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(shù)，它使用戶可用的計算環(huán)境和軟件資源能動態(tài)適應(yīng)相關(guān)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(rèn)知領(lǐng)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(guān)信息或服務(wù)，則認(rèn)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(biāo)記信息(例如對照片、電影、海報等通過射頻識別(RFID)標(biāo)簽標(biāo)記其作者)、鄰近對象選擇、自動執(zhí)行服務(wù)(如自動轉(zhuǎn)接電話、短信息)、自動配置(如當(dāng)進(jìn)入演出廳時設(shè)置手機(jī)為靜音)等。RFID 是目前最具發(fā)展前景的一種自動識別技術(shù)，與傳統(tǒng)識別技術(shù)相比，RFID具有多目標(biāo)同時識別、讀寫速度快、存儲空間大、非接觸、工作距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)、外形多樣和工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等多種優(yōu)勢。

　　由于RFID應(yīng)答器具有全球唯一的標(biāo)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(shù)的推廣，應(yīng)答器(如標(biāo)簽等)將無處不在”。因為標(biāo)簽作為應(yīng)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(shù)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(chǔ)之一。通過RFID來感知計算場景中與交互任務(wù)相關(guān)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(nèi)對于上下文感知計算的研究大多處于理論階段，真正的應(yīng)用系統(tǒng)很少，因此，本文基于RFID技術(shù)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(shè)備的交互原形系統(tǒng)。

　　2 總體設(shè)計

　　RFID標(biāo)簽具有隱蔽性和廉價性，可用于標(biāo)識物理計算終端和日常物體并使其對用戶透明，其內(nèi)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(rèn)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(jī)交互相關(guān)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(yīng)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(yīng)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(zhì)性要求系統(tǒng)能及時適應(yīng)不同位置、不同角色和請求、不同設(shè)備及不同服務(wù)反饋。這種物理環(huán)境和用戶需求不斷變化的特性使應(yīng)用必須包含特定能力，以刻畫上下文感知。本文采用面向?qū)ο蟮姆椒▽ι舷挛慕?，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(jié)構(gòu)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(hù)，如圖l所示。其中，上下文適應(yīng)層使應(yīng)用程序交互層中用戶的行為能與上下文信息相適應(yīng)，能根據(jù)上下文變化自動設(shè)置，這種自適應(yīng)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(biāo)簽數(shù)據(jù)，這些廣泛存在的標(biāo)簽被看作內(nèi)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(yīng)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(dāng)前情景(包括任務(wù)、位置、時間、用戶身份和職業(yè)等)的服務(wù)，用戶與被RFID標(biāo)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(kuò)展了上下文獲取和表現(xiàn)途徑；(2)以嵌入式移動設(shè)備為實驗原形系統(tǒng)平臺，擴(kuò)展了交互的應(yīng)用場景，可以應(yīng)用于穿戴計算設(shè)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(shè)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(guān)于新環(huán)境的信息，最好的方法是通過上下文歷史和當(dāng)前上下文來判斷并選擇。能向用戶提供服務(wù)的物理設(shè)備一般在用戶附近，個人局域網(wǎng)(PAN)很適合這種應(yīng)用場景。Bluetooth作為無線個人局域網(wǎng)(WPAN)的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)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(wù)的部署中起著關(guān)鍵作用。隨著Bluetooth與超寬帶UWB無線技術(shù)的合作，下一代藍(lán)牙技術(shù)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(chǔ)性作用。在目前研究中，藍(lán)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(shè)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(fù)責(zé)閱讀器與應(yīng)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(lán)牙模塊ROK101 007并通過UART與MCU進(jìn)行通信，通信速率在4 800 bit／s-57 600 bit／s之間可調(diào)，系統(tǒng)初始通信的波特率設(shè)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(lán)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(lán)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(zhuǎn)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及協(xié)議轉(zhuǎn)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(shè)等用于錯誤和狀態(tài)檢測，節(jié)點具體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 BTEnableReader節(jié)點的硬件設(shè)計

　　上下文存儲使用TI Tag—it智能標(biāo)簽，該標(biāo)簽內(nèi)有64位的唯一標(biāo)志(UID)、8位的應(yīng)用識別號(AFI)和8位的數(shù)據(jù)存儲格式(DSFID)用于標(biāo)識標(biāo)簽和特定應(yīng)用的特征。標(biāo)簽內(nèi)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(hù)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對應(yīng)答器標(biāo)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(lán)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(lán)牙底層設(shè)備的函數(shù)接口。從藍(lán)牙的協(xié)議結(jié)構(gòu)來看，HCI位于鏈路管理協(xié)議之上、應(yīng)用協(xié)議之下，為上層和應(yīng)用相關(guān)的協(xié)議訪問底層協(xié)議和藍(lán)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(lán)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(jī)發(fā)往藍(lán)牙硬件的HCI命令分組，從藍(lán)牙硬件發(fā)往主機(jī)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(yīng)用提供了一個友好平臺。

　　4 實例分析

　　本文以會展為應(yīng)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(wù)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(guān)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(wù)內(nèi)容等。會展前向每位參觀者和參展商發(fā)放一張智能標(biāo)簽作為出入證，標(biāo)簽的UID號唯一標(biāo)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(biāo)簽置于自己的展臺節(jié)點讀寫范圍內(nèi)。參觀者經(jīng)過該展臺時，可以通過支持藍(lán)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(biāo)簽，從而獲取參展商的介紹并了解該展商所能提供的服務(wù)。該上下文信息可以表現(xiàn)為一個存儲在參展商標(biāo)簽內(nèi)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(diào)查了50名不同用戶，如圖4所示，結(jié)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(jié)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(jìn)行一次刷卡操作后參展商的唯一標(biāo)識號被寫入與會者的標(biāo)簽中，參觀者的唯一標(biāo)識也被寫入?yún)⒄股痰臉?biāo)簽內(nèi)。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(nèi)容并立即向其移動終端推薦可以提供的服務(wù)列表(文本或URL)。由于出入VI安裝有門禁讀寫節(jié)點，因此當(dāng)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(biāo)簽在服務(wù)中心自助設(shè)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(nèi)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(yīng)和興趣。參展商展會在結(jié)束后通過標(biāo)簽可以在服務(wù)中心的自助設(shè)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(jié)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(yīng)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(shè)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(jìn)行定制和擴(kuò)充，例如可以增加GPS定位或GSM功能。在用戶隱私保護(hù)、上下文推理策略、上下文質(zhì)量管理、異構(gòu)傳感器的融合和互操作方面，本文系統(tǒng)有待進(jìn)一步開發(fā)與完善。