基于蓝牙定位技术的超市购物智能引导系统的设计

谢秀颖，马啸天，陶 亮

（山东建筑大学 信息与电气工程学院，济南 250101）

0 引言

近年来，大型零售企业销售额增速连续放缓，近两年甚至出现负增长。传统零售模式创新转型亟待加强。作为零售行业的重要组成部分，大型实体超市的运营和销售模式上存在的问题更为突出：一方面，大型实体超市的销售模式较为落后且多年不变，不符合消费者日益增长的购物体验需求；另一方面，大型实体超市在信息技术比较发达的今天，尚未充分利用信息技术的优势来改进自身营销模式和服务质量。

本文提出了一种基于蓝牙定位技术的超市购物智能引导系统，本系统以蓝牙定位技术为基础，并应用最小二乘法对定位数据进行优化，实现了超市内部的快速定位。通过服务器与Android客户端之间的交互，该系统可实现商品基本信息查询、超市关键信息推送等功能，提高了顾客购物体验的同时，也通过新的营销模式，增加超市的获利机会。

1 系统架构

本系统主要由服务器、Android客户端、和蓝牙定位模块组成，整体采用C/S架构进行设计，该系统运行要求超市具有无线网路。该系统架构共分为三层，分别是：感知层、应用层和数据层。如图1所示。

感知层主要由多个蓝牙定位模块组成，其具体数量与超市规模相关。蓝牙定位模块分布于超市的购物区，提供了定位所需的蓝牙信号网络，以供Android客户端进行蓝牙信号的识别。数据层包括服务器和数据库，用于存储商品信息、蓝牙模块信息及用户信息等。同时，接收用户层发来的请求及数据，对用于定位的蓝牙信号数据和推荐数据使用相应的算法运算。应用层主要包括安装在超市购物车上的平板电脑作为该系统的Android客户端硬件及专用APP，负责人机交互，实现对系统功能的请求和调用。

图1 系统结构图

2 蓝牙定位模块的设计与布置

2.1 蓝牙定位模块的设计

室内定位是该导购系统的基础，基于蓝牙的室内定位技术采用扫描近距离蓝牙定位模块的UUID蓝牙唯一识别码和RSSI信号强度指示值的方法，再通过一定算法来识别当前位置。

蓝牙定位模块采用TI公司的CC2541蓝牙芯片。CC2541芯片及其外围电路如图2所示。

图2 蓝牙定位模块硬件原理图

蓝牙定位模块的核心是CC2541芯片。周边电路包含电源部分、射频部分和时钟部分。其中电源部分兼容了直流供电和电池供电，以方便选择供电模式。无线采用2.4G外置天线，时钟电路采用32MHz和32.768kHz的双晶振。

2.2 蓝牙模块的布置

蓝牙定位技术主要运用了该模块在自由空间中的信号衰减规律，其信号强度指示值RSSI与距离的衰减规律如图3所示。当蓝牙模块与待测点的距离超过4m时，信号强度指示值RSSI将不再与距离成单调下降的关系，所以每两个蓝牙定位模块的水平布置间距应在3m～4m之间。

图3 蓝牙模块RSSI值衰减规律图

根据大型超市的定位需求，蓝牙定位模块的布置重点应放在超市货架、商品区及过道上。图4为某超市虚拟平面布点图。超市的顶部大约距离地面3m～4m，而这个距离恰好适合在同一水平面进行蓝牙定位。

图4 某超市虚拟平面布点图

3 系统软件的设计

主要设计了对系统Android客户端的专用导购APP，该APP主要具有超市内部蓝牙定位的功能，同时兼具商品信息查询及超市信息推送等功能。

3.1 多个蓝牙定位模块协同定位的设计

当Android客户端进入到蓝牙覆盖区域时，该设备会自动获取到附近某几个蓝牙定位模块发出的蓝牙信号，并得到它们的唯一识别码UUID和信号强度指示值RSSI，最后根据相关算法计算出未知位置的地理坐标。

检测RSSI值，常用的传播模型包括对数距离路径损耗模型、自由空间传播模型以及对数常态模型。在室内环境下，对数常态模型更适合于定位，如式(1)所示：

其中，d为待测点距离蓝牙定位模块的距离；d0为所取参考距离，一般取1m；P（d）为测量端接收信号的功率；P（d0）为参考点接收信号的功率，ζ为均值为0的正太分布的随机变量，其意义为当测试距离一定时，接收信号的功率呈现的变化；n为电磁波衰减系数，与具体环境相关。通过测量接收信号强度，就可求出目标点与信号发射源的距离。n的几种典型值如表1所示。

表1 电磁波衰减系数表

最小二乘法的参数模型有三种情况，分别是距离方程组的个数多于、少于和等于未知参数的个数，根据系统要求和实际环境中蓝牙定位模块需要布置的数量来确定最其参数模型，显然本系统属于蓝牙定位模块个数多于待定位客户端个数的情况。

计算方法如下：

第一步，将Android客户端接收的蓝牙定位模块的RSSI值代入到式(1)中，计算出Android客户端与每个蓝牙定位模块之间的距离。已知n个蓝牙定位模块的坐标分别为（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）...（xn，yn）他们到待测客户端的距离分别是d1，d2，d3...dn。

第二步，由最小二乘法计算得到距离方程组，并化简为矩阵形式。

由方程组(2)中方程两两相减得到方程组(3)：

将方程组(3)表示为矩阵的形式，即AX=b的形式，令：

使用最小二乘法进行计算可得：

则式(4)所求的X坐标就是待测客户端计算点位坐标。

第三步，当得到计算坐标值后，服务器将其与数据库中蓝牙定位模块实际点位坐标进行比对，找出最接近的蓝牙定位模块点位，并将其实际位置发回客户端，以实现精确定位。其实现流程如图5所示。

图5 蓝牙定位模块协同定位程序流程图

3.2 营销功能的设计

本系统除了能进行精确的定位外，还具备信息推送、商品查询和定位导引等功能。其中信息推送通过客户端与服务器立数据链接并注册数据监听器，当推送数据到达时监听器被触发，获取并解析推送信息，解析后需要对数据进行实时验证，对于过期的信息丢掉不予理会，未过期的数据解析后显示在客户端中。

对于经常光顾大型超市的消费者来说，其最大的期望就是能及时了解商品的最新信息。该系统为消费者提供了一个查询和浏览商品信息快捷入口。需要查询商品信息时可以在搜索框中输入商品名称进行搜索，通过与服务器进行通信，将搜索结果发回给客户端，客户端对其进行解析并显示。同时，该系统可以根据当前客户端定位位置和目标商品位置进行路径规划，以快速指引消费者找到目标商品。

4 结束语

本文设计实现了基于蓝牙定位技术的超市购物智能引导系统，其中，主要对蓝牙定位模块基于Android系统的导购专用APP进行了设计，购物者通过使用该系统，可轻松实现在超市内部的快速定位、商品信息查询、商品信息推送等功能，实现了帮助顾客在大型超市内能够实时的、准确的了解自身位置，方便的找到所需商品和及时的获取各类商品信息，切实提高了消费者的购物体验，为大型超市提供了线上与线下相结合的高效销售模式，为消费者提供了一个方便快捷的引导平台。