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基于上下文感知和 RFID 的智能交互系统
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1 概述
上下文感知是信息空间和物理空间相融合的重要支撑技术，它使用户可用的计算环境和软件资源能动态适应相关历史状态信息。上下文作为人的理性推理中一种含蓄的直觉，通常指向兴趣中心的周边环境，提供原始信息(例如何时、何地、何种情况)及对这些信息的直接理解，上下文从认知领域的角度可分为用户上下文、环境上下文、计算上下文。如果一个系统使用上下文向用户提供相关信息或服务，则认为这个系统是上下文感知的。这类感知行为包括上下文触发、标记信息(例如对照片、电影、海报等通过射频识别(RFID)标签标记其作者)、邻近对象选择、自动执行服务(如自动转接电话、短信息)、自动配置(如当进入演出厅时设置手机为静音)等。RFID 是目前最具发展前景的一种自动识别技术，与传统识别技术相比，RFID具有多目标同时识别、读写速度快、存储空间大、非接触、工作距离远、穿透性强、外形多样和工作环境适应性强等多种优势。
由于RFID应答器具有全球唯一的标识，因此可以通过RFID系统互联实现实物互联与信息共享。随着RFID 技术的推广，应答器(如标签等)将无处不在”。因为标签作为应答器不会给物理实体带来外观的改变，且对用户具有透明性，所以RFID技术为联系物理空间和信息空间的融合提供了可能，是实现上下文感知体系的基础之一。通过RFID来感知计算场景中与交互任务相关的上下文能实现交互的隐式化，从而让计算终端和日常物体具有与人自然和谐交互的能力。目前国内对于上下文感知计算的研究大多处于理论阶段，真正的应用系统很少，因此，本文基于RFID技术在上下文记录与感知方面的优势，研究了移动计算环境中利用嵌入式设备的交互原形系统。
2 总体设计
RFID标签具有隐蔽性和廉价性，可用于标识物理计算终端和日常物体并使其对用户透明，其内部存储空间可以记录交互过程中需要的上下文信息。这些上下文通常被认为是某种实体状态的特征描述，该实体可以是人、地点或其他与人机交互相关的对象，包括交互中的用户和程序本身。在上下文感知计算环境中，程序要适应计算与资源有效性的变化和上下文信息的存在。如果充分利用这些上下文，例如用户的位置、温度、周围的人、现在的时间和灯光噪音等，交互时就会减少对用户注意力的吸引，提高交互效率和自适应性。在上下文感知系统所处移动环境中，通信实体的异质性要求系统能及时适应不同位置、不同角色和请求、不同设备及不同服务反馈。这种物理环境和用户需求不断变化的特性使应用必须包含特定能力，以刻画上下文感知。本文采用面向对象的方法对上下文建模，把上下文表现成实体、属性、和实体与属性之间联系的集合。整个体系结构包括在移动环境中对上下文的采集、聚合、查询发现和一致性维护，如图l所示。其中，上下文适应层使应用程序交互层中用户的行为能与上下文信息相适应，能根据上下文变化自动设置，这种自适应可以通过基于if-then规则推理的方式来实现。
3 原形系统实现
移动计算环境通常由许多可供移动用户交互的终端设备组成，在这种情形下，用户所处环境中的计算资源不断变化，用户如果需要关于新环境的信息，最好的方法是通过上下文历史和当前上下文来判断并选择。能向用户提供服务的物理设备一般在用户附近，个人局域网(PAN)很适合这种应用场景。Bluetooth作为无线个人局域网(WPAN)的一个重要标准，运行在公用ISM 2．4 GHz频段上，具有开放性、低成本、便携性、安全性、体积小和耗电低的优点。Bluetooth已被大量集成到众多类型的移动终端中，它在移动服务的部署中起着关键作用。随着Bluetooth与超宽带UWB无线技术的合作，下一代蓝牙技术将满足大容量数据传输的便携性和速度方面的要求，其普及在未来移动计算环境中将发挥更大基础性作用。在目前研究中，蓝牙主要用于文件或语音传输，其潜力没有被发掘，本文将它引入用户终端与计算环境的通信中，在环境接入层采用嵌入式设备并以Bluetooth作为无线通信和上下文分发接口。
上下文采集由BTEnableReader节点完成，如图2所示。
(1)射频识别模块，Transceiver IC$6700负责阅读器与应答器的通信，射频读写模块与MCU的通信基于$6700提供给MCU的串行数字通信接口实现，包括SCLOCK，DIN，DOUT和M—ERR，分别代表时钟线、数据输入线、数据输出线和错误控制。
