【毕业学位论文】（Word原稿）基于RFID与WSN的未来商店智能购物环境的设计与实现-软件工程

基于 未来商店智能购物环境的设计与实现 摘要 本项目为 结合上海市引进技术的吸收与创新年度计划项目面向世博的 来商店关键技术与装备研发和示范工程建设（编号：沪旅办 2008007 号） ，最终目的为 设计及实现基于 成 的未来商店 架构，对 内定位技术进行研究 和开发 ，搭建能 根据上下文 感知 模型为用户提供 相应 服务的智能购物环境 示范应用 。 射 频识别（ 称 一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技 术 ，是继条形码技术之后，变革商品零售结算、物流配送及产品跟踪管理模式的一项革命性技术。 它可以实现对 电子 标签的快速 读写 ， 具有 体积小、形状多样 、使用寿命长、 可重复使用 、存储 容量大 、能穿透非导电性材料等特点，并且可以实现多目标识别和运动目标识别， 通过与互联网技术的结合可以实现全球范围内物品的跟踪与信息的共享。术用于物流、制造与服务等行业可以大幅提高企业的管理和运作效率，并降低流通成本；用于身份识别、资产管理等领域则可以实现快速批量的识别和定位，并根据需要进行长期跟踪管理 。 随着技术的进一步完善和应用的广泛 推进， 品成本将迅速降低，其带动的产业链将成为一个新兴的高技术产业群，建立在 术上的支撑环境也将对提高社会信息化水平以及加强国防安全等方面产生广泛的影响。 术已经成为引发以物流与流通领域为代表的诸多行业发展过程中新一轮革命性变革的 “ 触发器 ” 和 “ 催化剂 ” 。 无线 传感器网络（ 由大量传感器节点通过有线或无线通信方式形成的一个的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并将信息发布给观察者。传感器通常由 感知部件、存储器、电源、嵌入式处理器和通信收发部件五部分组成。观察者是对传感器网络感知到的各种信息感兴趣的终端用户。感知对象则是观察者感兴趣的实体。传感器网络可用于 探测、安全、空中交通管制、道路交通监视、工业生产自动化、分布式机器人、生态环境监测、住宅安全监测等方面。 2010 年上海世博会的主题是“城市让生活更美好”，为与世界零售业技术进步保持同步，上海作为国内连锁零售业最发达城市，理应在运用 高新科技提升传统零售业能级上有所突破，并在建设和运营模式上有所创新。为落实上海市政府及市经委迎世博行动计划 ，依托上海作为中国最大 业和应用基地的整体优势，上海现代商务促进中心建议将以代表的高新技术引入连锁零售业态，在世博园或世博会周边区域，建设一个基于未来商店，引领国内连锁零售业态的技术进步，并不断总结经验，逐步在更大范围内推广，进而推动与之配套的上海零售装备业技术升级以及上海 业的快速发展。 基于未来商店的特定环境， 可以将智能化的购物环境分为四个模块 ：基于 式的商务一体化模块、基于数据挖掘的智能预测模块、基于位置感知的智能导航模块。 鉴于本项研究的重大意义以及责任，本项研究将以 C#为开发语言，以 台的平板电脑为开发环境，以 008 为 发工具，设计以及实现一整套符合未来商店特定环境的智能化系统，并且实现与读写器等硬件的匹配调试，最终实现系统的实际应用。 基于 定制服务推送模块主要解决的问题：将传统的被动式获取信息模式转变为智能感知 式 的主动式推送服务模式。为了解决主动推送服务信息的问题，本模块中使用了 C#的多线程机制与事件委托机制 ，通过注册独立 于主线程的监听服务，实现了系统对于用户信息的实时获取与交互。通过测试与现场测试，本功能模块能够成功获取用户的当前位置， 并且成功向用户对应的客户端推送了特定的服务信息，从而实现了被动式获取消息模式到智能感知式的主动推送服务模式的转变。 式的商务一体化模块，主要目的是将未来商店环境下的浏览及购买商品的部分进行集成，其本质为 电子商务模式，最终 目的是实现一体化。 因此该部分的主要工作是将商品浏览与商品购买的部分进行集成，此处的解决方法为在商品浏览模块中添加在线下单功能。 完成购物车以及提交订单的代码后进 行测试，最终成功与服务器端进行了交互并正确地提交了数据。 基于数据挖掘的智能预测模块，其本质为数据挖掘， 即基于系统数据库中的海量数据提取并分析数据。