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(hù)可用的計(jì)算環(huán)境和軟件資源能動(dòng)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(jué)，通常指向興趣中心的周邊環(huán)境，提供原始信息(例如何時(shí)、何地、何種情況)及對(duì)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(hù)上下文、環(huán)境上下文、計(jì)算上下文。如果一個(gè)系統(tǒng)使用上下文向用戶(hù)提供相關(guān)信息或服務(wù)，則認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)是上下文感知的。這類(lèi)感知行為包括上下文觸發(fā)、標(biāo)記信息(例如對(duì)照片、電影、海報(bào)等通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽標(biāo)記其作者)、鄰近對(duì)象選擇、自動(dòng)執(zhí)行服務(wù)(如自動(dòng)轉(zhuǎn)接電話、短信息)、自動(dòng)配置(如當(dāng)進(jìn)入演出廳時(shí)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(dòng)識(shí)別技術(shù)，與傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)相比，RFID具有多目標(biāo)同時(shí)識(shí)別、讀寫(xiě)速度快、存儲(chǔ)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(shì)。

　　由于RFID應(yīng)答器具有全球唯一的標(biāo)識(shí)，因此可以通過(guò)RFID系統(tǒng)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)實(shí)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(wú)處不在”。因?yàn)闃?biāo)簽作為應(yīng)答器不會(huì)給物理實(shí)體帶來(lái)外觀的改變，且對(duì)用戶(hù)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(shí)現(xiàn)上下文感知體系的基礎(chǔ)之一。通過(guò)RFID來(lái)感知計(jì)算場(chǎng)景中與交互任務(wù)相關(guān)的上下文能實(shí)現(xiàn)交互的隱式化，從而讓計(jì)算終端和日常物體具有與人自然和諧交互的能力。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于上下文感知計(jì)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(shì)，研究了移動(dòng)計(jì)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(jì)

　　RFID標(biāo)簽具有隱蔽性和廉價(jià)性，可用于標(biāo)識(shí)物理計(jì)算終端和日常物體并使其對(duì)用戶(hù)透明，其內(nèi)部存儲(chǔ)空間可以記錄交互過(guò)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(shí)體狀態(tài)的特征描述，該實(shí)體可以是人、地點(diǎn)或其他與人機(jī)交互相關(guān)的對(duì)象，包括交互中的用戶(hù)和程序本身。在上下文感知計(jì)算環(huán)境中，程序要適應(yīng)計(jì)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(hù)的位置、溫度、周?chē)娜?、現(xiàn)在的時(shí)間和燈光噪音等，交互時(shí)就會(huì)減少對(duì)用戶(hù)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(dòng)環(huán)境中，通信實(shí)體的異質(zhì)性要求系統(tǒng)能及時(shí)適應(yīng)不同位置、不同角色和請(qǐng)求、不同設(shè)備及不同服務(wù)反饋。這種物理環(huán)境和用戶(hù)需求不斷變化的特性使應(yīng)用必須包含特定能力，以刻畫(huà)上下文感知。本文采用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)上下文建模，把上下文表現(xiàn)成實(shí)體、屬性、和實(shí)體與屬性之間聯(lián)系的集合。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)包括在移動(dòng)環(huán)境中對(duì)上下文的采集、聚合、查詢(xún)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(hù)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(dòng)設(shè)置，這種自適應(yīng)可以通過(guò)基于if-then規(guī)則推理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 上下文感知計(jì)算體系框架

　　本文通過(guò)手持終端自動(dòng)獲取被動(dòng)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(guò)濾并融合這些低級(jí)數(shù)據(jù)后形成高級(jí)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(hù)需求，系統(tǒng)依據(jù)對(duì)聚合數(shù)據(jù)的分析向用戶(hù)提供適合當(dāng)前情景(包括任務(wù)、位置、時(shí)間、用戶(hù)身份和職業(yè)等)的服務(wù)，用戶(hù)與被RFID標(biāo)識(shí)的物體間的交互無(wú)須通過(guò)用戶(hù)顯式地提出請(qǐng)求。本文研究的特點(diǎn)如下：(1)使用RFID 來(lái)擴(kuò)展了上下文獲取和表現(xiàn)途徑；(2)以嵌入式移動(dòng)設(shè)備為實(shí)驗(yàn)原形系統(tǒng)平臺(tái)，擴(kuò)展了交互的應(yīng)用場(chǎng)景，可以應(yīng)用于穿戴計(jì)算設(shè)備。

　　3 原形系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　移動(dòng)計(jì)算環(huán)境通常由許多可供移動(dòng)用戶(hù)交互的終端設(shè)備組成，在這種情形下，用戶(hù)所處環(huán)境中的計(jì)算資源不斷變化，用戶(hù)如果需要關(guān)于新環(huán)境的信息，最好的方法是通過(guò)上下文歷史和當(dāng)前上下文來(lái)判斷并選擇。能向用戶(hù)提供服務(wù)的物理設(shè)備一般在用戶(hù)附近，個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)很適合這種應(yīng)用場(chǎng)景。Bluetooth作為無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行在公用ISM 2．4 GHz頻段上，具有開(kāi)放性、低成本、便攜性、安全性、體積小和耗電低的優(yōu)點(diǎn)。Bluetooth已被大量集成到眾多類(lèi)型的移動(dòng)終端中，它在移動(dòng)服務(wù)的部署中起著關(guān)鍵作用。隨著B(niǎo)luetooth與超寬帶UWB無(wú)線技術(shù)的合作，下一代藍(lán)牙技術(shù)將滿(mǎn)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(lái)移動(dòng)計(jì)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(yǔ)音傳輸，其潛力沒(méi)有被發(fā)掘，本文將它引入用戶(hù)終端與計(jì)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(wú)線通信和上下文分發(fā)接口。
上下文采集由BTEnableReader節(jié)點(diǎn)完成，如圖2所示。

