丁 磊，劉清華，江志文

DING Lei,LIU Qinghua,JIANG Zhiwen

廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510006

School of Computer Science and Technology,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China

1 引言

隨著電子貨架標(biāo)簽[1]在商場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用，使得顧客在商場(chǎng)中購(gòu)物越來(lái)越便利，一方面顧客通過(guò)電子貨架標(biāo)簽上的信息可以了解商品的生產(chǎn)地、規(guī)格、價(jià)格等，另一方面零售商可以通過(guò)POS系統(tǒng)更改商品信息來(lái)管理電子貨架標(biāo)簽。從搜集顧客數(shù)據(jù)信息到解決方案，如能對(duì)此善加利用，則能使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。室內(nèi)定位技術(shù)一般應(yīng)用在用戶手機(jī)客戶端在商場(chǎng)中通過(guò)請(qǐng)求服務(wù)器，服務(wù)器端會(huì)根據(jù)用戶所在的區(qū)域進(jìn)行定位，然后把用戶所在區(qū)域的商品列表信息推送到手機(jī)客戶端，用戶還可以通過(guò)客戶端提交自己對(duì)商品的使用心得等[2]。但是如果能夠通過(guò)定位技術(shù)獲得消費(fèi)者在商場(chǎng)中位置信息、在商場(chǎng)中駐留的時(shí)間，并把這些位置信息存儲(chǔ)起來(lái)并傳送到數(shù)據(jù)中心結(jié)合POS系統(tǒng)中消費(fèi)者購(gòu)買的商品，來(lái)分析顧客的消費(fèi)習(xí)慣并在顧客分析基礎(chǔ)上對(duì)消費(fèi)者后期進(jìn)行定向服務(wù)、定向推送，及時(shí)做出準(zhǔn)確的銷售預(yù)測(cè)，再傳導(dǎo)到供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高效的商品組合、訂單管理、物流安排，成本更低，周轉(zhuǎn)更快，把整個(gè)供應(yīng)鏈的效力充分發(fā)揮出來(lái)。

本文在電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上開發(fā)顧客定位系統(tǒng)。在定位算法上，謝可等人[3]提出遮蔽因子方法對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)距方法進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了仿真研究，效果良好。為此，該系統(tǒng)采用其提出的測(cè)距方法進(jìn)行定位，以提高定位精度，來(lái)獲取顧客位置信息以及顧客的駐留時(shí)間，為企業(yè)后期做數(shù)據(jù)分析提供一個(gè)獲取顧客新數(shù)據(jù)的平臺(tái)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)[4]（Electronic Shelf Label System，ESLS），一般由電子貨架標(biāo)簽、智能網(wǎng)關(guān)、后臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成。該室內(nèi)定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是ESLS的一個(gè)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集消費(fèi)者在商場(chǎng)中的位置信息、駐留時(shí)間，并把該信息傳送到數(shù)據(jù)中心。該系統(tǒng)的電子標(biāo)簽安裝在購(gòu)物車或者是購(gòu)物籃上，如圖1中所示。電子標(biāo)簽顯示含有藍(lán)牙模塊MAC地址、購(gòu)物籃信息以及包含這些信息的二維碼[5]。每當(dāng)顧客進(jìn)入商場(chǎng)使用購(gòu)物籃時(shí)，通過(guò)微信掃描二維碼的方式綁定用戶信息。智能網(wǎng)關(guān)一方面負(fù)責(zé)采集購(gòu)籃上的電子標(biāo)簽的藍(lán)牙RSSI值，并把該值傳送到后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行定位計(jì)算，另一方面負(fù)責(zé)管理商品的電子貨架標(biāo)簽，方便更改商品的價(jià)格、規(guī)格等信息。數(shù)據(jù)中心包含標(biāo)簽信息、商品信息和消費(fèi)者在商場(chǎng)中的消費(fèi)行為以及定位系統(tǒng)中的消費(fèi)者位置信息等數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用ETL技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。ETL[6]是數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和裝載（Extract，Transformation，Loading）的英文簡(jiǎn)稱，是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是對(duì)分散在各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換、清洗和加載的過(guò)程，是這些數(shù)據(jù)成為商業(yè)智能系統(tǒng)需要的有用數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 定位采集系統(tǒng)原理和算法

