0 引言

    以智能手機(jī)為典型代表的移動(dòng)設(shè)備普遍搭載了各種各樣的傳感器,為人們提供所需要的服務(wù)^[1]。智能移動(dòng)設(shè)備的強(qiáng)大功能催生了一種以人為主體的感知方式——參與式感知。在進(jìn)行感知時(shí)，由個(gè)體或群體使用其所擁有的功能日益強(qiáng)大的移動(dòng)設(shè)備及云端服務(wù)器來(lái)收集并分析語(yǔ)義信息^[2]。

    感知應(yīng)用涉及到各種領(lǐng)域，比如：醫(yī)療保健、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、交通路線導(dǎo)航等。Ear-Phone^[3]、Common Sense Project^[4]和Petrol Watch^[5]分別利用感知數(shù)據(jù)提供了環(huán)境監(jiān)測(cè)和日常智慧消費(fèi)服務(wù)。

    本設(shè)計(jì)提出的智慧購(gòu)物系統(tǒng)估測(cè)特定商場(chǎng)特定時(shí)間段每位顧客的排隊(duì)時(shí)間，并提供實(shí)時(shí)查詢和推送訂閱服務(wù)，為用戶購(gòu)物決策提供參考。

1 智慧購(gòu)物系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 核心問(wèn)題分析

    在參與感知模式中，如果參與者過(guò)少，感知數(shù)據(jù)不足，會(huì)嚴(yán)重影響感知結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)此問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)小組對(duì)商場(chǎng)結(jié)賬排隊(duì)模式進(jìn)行了研究，研究表明，在一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)間塊內(nèi)完成排隊(duì)過(guò)程的顧客，他們的等待時(shí)間幾乎是相同的，這說(shuō)明，在特定時(shí)間塊內(nèi)，即使僅有少數(shù)顧客上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，也能得出高準(zhǔn)確度的結(jié)果值。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，客戶端主要功能是搜集數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、上傳數(shù)據(jù)、與用戶視圖交互等；服務(wù)器端的主要功能是接收從客戶端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分類、聚合等操作，最終整合出平均排隊(duì)時(shí)間；極光推送服務(wù)器為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)推送功能。

1.3 客戶端結(jié)構(gòu)

    客戶端軟件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

    服務(wù)控制模塊為用戶提供登錄、配置功能，并且為系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果地圖可視化和曲線圖展示提供相對(duì)應(yīng)的軟件接口。

    感知模塊利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)等的實(shí)時(shí)采集，保存至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，為數(shù)據(jù)處理模塊提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

    信息收發(fā)模塊充當(dāng)著信差的角色,感知主體將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器運(yùn)用大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘等算法模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送到客戶端。

    推送接收模塊接收服務(wù)器推送的實(shí)時(shí)通知，為節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，提高工作效率，系統(tǒng)引入第三方極光推送服務(wù)。

    數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)客戶端軟件架構(gòu)的核心，主要包括排隊(duì)模式識(shí)別和排隊(duì)時(shí)間計(jì)算。首先將感知數(shù)據(jù)與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的排隊(duì)模式識(shí)別密鑰相對(duì)比，篩選出符合排隊(duì)模式特性的數(shù)據(jù)，采用二進(jìn)制序列塊算法模型，計(jì)算結(jié)賬排隊(duì)時(shí)間，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)上傳到服務(wù)器。

