RFID標(biao)簽(qian)(qian)還(huan)可(ke)以部(bu)署在環(huan)境中，利用人(ren)體行(xing)為動作產生的(de)多(duo)(duo)徑環(huan)境變化實現(xian)非接觸(chu)感(gan)(gan)知，而(er)且(qie)由(you)(you)于標(biao)簽(qian)(qian)易(yi)部(bu)署、低成(cheng)本、無源的(de)特點，實際(ji)場景(jing)中可(ke)以通過(guo)部(bu)署多(duo)(duo)個(ge)標(biao)簽(qian)(qian)組(zu)成(cheng)的(de)標(biao)簽(qian)(qian)陣列全面地感(gan)(gan)知多(duo)(duo)徑變化，例如(ru)(ru)他們團隊(dui)將RFID標(biao)簽(qian)(qian)陣列和讀寫(xie)器天(tian)線(xian)分別部(bu)署在走廊兩側，不(bu)同(tong)(tong)的(de)人(ren)經過(guo)時，由(you)(you)于步態、體型等的(de)不(bu)同(tong)(tong)，就會引起不(bu)同(tong)(tong)的(de)信號變化，基(ji)于這種變化就可(ke)以實現(xian)對用戶的(de)身份識別。而(er)借(jie)助多(duo)(duo)個(ge)標(biao)簽(qian)(qian)產生的(de)空(kong)間多(duo)(duo)樣性還(huan)可(ke)以有效(xiao)緩解不(bu)同(tong)(tong)步態因子如(ru)(ru)背包等帶來的(de)影響，實現(xian)更(geng)為魯棒的(de)感(gan)(gan)知。
圖(tu)：基于RFID標簽陣列的(de)非接觸步態識別
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(biao)簽分(fen)別附著(zhu)在手套的(de)五個(ge)手指上，使用RFID天(tian)線對(dui)多個(ge)標(biao)簽進行持續掃描采集反向散(san)射的(de)信號(hao)特征(zheng)，如信號(hao)強度、相(xiang)位等 ，就可以讓用戶(hu)使用肢體甚至手指進行體感交互，操縱顯示屏或者(zhe)空中的(de)虛擬(ni)對(dui)象(xiang)， 實現厘(li)米(mi)精度的(de)“微手勢”的(de)精確感知(zhi)，從而(er)更加自然地使用VR里的(de)相(xiang)關應用。
圖(tu)：基于 RFID 的手(shou)勢微動作感(gan)知系(xi)統
更進(jin)一步(bu)來(lai)說，除了RFID射頻信號(hao)以(yi)外，空間中(zhong)的(de)(de)無線信號(hao)可以(yi)說是無處(chu)不(bu)在(zai)，如聲波、毫米波、WIFI載波等。與(yu)RFID無線感知的(de)(de)原(yuan)理相(xiang)同(tong)或者相(xiang)似，這些不(bu)同(tong)的(de)(de)無線信號(hao)也都可以(yi)用來(lai)進(jin)行感知和(he)交(jiao)互。
無處不在的“透明”計算
實際上(shang)，類(lei)似的(de)場景已經(jing)進入到我們的(de)生(sheng)活(huo)方(fang)方(fang)面(mian)(mian)面(mian)(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(ci)，當在(zai)家中(zhong)部署WiFi信號發射(she)器(qi)和接收器(qi)之(zhi)后，就(jiu)可以(yi)對人的(de)(de)連續(xu)行為進行感(gan)知，如：睡眠、呼吸、摔倒(dao)等，沒有(you)任(ren)何的(de)(de)接觸和額外的(de)(de)成本即可實(shi)現(xian)。相(xiang)比于使用攝像頭，還避免(mian)了隱私相(xiang)關的(de)(de)困擾。
圖：WiFi睡(shui)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(xu)要手動或者語(yu)音操控(kong)，如(ru)空調(diao)就可以通過WiFi感知到的房(fang)間人數和位置，實(shi)時調(diao)控(kong)風速、強(qiang)度(du)、方(fang)向等。