(2)通信模块，提供支撑无线通信功能的一系列协议，完成节点间及移动终端和节点间的通信功能，本文使用蓝牙模块ROK101 007并通过UART与MCU进行通信，通信速率在4 800 bit／s-57 600 bit／s之间可调，系统初始通信的波特率设置为57 600 bit／s、8数据位、1停止位、无校验位。MCU采用中断方式接收蓝牙模块发送过来的数据。微控制器端的工作电压(5 V)和蓝牙芯片的工作电压(3．3 V)不同，在连接这2个部分时，加入电平转换芯片74HC14。
(3)存储模块，通过I2C总线控制24LC256用以保存通信过程中的原始上下文数据。
(4)时钟模块，采用M4lT8l提供实时时钟数据并保证时问同步。
(5)主控制(MCU)模块，负责数据处理及协议转换，并完成对其他模块的控制。此外BTEnableReader节点还包括按键和声光外设等用于错误和状态检测，节点具体硬件结构如图3所示。
4 实例分析
本文以会展为应用实例，为了同时给参展商和与会人员提供便利，在某论坛暨展览会中，采用本文RFID系统代替传统使用纸张出入证或条形码的会展管理系统。系统由服务中心、展台子系统，移动终端子系统3个部分组成，整个会展区域被看作一个上下文感知计算环境，本文关注的上下文信息包括参观者的身份、位置、年龄、职业及参展商能提供的服务内容等。会展前向每位参观者和参展商发放一张智能标签作为出入证，标签的UID号唯一标识该与会人员的信息。每个展台部署有一个BTEnableReader节点，参展商将其标签置于自己的展台节点读写范围内。参观者经过该展台时，可以通过支持蓝牙的移动终端(如图2所示的PDA，HPiPAQ5460，Pocket PC 2002)来控制BTEnableReader读取参展商的标签，从而获取参展商的介绍并了解该展商所能提供的服务。该上下文信息可以表现为一个存储在参展商标签内的URL，参观者在终端上可以通过互联网快速访问它。笔者在实验中调查了50名不同用户，如图4所示，结果表明用户的友好度和交互体验得到很大提升。
5 结束语
面向移动环境中上下文感知计算的RFID交互系统具有丰动性、自适应性、移动性和个性化特征。本文提出的原形系统可以方便地嵌入到手套、帽子或其他衣物中，这种可穿戴的设备在移动计算环境下拥有巨大前景。此系统可以根据特定需求进行定制和扩充，例如可以增加GPS定位或GSM功能。在用户隐私保护、上下文推理策略、上下文质量管理、异构传感器的融合和互操作方面，本文系统有待进一步开发与完善。
上下文感知是信息空间和物理空间相融合的重要支撑技术，它使用户可用的计算环境和软件资源能动态适应相关历史状态信息。上下文作为人的理性推理中一种含蓄的直觉，通常指向兴趣中心的周边环境，提供原始信息(例如何时、何地、何种情况)及对这些信息的直接理解，上下文从认知领域的角度可分为用户上下文、环境上下文、计算上下文。如果一个系统使用上下文向用户提供相关信息或服务，则认为这个系统是上下文感知的。这类感知行为包括上下文触发、标记信息(例如对照片、电影、海报等通过射频识别(RFID)标签标记其作者)、邻近对象选择、自动执行服务(如自动转接电话、短信息)、自动配置(如当进入演出厅时设置手机为静音)等。RFID 是目前最具发展前景的一种自动识别技术，与传统识别技术相比，RFID具有多目标同时识别、读写速度快、存储空间大、非接触、工作距离远、穿透性强、外形多样和工作环境适应性强等多种优势。
由于RFID应答器具有全球唯一的标识，因此可以通过RFID系统互联实现实物互联与信息共享。随着RFID 技术的推广，应答器(如标签等)将无处不在”。因为标签作为应答器不会给物理实体带来外观的改变，且对用户具有透明性，所以RFID技术为联系物理空间和信息空间的融合提供了可能，是实现上下文感知体系的基础之一。通过RFID来感知计算场景中与交互任务相关的上下文能实现交互的隐式化，从而让计算终端和日常物体具有与人自然和谐交互的能力。目前国内对于上下文感知计算的研究大多处于理论阶段，真正的应用系统很少，因此，本文基于RFID技术在上下文记录与感知方面的优势，研究了移动计算环境中利用嵌入式设备的交互原形系统。
2 总体设计
RFID标签具有隐蔽性和廉价性，可用于标识物理计算终端和日常物体并使其对用户透明，其内部存储空间可以记录交互过程中需要的上下文信息。这些上下文通常被认为是某种实体状态的特征描述，该实体可以是人、地点或其他与人机交互相关的对象，包括交互中的用户和程序本身。在上下文感知计算环境中，程序要适应计算与资源有效性的变化和上下文信息的存在。如果充分利用这些上下文，例如用户的位置、温度、周围的人、现在的时间和灯光噪音等，交互时就会减少对用户注意力的吸引，提高交互效率和自适应性。在上下文感知系统所处移动环境中，通信实体的异质性要求系统能及时适应不同位置、不同角色和请求、不同设备及不同服务反馈。这种物理环境和用户需求不断变化的特性使应用必须包含特定能力，以刻画上下文感知。本文采用面向对象的方法对上下文建模，把上下文表现成实体、属性、和实体与属性之间联系的集合。整个体系结构包括在移动环境中对上下文的采集、聚合、查询发现和一致性维护，如图l所示。其中，上下文适应层使应用程序交互层中用户的行为能与上下文信息相适应，能根据上下文变化自动设置，这种自适应可以通过基于if-then规则推理的方式来实现。
