基于藍(lán)牙定位技術(shù)的超市購(gòu)物智能引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝秀穎，馬嘯天，陶 亮

（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 引言

近年來(lái)，大型零售企業(yè)銷(xiāo)售額增速連續(xù)放緩，近兩年甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。傳統(tǒng)零售模式創(chuàng)新轉(zhuǎn)型亟待加強(qiáng)。作為零售行業(yè)的重要組成部分，大型實(shí)體超市的運(yùn)營(yíng)和銷(xiāo)售模式上存在的問(wèn)題更為突出：一方面，大型實(shí)體超市的銷(xiāo)售模式較為落后且多年不變，不符合消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的購(gòu)物體驗(yàn)需求；另一方面，大型實(shí)體超市在信息技術(shù)比較發(fā)達(dá)的今天，尚未充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)改進(jìn)自身營(yíng)銷(xiāo)模式和服務(wù)質(zhì)量。

本文提出了一種基于藍(lán)牙定位技術(shù)的超市購(gòu)物智能引導(dǎo)系統(tǒng)，本系統(tǒng)以藍(lán)牙定位技術(shù)為基礎(chǔ)，并應(yīng)用最小二乘法對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了超市內(nèi)部的快速定位。通過(guò)服務(wù)器與Android客戶(hù)端之間的交互，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)商品基本信息查詢(xún)、超市關(guān)鍵信息推送等功能，提高了顧客購(gòu)物體驗(yàn)的同時(shí)，也通過(guò)新的營(yíng)銷(xiāo)模式，增加超市的獲利機(jī)會(huì)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由服務(wù)器、Android客戶(hù)端、和藍(lán)牙定位模塊組成，整體采用C/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)運(yùn)行要求超市具有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路。該系統(tǒng)架構(gòu)共分為三層，分別是：感知層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。如圖1所示。

感知層主要由多個(gè)藍(lán)牙定位模塊組成，其具體數(shù)量與超市規(guī)模相關(guān)。藍(lán)牙定位模塊分布于超市的購(gòu)物區(qū)，提供了定位所需的藍(lán)牙信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，以供Android客戶(hù)端進(jìn)行藍(lán)牙信號(hào)的識(shí)別。數(shù)據(jù)層包括服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)商品信息、藍(lán)牙模塊信息及用戶(hù)信息等。同時(shí)，接收用戶(hù)層發(fā)來(lái)的請(qǐng)求及數(shù)據(jù)，對(duì)用于定位的藍(lán)牙信號(hào)數(shù)據(jù)和推薦數(shù)據(jù)使用相應(yīng)的算法運(yùn)算。應(yīng)用層主要包括安裝在超市購(gòu)物車(chē)上的平板電腦作為該系統(tǒng)的Android客戶(hù)端硬件及專(zhuān)用APP，負(fù)責(zé)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的請(qǐng)求和調(diào)用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 藍(lán)牙定位模塊的設(shè)計(jì)與布置

2.1 藍(lán)牙定位模塊的設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位是該導(dǎo)購(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于藍(lán)牙的室內(nèi)定位技術(shù)采用掃描近距離藍(lán)牙定位模塊的UUID藍(lán)牙唯一識(shí)別碼和RSSI信號(hào)強(qiáng)度指示值的方法，再通過(guò)一定算法來(lái)識(shí)別當(dāng)前位置。

藍(lán)牙定位模塊采用TI公司的CC2541藍(lán)牙芯片。CC2541芯片及其外圍電路如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙定位模塊硬件原理圖

藍(lán)牙定位模塊的核心是CC2541芯片。周邊電路包含電源部分、射頻部分和時(shí)鐘部分。其中電源部分兼容了直流供電和電池供電，以方便選擇供電模式。無(wú)線(xiàn)采用2.4G外置天線(xiàn)，時(shí)鐘電路采用32MHz和32.768kHz的雙晶振。

2.2 藍(lán)牙模塊的布置

藍(lán)牙定位技術(shù)主要運(yùn)用了該模塊在自由空間中的信號(hào)衰減規(guī)律，其信號(hào)強(qiáng)度指示值RSSI與距離的衰減規(guī)律如圖3所示。當(dāng)藍(lán)牙模塊與待測(cè)點(diǎn)的距離超過(guò)4m時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度指示值RSSI將不再與距離成單調(diào)下降的關(guān)系，所以每?jī)蓚€(gè)藍(lán)牙定位模塊的水平布置間距應(yīng)在3m～4m之間。

圖3 藍(lán)牙模塊RSSI值衰減規(guī)律圖

根據(jù)大型超市的定位需求，藍(lán)牙定位模塊的布置重點(diǎn)應(yīng)放在超市貨架、商品區(qū)及過(guò)道上。圖4為某超市虛擬平面布點(diǎn)圖。超市的頂部大約距離地面3m～4m，而這個(gè)距離恰好適合在同一水平面進(jìn)行藍(lán)牙定位。

圖4 某超市虛擬平面布點(diǎn)圖

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)了對(duì)系統(tǒng)Android客戶(hù)端的專(zhuān)用導(dǎo)購(gòu)APP，該APP主要具有超市內(nèi)部藍(lán)牙定位的功能，同時(shí)兼具商品信息查詢(xún)及超市信息推送等功能。

3.1 多個(gè)藍(lán)牙定位模塊協(xié)同定位的設(shè)計(jì)