    排隊(duì)模式識(shí)別：系統(tǒng)主要通過(guò)分析加速度和音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊(duì)模式識(shí)別。顧客的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為移動(dòng)和站立兩種，以4 Hz的采樣率收集加速度樣本，每一個(gè)樣本表示成三維矢量，分析當(dāng)前樣本和鄰近樣本的矢量夾角，判斷當(dāng)前樣本表示的狀態(tài)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：將5°作為夾角閾值判斷樣本代表的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其結(jié)果精確度最高。即如果系統(tǒng)中樣本矢量與鄰近矢量的夾角超過(guò)5°，則視為移動(dòng)狀態(tài)；低于5°，則視為站立狀態(tài)。假設(shè)一位顧客在[T_i，T_o]時(shí)間段內(nèi)處于排隊(duì)模式，那么在T_i之前和T_o之后的一小段時(shí)間內(nèi)處于走或者跑的狀態(tài)，將這一小段時(shí)間記為T_c，在[T_i，T_o]時(shí)間段內(nèi)顧客的運(yùn)動(dòng)模式又分為向前走動(dòng)和站立等待兩種，將顧客每次走動(dòng)的時(shí)間記為t_m，等待的時(shí)間記為t_w。多個(gè)商場(chǎng)多次試驗(yàn)表明，t_m超過(guò)5 s，t_w超過(guò)300 s的幾率很小,所以系統(tǒng)將T_c的最小值設(shè)置為5 s。由于顧客在挑選商品時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)上述的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為避免系統(tǒng)誤判，引入音頻信號(hào)分析，結(jié)賬時(shí)隨著顧客靠近收銀員，掃碼計(jì)價(jià)器的聲音會(huì)增強(qiáng)，將麥克風(fēng)搜集的音頻數(shù)據(jù)同本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)已存在的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行MFCC特性對(duì)比，即能精確地識(shí)別出用戶是否處于排隊(duì)模式。t_m、t_w、T_c，音頻識(shí)別標(biāo)志，加速度矢量夾角閾值共同組成排隊(duì)模式的識(shí)別密鑰。

    排隊(duì)時(shí)間計(jì)算：系統(tǒng)采用二進(jìn)制序列塊算法模型計(jì)算排隊(duì)時(shí)間。以二進(jìn)制0和1分別表示排隊(duì)過(guò)程中短暫的站立和走動(dòng)，由于t_m最大值為5 s，t_w最大值為300 s，所以可以用0-序列塊代表站立，1-序列塊代表走動(dòng)，如果用序列塊中二進(jìn)制數(shù)的個(gè)數(shù)代表序列塊的長(zhǎng)度，那么排隊(duì)模式中0-序列塊的長(zhǎng)度最長(zhǎng)為1 200，1-序列塊的長(zhǎng)度最長(zhǎng)為20。如圖3所示，0，1序列組中，[0，a]時(shí)間段的1-序列塊表示走動(dòng)狀態(tài)，[a，b]時(shí)間段的0-序列塊表示站立狀態(tài)，長(zhǎng)度較小的序列塊（如圖中c，d，e）代表噪聲，將這些噪聲序列塊剔除，就得到對(duì)應(yīng)顧客的排隊(duì)時(shí)間序列組。計(jì)算該序列組的長(zhǎng)度，結(jié)合采樣率，即可計(jì)算出結(jié)賬排隊(duì)時(shí)間。

    視圖交互模塊為應(yīng)用提供視圖接口，為系統(tǒng)和用戶提供界面交互服務(wù)。

1.4 服務(wù)器端結(jié)構(gòu)

    服務(wù)器端結(jié)構(gòu)如圖4所示。存儲(chǔ)模塊主要維護(hù)著系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)處理模塊用來(lái)處理數(shù)據(jù)，首先數(shù)據(jù)收發(fā)模塊按照指定的格式解析由客戶端通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包，存儲(chǔ)在緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的聚類算法模型將緩存數(shù)據(jù)庫(kù)中具有相同地理標(biāo)簽、同一個(gè)時(shí)間塊內(nèi)的數(shù)據(jù)包整合為一類。清洗模塊運(yùn)用剔除算法模型清洗掉特定類中無(wú)效的數(shù)據(jù)包。計(jì)算模塊將特定類中有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。過(guò)濾模塊啟用下行通信模塊，調(diào)用極光推送遠(yuǎn)程API，將融合結(jié)果值自動(dòng)推送到特定的客戶端。上行通信模塊通過(guò)3G、WiFi網(wǎng)關(guān)或者其他Internet接入方式與客戶端進(jìn)行Web-Socket實(shí)時(shí)通信。

