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rfid定位技術(shù)論文

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rfid定位技術(shù)論文

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基于RFID的室內(nèi)定位篇一

摘要:隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加,人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大,尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境,如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中,常常需要確定移動終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制,比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好地利用。 關(guān)鍵字:射頻識別 室內(nèi)定位

1 概述

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加,人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大,尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境,如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中,常常需要確定移動終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制,比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好地利用。

2 RFID工作原理

RFID (Radio Frequency Identification)系統(tǒng)稱為射頻識別系統(tǒng),其能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)交換是應(yīng)用無線電和雷達(dá)技術(shù)實現(xiàn)的。RFID系

統(tǒng)一般是由兩部份組成——閱讀器、應(yīng)答器 。

a.應(yīng)答器:應(yīng)答器放在需要識別的物體上,可以發(fā)送和接收信息,可根據(jù)收到的操作命令作為讀/寫等處理;

b.閱讀器:閱讀器是采集應(yīng)答器信息并對應(yīng)答器發(fā)出操作命令的裝置,發(fā)出的命令包含選擇,讀/寫,取消選擇命令等。 一臺典型的閱讀器包含有高頻模塊(發(fā)送單元和接收單元)、控制單元以及與應(yīng)答器連接的禍合元件。此外,閱讀器還應(yīng)該有附加接口(RS232\RS485\USB等),以便將獲得數(shù)據(jù)進一步傳給另外的系統(tǒng)(計算機、機器人控制裝置等)。

應(yīng)答器是RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息載體,由耦合元件以及微電子芯片組組成。它具有智能讀寫及加密通信的能力。一般是無源的,即內(nèi)部不含電源,工作時,接收閱讀器發(fā)出的射頻電磁波,經(jīng)內(nèi)部整流、電容穩(wěn)壓后作為電源。此外還有有源應(yīng)答器,一般是由電池供電,可以在較高頻段工作,識別距離較長,和閱讀器之間的通信速率也較高。系統(tǒng)的基本丁作流程是:閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)

送一定頻率的射頻信號,當(dāng)應(yīng)答器進入發(fā)射

天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流,應(yīng)答器獲得能量被激活;應(yīng)答器將自身編碼等信息通過其內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從應(yīng)答器發(fā)送來的載波信號,經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器,閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理;主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該應(yīng)答器的合法性,針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制,發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

3 系統(tǒng)組成

3.1 總體描述

本系統(tǒng)的設(shè)計思路是在入口處給人員一RFID電子標(biāo)簽,也叫電子卡,里面標(biāo)有標(biāo)簽的編號以及個人信息,在各個主要的據(jù)點安裝閱讀器。當(dāng)人員接近閱讀器時,會自動讀取出標(biāo)簽。信息以有停留時間、行走路線等其它相關(guān)數(shù)據(jù)。閱讀器將數(shù)據(jù)傳人后臺服務(wù)器,對數(shù)據(jù)進行平滑、數(shù)據(jù)校驗以及數(shù)據(jù)暫存等,數(shù)

據(jù)經(jīng)RFID中間件進行加工、處理后,傳送到應(yīng)用程序接口?;镜牧鞒桃妶D1。 基本機理:每個電子卡內(nèi)都有一個32位的號碼,當(dāng)電子卡呈現(xiàn)在閱讀器讀出范圍內(nèi)時,電子卡被閱讀器不斷發(fā)射的電磁問詢信號激活,從而反饋給閱讀器一個攜帶有電子卡號碼的應(yīng)答信號,正是通過電子卡與閱讀器互相之間的信號問詢與應(yīng)答,閱讀器就能夠準(zhǔn)確快速地識別電子卡內(nèi)攜帶的號碼,并將讀到的電子卡號碼按照一定的輸出格式輸出給計算機、外部控制器或其他終端設(shè)備,從而實現(xiàn)對電子卡的識別。當(dāng)佩帶電子卡的人員來到終端人口處時,附近的閱讀器將讀到的電子卡號碼通過RS232傳遞給報到終端機,報到終端機再通過計算機網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)(讀到的電子卡號碼)傳遞給遠(yuǎn)地的計算機服務(wù)器。這樣與服務(wù)器相連的報到終端機和查詢終端機就能夠?qū)崟r更新數(shù)據(jù)。 3.2系統(tǒng)組成本系統(tǒng)主要由人員定位、數(shù)據(jù)傳輸、計算機系統(tǒng)組成。

人員定位:主要是基于RFID無線網(wǎng)絡(luò)平臺,其中包括定位網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(應(yīng)答器)、無線ID模塊、標(biāo)準(zhǔn)電纜等,RFID無線網(wǎng)絡(luò)跟蹤定位系統(tǒng)采用RFID無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),應(yīng)答器設(shè)置成一個電子卡,而閱讀器則是安裝在室內(nèi)固定的位置上,安裝在超市的天花板或者走廊墻壁上,通常其位置是已知的,利用這些已知位置的閱讀器來定位處在運動狀態(tài)的應(yīng)答器。所安置的網(wǎng)絡(luò)模塊將自動組成一個RFID通信網(wǎng)絡(luò),這個通信網(wǎng)絡(luò)實際就是一個定位網(wǎng)絡(luò),每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就是一個定位點,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可通過自動讀取移動目標(biāo)的信息和信號強度,來確定移動目標(biāo)的位置信息,網(wǎng)絡(luò)定位點在已有的通信電纜的地方直接通過RS232接口與現(xiàn)有的通信電纜相連接,再通過交換機將信息上傳到終端管理計算機,實現(xiàn)人員的定位系統(tǒng)的全部功能。