通过分析与剔除冗余数据，对有效数据进行分析和计算，我们可以预测出某一个用户的行为以及爱好，并且能够分析出该用户将来可能会发生的行为， 从而为销售方提供决策的参考。 基于位置感知的智能导航模块， 目 的在于智能化分析用户所发生行为的真实意图，并为用户提供正确的导航 路径。本部分主要有三个关键点，一是要感知用户当前的位置；二是要智能化分析用户行为的意图；三是要提供正确且合理 的导航路径。 感知用户当前的位置可以由 写器组成的 络来收集，即通过读头读到标签作为识别到用户的标志； 对于智能化分析用户行为的意图的实现，这里通过编写算法实现对用户行为的分类，从而推测出用户发生所采集到的行为的意图；提供导航路径通过最优路径算法来实现，通过兼顾最短路径与最佳商业推广路径之间的权重取舍，最终得到一条最优化的路径。 最终通过形象化的动画显示，为用户指示出导航路径。 最终整套 系统 在平板电脑上运行，并布置到实际环境中进行测试和运营，现场测试系统运行正常，与 写器、远程服务器交互正常 ，系统的各项功能实际测试中正常无错误或缺陷 ，压力负载测试中未出现问题 。 在未来商店整体的系统中，本系统 充分强调了基于上下文感知的智能感知方式与智能化的购物体验服务提供，实现了不同系统直接的集成对接，设计实现了优化的路径算法， 实现了新功能模块的无缝嵌入，成功完成了未来商店场景下的智能购物环境的设计与实现 。 关键词： 智能购物环境， 服务 推送 ， 智能导航 ，数据挖掘 F F N of as (008007) , is to By we to to is its a of by to its a to It in it it of a is by a of a by or is to of it to is by is is in by is be to 010 as to of as as as it be in in on of as of be of of or at to a of of up he on s we is SN of on on In of c # C 008 of a of as of of of SN of To of to in an By a of of so it to it of 2C is to of its a 2C is to So of is to is to to in it in on is is on in of By on we of a as as we be to of to of s to is to s is to is to a of s be by SN to as a of to To of of by of to we of s By by an a is on C, of is or as as in a K. In on of to a of 目 录 第一章 绪论 业现状与发展前景 来商店的背景与发展规划 未来商店的产生背景 来商店的发展设计规划 要研究内容与取得的成果 研究主要解决的问题 研究主要取得的成果 究创新点概述 文结构 二章 基于 定制服务推送研究 块需求分析 行技术分析及解决方案 能模块的设计与实现 位置感知的架构分析 实际设计与实现 章小结 三章 式的商务一体化研究 子商务发展现状与前景 我国电子商务发展现状 我国电子商务发展展望 块需求分析 际设计与实现 章小结 四章 基于数据挖掘的智能预测研究 据挖掘概述 数据挖掘的概念 集中式数据挖掘系统分析 据挖掘的特点 据库设计架构 于数据挖 掘的智能预测 概念 能预测实现与测试 章小结 五章 基于位置感知的智能导航研究 置感知的架构 短路径算法分析 结果唯一的最短路径算法分析 N 条最短路径算法分析 优路径的策略设计 来商店场景的智能导航实现 章小结 六 章 结论 考文献 辞 1 页 共 22 页 第一章 绪论 近 年来随着 我们获取信息的方式在条形码之后，获得了一次大幅度的飞跃。 伴 随着智能区域 等一系列新概念 的提出，应用 新型信息采集和输入方式，人们将物理空间和信息空间连接在了一起。购物环境是智能 区域研究的一个重要领域，目前 基于此基础下的智能购物环境设计仍然存在着许多的问题，例如服务信息的推送仍然是传统的被动获取式，而智能化的购物环境需要转变为主动式的智能服务信息推送模式；另外当前的架构缺乏一体化的电子商务模式架构及实现，也缺乏自动化的数据收集分析及处理功能。