移动传感器网络下的社交互动跟踪

433SociTrack：通过移动传感器网络进行无结构交互跟踪Andreas Biri苏黎世联邦理工学院abiri@tik.ee.ethz.ch尼尔·杰克逊加州大学伯克利分校neal.berkeley.edu洛塔尔·蒂勒苏黎世联邦理工学院lothar. tik.ee.ethz.ch摘要加州大学圣地亚哥分校加州大学伯克利分校ppannuto@ucsd.edu普拉巴尔·杜塔加州大学伯克利prabal@berkeley.edu1介绍社会科学家、心理学家和流行病学家使用经验人类互动数据来研究人类行为、社会联系和疾病传播。从历史上看，测量交互作用的系统被迫在可部署性和测量可靠性之间进行选择-它们仅在仪表化空间中、在视线条件下操作，或者提供粗粒度的邻近数据。我们介绍SociTrack，一个通过无线距离测量进行自主社交互动跟踪的平台 部署无需支持基础设施，可在多天内提供亚秒级、分米级精度的测距信息。在一个系统中实现可部署性和保真度的关键见解是将节点移动性和网络管理与距离测量解耦，从而产生一种新颖的双射频架构。SociTrack利用节能和可扩展的测距协议，在复杂的室内环境中精确到14.8厘米（第99百分位），并允许我们的原型在2000 mAh电池上运行12天。最后，为了验证其可部署性和有效性，SociTrack被儿童早期发展研究人员用来捕捉幼儿与婴儿的互动。CCS概念• 网络→网络移动性;·以人为中心的计算→无处不在和移动计算系统和工具;·计算机系统组织→传感器网络。关键词无架构，双射频架构，社交互动ACM参考格式：Andreas Biri ， Neal Jackson ， Lothar Thiele ， Pat Pannuto 和 PrabalDutta。2020. SociTrack：通过移动传感器网络进行无结构交互跟踪。在第26届移动计算和网络国际年会（CIMCOM'20），2020年9月21日至25 日 ， 英 国 伦 敦 。 ACM ， 纽 约 州 纽 约 市 ， 美 国 ， 14 页 。https://doi.org/10。1145/3372224.3419190本作品采用知识共享署名国际4.0许可协议进行许可2020年9月21日至25日©2020版权归所有者/作者所有。ACM ISBN 978-1-4503-7085-1/20/09。https://doi.org/10.1145/3372224.3419190对高保真交互跟踪数据的需求是众所周知的，但现在可能比以往任何时候都更加紧迫。近端相互作用的研究在许多情况下是至关重要的。互动行为的变化被认为是认知能力下降和阿尔茨海默病发作的重要指标[ 16 ]。社会互动模式是工作场所非正式信息网络和潜在权力动态的指标[62]。看护者-婴儿互动模式已被证明对儿童早期发育很重要[85]。当然，密切的物理相互作用具有医学意义，因为它们是疾病传播的关键因素，如SARS-CoV-2 [18，56，74]。科学家们缺乏高保真的数据-亚米级精确的距离历史，亚秒级采样-在野外的接触网络上[3]。目前的广域社会互动研究几乎完全依赖于自我报告和公共调查[37，51]，这是高度主观的[55]，受偏见[10]，缺乏细粒度的定量指标[62]。因此，关于社交距离的公共卫生政策指南是基于在小群体和高度控制的环境中进行的有限研究。我们缺乏对真实世界环境中大规模传播距离的理解，无法获得改进的经验模型并采取有效的应对措施。对高保真交互数据的需求并不局限于流行病学。在我们的评估中，我们考虑了儿童发展专家对该技术的成功部署，他们正在寻求更好地了解看护者和婴儿之间身体接近的影响[20，85]。对丰富的交互数据的进一步需求包括研究种族间和文化间关系的应用[9，52]，交通设计[25]和工作场所动态[44，55]。因此，灵活地促进近端交互跟踪的技术和工具这种应用的广度激发了一个适应性强，通用的交互跟踪系统的设计。设计高保真交互跟踪测量系统的最大挑战是满足现场部署要求。它必须在人群行进的任何地方运行，这排除了对支持基础设施的依赖（这包括所谓的环境基础设施，如WiFi、手机信号塔或GPS）。由于流动群体的高度动态性，该系统必须进行在线网络形成，以不断保证关于群组成员的最新信息，并确保所有人都能参与其中。2020年9月21日至25日Biri、Jackson、Thiele、Pannuto和Dutta434收集成对相互作用数据。