互动科普

13年前，现已去世的Mark Weiser还是我在施乐公司帕洛阿尔托研究中心的同事，他在Scientific American杂志上发表了一篇文章，描绘了他的“无所不在的计算”的大胆见解。“无所不在的计算”就是将微型计算机嵌入我们的日常用品中，无需主动进行操怍，就能通过无线连接，对我们的存在、愿望和需求做出反应。这种由无线和固定设备组成的网络能自动为我们办事，同时又是隐形的，我们只会注意到它的作用，Weiser把这种系统称为“安静技术”（calm technology)，因为它让我们能更专心地工作和从事其他活动，而无需像使用现在的电脑一样去操作系统。

采用这种技术的住宅，会特意在卧室、浴室门框、楼梯间和冰箱等各处安装读取器。如果衣物和食品包装上有微芯片标签，读取机就会读取其中的数据，并传送到家用电脑中，后者则根据这些数据做出反应。

早晨，电脑发现你已起床，就会为你打开咖啡机。当你进人浴室，喷头就自动打开并将水温调节到你喜欢的温度上。当你开始下楼时，预先准备好的烤面包机就开始加热，这样你的平餐很快就按照你喜坎的方式准备好了。当你打开冰箱，它就会告诉你没有牛奶了，并且凉拌卷心菜已经过期，应该扔掉。

今天，基于无线识别（RFID）技术的系统，正在使Weiser的梦想一步步接近现实。这些系统由标签（包含识别数据的小型硅片，有时还包含其他佶息）和能自动接收和解码信息的读取器组成。

虽然带无线识別的住宅（以及会议室、办公室和汽车）还遥不可及，但RFID技术已经在一些领域获得了应用。目前的标签通常只有米粒大小，可藏于ID卡片、衣服的袖口、挡风玻璃上的收费标记、快速购油证以及家畜的电子耳标上，也出现在汽车钥匙链上的防盗装置、玩具（如Hasbro公司的星球人战玩偶）及其他产品上。在公路赛上，它被用于给选手计时，甚至在去年，墨西哥的一家公司退出了这样一项业务：在儿童的皮肤下植入标签以作为一种防绑架措施。

就近期而言，RFID标签可能会出现在航空公司的行李标签上（英国航空公司已经就此进行了广泛的试验）。它们也极有可能被嵌入纸币之中以防伪造，这样还可以使政府对现金流进行监控（日本的日立公司最近宣布已经开始出了满足这种需求的足够小的标签）。现在，零售、保安、运输、制造和海运等诸多行业都在对RFID技术进行测试，有些甚至已经开始实施复杂的RFID应用。

然而，这场RFID革命并非没有负面因素：它的发展已经引起了很多重要的社会问题。随着RFID系统的广泛应用，我们必须面对随之而来的隐私、法律和道德方面的诸多问题。争论已经爆发：2003年年中，美国沃玛特和著名服饰制造商班尼顿这两家大零售商，双双取消了对基于RFID技术的店内库存系统的大规模测试。很明显，它们做出这项决定的部分原因来源于公众的反应。人们怀疑这些嵌入在消费品中的标签能被用于对公众的大规模监视【参见35页框文】

RFID技术的原理

RFID技术的原理实际上很简单：只是把电路装在未通电（或称“被动式”）的标签上，既不需要电池，也不需要维护，当一定距离内的读取器间歇发射能量给标签时，标签即被激活而通电，能与读取器交换信息。本质上来说，标签无非由硅片和缠绕在硅片上的扁平天线所构成，它们一起被封闭在玻璃或陶瓷的模块中。

标签的工作方式受不同条件的影响，尤其是它的工作频率。早期RFID标签工作在13.56MHz或更低的频段上。到目前为止，这仍是使用得最广泛的的一类标签。通常情况下要求标签和读取器的距离不超过1米，而且这种标签的区分能力也很差，多个标签紧密地放在一起时，读取器无非迅速将它们区分开来。

目前出现了更先进的高频标签，它们即使随意堆放在一起，读取器也能快速区分出来，但目前尚无法完全正确区分堆放在购物车中的所有物品（这是该技术的一大目标。）一旦这项技术得以完善，它将把库存和结账过程连成一个整理，这将为零售商节省百万美元。