因此以数据挖掘理论、人工智能算法等理论实现系统的自动化数据处理，意义重大而深远。 业现状与发展 在世界范围内， 美国政府是 用的积极推动者，在其推动下美国在 准的建立、相关 软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。目前，美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等国家均有较为成熟且先进的 品， 被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。随着 术的发展演进以及成本的迅速降低， 术应用领域不断拓展，产业规模正处于高速增长期。 物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。 而 术是物联网中关键技术之一。以简单 统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数 移动的标签组成的，比 为庞大的物联网成为 术发展的趋势。在物联网时代， 感器凭借着其体积小、成本低以及可与其他智能芯片集成在一起的巨大优势，必将成为传感器的主要生产技术。 阅读器 (数据管理系统组成。标签一般包含天线、调制器、编码器以及储存器等单元，阅读器由天线、射频收发模块和控制单元组成，其中控制模块通常包含放大器、解码和纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电 源电路等 1。 按照不同的分类标准，电子标签大致分为如下几类： (1)根据标签是否含有电源，分为无源和有源标签。 (2)根据标签存储器的可读写性，分为只读式和读写式两种类型。 (3)根据标签发送射频信号的调制方式不同，分为主动式、被动式和半主动式三类。主动式标签由电池供电，它利用自身射频能量主动向阅读器发送数据，读写距离较远，但工作时间短。被动式标签不带电池，又称为无源标签，它依靠外界的电磁感应提供能量才能工作，通常读写距离较近，但使用时间长、成本低。半主动式标签自身带有电池，但只对标签内部数字电路供电， 标签并不通过自身能量主动发送数据，只有被阅读器激活时，才通过反向散 射调制方式传送数据。 （ 4）根据 标签与阅读器谁先发言，分为 果是阅读器先发言，则为 型，这是目前大多数 之，如果标签主动询问，则为 其 通信协议简单，防冲突能力强，适用于高速移动和工业环境下的应用场合。 (5)根据阅读器的发射频率，分为低频、高频、超高频和微波 等。 目前国内外 术已经得到了大力的支持与推广， 为普适计算 中的第 2 页 共 22 页 两项重要技术， 普适计算中可以成功的结合现实世界与虚拟世界的交叉结合。 为一个新兴产业，涉及信息，材料，装备及工艺等多技术领域，可以拉动很多相关行业的经济增长。 术涵盖了无线电通信、芯片设计制造、天线设计、封装、软件和系统集成、信息安全等技术。 业链更是包含了彼此衔接的多个环节。中国 场的需求是巨大的，它的产业规模将蓬勃发展。 来商店的背景和发展规划 来商店的产生背景 2010 年上海世博会是一场全世界的盛会， 为与世界零售业技术进步保持同步，上海作为国内连锁零 售业最发达城市，理应在运用 高新科技提升传统零售业能级上有所突破，并在建设和运营模式上有所创新。 为了 落实上海市政府及市经委迎世博行动计划，依托上海作为中国最大 业和应用基地的整体优势，将以 代表的高新技术引入连锁零售业态， 因此计划 在世博园或世博会周边区域，建设一个基于 未来商店，引领国内连锁零售业态的技术进步，开创新的技术时代。 来商店的发展设计规划 计划 建设一个基于 未来商店，其涵盖分销商的配送中心，零售门店，实景式的展示 术应用于零售业态配送 和销售的全过程：分销商根据零售门店的定单拣选商品并组配、分销商配送中心出库、零售门店入库、零售门店店内管理与顾客服务、零售门店销售等。 同时基于未来商店的特定环境，设计与实现基于 智能化的购物环境 ，通过智能化的位置感知和上下文感知技术，实现智能化的未来商店购物环境 。 最终目的是 建成上海乃至中国第一个 基于 术的未来商店，以往在超市结账处逐件扫描的繁琐过程将随着 推广应用成为历史。这将彻底颠覆传统的消费方式，为国内零售业带来巨大的变革，为消费者提供优质的消费体验。同时， 术 的应用将为零售企业优化供应链管理，提高效率，节约成本，为企业带来可观的经济效益。 