最后，测量系统必须是不引人注目的，以尽量减少霍桑效应，参与者一旦意识到他们在观察中就会改变行为[32，85]。这意味着一个合适的系统必须是可穿戴的和轻量级的，并且还保持低能耗以避免频繁的注意（即，充电）。总结起来，我们确定了四个挑战：在第8节中，我们评估了SociTrack系统在各种微基准上的性能，并通过将其与心理学研究人员一起部署在婴儿跟踪场景中，考虑其在领域科学家的真实世界研究中的功效。最后，我们以即将到来的硬件进步作为结束。在我们使用定制硬件开发和测试SociTrack的同时，第9.3节讨论了新兴的智能手机和可穿戴设备，并展示了未来的全球cELItycInFRAcmoBI le亚米级精度和亚秒级采样无结构（现场）操作快速检测和频繁的网络切换部署可以像软件更新一样简单。公司简介不显眼、可穿戴、经久耐用没有任何一个先前的交互跟踪系统能够解决所有这四个挑战。许多系统基于低功耗窄带无线电，例如IEEE802.15.4或最近的蓝牙低功耗（BLE），因为这些技术具有最小的部署限制，并为无基础设施和高度移动操作提供了成熟的解决方案[2，14，53- 55，62，64，75 ]。然而，窄带无线电具有基本的保真度限制[46]，并且在实践中，这些系统（即使在利用诸如信号强度之类的信息时）也限于粗略的“近/远”估计。相比之下，过多的室内定位系统提供高保真跟踪，但它们依赖于基础设施，无法观察仪器化空间之外的队列[35，42，43，47，71]。最近的一个系统Opo [37]在没有基础设施的情况下实现了保真度和移动性，但由于使用超声波只能捕获短距离（3 m）的视线交互，因此限制了部署能力。我们介绍了一个新的平台，社会跟踪，专为高保真的互动跟踪研究，强调在一系列的情况下自主操作。SociTrack是独立的，不需要基础设施支持或对部署方法的限制。该平台旨在捕捉高度流动的个人之间的互动。它建立了动态网络，能够收集所有共同成员之间的成对距离信息，频率高达16 Hz，精度为14.8 cm 99th百分位所有年龄段的人都可以在日常生活中佩戴SociTrack长达两周。此外，该平台的目标是尽可能少地限制部署场景：它为用户提供参数以根据他们的需求进行配置，相应地预测其性能的工具，以及用于实时检查和适应的接口在SociTrack的设计和实施中，我们做出了以下核心贡献：我们在第4节中的设计探索表明，任何单一的通信技术所需的权衡不允许开发具有高部署性的移动节点的高保真，无基础设施的交互跟踪为了实现这样一个系统，我们引入了一个异构的架构，利用BLE和超宽带（UWB）无线电的个别优势。我们在两个关键方面改进了最先进的UWB测距协议：第5节解释了我们如何将消息复杂度从二次降低到与网络大小成线性关系，并表明仔细调度广播数据包可以进一步减少50%的消息，从而增加102%的寿命。我们展示了一个可配置的协议，使部署时的灵活性与可预测的，确定性的性能。第6表明，这允许跨应用程序的广度使用，并促进探索。2动机在本文中，我们专注于一个队列成员之间的相互作用距离的长期跟踪问题这些措施在压力研究中很重要[25]，人机交互[82]，流行病学[68]和儿童发育[85]。虽然小规模的实验允许在实验室环境中收集高保真的互动数据，但有意识的观察会强烈影响行为[17，77]，从而导致科学家错过关键案例，如照顾者忽视婴儿[85]或导致收集数据，错过婴儿-婴儿依恋关系的主要影响[20]。因此，能够测量人们在自然环境中的行为是至关重要的，在自然环境中，相互作用有机地系统要求。感兴趣的领域列表很大，平台的潜在应用空间也很广阔，因此我们从提取一组公共需求开始。首先，收集的数据必须是高保真的。 虽然特定应用的确切要求是独特的，但跨领域的科学家已经呼吁系统能够以亚秒采样（采样率）收集具有亚米精度的交互数据[12，85]。为了能够进入未知的环境，系统不能要求部署基础设施，也不能对潜在的现有基础设施（CIINFRA）做出假设，这使得传统的基于仪器的技术不仅不切实际，而且不充分。人们必须能够自由移动，这就要求测量系统形成动态网络，并在整个实验期间不断发现和更新队列成员（cmobile）。为了支持行为的自然测量，收集系统不能依赖于方向（即，需要参与者之间 的 视 线 ） ， 并 且 必 须 对 佩 戴 者 具 有 低 影 响（C_D_E_ploy）。示例场景。幼儿发展心理学家对研究照顾者的互动模式很感兴趣在自然环境中的婴儿[85]。在所提出的实验中，可靠地捕获短暂的交互（例如，登记）以及亚米级精度对于推断行为（行为敏感性）是重要的。