基于上下文感知和 RFID 的智能交互系統(tǒng)

　　1 概述

　　上下文感知是信息空間和物理空間相融合的重要支撐技術，它使用戶可用的計算環(huán)境和軟件資源能動態(tài)適應相關歷史狀態(tài)信息。上下文作為人的理性推理中一種含蓄的直覺，通常指向興趣中心的周邊環(huán)境，提供原始信息(例如何時、何地、何種情況)及對這些信息的直接理解，上下文從認知領域的角度可分為用戶上下文、環(huán)境上下文、計算上下文。如果一個系統(tǒng)使用上下文向用戶提供相關信息或服務，則認為這個系統(tǒng)是上下文感知的。這類感知行為包括上下文觸發(fā)、標記信息(例如對照片、電影、海報等通過射頻識別(RFID)標簽標記其作者)、鄰近對象選擇、自動執(zhí)行服務(如自動轉接電話、短信息)、自動配置(如當進入演出廳時設置手機為靜音)等。RFID 是目前最具發(fā)展前景的一種自動識別技術，與傳統(tǒng)識別技術相比，RFID具有多目標同時識別、讀寫速度快、存儲空間大、非接觸、工作距離遠、穿透性強、外形多樣和工作環(huán)境適應性強等多種優(yōu)勢。

　　由于RFID應答器具有全球唯一的標識，因此可以通過RFID系統(tǒng)互聯(lián)實現(xiàn)實物互聯(lián)與信息共享。隨著RFID 技術的推廣，應答器(如標簽等)將無處不在”。因為標簽作為應答器不會給物理實體帶來外觀的改變，且對用戶具有透明性，所以RFID技術為聯(lián)系物理空間和信息空間的融合提供了可能，是實現(xiàn)上下文感知體系的基礎之一。通過RFID來感知計算場景中與交互任務相關的上下文能實現(xiàn)交互的隱式化，從而讓計算終端和日常物體具有與人自然和諧交互的能力。目前國內對于上下文感知計算的研究大多處于理論階段，真正的應用系統(tǒng)很少，因此，本文基于RFID技術在上下文記錄與感知方面的優(yōu)勢，研究了移動計算環(huán)境中利用嵌入式設備的交互原形系統(tǒng)。

　　2 總體設計

　　RFID標簽具有隱蔽性和廉價性，可用于標識物理計算終端和日常物體并使其對用戶透明，其內部存儲空間可以記錄交互過程中需要的上下文信息。這些上下文通常被認為是某種實體狀態(tài)的特征描述，該實體可以是人、地點或其他與人機交互相關的對象，包括交互中的用戶和程序本身。在上下文感知計算環(huán)境中，程序要適應計算與資源有效性的變化和上下文信息的存在。如果充分利用這些上下文，例如用戶的位置、溫度、周圍的人、現(xiàn)在的時間和燈光噪音等，交互時就會減少對用戶注意力的吸引，提高交互效率和自適應性。在上下文感知系統(tǒng)所處移動環(huán)境中，通信實體的異質性要求系統(tǒng)能及時適應不同位置、不同角色和請求、不同設備及不同服務反饋。這種物理環(huán)境和用戶需求不斷變化的特性使應用必須包含特定能力，以刻畫上下文感知。本文采用面向對象的方法對上下文建模，把上下文表現(xiàn)成實體、屬性、和實體與屬性之間聯(lián)系的集合。整個體系結構包括在移動環(huán)境中對上下文的采集、聚合、查詢發(fā)現(xiàn)和一致性維護，如圖l所示。其中，上下文適應層使應用程序交互層中用戶的行為能與上下文信息相適應，能根據(jù)上下文變化自動設置，這種自適應可以通過基于if-then規(guī)則推理的方式來實現(xiàn)。