虽然与低颊标签相比，目前高频标签的识別距离仅仅扩展了数米，但高频标签的识别距离将来还可能大大增加，这主要归功于工作在读取器传送的极低能量下的标签电路，改进的天线以及廉价的高分辨率接收机。与老式标签相比，新款标签的信息存储量要大得多。这就使得制造商能在标签中放入更多的信息，而不仅仅是一个简单的ID码。例如，标签可以用捕获的能量为标签中的传感器供电。当汽车行使时，带有传感器的标签可以检测轮胎内的气压和温度。这样的标签已经在某些汽车上获得了应用。米其林、飞利浦半导体和宝马公司正在联合开发适用于大规模市场的产品原型。

RFID的现状

RFID设备已经开始取代磁条安全卡，广泛用于开启门禁，以及对受保护的区域尤其是军事设施等有特别安全要求的区域的准入。但RFID技术最为明显的用途恐怕还是自动收费系统，安装在交费处的读取器通过读取经过汽车挡风玻璃上的标签来收费。读取器记录下标签的ID，然后从相应的预付费帐户中扣费。这种系统的设计目的是让汽车鱼贯通过收费处时不用停车，甚至不必大幅减速。

就像纽约、新泽西、特拉华及其他一些美国州的E-ZPass系统，加州的FasTrak系统，还有其他各种名字的系统一样，基于RFID技术的自动付费系统已经运行了多年。安装于旧金山湾大桥和圣迭戈附近15号州际高速公路上的FasTrak系统运行得相当成功，而东海岸的E-ZPass系统却还存在一些初期的困难。当然这些问题主要是来源于行政和政治上的因素，和技术本身没什么关系的。旧金山湾大桥上的系统要求通过的汽车把车速降到25迈，不过这主要是处于安全的考虑，因为通过收费亭时道路比较狭窄。I-15公路上的系统就不对过往汽车限速，它甚至还被用于对交通流量的监控。

RFID系统现在已经开始逐步替换传统的通用产品代码（UPC）条形码。后者被用于对产品的识别、库存的跟踪以及商店里结账处的半自动处理，但是它要求用光学的方式在很近的距离上对条码进行读取。RFID标签则无需如此，可以将其安放在商品的包装盒内，还可以采用加密等一些措施使得它难以被伪造。此外，还有一些RFID标签允许读取器往标签上的存储器中写入新的数据以便后续的使用。例如，在每次读取器和标签间的交互时都可以向标签中记录交互的时间、日期以及标签读取者的标识。这个功能是很有用的，例如，对一台汽车而言，就可以在附着其上的标签里保存一份查帐索引，其中记录着该车的制造地点、每次转手的时间、它的前任主人、它的行驶旅程以及事故史等信息。

由于有越来越多的商业领域对标签——读取器系统进行测试，有些专家相信，到2010年，尤其是在零售业，RFID技术将会得到广泛的应用。另一些专家则认为RFID技术在2015年前不会获得这样广泛的应用，因为只有在那以后，RHD标签的成本才会下降到值得在廉价商品上使用的程度。

RFID技术的近期展望

RFID技术已经开始被用于对从仓库开往商店的货车的跟踪。在RFID技术完全渗入到商店之前，这一类型的应用应该可以得到较为广泛的开展。因为相比于商店而言，仓库内的RFID系统更易于建立，而且它也不太容易引发公众的疑虑（公众会怀疑，离开商店后，消费品上的RFID标签可能会被用于对消费者的监视）。最近沃玛特就宣布，它将要求它的前100位供货商在其运往沃玛特商店的货箱和货盘上安置高频的标签。类似地，美国国防部也要求其供货商从2005年开始在货物上采用高频RFID存货标签。

但RFID技术将来在商店中的应用（其实这是必然的），却让零售商们感到有点可望而不可及。像沃玛特中止的那项店内测试，按计划是和吉列合作来评价基于RFID技术的“智能货架”系统。在货架上安装有内置的读取器来监控数以百万计带有RFID标签的吉列剃须刀以及其他吉列产品的货流情况。原则上来说，用于识别每一个RFID标签的码字长度高达96位，足以让地球上每一个人都分到5x1016个不同的标签。一般认为，能否为商店货架上的每一件商品都贴上标签，是RFID技术面临的最大问题，但这也会给零售商带来丰厚的回报。

很明显，RFID只能货架系统能够节省人力成本并提高销量，因为它能保证货架总是满的。如果用系统来监控货架上的存货量，那么久无需使用雇员来处理它：当电脑发现货架上的存货很少时，它就会自动提醒某人增加订货量，或者干脆自己给制造商下订单。该系统还有其他的好处。因为货物上的标签是可编程的，因而可以在其中包含货物的制造和售出地点。而且就像磁性防盗标签一样，RFID标签可以防止小偷将货物带出商店。据估计，每年由于盗窃给零售商带来的损失约500亿美元。