测量必须跟随家庭成员的集群，无论他们走到哪里（cInFRA），覆盖由于其公共性质，电力和连接的不可用性或纯粹的范围而可能无法测量的环境。家庭成员必须在一天中不断地分开和重新加入，例如当家庭成员去上班和上学，从事个人空闲活动或一起做家务时。最后，设备必须足够小，以便婴儿舒适地佩戴，并且应该对护理人员保持不显眼（cDeploy）。第8.1将评估SociTrack···SociTrack：无结构的交互跟踪2020年9月21日至25日435平台测距方法基础设施尺寸[cm2]空间分辨率[cm]时间分辨率[s]最大射程[m]寿命[d]WASP [71]NB ToF是的N/A500的情况。04300的情况。42[42]第四十二话超宽带ToF是的21岁8500的情况。08500的情况。04iBadge [15]UL/RF TDoA是的38岁510N/A30的情况。21OPO [37]UL/RF TDoA没有14个。05233 .第三章。9社会计量学[44，81]社会功能磁共振成像[2]RSSI +IRRSSI不不~50N/A100500230010N/A1N/A智能手表[55]RSSI没有21岁26001060. 71SociTrack超宽带ToF没有21.4150.0664 12场景办公室是的502205老年人护理是的500301014家庭-没有200的情况。5107体育两200的情况。2500的情况。08表1：以前的系统无法覆盖整个设计空间，特别是缺乏具有高空间分辨率的无基础设施解决方案。SociTrack提供了一个适应性强的解决方案，可以针对各种场景进行配置，并在网络规模、空间和时间分辨率以及生命周期之间提供了广泛的权衡空间，详见第6。请注意，如第8.3所讨论的，给定的性能数据显示了目标场景的单独可获得的结果，并且不是所有的结果都可以同时获得3相关工作交互跟踪和相关技术在移动计算研究中有着悠久的历史。Soci-Track的主要区别是实现高保真跟踪（亚米级，多赫兹），对部署的基础设施（即锚点）或传感器放置（即视线）没有限制。表1总结了SociTrack与现有系统的比较，并满足了各种目标应用场景的需求。竞争力：互动不仅仅是接近。许多系统要么通过信号强度测量[2，41，62]提供成员之间的粗粒度（通常为2-5 m）距离分辨率，要么简单地报告附近的存在[14，54]。现代版本是基于蓝牙的，并且高度可部署，因为它们利用智能手机和可穿戴设备[55]。虽然这些基于邻近度的系统在可访问性方面很有吸引力，但它们对相互作用的性质[75，76]的了解有限，这需要亚米级的精度[13，82]。他们不能提供关键的空间洞察力，例如。1-2米距离的努力对疾病传播的重要性[12]。c Deploy：技术限制了交互捕获。一些系统通过利用波的传播速度来提供更细粒度的距离估计。然而，底层技术可能会对系统的可部署性施加很大的限制。例如，Opo [37]利用超声波啁啾和IEEE 802.15.4无线电分组之间的到达时间差来实现5cm的测距精度。然而，超声波信号在复杂的室内环境中具有挑战性，因为反射可以在通道中持续超过50 ms [47]，因此限制了采样频率。反射也减少了有效范围：因为Opo不能区分反射的直接路径，它假设所有超过3 m的相互作用都是反射。类似的多路径问题阻碍了其他声学解决方案[66]。最后，超声波传感器是高度定向的;在Opo中，一旦传感器偏离直接视线超过45°，误差就会增加由于测量依赖于超声波啁啾的成功接收，因此阻挡视线的物体，例如其他人或将传感器戴在口袋里，会完全阻止测距。相比之下，SociTrack对多径干扰有弹性，并且允许高频、与方向无关的测距，而不管非视线。c In FRA：室内定位怎么样？虽然最初不是针对交互跟踪，但许多室内定位系统可以通过详细的位置估计提供所需的准确度。由于窄带无线电的保真度有限，声学解决方案的部署受到限制，我们专注于定位系统，也使用UWB的准确性和部署潜力。SnapLoc [35]通过支持无限标签来强调规模，Sure-Point [42]通过引入多样性测距来强调长尾准确性，而RFind[49]和Slocalization [65]通过反向散射技术降低标签功率到最大值;但所有这些系统都需要每个房间中的固定基础设施才能运行。本地化系统设计的一个常见趋势是不对称：为了提高节点的性能和SWaP（大小、重量和功率），复杂性被推到基础设施中。然而，我们的应用程序无法承受这种权衡。c In FRA：“无结构”本地化。