特别地， 2010 年上海世博会的主题是“城市让生活更美好”，上海作为国内连锁零售业最发达的城市，始终与世界零售业技术保持同步，未来商店将进一步提升上海乃至中国的术应用形象，同时，世博会的举办也为未 来超市提供了难得的推广机遇。项目的成功 必将加速零售业的变革，引导行业发展，为 零售行业的全面发展铺平道路。 要研究内容与取得的成果 究主要解决的问题 目前的 统中缺乏上下文推理的处理机制，系统 中迫切需要解决的问题是如何根据智能传感网络中用户的位置或其他的数据信息，结合商品当前的位置、状态、商业信息等各项属性，通过上下文推理机制，不使用传统的用户被动的获取信息，而是根据自身当前的状态结合环境因素之后，获得适当的推送服务信息。 另一方面，当前的系统读写器的功能仅仅处于一个相对低级的层次，例如感应器仅仅通过路由器和读头获得了对应标签的当前位置信息等初级数据信息。由于没有智能化的架构设计，当前意义下的服务仅仅是将数据库中的数据进行一下封装之后就交给了用户，其次系统无法对用户的行为进行分析和预测，因而无法 提供针对用户个体的定制化服务，这就导致了用户体验的无法得到改善。 因此当前主要需要解决的问题可以概括为：为用户设计个性化的、具有针对性的、智能化的且高度集成的智能购物环境体系。 究主要取得的成果 为了解决目前系统中存在的问题，本研究中设计并实现一套轻量化的 智 能购物环境体第 3 页 共 22 页 系架构 。最终取得的主要成果包含四个主要的功能模块，通过设计与编码实现基于 定制服务推送模块、 式的商务一体化模块、基于数据挖掘的智能预测模块、基于位置感知的智能导航模块，并最终集成到客户终端机， 使之成为多 功能的具有上下文感知功能及人工智能分析能力的终端， 同时成功通过了实际应用测试。 究创新点概述 本研究 主要的创新点有：建立基于上下文感知的主动式服务信息推送模型，同时进行编码实现，最终通过测试和实际应用； 首次将未来商店环境下的智能商品浏览与 式的电子商务模式进行集成，并成功嵌入到未来商店的整体系统中；首次设计与实现了用户数据的智能化分析和预测，着重体现了智能购物环境下的个体化定制服务，提高了用户个体的购物体验；首次实现集成了针对未来商店环境的智能感知导航功能，通过上下文感知与行为预测算法实现了智 能化的实时定位导航，从总体上提高了用户的购物体验，充分体现了未来商店环境下的智能购物环境的个性化与智能化特点 。 文结构 （ 1） 绪论： 讲述研究现状分析，存在问题以及本文的研究内容、取得成果和创新点。 （ 2） 基于 定制服务推送研究： 明确需求，分析现行技术，提出问题的解决和设计方案，对模块的设计实现进行阐述。 （ 3） 式的商务一提化研究： 浅析电子商务现状和发展前景，提出模块详细需求，阐述商务一体化研究的设计与实现。 （ 4） 基于数据挖掘的智能预测研究： 介绍数据挖掘的概念和特点，对数据库的架构 设计进行介绍，阐述智能预测的概念和相关内容，对智能预测的设计和实现进行说明。 （ 5） 基于位置感知的智能导航研究 ：介绍最短路径算法，设计最优路径选择策略，设计和实现未来商店场景下的智能导航功能。 （ 6）总结：对全文内容进行总结，对研究工作进行综合性的阐述。 第二章 基于 定制服务推送研究 当前 无线射频识别技术 于非接触式自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象获取数据；无线传感器网络技术 能够实现数 据的采集量化、处理融合和传输。 对物品的标识能力却有所缺乏， 干扰性较差，而利用 会拓展 感器的低成本使其可以大范围且大量布置；在一些恶劣或者敏感环境，传感器的自主感应及传送信息的能力可以良好的解决读写器无法工作的问题，使整个网络具有自组 织性和自适应性。 将 极大地推动两项技术的应用 2。 具备可双向通讯，寿命长，性能可靠等优点，但是也存在成本高、需依赖读写器方能搜集信息、抗干扰性差及距离短等不足之处。 有可大规模布置、无需人值守、感应距离远、成本低等优点，其缺点是不能标识传感器节点，在追求低功耗高寿命上也有相当的难度。第 4 页 共 22 页 术间的互补使得两者之间的结合存在很大的契机，有关专家指出 成的 应用前景不可估量，并建议中国本土企业应该加大对 种集成了传感器的 时提供多种用途，有着非常好的应用前景。目前国内外已经有一些产品开始