萬能標籤藉助反射的 Wi-Fi 信號，讓一切物品皆可」觸控」

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儘管今天的電子設備已經廣泛採用了觸控屏，大多數家用和商用物品仍然不具備觸控功能。現在，一種利用反射 Wi-Fi 信號的新型智能標籤可以讓這些非觸控物品具備觸控功能。

智能標籤不算是個新點子，但是大多數之前的智能標籤若不藉助電池或者複雜內置晶元，則功能會嚴重受限，只能做存儲和在被訪問時被動提供數據之用。

近日推出的 LiveTag 智能標籤在被貼在物品、牆壁以及其他任何東西上之後，允許進行互動式控制。人們可以用它遠程控制音樂播放器或者獲知房屋蓄水池中有多少水。

圖丨研究人員展示單薄柔韌的 LiveTag，並將其與最左邊的一張相紙進行對比（來源：Xinyu Zhang/UC San Diego）

加州大學聖迭戈分校電子和計算機工程助理教授張鑫宇（音譯，Xinyu Zhang）表示，該標籤可以對包括人在內的諸多日常物品的日常狀態進行測定，並允許用戶通過標籤與這些物品進行互動。

張教授和他在威斯康星-麥迪遜大學的同事在一次關於如何將日常物品融入物聯網而無需附加昂貴電池和專用晶元的頭腦風暴會議上，構思出了 LiveTag 技術。

LiveTag 的設計和早期原型相關論文：

https://pages.cs.wisc.edu/~chuhan/wp-content/uploads/LiveTag_NSDI.pdf

LiveTag 的基本功能看上去平淡無奇：輕質柔韌基底上附加的銅印刷電路，沒有附加電池或者其他電子器件。但是電路的設計使得 LiveTag 可以吸收特定頻率的 Wi-Fi 信號，特別針對運行在 2.4GHz 與 5GHz Wi-Fi 技術專用頻率上的信號。

每個特徵電路對 Wi-Fi 信號的吸收將會令 Wi-Fi 信號在特定頻譜產生可識別的特徵，這種特徵能被 Wi-Fi 接收機讀取，每個標籤的可識別特徵不同，因此具備可識別性。

此外，人如果觸碰標籤的不同點，就會改變該標籤的 Wi-Fi 頻譜特徵，這相當於按下了某個按鈕。比如，LiveTag 可以用作具備啟動-暫停按鈕和音量控制滑動鈕的音樂播放器控制器，只要附近的 Wi-Fi 支持這一功能。

不過，設計電路不是一件容易的事情。張教授和他的同事嘗試了大量的形狀、大小和材料組合，然後通過計算機模擬驗證效果。

圖丨基於 LiveTag 製作的音樂播放器控制器，通過對反射 Wi-Fi 信號的頻譜調製實現控制（來源：Xinyu Zhang/UC SanDiego）

此外，研究者還必須為 Wi-Fi 設備開發定製化的多天線波束形成演算法來識別 LiveTag 的頻譜特徵，將來自 LiveTag 的反射信號與來自牆壁、物體甚至人體的反射信號區分開來。

為了濾除其他反射信號，Wi-Fi 控制軟體利用多個天線生成指向多個方向的波束。這樣，大多數會在不同方向產生反射信號的物體，其反射信號可以被當做雜訊濾除，而來自 LiveTag 的信號仍然被保留下來。

張教授和同事構建了一個基於 LiveTag 的音樂控制器，具有開關按鍵和音量控制滑動按鈕，能通過 Wi-Fi 接收機，遠程控制音樂播放器。他們還把另一個 LiveTag 貼在了塑料瓶子上，然後展示 LiveTag 在被觸摸時探測液面位置。該技術可以與智能手機應用一起使用，為跑步者提醒定期補水，避免脫水。

之前的智能標籤大多基於 RFID 晶元，這種 RFID 標籤可以提供物品的標識和位置信息。科學家也成功將 RFID 晶元植入衣服和床墊中，實現健康狀態監控功能。但是 RFID 標籤對觸控功能的支持極其有限，只能發送出「被按壓」和「沒有被按壓」兩種信號。此外，RFID 表現需要專用設備來讀取器信號，這也限制了其應用範圍。

一家挪威公司 Thinfilm 已經開發出了基於近場通信（near-field communications，NFC）晶元的智能標籤，可以用智能手機讀取，但是 Thinfilm 標籤只限於存儲和應答產品信息，似乎不支持觸控功能。

張教授和同事曾經考慮過基於計算機視覺和深度學習技術，來通過攝像頭識別人類是否在觸控標籤，但是這個點子不久被放棄，因為必須依靠攝像頭支持，這對用戶的隱私是一個威脅。

當然，LiveTag 也存在嚴重局限。首先，該標籤只能在 Wi-Fi 設備 1 米之內工作，這嚴重限制了標籤的應用。當然，張相信通過更多的 Wi-Fi 天線，並對標籤電路進行更複雜的設計，可以讓可用距離變得更大。

另一個挑戰是，2.4GHz 的Wi-Fi 信號帶寬有限，因此能支持的頻譜特徵數目受到限制。具體地，目前的 LiveTag 只能支持 5-9 個頻譜特徵。對於這個問題，研究人員試圖設計能對 Wi-Fi 信號的相位進行調製的智能標籤電路，這樣可以顯著增加可用的信號特徵數目。

儘管有以上局限性，LiveTag 的原型已經引起了業界的興趣。此外，其他研究團隊也提出了 LiveTag 的多種潛在應用。例如，醫療領域希望利用貼在門上和日常用品上的智能標籤，監控老年病人的日常健康狀態。張教授表示，這個解決方案很有潛力，因為它是非侵入式的，且無需電池，不侵犯隱私。