一些本地化系统不需要额外部署基础设施，只要它们可以利用周围的基础设施，例如作为WiFi [45，79，84]。虽然利用现有基础设施可以降低某些家庭和企业环境中的部署成本，但是它仍然是对于广泛的交互跟踪应用的不兼容的约束。例如，婴儿互动跟踪必须在WiFi可能不存在的地方运行，例如在车里、公园野餐期间或徒步旅行时虽然有一些早期的想法，利用新的广域基础设施，如LoRa [39]，室内和室外蜂窝定位的证据表明，无论是覆盖还是保真度都是不够的[63，69，72]。最后，为了确保群组可能旅行的任何地方的可靠操作，交互跟踪系统不能依赖于既没有明确部署也没有机会使用的基础设施。c MOBILE：Stochastic or scheduled？非同步和非调度网络不需要协调，但使用可用信道效率低，且规模有限[1]。随机操作将Opo [37]限制为2 s采样。像ALPS [47]和UPS+[48]这样的系统SociTrack：无结构的交互跟踪2020年9月21日至25日436表明，可以使用超声波2020年9月21日至25日Biri、Jackson、Thiele、Pannuto和Dutta437×UWB的Rx/Tx比为4.0，而BLE的Rx/Tx比为1.5这种高且不平衡的能量消耗使得UWB特别不适合于发现。仅UWB系统被迫牺牲生命期或发现延迟。但快速发现是至关重要的，否则短事件，如照顾者简要检查婴儿将被错过。通过使用BLE而不是UWB，我们可以将发现成本降低93%，并实现长期移动部署。图1：BLE（左）和UWB子系统（右）之间的任务分离。前者处理外部链路以进行实时数据卸载和邻居发现，而UWB用于网络通信和距离估计。通道，以实现亚米级和多赫兹跟踪保真度，但需要基础设施的支持，以安排测距事件。SociTrack是第一个支持所有保真度，可部署性和移动性挑战的系统，而无需依赖支持基础设施。4系统设计SociTrack的目标是提供高保真交互测量，同时最大限度地减少系统部署方式和地点的限制。首先，SociTrack需要一个可靠的机制来衡量队列成员之间的距离。在声学、光学和无线测距技术的阵列中，只有基于无线电的测量技术允许口袋中的传感器，应对杂乱的环境，或记录房间范围的在基于无线电的方法中，只有UWB提供了准确和鲁棒的测距原语[46]。UWB的历史性缺点是它在移动传感器面前的能量效率低下。我们的关键设计见解是，虽然UWB是实现高保真测距所必需的，但我们可以通过用另一种技术补充它来减轻其在现代平台上的不足 十年前，一个额外的无线电IC可能会使系统的成本增加一倍-今天，蓝牙芯片和支持无源器件仅占我们原型板BOM成本的8.7%。在一个系统中访问多种技术，那么中心设计问题就是如何在可用的子系统中最好地分配任务天真地说，人们可能只是简单地使用相对能源昂贵的UWB无线电专门用于测距（在没有替代品的情况下），而蓝牙用于其他一切。然而，正如我们将在本设计讨论中所展示的那样，一种分担责任的混合方法会产生一个更有能力的整体设计。4.1为什么移动性是UWB的一个难题UWB无线电通常不用于具有移动节点的无基础设施设计中问题在于UWB然而，发现协议需要有效的监听[23]，并且受益于分组的发送和接收之间的平衡能量预算[67]。在SociTrack中使用的UWB无线电[21]在收听时平均高达554.1 mW，比其BLE无线电[57]的22.7 mW多24个功率此外，发射和接收功率汲取不太平衡;4.2SociTrack协议设计图1概述了Socii-Track协议的主要组件以及SociTrack如何划分任务。在发现任何设备之前，仅BLE子系统搜索邻近设备，并且UWB子系统断电。在随后的稳态操作期间，BLE和UWB子系统都保持活动，因为它们处理网络维护的不同方面。在两种无线电技术上设计协议可能是有益的，因为它们独立地操作而不考虑相互干扰，并且具有挑战性，因为节点之间的BLE和UWB链路的可用性可能由于复杂的室内环境中的不同传播特性而变化初步发现。我们必须首先设计一个发现机制。移动性较低的系统可以将发现视为“启动”问题，在稳定状态操作之前的罕见事件。在高度移动的环境中，节点可以频繁地切换网络并遇到新的邻居，因此发现必须连续发生。此外，节点可能花费与其他节点隔离的大量时间，例如当仪表化的家庭成员在工作时，并且必须能够依赖于有效的发现机制来维持寿命。最后，我们还利用BLE在商业设备上的普遍性来实现现场检查和调试，要求发现协议与标准BLE广告兼容。