沃玛特声称，它之所以中止店内测试，是为了腾出资源来开发其仓库内部RFID系统，后者只需要较少的标签，对计算能力的要求也不那么高。这也许确实是原因之一，但是业内人士认为消费者对RFID可能会侵犯个人隐私的疑虑也是一条重要的原因。公众的反应能有这样的作用并不奇怪。与此同时，班尼顿也放弃了它的大规模店内存货系统测试，就是因为公众和媒体都对此提出了批评。班尼顿测试的目的，是考察RFID技术是否具有足够的能力来扫描各种不同颜色、尺寸和类型的布匹，并将这些数据纳入到其跟踪系统，如果可以的话，就无需人工来扫描每一块布料了。

其他一些公司还在继续仓库和店内的RFID技术测试，他们是宝洁、佳能和国际纸业。去年春天，德国的连锁零售商麦德龙就开办了一家装备有RFID技术的“未来商店”，店内不仅采用了智能货架系统，还装备了内置RFID读取器的标尺以识别不同商品的类型。此外，店内的购物车也贴上了标签，这样就可以对购物者的流量进行监控，同时还可以自动指示收款台的开放和关闭。麦德龙的这一尝试由英特尔公司（笔者所在公司）和德国软件开发商SAP以及其他30多家公司共同开发，其中包括惠普、思科和飞利浦等。

RFID的远景

RFID技术目前还和Weiser的期望相去甚远：它们并不能帮我们处理日常事务。实际上，那些散布在我们家庭烤面包机、游戏机、娱乐系统及其他家用设施中的电脑和芯片，需要我们操心更多而不是更少。我们要对这十几台设备进行配置和控制，还要管理他们的数据传输。当出现问题时，我们还需要搞清楚到底错处在哪里。即使是像调手表和开电视这样的简单任务，也需要一条指令菜单。很明显，要想让计算离我们自身而去，我们不仅仅需要“无所不在的计算”，还需要像英特尔公司的Tennenhouse所呼吁的那种“预先计算”——系统能预计到我们需要并提前做好准备，而无需我们自己做很多预备工作。

要想使预先计算获得大规模应用，就必须在周围的环境里遍布由RFID读取器组成的网络。前卫的思想者构思了两种主要的预先性RFID网络。它们都包含一个由互动读取器组成的网络，这些读取器能检测许多RFID标签，并将它们受激的数据传输到远方电脑中。

一种类型是由固定放置的读取器组成，它们之间用线缆相连接。这些装置能为标签（有些还内置了传感器）供电并从中读取数据，这些标签本身也是固定不动的。如果需要，还可以用移动的读取器来读取这些标签。

这一类型的网络可以安装在桥梁上：标签可以是深埋在水泥建筑构件之中，也可以焊在钢梁的链接处和其他任何可以（用标签中的传感器）探测压力和建筑结构变化的地方。这些标签可以收集和存储各种数据，例如用于检测在地震中某个建筑部件是否已经弯曲得超过了安全极限等等。读取器可以用传统的交流线路供电，也可以通过读取器网络间的线缆供电。还可以将读取器连接到因特网，这样它们就可以把数据传送到网络中的电脑，电脑对此进行分析并给出反馈。

另一类型的网络（称为自组织无线网络）中，读取器和传感器标签不一定固定在某一位置。与之相反，在这种网络中，读取器被放置在任何需要的地方，就像我们在需要的地方放置台灯一样。这些读取器读取环绕它们周围的标签：有些标签是固定和静态的，有些包含传感器而其他一些则没有，还有一些是附着在通过该网络的人和设备身上，因而它们是移动的。如果读取器靠近电源插座则直接用交流电源供电，否则就用电池供电。这些读取器，或者说网络节点，可以在彼此之间形成短距离的无线连接：信息在网络中的传递方式是从一个节点跳到另一个节点（这类网络有时也被称为多跳网络）并最终流到一个具有因特网链接的网关节点。

我们可以用很多读取器构成一个覆盖范围达数十平方公里，能监控数以百计标签的自组织网络。这种网络可以提供数据以便进行更准确的天气预报。如果传感器能够同时检测整个区域内不同地点的风速，电脑甚至可以在飓风形成的早期就预测到并发出警告（目前还无法做到这么早的警告）。