    傳感器技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，分別承擔(dān)對(duì)信息的獲取、傳輸和處理應(yīng)用^[6]。

    剔除算法原理如下文所述。

    將某一特定類表示成：

    重新回到式(1)進(jìn)行驗(yàn)證，直到滿足S<M，完成清洗操作。

2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 Web-Socket實(shí)時(shí)通信

    Web-Socket是基于HTML5規(guī)范的一種新的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了瀏覽器與服務(wù)器的全雙工通信。

    在Android客戶端，系統(tǒng)借助開(kāi)源Android網(wǎng)絡(luò)類庫(kù)Autobahn Android^[7]，建立與Web-Socket服務(wù)器的實(shí)時(shí)通信，具體的通信流程如圖5所示。

    Android客戶端將相關(guān)數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)傳送給Web-Socket服務(wù)器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理后通過(guò)WiFi或3G網(wǎng)關(guān)將結(jié)果值發(fā)送到Android客戶端，在地圖服務(wù)界面和曲線趨勢(shì)圖中即時(shí)更新。

2.2 極光推送技術(shù)

    推送(push)是一種由服務(wù)器端主動(dòng)向客戶端推動(dòng)消息的技術(shù)^[8]。設(shè)計(jì)借助第三方極光推送服務(wù)進(jìn)行估測(cè)時(shí)間的實(shí)時(shí)推送。具體流程如圖6所示。

    Jpush SDK以jar的方式集成于Android客戶端，該jar文件為客戶端極光推送初始化、TCP長(zhǎng)連接等機(jī)制提供服務(wù)。當(dāng)過(guò)濾模塊監(jiān)測(cè)到估算時(shí)間滿足用戶需求，推送服務(wù)模塊調(diào)用Jpush遠(yuǎn)程API將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)JPush服務(wù)器發(fā)送給特定客戶端，Jpush SDK解析定制數(shù)據(jù)，并發(fā)送Notification提醒。

2.3 隱私保護(hù)、激勵(lì)策略、安全機(jī)制和數(shù)據(jù)有效性

    參與感知系統(tǒng)存在如圖7所示的4種挑戰(zhàn)。隱私泄露會(huì)給用戶帶來(lái)參與風(fēng)險(xiǎn)，若參與的用戶過(guò)少，則可用數(shù)據(jù)缺乏，系統(tǒng)估測(cè)結(jié)果的正確性和實(shí)時(shí)性將大打折扣，安全機(jī)制用來(lái)保證數(shù)據(jù)在傳輸、處理和存儲(chǔ)過(guò)程中的安全，所以隱私保護(hù)、激勵(lì)策略和安全機(jī)制是不容忽視的環(huán)節(jié)，是后續(xù)研究的重點(diǎn)。數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證為服務(wù)器處理結(jié)果的精確度和可參考性提供保障。

3 原型實(shí)驗(yàn)

    實(shí)現(xiàn)基于Android的智慧購(gòu)物系統(tǒng)，硬件上需要通信設(shè)施，軟件上需要一個(gè)服務(wù)器用來(lái)處理數(shù)據(jù)，若干Android客戶端用來(lái)收集數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)、展示估測(cè)結(jié)果。

    實(shí)驗(yàn)小組由10位成員組成，每位成員攜帶一部安裝了智慧購(gòu)物系統(tǒng)的Android智能手機(jī)，在一家大型商場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，6人模擬排隊(duì)結(jié)賬，2人模擬貨物架挑選商品，2人作為查詢用戶，驗(yàn)證系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)人員在同一個(gè)時(shí)間塊內(nèi)完成整個(gè)排隊(duì)結(jié)賬過(guò)程。試驗(yàn)選擇在周六的3個(gè)時(shí)間塊內(nèi)的3組實(shí)驗(yàn)，總結(jié)見(jiàn)表1。