我们选择BLEnd，一种最先进的BLE发现协议，因为它提供高度可预测的性能，并支持部署时自适应，以权衡发现延迟和能源使用[40]。现成的BLEnd假定仅与其他BLEnd节点通信的隔离网络，并且因此专门发送其通过周期性扫描检测到的标准不可借助SociTrack，我们还希望支持与消费者设备的通信（例如使用智能手机进行监控），因此选择可连接的广告。除了实时远程调试，我们利用这种获得的连接直接通知发送者的邻居的广告，并实现同时双向发现。与原始设计相比，这使我们能够将广告数量减半，并将能耗降低高达50%，我们进一步将经验特性，如无线电启动成本的设计，以提高我们的发现优化算法的效率。集群形成。一旦节点发现彼此，它们就会寻求形成（或加入）一个集群。为了引导这样的本地网络，两个发现彼此的孤立节点将形成一个集群，并选择具有更高ID的节点作为领导者。然后，发现通告被更新以指示活动群集并包括当前群集领导如果一个孤立节点遇到一个现有的集群，它将作为一个普通成员加入，即使它有一个更高的ID，以避免流失。BLE子系统超宽带子系统远程调试邻居发现发现的网络时间同步距离滤波全局群集时间戳解析测距测量网络分集调度测距可用性和移动性管理测量SociTrack：无结构的交互跟踪2020年9月21日至25日438广告听着，以节点2为领导者的新网络......孤儿加入集群听集群成员传播数据收听时间表加入请求Idl e...附表测距请求响应争 用...O12...3...45图2：（1）两个节点最初通过周期性地发送BLE通告并在扫描时检测其他节点和网络的存在来发现彼此。(2)一旦领导者被确定，它发起一个UWB轮组成的调度分配和竞争访问，使其他节点可以注册。接下来，请求者和响应者被调度并开始彼此测距。与现有分集测距协议相比，测距请求（3）和响应（4）在时间上分离，并且使用广播完全确定地发生。（5）然后可以通过蓝牙将收集的范围信息传播到其他设备，例如笔记本电脑和智能手机稳态运行。 图2显示了初始发现，然后是稳态操作。在稳态期间，BLE无线电继续执行发现以处理后续加入和离开。此外，UWB无线电开始管理集群操作。领导者向所有节点分发调度，集群成员执行调度的测距事件，然后集群处理潜在的成员关系更改。第5节将详细研究测距，因此现在将测距视为黑盒就足够了。我们的网络设计受到Glossy [26]的启发，Glossy [26]是当前最先进的用于移动节点之间Glossy同时传输来自多个节点的数据包，以通过网络可靠地同步和泛洪重传定时直接由其他数据包的接收来控制，这消除了依赖于拓扑的状态，从而使其非常适合于高度移动的传感器。虽然Glossy最初是在IEEE 802.15.4之上实现的，但它也被证明适用于BLE [5]和UWB [42]网络。SociTrack在调度和争用阶段使用UWB无线电上的Glossy进行UWB泛洪，如图2所示。原则上，只有测距严格要求较高的能量无线电。然而，精确地调度测距事件是重要的，并且在BLE和UWB无线电之间建立准确的共享时钟将是重要的。更重要的是，UWB和BLE可以在复杂的室内环境中表现出不同的传播。在用于测距的同一无线电上传播时间表确保测距距离内的所有设备将能够即使在缺乏BLE连接的情况下也能进行测量。重新发现 由于UWB网络是基于洪泛的，而BLE网络是点对点的，因此它们具有不同的连接图。这意味着当一个新节点通过BLE发现一个集群时，它必须以某种方式让集群领导者知道它的存在，即使它可能不在领导者的直接范围内。为了解决这个问题，集群领导调度竞争访问窗口在每个UWB轮期间，新的节点可以洪水请求。天真地，孤儿节点在其UWB无线电上连续监听潜在竞争窗口将是非常耗费能量的。然而，因为它首先通过BLE发现发起，所以随后的UWB注册机制立即成功。自适应争用。反应性对于移动网络至关重要，这需要SociTrack在短时间内出现许多节点时优雅地处理这种情况。例如，在合并操作期间，对于加入集群的节点，测距被有效地暂停，直到它们在新集群中被调度。为了减轻大量的测量间隙，集群领导使用乘法增益（通过将可用竞争时隙的数量加倍、维持或减半）根据前一轮中的加入请求的计数来这可以快速满足网络需求，如我们在8.3节中的评估所示。集群干扰。 传统传感器网络中的一个普遍问题是避免两个活动簇之间的冲突，因为节点通常只在被调度以减少能量消耗时才侦听。 SociTrack的异构无线电架构是唯一适合毫不费力地检测和解决这种冲突。在稳态期间，网络间通信仅在UWB上发生。