圖1 上下文感知計算體系框架

　　本文通過手持終端自動獲取被動RFID標簽數(shù)據(jù)，這些廣泛存在的標簽被看作內容和資源的集合或包含指向所需資源的統(tǒng)一資源描述符(URI)。上下文聚合層過濾并融合這些低級數(shù)據(jù)后形成高級數(shù)據(jù)表現(xiàn)。交互的自適應性需要使用約束、參數(shù)選擇和偏好等描述用戶需求，系統(tǒng)依據(jù)對聚合數(shù)據(jù)的分析向用戶提供適合當前情景(包括任務、位置、時間、用戶身份和職業(yè)等)的服務，用戶與被RFID標識的物體間的交互無須通過用戶顯式地提出請求。本文研究的特點如下：(1)使用RFID 來擴展了上下文獲取和表現(xiàn)途徑；(2)以嵌入式移動設備為實驗原形系統(tǒng)平臺，擴展了交互的應用場景，可以應用于穿戴計算設備。

　　3 原形系統(tǒng)實現(xiàn)

　　移動計算環(huán)境通常由許多可供移動用戶交互的終端設備組成，在這種情形下，用戶所處環(huán)境中的計算資源不斷變化，用戶如果需要關于新環(huán)境的信息，最好的方法是通過上下文歷史和當前上下文來判斷并選擇。能向用戶提供服務的物理設備一般在用戶附近，個人局域網(wǎng)(PAN)很適合這種應用場景。Bluetooth作為無線個人局域網(wǎng)(WPAN)的一個重要標準，運行在公用ISM 2．4 GHz頻段上，具有開放性、低成本、便攜性、安全性、體積小和耗電低的優(yōu)點。Bluetooth已被大量集成到眾多類型的移動終端中，它在移動服務的部署中起著關鍵作用。隨著Bluetooth與超寬帶UWB無線技術的合作，下一代藍牙技術將滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋銛y性和速度方面的要求，其普及在未來移動計算環(huán)境中將發(fā)揮更大基礎性作用。在目前研究中，藍牙主要用于文件或語音傳輸，其潛力沒有被發(fā)掘，本文將它引入用戶終端與計算環(huán)境的通信中，在環(huán)境接入層采用嵌入式設備并以Bluetooth作為無線通信和上下文分發(fā)接口。
上下文采集由BTEnableReader節(jié)點完成，如圖2所示。

圖2 原形系統(tǒng)BTEnableReader&PDA Host

　　它由以下5個模塊組成：

　　(1)射頻識別模塊，Transceiver IC$6700負責閱讀器與應答器的通信，射頻讀寫模塊與MCU的通信基于$6700提供給MCU的串行數(shù)字通信接口實現(xiàn)，包括SCLOCK，DIN，DOUT和M—ERR，分別代表時鐘線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線和錯誤控制。

　　(2)通信模塊，提供支撐無線通信功能的一系列協(xié)議，完成節(jié)點間及移動終端和節(jié)點間的通信功能，本文使用藍牙模塊ROK101 007并通過UART與MCU進行通信，通信速率在4 800 bit／s-57 600 bit／s之間可調，系統(tǒng)初始通信的波特率設置為57 600 bit／s、8數(shù)據(jù)位、1停止位、無校驗位。MCU采用中斷方式接收藍牙模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。微控制器端的工作電壓(5 V)和藍牙芯片的工作電壓(3．3 V)不同，在連接這2個部分時，加入電平轉換芯片74HC14。

　　(3)存儲模塊，通過I2C總線控制24LC256用以保存通信過程中的原始上下文數(shù)據(jù)。

　　(4)時鐘模塊，采用M4lT8l提供實時時鐘數(shù)據(jù)并保證時問同步。

　　(5)主控制(MCU)模塊，負責數(shù)據(jù)處理及協(xié)議轉換，并完成對其他模塊的控制。此外BTEnableReader節(jié)點還包括按鍵和聲光外設等用于錯誤和狀態(tài)檢測，節(jié)點具體硬件結構如圖3所示。