办公楼内的自组织RFID网络可以完成很多任务。读取器可以同时监控多个不同房间内指示温度的传感器标签，这样中央空调就可以使整个建筑物或整个楼层内的温度保持恒定。另一些读取器则扫描雇员的安全徽章并辨别他们便携式电脑的标签，拥有权限的雇员就可以对中央存储的数据进行存取或者和位于大楼内其他地方的同事进行连接。目前研究各种类型的传感器网络设计的队伍有:美国加州大学洛杉矶分校嵌入式网络传感中心Estrin领导的团队，加州大学伯克利分校E。Culler的团队；华盛顿大学Borriello的小组；英特尔公司众多的实验室以及其他一些小公司等。这些小公司包括加州SantaClara市的Crossbow公司；加州伯克利的DustInc。以及圣迭戈的Sensoria。

万能自动化之路

当RHD网络得到广泛应用时，我们的周围都布满了标签和读取器。它们随时向响应迅速的电脑系统提供数据。那时我们才真正到达了Weiser所说的那种计算完全融入日常生活而不可见的境界。如果集成真的到了那种程度，RFID技术就可以支撑哪怕是最简单的任务了。例如，使用RFID技术的产品可以彼此“交谈”并独立配置它们之间的连接。我在英特尔的同事Pering就在研究如何使移动电脑和外设能自动配置其无线网络连接。如果你购买了一台具有无线网络能力（比如蓝牙）和RFID标签的打印机，那么你要做的只是打开包装盒，然后把打印机放到电脑附近：电脑会自动读取打印机的RFID标签并和打印机进行连接，你就无需忍耐过去那种杂乱无章的配置对话框了。

RFID技术的应用范畴极为广泛，它甚至还可以用于帮助阿尔茨海默病患者。英特尔公司的Dishman就在研究旨在帮助记忆有损伤的人维持独立的系统。在一个这样的原型系统中，所有用于泡一杯茶的物品都被贴上了标签。如果病人至少拿起了两样物品（比如说糖罐和茶袋），那么系统就能根据这些物品的位置和ID及其相互关系推断出病人需要帮助。该系统同时还保持有这些物品被使用的顺序的记录，这样系统就能随时判断病人是否“卡壳”了，在需要时系统就会播放语音帮助信息。

在另一完全不同的领域，PSACorporation、和记黄浦和P&OPorts这三家全球最大的海港经营者正在着手组建基于RFID技术的反恐安全网络。在货运集装箱上装备隐藏的传感器标签，就能检测出走私武器中的放射性、化学或生物战试剂。目前，系统还只能检测到集装箱在运输过程中是否被没有授权的人开启过。将来通过扩展，在集装箱运输旅程的每一阶段，无论是在出发的地点、地面运输、码头存储或者是在运输的船只上，读取器都可以和标签进行交互以确认是否存在危险物质。即使标签上的传感器只是在极短的时间内暴露在危险物质之下，它也能永久记录下来，并在下一读取地点报告这一事件。

将来PDA(个人数字助理）也可以设计成为RFID标签的读取器，这样我们就可以从身边到处放置的标签那里得到预先的帮助。从火车站的标签处，你的PDA就可以获得把你连接到某个互联网以获取火车时刻表。类似地，房地产经纪人可以在准备出售的房屋上贴标签：当你开车经过时，只要把PDA对准房屋上的标签就可以从互联网上下载关于该地产的图片和信息。

由于还存在很多重大的技术挑战，所以现在距离我们真正享受RFID技术的全面应用还有数年甚至数十年的时间。随着RFID标签和读取器在我们环境中的日渐出现，我们可以看到RHD技术到底会如何扩展电脑（与因特网相结合）对物理世界的判断和反应能力。

1991年，Weiser在ScientificAmerican杂志上写道：“当我们在树林中走过时，我们的足迹所包含的信息要远远超过任意电脑系统所包含的，但是人们还是会觉得林中漫步是多么惬意，而使用电脑是多么乏味。那种切合人类环境而不是迫使人们进入它们之中的机器，将会使操作电脑变得和林中漫步一样令人心旷神怡。”运用得当的话，RF1D技术就能够使计算变得不那么讨厌，那时计算将成为日常生活的天然组成部分，真正像在林中漫步一样惬意。

[何毓嵩/译 曾少立/校]