    分析表1可知，由于受噪聲干擾，排隊(duì)時(shí)間越短，誤差越大。

    部分界面展示如圖8所示。

    圖8(a)為個(gè)人設(shè)置界面。若系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到特定時(shí)間塊的排隊(duì)結(jié)賬時(shí)間滿足用戶設(shè)置需求，將發(fā)送Notification提醒，如圖8（b）所示。圖8(c)為排隊(duì)時(shí)間曲線圖,系統(tǒng)提供自當(dāng)日起一周內(nèi)的歷史查詢，以每個(gè)時(shí)間塊的計(jì)算時(shí)間為坐標(biāo)點(diǎn)描圖。圖8(d)為地圖可視化界面，系統(tǒng)采用第三方地圖服務(wù)，用戶可以清晰地查看商場(chǎng)的位置（圖中紅色氣泡標(biāo)記），點(diǎn)擊紅色氣泡標(biāo)記，會(huì)以對(duì)話框的方式顯示對(duì)應(yīng)的商場(chǎng)名稱及坐標(biāo)，同時(shí)彈出下面的消息框，將實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果形象地展示給用戶。

4 總結(jié)

    本文提出了一種C/S架構(gòu)的基于Android的參與感知式智慧購(gòu)物系統(tǒng)，運(yùn)用相關(guān)算法模型，分析客戶端移動(dòng)設(shè)備搜集的感知數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)估算，服務(wù)器端接收客戶端預(yù)估值，利用數(shù)據(jù)挖掘算法模型處理整合，得出最終結(jié)果值，為用戶提供實(shí)時(shí)查詢和推送服務(wù)。系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)僅僅使用智能手機(jī)內(nèi)置傳感器，不需要外部傳感設(shè)備，并且采用參與感知的模式，參與者為普通民眾，所以成本極低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；另一方面，借助于智能手機(jī)越來(lái)越強(qiáng)大的計(jì)算能力，數(shù)據(jù)的預(yù)處理在客戶端完成，參與者僅僅將預(yù)估算結(jié)果上傳到服務(wù)器，緩解了寬帶擁擠，設(shè)計(jì)可以廣泛運(yùn)用在一些排隊(duì)場(chǎng)所，用于進(jìn)行類似的排隊(duì)時(shí)間估算,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,設(shè)計(jì)在激勵(lì)參與者機(jī)制、保護(hù)用戶隱私、客戶端資源優(yōu)化等方面還缺乏有效的措施，需要進(jìn)一步探索。另外系統(tǒng)僅僅局限于Android平臺(tái)，改進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更廣泛的跨平臺(tái)應(yīng)用是后續(xù)研究的又一重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊英，史殿習(xí)，丁博，等.移動(dòng)群體感知技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2014，41(4)：1-8.

[2] ESTRIN D.Participatory sensing:applications and architecture[Internet Predictions][J].Internet Computing，IEEE，2010，14(1)：12-42.

[3] RANA R K，CHOU C T，KANHERE S S，et al.EarPhone：An end-to-end participatory urban noise mapping system[C].IPSN′10.New York，2010：105-116.

[4] DUTTA P，AOKI P M，KUMAR N，et al.Common sense：participatory urban sensing using a network of handheld air quality monitors[C].SenSys′ 09.New York，2009：349-350.

[5] DONG Y F，KANHERE S，CHOU C T，et al.Automatic collection of fuel prices from a network of mobile cameras[C].4th IEEE International Conference.Greece，2008：140-156.

[6] 何欣，宋亞林，安健，等.移動(dòng)感知物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28(7)：2407-2410，2417.

[7] GOEDDE A.Autobahn Android[EB/OL].(2015-10-25)[2015-11-10].https：//github.com/crossbario/autobahn-android/commit.

[8] 王克峰.基于Android的信息推送管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.