3.1 定位原理

定位系統(tǒng)采用智能網(wǎng)關(guān)同時(shí)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行RSSI采集并傳送到后臺(tái)服務(wù)器算出電子標(biāo)簽與智能網(wǎng)關(guān)的距離，進(jìn)而得出購(gòu)物籃的位置坐標(biāo)。在實(shí)際環(huán)境中，通過(guò)RSSI來(lái)估算電子標(biāo)簽與智能網(wǎng)關(guān)之間的距離是有較大誤差的，主要原因是：藍(lán)牙底層協(xié)議中會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率；室內(nèi)環(huán)境中存在多經(jīng)效應(yīng)以及繞射、障礙物等因素，導(dǎo)致智能網(wǎng)關(guān)端收到的RSSI值波動(dòng)比較大。為此在智能網(wǎng)關(guān)采集到RSSI值需要進(jìn)行高斯濾波處理后，才能向服務(wù)端發(fā)送，然后進(jìn)行測(cè)距計(jì)算。本文選擇了RSSI高概率發(fā)生區(qū)，經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試，RSSI的取值范圍為[0.15σ+μ,3.09σ+μ][7]，其中：

式中，n為濾波前的RSSI個(gè)數(shù)。

然后，取出該范圍內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度值，利用式（3）求出其算術(shù)平均值作為電子標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值，發(fā)送到服務(wù)器端。

式中，m為濾波后的RSSI個(gè)數(shù)，m小于式（1）中的n。

3.2 定位算法

通過(guò)獲取藍(lán)牙RSSI的值進(jìn)行定位的方法主要分為兩類：基于位置指紋算法[8-9]和基于測(cè)距定位算法[10-11]。前者方法的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，但是計(jì)算復(fù)雜，且在離線建立位置指紋庫(kù)時(shí)需要把實(shí)際環(huán)境中的每個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行采樣，并建立RSSI與物理位置的對(duì)應(yīng)表，使得前期工作量巨大。

本文在算法實(shí)現(xiàn)上采用的是基于距測(cè)的定位算法。在室內(nèi)環(huán)境中，電磁波的傳播過(guò)程不能用自由空間的傳播模型來(lái)表示，較為常用的是一種帶有遮蔽因子的對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型[3]。

式中，P是距離為d時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，P0是距離為d0的信號(hào)強(qiáng)度，該值需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，d0通常取為1 m。η為衰減因子，該值需要現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量后進(jìn)行擬合。ξ為遮蔽因子，是均值為μ，方差為σ2的正態(tài)隨機(jī)變量。

設(shè)各個(gè)智能網(wǎng)關(guān)收到電子標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度為P=[P1P2…PN]，對(duì)應(yīng)的距離為 D=[D1D2…DN]，由式（4）可得到P的對(duì)數(shù)似然函數(shù)為：

其中

由最大似然估計(jì)原理可知，當(dāng)l(P|(x,y))取得最大時(shí)，可得到電子標(biāo)簽點(diǎn)的估計(jì)位置，即

利用共軛梯度法求解式（5），可得到估計(jì)坐標(biāo)(,)。

在上述似然函數(shù)求解位置坐標(biāo)時(shí)，未考慮式（4）中的遮蔽因子，求出的距離與實(shí)際的位置存在偏差，使得定位精確度下降。為此采用調(diào)節(jié)遮蔽因子方法對(duì)式（6）改進(jìn)，進(jìn)行定位計(jì)算，該定位方法為一種循環(huán)執(zhí)行的程序，每一次循環(huán)都包含4個(gè)部分：粗定位、調(diào)節(jié)遮蔽因子、調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)差，以及循環(huán)結(jié)束判定[3]。