BLE子系统同时不断尝试发现新节点。当一个集群成员发现另一个活动集群的leader ID高于其当前集群时，它将连接到新集群并开始通告它。由于此发现发生在带外，因此我们可以在不影响正在进行的测量的情况下实现冲突检测和聚类解决探测离开。 在多跳网络中，通常情况下，节点不在领导者的一跳范围内。当洪泛数据包时，所有节点同时重传相同的有效载荷，因此领导者不可能检测到特定节点是否未能在调度分发期间参与。在测距事件（将在下一节中详细介绍）期间，数据包确实包含ID;但是，由于这些数据包用于飞行时间测量，因此无法泛洪，因此领导者无法观察测距孤立节点O列表n一个数字是一个新的网络或K与它自己的FASLE。了dna e.R...听传播数据群集领导附表争用空闲......日程安排测距请求反应争用节点2节点1UWBBLEUWBBLE2020年9月21日至25日Biri、Jackson、Thiele、Pannuto和Dutta439× ×（）下一页（）下一页超过一跳距离的节点的分组结果，领导者不能容易地检测节点是否可能已经离开集群。由于这个原因，节点在经过固定数量的轮后会自动从调度中删除，并且必须在专用的竞争访问窗口中重新注册（参见图2）。集群成员可以跟踪自己的网络驻留时间，并在接近到期时主动通知领导者当领导者离开网络时，我们通过提升第二高节点来避免从头开始一个新的网络，如果太多轮已经过去而没有收到领导者的时间表，则自动接管相反，如果一个前领导人剥夺了所有成员的权利，它又变成了孤儿。对外交流。BLE提供了独特的优势，允许连接到许多商业设备，如笔记本电脑和智能手机。我们利用这种能力来实时传播测量结果，以进行部署监控和原位远程调试。此外，我们还利用这些设备的时间感知能力，通过领导者在网络内部分发的全球时间戳来丰富我们的数据，以促进数据分析。5测距方案设计成对范围组成相互作用，这使得它们的准确和有效收集至关重要。优化UWB信道的性能以实现高保真测距在先前的工作中得到了充分的研究[42]。相反，我们的协议贡献集中在使收集范围在没有供电的基础设施节点，减少冗余的消息，并根据可用的能源纳入灵活性。概况. 测距协议的目标是准确估计集群中每对节点之间的无线数据包的飞行时间（ToF）。在最简单的情况下，一个节点通过发送另一个节点响应的请求来启动测距事件;基于响应的定时及其内容，请求者可以估计到响应者的ToF。多样性改善了ToF。为了减少ToF估计的方差，最先进的UWB测距协议[42，43]通过在多个物理信道上请求来采用分集这种分集是通过在不同的发射或接收天线之间交替和切换频率来实现的。在我们的实现中，每个节点有三个天线，极化偏移为120Ω，可以从三个不重叠的频道中选择，提供多达3 3 3=27个单独的测量。这些测量值被转换为通过从样本中提取系统相关百分位数来进行单个范围估计，从而生成准确且精确的结果[42]。注意，当请求者发送一系列分组时，在响应者处对应的接收能量消耗要高得多;在测距事件期间存在不对称的能量成本。传统的基于基础设施的设计通过卸载对供电的“锚”设备的响应来利用这种不对称性。由于所有SociTrack节点都是相同的，因此任何设备组合都必须能够执行测距。因此，它们充当混合体，每个都轮流承担请求者和响应者的职责。广播能够实现规模化。 对于具有固定“锚点”的基于基础设施的系统，移动节点仅需要与已知参考点测距以建立位置。因为我们假设所有节点请求响应请求者杂交种响应者杂交种11时间23453节点idRx Tx请求Tx响应425图3：（1）独占请求者发送并等待接收响应。（2）同样，混合动力车在自己的传输后停止收听因此，活跃杂交种的数量在稳步下降。（3）当独占响应者在请求阶段期间持续监听时，它们随后响应并首先返回（4）对于响应，以相反的顺序调度混合动力车以平衡能量消耗。（5）如果节点已经收集到足够的响应，它们可以独立地停止监听以节省能量。是移动的，与节点子集的相对位置不足以获得完整的成对交互图。为了确保覆盖范围，所有节点必须相互覆盖。在直接单播设计中，具有100个节点的集群将需要 1002个数据包来捕获所有成对范围，这将无法有效地扩展。相反，在SociTrack中，请求和响应都以广播的形式发送，这只需要 广播消息。与之前所有节点立即响应请求的方法相比，我们通过在所有请求都被传输后发送聚合的批响应来实现线性复杂度。请注意，这是唯一可能的，因为我们对所有数据包应用了网络范围的调度。范围金字塔。范围是一个对称度量：对于每一对，只有一个节点需要请求，而另一个节点需要响应。