圖2 原形系統(tǒng)BTEnableReader&PDA Host

　　它由以下5個(gè)模塊組成：

　　(1)射頻識(shí)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(xiě)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(shí)現(xiàn)，包括SCLOCK，DIN，DOUT和M—ERR，分別代表時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線和錯(cuò)誤控制。

　　(2)通信模塊，提供支撐無(wú)線通信功能的一系列協(xié)議，完成節(jié)點(diǎn)間及移動(dòng)終端和節(jié)點(diǎn)間的通信功能，本文使用藍(lán)牙模塊ROK101 007并通過(guò)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(wú)校驗(yàn)位。MCU采用中斷方式接收藍(lán)牙模塊發(fā)送過(guò)來(lái)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(gè)部分時(shí)，加入電平轉(zhuǎn)換芯片74HC14。

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

　　(4)時(shí)鐘模塊，采用M4lT8l提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)并保證時(shí)問(wèn)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(duì)其他模塊的控制。此外BTEnableReader節(jié)點(diǎn)還包括按鍵和聲光外設(shè)等用于錯(cuò)誤和狀態(tài)檢測(cè)，節(jié)點(diǎn)具體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 BTEnableReader節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　上下文存儲(chǔ)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(shí)別號(hào)(AFI)和8位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式(DSFID)用于標(biāo)識(shí)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(gè)塊，每個(gè)塊包括32 bit。每個(gè)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(duì)應(yīng)答器標(biāo)簽防碰撞檢測(cè)采用該協(xié)議Inventory指令實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的地址匹配算法。對(duì)藍(lán)牙模塊的訪問(wèn)通過(guò)主控制器接口(HCI)完成，HCI協(xié)議定義了一套訪問(wèn)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(lái)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(wèn)底層協(xié)議和藍(lán)牙硬件提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口。HCI固件通過(guò)訪問(wèn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(lèi)：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(shí)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(shí)現(xiàn)過(guò)程，為開(kāi)發(fā)上層應(yīng)用提供了一個(gè)友好平臺(tái)。

　　4 實(shí)例分析

　　本文以會(huì)展為應(yīng)用實(shí)例，為了同時(shí)給參展商和與會(huì)人員提供便利，在某論壇暨展覽會(huì)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(huì)展管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由服務(wù)中心、展臺(tái)子系統(tǒng)，移動(dòng)終端子系統(tǒng)3個(gè)部分組成，整個(gè)會(huì)展區(qū)域被看作一個(gè)上下文感知計(jì)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(huì)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(hào)唯一標(biāo)識(shí)該與會(huì)人員的信息。每個(gè)展臺(tái)部署有一個(gè)BTEnableReader節(jié)點(diǎn)，參展商將其標(biāo)簽置于自己的展臺(tái)節(jié)點(diǎn)讀寫(xiě)范圍內(nèi)。參觀者經(jīng)過(guò)該展臺(tái)時(shí)，可以通過(guò)支持藍(lán)牙的移動(dòng)終端(如圖2所示的PDA，HPiPAQ5460，Pocket PC 2002)來(lái)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(gè)存儲(chǔ)在參展商標(biāo)簽內(nèi)的URL，參觀者在終端上可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)快速訪問(wèn)它。筆者在實(shí)驗(yàn)中調(diào)查了50名不同用戶(hù)，如圖4所示，結(jié)果表明用戶(hù)的友好度和交互體驗(yàn)得到很大提升。

圖4 用戶(hù)交互實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　如果與會(huì)人員對(duì)某展臺(tái)感興趣，他在該展臺(tái)的閱讀器上進(jìn)行一次刷卡操作后參展商的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)被寫(xiě)入與會(huì)者的標(biāo)簽中，參觀者的唯一標(biāo)識(shí)也被寫(xiě)入?yún)⒄股痰臉?biāo)簽內(nèi)。此時(shí)，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(dòng)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(mén)禁讀寫(xiě)節(jié)點(diǎn)，因此當(dāng)參觀者的位置離開(kāi)此計(jì)算環(huán)境時(shí)，系統(tǒng)將在其移動(dòng)終端上自動(dòng)提示他可以通過(guò)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(tái)位置是一定的，因此舉辦方需要通過(guò)對(duì)特定時(shí)間內(nèi)每位參觀者路徑的數(shù)據(jù)分析來(lái)了解不同類(lèi)型參觀者對(duì)各種參展商的反應(yīng)和興趣。參展商展會(huì)在結(jié)束后通過(guò)標(biāo)簽可以在服務(wù)中心的自助設(shè)備上獲得所有對(duì)該展臺(tái)感興趣的參觀者信息，無(wú)須向參觀者索取名片。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　面向移動(dòng)環(huán)境中上下文感知計(jì)算的RFID交互系統(tǒng)具有豐動(dòng)性、自適應(yīng)性、移動(dòng)性和個(gè)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(dòng)計(jì)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(hù)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(kāi)發(fā)與完善。