（1）粗定位

首先，令式（5）中的為：

σi為智能終端i與電子標(biāo)簽之間的遮蔽因子，首次計(jì)算時(shí)，令 σi=0 ，之后求解式（6）得到 ()。

（2）調(diào)整遮蔽因子

遮蔽因子的調(diào)整公式為：

其中為調(diào)整前的 σi，為調(diào)整后的 σi，其中di為模型映射距離，由式（7）可以得出：

為估計(jì)坐標(biāo)計(jì)算距離：

其中，xi，yi為智能終端i的坐標(biāo)。

（3）調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)差

此時(shí)式（5）中用到的遮蔽因子標(biāo)準(zhǔn)差δ為：

其中σ0為初始的遮蔽因子標(biāo)準(zhǔn)差。

（4）循環(huán)結(jié)束判定

若δ大于0，則再次執(zhí)行循環(huán)，否則，停止執(zhí)行循環(huán)。循環(huán)結(jié)束之后再執(zhí)行一次精定位，即再次求解式（6）得到最終的)。

4 定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 智能網(wǎng)關(guān)端的應(yīng)用程序開發(fā)

智能網(wǎng)關(guān)嵌入Android系統(tǒng)，該設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的Mac以及RSSI值的獲取并發(fā)送到服務(wù)器端，其中網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙模塊采用TI公司的CC2540作為射頻發(fā)射器。在該Android系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用程序[12]（Application，APP）主要負(fù)責(zé)電子標(biāo)簽RSSI的采集與后臺(tái)服務(wù)器的交互。具體實(shí)現(xiàn)的流程如下：（1）打開藍(lán)牙：得到BluetoothAdapter對(duì)象判斷該設(shè)備是否有藍(lán)牙，有則打開藍(lán)牙；（2）藍(lán)牙設(shè)備的掃描：①獲得IntentFilter對(duì)象，添加BluetoothDevice廣播信息過(guò)濾；②創(chuàng)建Broadcast-Receiver對(duì)象，注冊(cè)廣播接收器，接收并處理搜索結(jié)果；③BluetoothAdapter的對(duì)象調(diào)用startDiscovery（）方法，APP會(huì)將查找到的設(shè)備以廣播形式發(fā)出去。

由于受到室內(nèi)環(huán)境等影響，導(dǎo)致收到電子標(biāo)簽的RSSI值不穩(wěn)定。在藍(lán)牙設(shè)備掃描階段②步驟中，采用濾波算法對(duì)目標(biāo)電子標(biāo)簽采集的RSSI值進(jìn)行處理，智能網(wǎng)關(guān)端每5 s通過(guò)HTTP請(qǐng)求向服務(wù)器端發(fā)送mac地址和處理后RSSI的值以及系統(tǒng)時(shí)間值，APP流程如圖2。

4.2 服務(wù)器端的開發(fā)

系統(tǒng)服務(wù)器端是搭建在基于Web的Java EE[13]平臺(tái)之上，采用SSH（Spring4、Struts2、Hibernate）框架進(jìn)行開發(fā)的。對(duì)于整個(gè)開發(fā)平臺(tái)環(huán)境的簡(jiǎn)單搭建描述如下：JDK 1.7，集成開發(fā)環(huán)境MyEcplice 2014，服務(wù)器tomact 8.0.9，數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL 5.5。

圖2 APP流程圖

整個(gè)服務(wù)器端如圖3所示。其中，com.lbs_server.domain該包放置的是普通的JavaBean，系統(tǒng)運(yùn)用Hibernate技術(shù)將這些JavaBean對(duì)象映射到數(shù)據(jù)庫(kù)中；com.lbs_server.actions包內(nèi)放置的是系統(tǒng)的所有action類，處理前端的各類請(qǐng)求，包括查找顧客的位置、接收智能網(wǎng)關(guān)端的信息等操作；com.lbs_server.service包內(nèi)放置的是系統(tǒng)的所有service接口，定義了所有用到的業(yè)務(wù)邏輯方法；com.lbs_server.serviceImpl包內(nèi)放置的是系統(tǒng)的所有service的實(shí)現(xiàn)類，實(shí)現(xiàn)了所有業(yè)務(wù)邏輯方法的具體行為；com.lbs_server.dao包內(nèi)放置的是系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)持久化方法的實(shí)現(xiàn)的接口；com.lbs_server.dao-Impl包內(nèi)放置的是所有dao接口的實(shí)現(xiàn)類，直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，包括各類數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等。