我们利用这一洞察力将能耗再降低第一个Hybrid充当所有对的请求者，因此它可以在所有其他请求传输期间休眠。因此，它必须在所有其他人发送答复时听取为请求调度的最后一个混合体将是所有对的响应者，因此它必须侦听所有请求，但可以在发送响应后立即休眠。通过反转混合节点响应的调度这将产生如图3所示的使用我们在第6节中介绍的系统模型，我们发现与最先进的技 术 相 比 ， 该 协 议 将 10 个 节 点 的 网 络 的 寿 命 延 长 了102%[42]。超越混血儿 在一些部署中，可能不需要完全成对连接。例如，如果可以部署基础设施节点（“anchor”），则它们不需要彼此排列。相反，这样一个资源丰富的节点可以作为一个排他性的响应者，使其他节点能够以最小的成本与他们一起工作，并将监听成本转嫁给电源供电的设备。类似地，如果某些节点的能量严重受限，它们可能会选择充当独占请求者，发送请求，但从不响应。ResponderHybrids反应器附表SociTrack：无结构的交互跟踪2020年9月21日至25日440×××6设计空间的延伸以前，我们从自下而上考虑系统设计，确定并解决关键技术挑 战 。 现 在 ， 我 们 采 取 自 上 而 下 的 观 点 ， 并 考 虑 使 用SociTrack作为研究平台的研究人员可用的轴在我们与利益相关者的讨论和文献回顾[37，76]中，我们确定了驱动实验设计的四个关键维度：时间保真度：一个新的相互作用被发现的速度有多快，它必须持续多久才能被检测到，以及距离测量的相应采样率是多少？范围从亚秒到几分钟。测距质量：如何准确和精确做的距离群体成员之间的测量值必须是多少？ 范围从分米到房间水平。可部署性：传感器的体积有多大，它们可以放在哪里他们的电池必须持续多长时间？范围从婴儿到成人，从几个小时到一个月或更长时间。可用性：我们如何监控系统我们如何恢复数据？ 范围从现场付费员工到仅远程访问。下一步是确定如何将SociTrack参数化以暴露所需的实验维度，从而实现平台适应和设计探索。由于硬件功能是固定的，我们从一开始就满足可部署性约束（cDeploy）和可用性考虑，并确保满足限制性SWaP目标和远程可访问性需求我们发现，通过四种配置机制，我们可以提供所需的实验设计控制：BLE参数：指示发现延迟。这推动了快速的网络加入和集群解析时间，同时增加了能源使用和相应的生命周期。UWB更新间隔：控制测距采样率、最大网络大小和能量使用。分集采样：配置有多少天线和频率通道用于每个范围样本，这会影响采样率，测距质量和能源使用。最大网络大小：限制采样率并影响系统生存期，因为更新的持续时间随网络大小线性增加。连接自上而下和自下而上。将实验设计约束映射到参数选择可能具有挑战性并且难以估计，特别是对于非专家。此外，参数相互作用可能是微妙的。例如，较少的多样性需要较少的样本每个距离事件，这导致更短的回合，增加最大采样率和网络大小，并减少能量消耗，但所有的测距质量的代价。因此，我们支持通过模拟对设计空间进行部署前探索。为此，我们使用详细的测距，功率和定时测量来验证我们的系统。由此产生的开源系统模型允许科学家验证系统能力并提前调整参数，正如我们将在第8.3节中演示的那样。这降低了部署风险，简化了采用，并促进了在各种环境中高效地探索新应用程序对于实验者来说，SociTrack将权衡决策从设计时转移到部署时。图4：SociTrack的紧凑尺寸使其适合所有年龄段的人群。它进一步降低了被观察的意识，因为它可以隐藏在衣服下面。塑料外壳保护电路板和电池免受外部影响。7执行我们在图4所示的定制PCB上实现了所提出的双射频架构，该架 构 由 BLE 和 UWB 子 系 统 组 成 。 BLE 子 系 统 使 用 NordicSemiconductor nRF52840作为BLE无线电和发现管理MCU的组合，并添加了一个单独的实时时钟用于时间戳，一个SD卡用于永久存储，以及一个加速度计用于活动检测。UWB子系统采用STMicroelectronics STM32F091CC MCU作为测距控制器和DecaWave优点数字。由于我们的激励应用之一包括为婴儿提供工具，因此我们特别关注我们实施的尺寸，PCB尺寸为61 35 mm，重量为7.7 g。我们将其与2000 mAh电池配对，34.1克，并包装在一个定制的，3D打印的情况。这一重新结果是一个紧凑的便携式系统，测量67 48 19毫米，重量为59.8克。