圖3 BTEnableReader節(jié)點的硬件設計

　　上下文存儲使用TI Tag—it智能標簽，該標簽內有64位的唯一標志(UID)、8位的應用識別號(AFI)和8位的數(shù)據(jù)存儲格式(DSFID)用于標識標簽和特定應用的特征。標簽內有256 B的EEPROM，分成64個塊，每個塊包括32 bit。每個塊均可以鎖定，以保護數(shù)據(jù)不被修改。MCU依據(jù)ISO．15693協(xié)議與射頻收發(fā)芯片進行數(shù)據(jù)通信，對應答器標簽防碰撞檢測采用該協(xié)議Inventory指令實現(xiàn)所規(guī)定的地址匹配算法。對藍牙模塊的訪問通過主控制器接口(HCI)完成，HCI協(xié)議定義了一套訪問藍牙底層設備的函數(shù)接口。從藍牙的協(xié)議結構來看，HCI位于鏈路管理協(xié)議之上、應用協(xié)議之下，為上層和應用相關的協(xié)議訪問底層協(xié)議和藍牙硬件提供了一個統(tǒng)一的接口。HCI固件通過訪問基帶(Baseboard)命令、鏈路管理層(LM)命令、硬件狀態(tài)寄存器、控制寄存器及事件寄存器實現(xiàn)對藍牙硬件的控制。原形系統(tǒng)中HCI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括3類：從主機發(fā)往藍牙硬件的HCI命令分組，從藍牙硬件發(fā)往主機的HCI事件分組，可以雙向傳輸?shù)腍CI數(shù)據(jù)分組，HCI傳輸采用的物理接口為UART。本文在微控制器中實現(xiàn)了協(xié)議所定義的函數(shù)接口，這些函數(shù)接口隱藏了鏈路層的實現(xiàn)過程，為開發(fā)上層應用提供了一個友好平臺。

　　4 實例分析

　　本文以會展為應用實例，為了同時給參展商和與會人員提供便利，在某論壇暨展覽會中，采用本文RFID系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用紙張出入證或條形碼的會展管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由服務中心、展臺子系統(tǒng)，移動終端子系統(tǒng)3個部分組成，整個會展區(qū)域被看作一個上下文感知計算環(huán)境，本文關注的上下文信息包括參觀者的身份、位置、年齡、職業(yè)及參展商能提供的服務內容等。會展前向每位參觀者和參展商發(fā)放一張智能標簽作為出入證，標簽的UID號唯一標識該與會人員的信息。每個展臺部署有一個BTEnableReader節(jié)點，參展商將其標簽置于自己的展臺節(jié)點讀寫范圍內。參觀者經(jīng)過該展臺時，可以通過支持藍牙的移動終端(如圖2所示的PDA，HPiPAQ5460，Pocket PC 2002)來控制BTEnableReader讀取參展商的標簽，從而獲取參展商的介紹并了解該展商所能提供的服務。該上下文信息可以表現(xiàn)為一個存儲在參展商標簽內的URL，參觀者在終端上可以通過互聯(lián)網(wǎng)快速訪問它。筆者在實驗中調查了50名不同用戶，如圖4所示，結果表明用戶的友好度和交互體驗得到很大提升。

圖4 用戶交互實驗結果

　　如果與會人員對某展臺感興趣，他在該展臺的閱讀器上進行一次刷卡操作后參展商的唯一標識號被寫入與會者的標簽中，參觀者的唯一標識也被寫入?yún)⒄股痰臉撕瀮?。此時，參展商可以根據(jù)參觀者的身份、職業(yè)判斷其可能感興趣的內容并立即向其移動終端推薦可以提供的服務列表(文本或URL)。由于出入VI安裝有門禁讀寫節(jié)點，因此當參觀者的位置離開此計算環(huán)境時，系統(tǒng)將在其移動終端上自動提示他可以通過標簽在服務中心自助設備上打印今天所有感興趣的參展商信息。由于展臺位置是一定的，因此舉辦方需要通過對特定時間內每位參觀者路徑的數(shù)據(jù)分析來了解不同類型參觀者對各種參展商的反應和興趣。參展商展會在結束后通過標簽可以在服務中心的自助設備上獲得所有對該展臺感興趣的參觀者信息，無須向參觀者索取名片。

　　5 結束語

　　面向移動環(huán)境中上下文感知計算的RFID交互系統(tǒng)具有豐動性、自適應性、移動性和個性化特征。本文提出的原形系統(tǒng)可以方便地嵌入到手套、帽子或其他衣物中，這種可穿戴的設備在移動計算環(huán)境下?lián)碛芯薮笄熬?。此系統(tǒng)可以根據(jù)特定需求進行定制和擴充，例如可以增加GPS定位或GSM功能。在用戶隱私保護、上下文推理策略、上下文質量管理、異構傳感器的融合和互操作方面，本文系統(tǒng)有待進一步開發(fā)與完善。