這個“腦洞”打(da)開之后，這種類(lei)似(si)的(de)(de)無感監(jian)測就能夠應用(yong)(yong)到更多的(de)(de)場(chang)景當(dang)中，如：運(yun)動檢測、步態識別、飲食管(guan)理(li)、生命體征監(jian)測、位置追蹤等，而且家用(yong)(yong)WiFi還可(ke)以做到24小時(shi)的(de)(de)全天候監(jian)測，也不用(yong)(yong)額外部署(shu)傳感器。
除此之外，無感監測還可以用到讓(rang)你意想(xiang)不到的場景中：利(li)用智(zhi)能設(she)備（手機、智(zhi)能手表等）內置的揚聲器(qi)，讓(rang)其(qi)以設(she)定的調制方式和頻率(lv)產生(sheng)人耳聽不見(jian)的聲波(bo)信(xin)號(hao)（17KHz~24KHz），再利(li)用設(she)備的麥克風采集經由(you)環境反射回(hui)的聲波(bo)信(xin)號(hao)，通過對(dui)信(xin)號(hao)進行處理就可以感知周(zhou)圍環境的變化，超聲波(bo)信(xin)號(hao)較短的波(bo)長（2cm左右）使其(qi)非常(chang)適用于細粒度的人機交互動作感知。
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(qie)他們還通過超聲(sheng)波的唇語感(gan)(gan)知(zhi)信號實現了多模態語音增強，這樣(yang)以來，用戶(hu)在用手(shou)機發(fa)送語音消息或者記錄語音筆記時，借助超聲(sheng)波感(gan)(gan)知(zhi)技(ji)術(shu)就可以有效過濾掉(diao)周圍環境中的噪聲(sheng)。
圖：基(ji)于超聲波的端(duan)到(dao)端(duan)唇語識別
無處不在的“透明”計算
在普適計(ji)算(suan)剛剛提出來的(de)時候，很(hen)多人都覺得(de)這是(shi)無稽之談。但經過多年的(de)發展(zhan)，計(ji)算(suan)機已(yi)經經歷了(le)集中(zhong)式(shi)、分布式(shi)、嵌入(ru)式(shi)等階段，物(wu)聯網(wang)和(he)人工智能(neng)也(ye)伴隨著各種(zhong)終端得(de)到了(le)廣泛(fan)的(de)部(bu)署和(he)應用，各種(zhong)感知(zhi)和(he)控制設備的(de)設備的(de)興起，都讓普適計(ji)算(suan)逐漸成為可能(neng)。
若要(yao)讓普(pu)適(shi)計(ji)算(suan)的理(li)論(lun)落到(dao)實處(chu)，就(jiu)要(yao)利用(yong)各種設(she)備(bei)進(jin)行泛在(zai)感知(zhi)。在(zai)過(guo)去和現(xian)在(zai)，計(ji)算(suan)機和手機等(deng)各種設(she)備(bei)的“存在(zai)感”始終很強，使得本應是機器服務于人(ren)的情況變(bian)成(cheng)了人(ren)被機器所“綁架”。在(zai)未(wei)來(lai)，只有將基(ji)礎理(li)論(lun)和人(ren)工智能更加(jia)有機地結(jie)合(he)起來(lai)，才能將“無感”式(shi)的感知(zhi)真(zhen)正變(bian)成(cheng)空(kong)氣中的氧氣、變(bian)成(cheng)以人(ren)為中心，并能自動適(shi)應用(yong)戶的需(xu)求變(bian)化。
除此之外，作為普適計算的分支，智慧城市、智(zhi)慧樓(lou)宇、智(zhi)能家居(ju)等的(de)持續發展，也會讓(rang)“無(wu)限感知”真正變得“無(wu)處不(bu)在”。
參考資料：
1.《基(ji)于RFID的無源(yuan)感(gan)(gan)知(zhi)技術及應用——從(cong)RFID識別到RFID感(gan)(gan)知(zhi)》 上海交(jiao)通(tong)大學RFID與物(wu)聯(lian)網研(yan)究(jiu)所所長、博士(shi)、博士(shi)生導(dao)師 王東(dong)；上海交(jiao)通(tong)大學RFID與物(wu)聯(lian)網研(yan)究(jiu)所博士(shi)后 張謙(qian)
2.《從“識別”到“感知(zhi)”： 基于 RFID 的可(ke)標記(ji)無(wu)源(yuan)感知(zhi)》，中國計算機學會通訊
3.《靠WiFi信號就能檢(jian)測呼吸跌(die)倒！北大這項硬科技研究(jiu)越來越藏不住了》，量子(zi)位
