基于藍牙定位技術的超市購物智能引導系統的設計

謝秀穎，馬嘯天，陶 亮

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101）

0 引言

近年來，大型零售企業銷售額增速連續放緩，近兩年甚至出現負增長。傳統零售模式創新轉型亟待加強。作為零售行業的重要組成部分，大型實體超市的運營和銷售模式上存在的問題更為突出：一方面，大型實體超市的銷售模式較為落后且多年不變，不符合消費者日益增長的購物體驗需求；另一方面，大型實體超市在信息技術比較發達的今天，尚未充分利用信息技術的優勢來改進自身營銷模式和服務質量。

本文提出了一種基于藍牙定位技術的超市購物智能引導系統，本系統以藍牙定位技術為基礎，并應用最小二乘法對定位數據進行優化，實現了超市內部的快速定位。通過服務器與Android客戶端之間的交互，該系統可實現商品基本信息查詢、超市關鍵信息推送等功能，提高了顧客購物體驗的同時，也通過新的營銷模式，增加超市的獲利機會。

1 系統架構

本系統主要由服務器、Android客戶端、和藍牙定位模塊組成，整體采用C/S架構進行設計，該系統運行要求超市具有無線網路。該系統架構共分為三層，分別是：感知層、應用層和數據層。如圖1所示。

感知層主要由多個藍牙定位模塊組成，其具體數量與超市規模相關。藍牙定位模塊分布于超市的購物區，提供了定位所需的藍牙信號網絡，以供Android客戶端進行藍牙信號的識別。數據層包括服務器和數據庫，用于存儲商品信息、藍牙模塊信息及用戶信息等。同時，接收用戶層發來的請求及數據，對用于定位的藍牙信號數據和推薦數據使用相應的算法運算。應用層主要包括安裝在超市購物車上的平板電腦作為該系統的Android客戶端硬件及專用APP，負責人機交互，實現對系統功能的請求和調用。

圖1 系統結構圖

2 藍牙定位模塊的設計與布置

2.1 藍牙定位模塊的設計

室內定位是該導購系統的基礎，基于藍牙的室內定位技術采用掃描近距離藍牙定位模塊的UUID藍牙唯一識別碼和RSSI信號強度指示值的方法，再通過一定算法來識別當前位置。

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

圖2 藍牙定位模塊硬件原理圖

藍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。無線采用2.4G外置天線，時鐘電路采用32MHz和32.768kHz的雙晶振。

2.2 藍牙模塊的布置

藍牙定位技術主要運用了該模塊在自由空間中的信號衰減規律，其信號強度指示值RSSI與距離的衰減規律如圖3所示。當藍牙模塊與待測點的距離超過4m時，信號強度指示值RSSI將不再與距離成單調下降的關系，所以每兩個藍牙定位模塊的水平布置間距應在3m～4m之間。

圖3 藍牙模塊RSSI值衰減規律圖

根據大型超市的定位需求，藍牙定位模塊的布置重點應放在超市貨架、商品區及過道上。圖4為某超市虛擬平面布點圖。超市的頂部大約距離地面3m～4m，而這個距離恰好適合在同一水平面進行藍牙定位。

圖4 某超市虛擬平面布點圖

3 系統軟件的設計

主要設計了對系統Android客戶端的專用導購APP，該APP主要具有超市內部藍牙定位的功能，同時兼具商品信息查詢及超市信息推送等功能。

3.1 多個藍牙定位模塊協同定位的設計

當Android客戶端進入到藍牙覆蓋區域時，該設備會自動獲取到附近某幾個藍牙定位模塊發出的藍牙信號，并得到它們的唯一識別碼UUID和信號強度指示值RSSI，最后根據相關算法計算出未知位置的地理坐標。

檢測RSSI值，常用的傳播模型包括對數距離路徑損耗模型、自由空間傳播模型以及對數常態模型。在室內環境下，對數常態模型更適合于定位，如式(1)所示：

其中，d為待測點距離藍牙定位模塊的距離；d0為所取參考距離，一般取1m；P（d）為測量端接收信號的功率；P（d0）為參考點接收信號的功率，ζ為均值為0的正太分布的隨機變量，其意義為當測試距離一定時，接收信號的功率呈現的變化；n為電磁波衰減系數，與具體環境相關。通過測量接收信號強度，就可求出目標點與信號發射源的距離。n的幾種典型值如表1所示。

表1 電磁波衰減系數表

最小二乘法的參數模型有三種情況，分別是距離方程組的個數多于、少于和等于未知參數的個數，根據系統要求和實際環境中藍牙定位模塊需要布置的數量來確定最其參數模型，顯然本系統屬于藍牙定位模塊個數多于待定位客戶端個數的情況。

計算方法如下：

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

第二步，由最小二乘法計算得到距離方程組，并化簡為矩陣形式。

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：

使用最小二乘法進行計算可得：

則式(4)所求的X坐標就是待測客戶端計算點位坐標。

第三步，當得到計算坐標值后，服務器將其與數據庫中藍牙定位模塊實際點位坐標進行比對，找出最接近的藍牙定位模塊點位，并將其實際位置發回客戶端，以實現精確定位。其實現流程如圖5所示。

圖5 藍牙定位模塊協同定位程序流程圖

3.2 營銷功能的設計

本系統除了能進行精確的定位外，還具備信息推送、商品查詢和定位導引等功能。其中信息推送通過客戶端與服務器立數據鏈接并注冊數據監聽器，當推送數據到達時監聽器被觸發，獲取并解析推送信息，解析后需要對數據進行實時驗證，對于過期的信息丟掉不予理會，未過期的數據解析后顯示在客戶端中。

對于經常光顧大型超市的消費者來說，其最大的期望就是能及時了解商品的最新信息。該系統為消費者提供了一個查詢和瀏覽商品信息快捷入口。需要查詢商品信息時可以在搜索框中輸入商品名稱進行搜索，通過與服務器進行通信，將搜索結果發回給客戶端，客戶端對其進行解析并顯示。同時，該系統可以根據當前客戶端定位位置和目標商品位置進行路徑規劃，以快速指引消費者找到目標商品。

4 結束語

本文設計實現了基于藍牙定位技術的超市購物智能引導系統，其中，主要對藍牙定位模塊基于Android系統的導購專用APP進行了設計，購物者通過使用該系統，可輕松實現在超市內部的快速定位、商品信息查詢、商品信息推送等功能，實現了幫助顧客在大型超市內能夠實時的、準確的了解自身位置，方便的找到所需商品和及時的獲取各類商品信息，切實提高了消費者的購物體驗，為大型超市提供了線上與線下相結合的高效銷售模式，為消費者提供了一個方便快捷的引導平臺。