1实现的跟踪器足够小，可以戴在手腕上，脖子上的挂绳上，跑步腰带上，或者衬衫或裤子口袋里。婴儿可以很容易地把它们放在专门的背心的前口袋里，这在此类实验中很常见数据收集通过SD卡进行，也可以通过跟踪器发送的BLE广告实时收集数据进行远程收集，这些广告可以通过智能手机可视化或转发。部署注意事项。 由于SociTrack旨在由非专家在现实环境中部署，因此我们提供了多种部署协助机制。每个节点都可以通过两个RGB状态LED轻松地进行可视化监控，分别显示BLE和UWB子系统的为了进行更深入的监测和调试，BLE接口显示了可以使用Android和iOS智能手机应用程序以及我们构建并提供给研究人员的JavaScript应用程序进行交互的特性。该接口还使得实验者能够在运行中配置设备并调整参数，而无需在运行的实验中直接物理访问硬件，以及原位数据聚合和验证。研究文物。Soci- Track的所有硬件和软件工件都是开源的，并在GitHub上公开提供[11]。此外，我们开源了BLEnd的修改版本（如第4.2所述）和详细的系统模型（见第6）。我们的合作者正在积极使用该平台，对婴儿与婴儿的互动进行纵向研究。1尺寸和重量限制由先前部署86× 56× 15 mm，59 g LENA [31]用于婴儿声学监测的合作者指导········2020年9月21日至25日Biri、Jackson、Thiele、Pannuto和Dutta441416352200150100500（1，2）（1，3）（1，4）（2，3）（2，4）（3，4）相互作用对3002001000（1，2）（1，3）（1，4）（2，3）（2，4）（3，4）相互作用对500400300200100图5：比较平均持续时间和距离，我们观察到个体1在较短的距离内与个体3和4发生了明显较长的相互作用。地面真相日记证实，两人坐在一起见面。所有其他交互都发生在走廊上，距离明显更远，持续时间更短。请注意，相互作用被检测到（蓝色和橙色条），表明测量可靠性高。8评价为了证明我们的系统的有效性，我们测试SociTrack在控制实验和现实世界的部署。我们首先使用第3中讨论的三个应用程序场景来验证平台的整体功能。此后，我们evalu- ate在不同的范围内的测量保真度，并表明，我们实现分米测距精度，利用天线和频率分集的组合然后，我们证明通过模拟使用我们的系统模型，该系统可以很容易地适应不同的情况下，我们的协议增强显着降低加入延迟和消息的复杂性相比，国家的最先进的。最后，我们调查SociTrack的可部署性和环境对测量的影响。8.1验证部署方案办公室互动。 为了在不同人群中验证该平台，我们首先在10个小时内对4名参与者进行了实验，涵盖了一个完整的工作日。在此期间，该平台被证明是可靠的数据收集。尽管在一个15米的繁忙开放式办公空间内最多有10人进行重大移动，但节点平均接收96.1%的时间表，并完成85.7%的双向测距。在一天中，系统自动识别出这四个人之间的81次互动. 图5显示，成对关系在平均持续时间和平均距离上都有显著特别是，涉及个体1的两个组合在相当长的时间内显示出明显更密切的物理关系利用我们使用智能手机通过BLE同步全球时间戳数据的能力，我们将数据与手动日志相关联。这使我们能够推断出，这些对对应于两次会议，在此期间，个人坐着。请注意，所有的交互作用都是在数据的后处理过程中自动检测到的，并产生详细的空间和时间数据，这些数据可以由社会科学家进一步研究虽然我们在这里仅显示了距离小于250 cm的相互作用，但该分析可以扩展到包括多个细粒度的邻近区域[82]。相比之下，基于邻近度的系统不能支持这种事后距离依赖分析。00 50 100 150 200 250时间[s]图6：（1）一个蹒跚学步的孩子开始独自玩耍，而他的看护者坐在房间的角落里。(2)一旦婴儿发现有陌生人进入，他很快就会在看护者的附近寻求安慰。一旦幼儿意识到陌生人和照顾者是友好的关系，（3）他犹豫地向陌生人打招呼。(4)然后婴儿探索房间。一旦陌生人试图与他互动并加入游戏，（5）幼儿再次退回到照顾者身边在得到安慰后，（6）婴儿接受陌生人并继续探索。家庭动力学。 为了评估SociTrack对社会科学家的功效，我们将节点分配给发展心理学的合作伙伴。他们将其用于执行经典的“奇怪情境”程序[4]，该程序观察婴儿与其照顾者的依恋根据婴儿对意外干扰的反应，活动被分为四种行为模式。在这个实验中，一个蹒跚学步的孩子（将节点穿在小背心里）和他们的父亲（将节点放