當(dāng)Android客戶(hù)端進(jìn)入到藍(lán)牙覆蓋區(qū)域時(shí)，該設(shè)備會(huì)自動(dòng)獲取到附近某幾個(gè)藍(lán)牙定位模塊發(fā)出的藍(lán)牙信號(hào)，并得到它們的唯一識(shí)別碼UUID和信號(hào)強(qiáng)度指示值RSSI，最后根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出未知位置的地理坐標(biāo)。

檢測(cè)RSSI值，常用的傳播模型包括對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型、自由空間傳播模型以及對(duì)數(shù)常態(tài)模型。在室內(nèi)環(huán)境下，對(duì)數(shù)常態(tài)模型更適合于定位，如式(1)所示：

其中，d為待測(cè)點(diǎn)距離藍(lán)牙定位模塊的距離；d0為所取參考距離，一般取1m；P（d）為測(cè)量端接收信號(hào)的功率；P（d0）為參考點(diǎn)接收信號(hào)的功率，ζ為均值為0的正太分布的隨機(jī)變量，其意義為當(dāng)測(cè)試距離一定時(shí)，接收信號(hào)的功率呈現(xiàn)的變化；n為電磁波衰減系數(shù)，與具體環(huán)境相關(guān)。通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度，就可求出目標(biāo)點(diǎn)與信號(hào)發(fā)射源的距離。n的幾種典型值如表1所示。

表1 電磁波衰減系數(shù)表

最小二乘法的參數(shù)模型有三種情況，分別是距離方程組的個(gè)數(shù)多于、少于和等于未知參數(shù)的個(gè)數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)要求和實(shí)際環(huán)境中藍(lán)牙定位模塊需要布置的數(shù)量來(lái)確定最其參數(shù)模型，顯然本系統(tǒng)屬于藍(lán)牙定位模塊個(gè)數(shù)多于待定位客戶(hù)端個(gè)數(shù)的情況。

計(jì)算方法如下：

第一步，將Android客戶(hù)端接收的藍(lán)牙定位模塊的RSSI值代入到式(1)中，計(jì)算出Android客戶(hù)端與每個(gè)藍(lán)牙定位模塊之間的距離。已知n個(gè)藍(lán)牙定位模塊的坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）...（xn，yn）他們到待測(cè)客戶(hù)端的距離分別是d1，d2，d3...dn。

第二步，由最小二乘法計(jì)算得到距離方程組，并化簡(jiǎn)為矩陣形式。

由方程組(2)中方程兩兩相減得到方程組(3)：

將方程組(3)表示為矩陣的形式，即AX=b的形式，令：

使用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算可得：

則式(4)所求的X坐標(biāo)就是待測(cè)客戶(hù)端計(jì)算點(diǎn)位坐標(biāo)。

第三步，當(dāng)?shù)玫接?jì)算坐標(biāo)值后，服務(wù)器將其與數(shù)據(jù)庫(kù)中藍(lán)牙定位模塊實(shí)際點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，找出最接近的藍(lán)牙定位模塊點(diǎn)位，并將其實(shí)際位置發(fā)回客戶(hù)端，以實(shí)現(xiàn)精確定位。其實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙定位模塊協(xié)同定位程序流程圖

3.2 營(yíng)銷(xiāo)功能的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)除了能進(jìn)行精確的定位外，還具備信息推送、商品查詢(xún)和定位導(dǎo)引等功能。其中信息推送通過(guò)客戶(hù)端與服務(wù)器立數(shù)據(jù)鏈接并注冊(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)器，當(dāng)推送數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)監(jiān)聽(tīng)器被觸發(fā)，獲取并解析推送信息，解析后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證，對(duì)于過(guò)期的信息丟掉不予理會(huì)，未過(guò)期的數(shù)據(jù)解析后顯示在客戶(hù)端中。

對(duì)于經(jīng)常光顧大型超市的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，其最大的期望就是能及時(shí)了解商品的最新信息。該系統(tǒng)為消費(fèi)者提供了一個(gè)查詢(xún)和瀏覽商品信息快捷入口。需要查詢(xún)商品信息時(shí)可以在搜索框中輸入商品名稱(chēng)進(jìn)行搜索，通過(guò)與服務(wù)器進(jìn)行通信，將搜索結(jié)果發(fā)回給客戶(hù)端，客戶(hù)端對(duì)其進(jìn)行解析并顯示。同時(shí)，該系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前客戶(hù)端定位位置和目標(biāo)商品位置進(jìn)行路徑規(guī)劃，以快速指引消費(fèi)者找到目標(biāo)商品。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于藍(lán)牙定位技術(shù)的超市購(gòu)物智能引導(dǎo)系統(tǒng)，其中，主要對(duì)藍(lán)牙定位模塊基于Android系統(tǒng)的導(dǎo)購(gòu)專(zhuān)用APP進(jìn)行了設(shè)計(jì)，購(gòu)物者通過(guò)使用該系統(tǒng)，可輕松實(shí)現(xiàn)在超市內(nèi)部的快速定位、商品信息查詢(xún)、商品信息推送等功能，實(shí)現(xiàn)了幫助顧客在大型超市內(nèi)能夠?qū)崟r(shí)的、準(zhǔn)確的了解自身位置，方便的找到所需商品和及時(shí)的獲取各類(lèi)商品信息，切實(shí)提高了消費(fèi)者的購(gòu)物體驗(yàn)，為大型超市提供了線(xiàn)上與線(xiàn)下相結(jié)合的高效銷(xiāo)售模式，為消費(fèi)者提供了一個(gè)方便快捷的引導(dǎo)平臺(tái)。