圖3 服務(wù)器端圖

智能網(wǎng)關(guān)端通過(guò)HTTP協(xié)議[14-15]請(qǐng)求的方式與后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行交互。HTTP請(qǐng)求的路徑包括服務(wù)器的URL、端口號(hào)以及請(qǐng)求的參數(shù)值。參數(shù)值由int類型的RSSI、String類型的mac以及智能網(wǎng)關(guān)端發(fā)送到服務(wù)器端String類型的time組成。com.lbs_server.action包下面的getAp（）的方法中，該方法調(diào)用com.lbs.serverImple中的getApDistance（String mac，int rssi，String time）的方法，該方法返回智能網(wǎng)關(guān)與電子標(biāo)簽的距離。在商場(chǎng)中放置4個(gè)智能網(wǎng)關(guān)得到4組電子標(biāo)簽的距離和mac地址、時(shí)間，然后經(jīng)過(guò)getxx_yy（double dd1，double dd2，double dd3，double dd4，String mac，Date time）方法計(jì)算出搜索到電子標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，定位算法流程如圖4。

圖4 定位算法流程圖

智能網(wǎng)關(guān)端主要方法：

服務(wù)器端主要方法如下：

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的有效性，選擇了一間6 m×9 m的小型超市，劃分區(qū)域建立室內(nèi)坐標(biāo)系，4個(gè)智能網(wǎng)關(guān)分別置于坐標(biāo)（0，0），（4.8，0），（0，7.2），（7.2，7.2）的位置，1部手機(jī)、1臺(tái)電腦、1臺(tái)服務(wù)器、1個(gè)購(gòu)物籃和電子標(biāo)簽。

5.2 定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)工作流程如下：（1）4個(gè)智能網(wǎng)關(guān)的APP同時(shí)打開，掃描電子標(biāo)簽設(shè)備，服務(wù)器端向智能網(wǎng)關(guān)端發(fā)送校準(zhǔn)時(shí)間，使得智能網(wǎng)關(guān)端采集的RSSI的開始時(shí)間值一致；（2）手機(jī)微信掃描電子標(biāo)簽上的二維碼，使得顧客與購(gòu)物籃、電子標(biāo)簽綁定；（3）每隔15 s移動(dòng)電子標(biāo)簽的位置，同時(shí)管理員在電腦端登錄定位系統(tǒng)，通過(guò)查詢購(gòu)物籃編號(hào)獲得正在使用該購(gòu)物籃顧客的位置信息，并在該顧客走出定位區(qū)域后，通過(guò)查詢顧客編號(hào)得到顧客駐留的時(shí)間。系統(tǒng)查詢結(jié)果如圖5。

圖5 查詢結(jié)果圖

定位信息采集的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 定位信息采集的數(shù)據(jù)m

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，利用調(diào)節(jié)遮蔽因子的測(cè)距方法，能夠達(dá)到精確定位的效果。一方面在位置信息頁(yè)面通過(guò)搜索購(gòu)物籃編號(hào)能夠知道顧客的位置以及時(shí)間，另一方面在駐留時(shí)間頁(yè)面也能夠搜索到購(gòu)物籃進(jìn)出測(cè)試區(qū)域的時(shí)間值以及在這一片區(qū)域停留的時(shí)間，該駐留時(shí)間理論應(yīng)5分鐘0秒，實(shí)際為7分鐘08秒。其原因來(lái)自于在位置之間互相移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致的延時(shí)，但該獲得的時(shí)間為在整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中駐留的時(shí)間值。

6 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)遮蔽因子的測(cè)距方法，進(jìn)行定位。在智能網(wǎng)關(guān)端對(duì)采集的RSSI值用高斯濾波算法進(jìn)行過(guò)濾，采用SHH框架搭建后臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該測(cè)距算法的可行性。管理員通過(guò)后臺(tái)頁(yè)面查詢到顧客的位置以及在測(cè)試區(qū)域的駐留時(shí)間。該獲得數(shù)據(jù)信息可以結(jié)合電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)以及與消費(fèi)者在商場(chǎng)中購(gòu)買商品信息等的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為發(fā)現(xiàn)潛在的顧客提供了便利。

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