图1 上下文感知计算体系框架
3 原形系统实现
移动计算环境通常由许多可供移动用户交互的终端设备组成，在这种情形下，用户所处环境中的计算资源不断变化，用户如果需要关于新环境的信息，最好的方法是通过上下文历史和当前上下文来判断并选择。能向用户提供服务的物理设备一般在用户附近，个人局域网(PAN)很适合这种应用场景。Bluetooth作为无线个人局域网(WPAN)的一个重要标准，运行在公用ISM 2．4 GHz频段上，具有开放性、低成本、便携性、安全性、体积小和耗电低的优点。Bluetooth已被大量集成到众多类型的移动终端中，它在移动服务的部署中起着关键作用。随着Bluetooth与超宽带UWB无线技术的合作，下一代蓝牙技术将满足大容量数据传输的便携性和速度方面的要求，其普及在未来移动计算环境中将发挥更大基础性作用。在目前研究中，蓝牙主要用于文件或语音传输，其潜力没有被发掘，本文将它引入用户终端与计算环境的通信中，在环境接入层采用嵌入式设备并以Bluetooth作为无线通信和上下文分发接口。
上下文采集由BTEnableReader节点完成，如图2所示。
图2 原形系统BTEnableReader&PDA Host
(1)射频识别模块，Transceiver IC$6700负责阅读器与应答器的通信，射频读写模块与MCU的通信基于$6700提供给MCU的串行数字通信接口实现，包括SCLOCK，DIN，DOUT和M—ERR，分别代表时钟线、数据输入线、数据输出线和错误控制。
(2)通信模块，提供支撑无线通信功能的一系列协议，完成节点间及移动终端和节点间的通信功能，本文使用蓝牙模块ROK101 007并通过UART与MCU进行通信，通信速率在4 800 bit／s-57 600 bit／s之间可调，系统初始通信的波特率设置为57 600 bit／s、8数据位、1停止位、无校验位。MCU采用中断方式接收蓝牙模块发送过来的数据。微控制器端的工作电压(5 V)和蓝牙芯片的工作电压(3．3 V)不同，在连接这2个部分时，加入电平转换芯片74HC14。
(3)存储模块，通过I2C总线控制24LC256用以保存通信过程中的原始上下文数据。
(4)时钟模块，采用M4lT8l提供实时时钟数据并保证时问同步。
(5)主控制(MCU)模块，负责数据处理及协议转换，并完成对其他模块的控制。此外BTEnableReader节点还包括按键和声光外设等用于错误和状态检测，节点具体硬件结构如图3所示。
图3 BTEnableReader节点的硬件设计
4 实例分析
本文以会展为应用实例，为了同时给参展商和与会人员提供便利，在某论坛暨展览会中，采用本文RFID系统代替传统使用纸张出入证或条形码的会展管理系统。系统由服务中心、展台子系统，移动终端子系统3个部分组成，整个会展区域被看作一个上下文感知计算环境，本文关注的上下文信息包括参观者的身份、位置、年龄、职业及参展商能提供的服务内容等。会展前向每位参观者和参展商发放一张智能标签作为出入证，标签的UID号唯一标识该与会人员的信息。每个展台部署有一个BTEnableReader节点，参展商将其标签置于自己的展台节点读写范围内。参观者经过该展台时，可以通过支持蓝牙的移动终端(如图2所示的PDA，HPiPAQ5460，Pocket PC 2002)来控制BTEnableReader读取参展商的标签，从而获取参展商的介绍并了解该展商所能提供的服务。该上下文信息可以表现为一个存储在参展商标签内的URL，参观者在终端上可以通过互联网快速访问它。笔者在实验中调查了50名不同用户，如图4所示，结果表明用户的友好度和交互体验得到很大提升。
图4 用户交互实验结果
5 结束语
面向移动环境中上下文感知计算的RFID交互系统具有丰动性、自适应性、移动性和个性化特征。本文提出的原形系统可以方便地嵌入到手套、帽子或其他衣物中，这种可穿戴的设备在移动计算环境下拥有巨大前景。此系统可以根据特定需求进行定制和扩充，例如可以增加GPS定位或GSM功能。在用户隐私保护、上下文推理策略、上下文质量管理、异构传感器的融合和互操作方面，本文系统有待进一步开发与完善。
