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万能标签,借助反射的 Wi-Fi 信号,让一切物品皆可”触控”

2018年09月05日

  尽管今天的电子设备已经广泛采用了触控屏,大多数家用和商用物品仍然不具备触控功能。现在,一种利用反射 Wi-Fi 信号的新型智能标签可以让这些非触控物品具备触控功能。

  智能标签不算是个新点子,但是大多数之前的智能标签若不借助电池或者复杂内置芯片,则功能会严重受限,只能做存储和在被访问时被动提供数据之用。

  近日推出的 LiveTag 智能标签在被贴在物品、墙壁以及其他任何东西上之后,允许进行交互式控制。人们可以用它远程控制音乐播放器或者获知房屋蓄水池中有多少水。

万能标签,借助反射的 Wi-Fi 信号,让一切物品皆可”触控”

  图丨研究人员展示单薄柔韧的 LiveTag,并将其与最左边的一张相纸进行对比(来源:Xinyu Zhang/UC San Diego)

  加州大学圣迭戈分校电子和计算机工程助理教授张鑫宇(音译,Xinyu Zhang)表示,该标签可以对包括人在内的诸多日常物品的日常状态进行测定,并允许用户通过标签与这些物品进行互动。

  张教授和他在威斯康星-麦迪逊大学的同事在一次关于如何将日常物品融入物联网而无需附加昂贵电池和专用芯片的头脑风暴会议上,构思出了 LiveTag 技术。

  LiveTag 的设计和早期原型相关论文:https://pages.cs.wisc.edu/~chuhan/wp-content/uploads/LiveTag_NSDI.pdf

  LiveTag 的基本功能看上去平淡无奇:轻质柔韧基底上附加的铜印刷电路,没有附加电池或者其他电子器件。但是电路的设计使得 LiveTag 可以吸收特定频率的 Wi-Fi 信号,特别针对运行在 2.4GHz 与 5GHz Wi-Fi 技术专用频率上的信号。

  每个特征电路对 Wi-Fi 信号的吸收将会令 Wi-Fi 信号在特定频谱产生可识别的特征,这种特征能被 Wi-Fi 接收机读取,每个标签的可识别特征不同,因此具备可识别性。

  此外,人如果触碰标签的不同点,就会改变该标签的 Wi-Fi 频谱特征,这相当于按下了某个按钮。比如,LiveTag 可以用作具备启动-暂停按钮和音量控制滑动钮的音乐播放器控制器,只要附近的 Wi-Fi 支持这一功能。

  不过,设计电路不是一件容易的事情。张教授和他的同事尝试了大量的形状、大小和材料组合,然后通过计算机仿真验证效果。

万能标签,借助反射的 Wi-Fi 信号,让一切物品皆可”触控”

  图丨基于 LiveTag 制作的音乐播放器控制器,通过对反射 Wi-Fi 信号的频谱调制实现控制(来源:Xinyu Zhang/UC SanDiego)

  此外,研究者还必须为 Wi-Fi 设备开发定制化的多天线波束形成算法来识别 LiveTag 的频谱特征,将来自 LiveTag 的反射信号与来自墙壁、物体甚至人体的反射信号区分开来。

  为了滤除其他反射信号,Wi-Fi 控制软件利用多个天线生成指向多个方向的波束。这样,大多数会在不同方向产生反射信号的物体,其反射信号可以被当做噪声滤除,而来自 LiveTag 的信号仍然被保留下来。

  张教授和同事构建了一个基于 LiveTag 的音乐控制器,具有开关按键和音量控制滑动按钮,能通过 Wi-Fi 接收机,远程控制音乐播放器。他们还把另一个 LiveTag 贴在了塑料瓶子上,然后展示 LiveTag 在被触摸时探测液面位置。该技术可以与智能手机应用一起使用,为跑步者提醒定期补水,避免脱水。

  之前的智能标签大多基于 RFID 芯片,这种 RFID 标签可以提供物品的标识和位置信息。科学家也成功将 RFID 芯片植入衣服和床垫中,实现健康状态监控功能。但是 RFID 标签对触控功能的支持极其有限,只能发送出“被按压”和“没有被按压”两种信号。此外,RFID 表现需要专用设备来读取器信号,这也限制了其应用范围。

  一家挪威公司 Thinfilm 已经开发出了基于近场通信(near-field communications,NFC)芯片的智能标签,可以用智能手机读取,但是 Thinfilm 标签只限于存储和应答产品信息,似乎不支持触控功能。

  张教授和同事曾经考虑过基于计算机视觉和深度学习技术,来通过摄像头识别人类是否在触控标签,但是这个点子不久被放弃,因为必须依靠摄像头支持,这对用户的隐私是一个威胁。

  当然,LiveTag 也存在严重局限。首先,该标签只能在 Wi-Fi 设备 1 米之内工作,这严重限制了标签的应用。当然,张相信通过更多的 Wi-Fi 天线,并对标签电路进行更复杂的设计,可以让可用距离变得更大。

  另一个挑战是,2.4GHz 的Wi-Fi 信号带宽有限,因此能支持的频谱特征数目受到限制。具体地,目前的 LiveTag 只能支持 5-9 个频谱特征。对于这个问题,研究人员试图设计能对 Wi-Fi 信号的相位进行调制的智能标签电路,这样可以显著增加可用的信号特征数目。

  尽管有以上局限性,LiveTag 的原型已经引起了业界的兴趣。此外,其他研究团队也提出了 LiveTag 的多种潜在应用。例如,医疗领域希望利用贴在门上和日常用品上的智能标签,监控老年病人的日常健康状态。张教授表示,这个解决方案很有潜力,因为它是非侵入式的,且无需电池,不侵犯隐私。

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