數(shù)據(jù)傳輸:包括分線拉接頭、電纜接頭,網(wǎng)絡(luò)連接等,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可通過自動讀取移動目標(biāo)的信息和信號強度,在RFID通信中各個節(jié)點之間傳輸,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在有通信電纜的地方直接接人已有的通信電纜,通過等再將信息傳到終端管理計算機,人員跟蹤定位系統(tǒng)軟件處理,實現(xiàn)人員跟蹤定位系統(tǒng)的全部功能。

計算機系統(tǒng):計算機硬件系統(tǒng)包括主機、電源系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換接口、軟件保護器、打印機等;軟件系統(tǒng)包括:信號采集與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、分析統(tǒng)計系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫,人機界面等。

3.3 系統(tǒng)功能模塊描述

系統(tǒng)的中央管理控制軟件是定位系統(tǒng)的中心,以控制閱讀器和RFID卡的工作狀態(tài),以及進行定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理等。主要特點是:界面簡單美觀,易于操作控制;通過串口通信協(xié)議,實現(xiàn)對閱讀器的控制與數(shù)據(jù)傳送;定位信息的錄入簡單,方便,維護性和保密性好;快速查詢實時定位數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)軟件主要用VC++做開發(fā)工具;SQL Server數(shù)據(jù)庫用于各個閱讀器及定位信息的存儲和查詢;串口通信控件實現(xiàn)主機控制閱讀器的工作模式,并與閱讀器進行數(shù)據(jù)交換。閱讀器控制模塊主要通過串口通信控件來實現(xiàn)主機對閱讀器的控制以及數(shù)據(jù)交換的功能;數(shù)據(jù)庫管理模塊是應(yīng)用SQL Server數(shù)據(jù)庫進行定位信息的存儲、修改、查詢、維護等,完成標(biāo)簽參數(shù)采集的實時地理坐標(biāo)、閱讀器、傳感器等的數(shù)據(jù)采集,采用數(shù)據(jù)庫的完整性約束等技術(shù),結(jié)合室內(nèi)地理信息實現(xiàn)室內(nèi)定位系統(tǒng)所需的人員實時分布信息,綜合各方面的參數(shù)進行提取、分析、處理等。保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性,而且便于錄人查詢工作;跟蹤查詢極模塊是結(jié)合WEB技術(shù)。把閱讀器和獲取的RFID卡信息迅速通過數(shù)據(jù)庫查詢配對,得到相應(yīng)的定位人員信息資料,并將其顯示在屏幕上,便于查詢?nèi)藛T了解到整個場所的現(xiàn)場情況。 結(jié)束語

以上提出了一種低成本的室內(nèi)射頻識別(RFID)定位系統(tǒng),該系統(tǒng)是基于移動臺自定位方案。在我們的系統(tǒng)中可以采用閱讀器安裝在室內(nèi)固定的位置上,安裝在室內(nèi)的天花板或者走廊墻壁上,通常其位置是已知的,利用這些已知位置的閱讀器來定位處在運動狀態(tài)的電子標(biāo)簽。閱讀器通過檢測其周的電子標(biāo)簽對自己的位置進行定位并將位置傳輸給計算機系統(tǒng)。 參考文獻

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淺析室內(nèi)定位技術(shù)基本原理篇二

摘要:在室內(nèi)環(huán)境無法使用衛(wèi)星定位時,使用室內(nèi)定位技術(shù)作為衛(wèi)星定位的輔助定位,解決衛(wèi)星信號到達(dá)地面時較弱、不能穿透建筑物的問題。最終定位物體當(dāng)前所處的位置。

關(guān)鍵詞:室內(nèi)定位 技術(shù)方案 前景分析

一、 定位技術(shù)

除通訊網(wǎng)絡(luò)的蜂窩定位技術(shù)外,常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)還有:Wi-Fi、藍(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波。

1. Wi-Fi技術(shù)

通過無線接入點(包括無線路由器)組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN),可以實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的定位、監(jiān)測和追蹤任務(wù)。它以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(無線接入點)的位置信息為基礎(chǔ)和前提,采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結(jié)合的方式,對已接入的移動設(shè)備進行位置定位,最高精確度大約在1米至20米之間。如果定位測算僅基于當(dāng)前連接的Wi-Fi接入點,而不是參照周邊Wi-Fi的信號強度合成圖,則Wi-Fi定位就很容易存在誤差(例如:定位樓層錯誤)。另外,Wi-Fi接入點通常都只能覆蓋半徑90米左右的區(qū)域,而且很容易受到其他信號的干擾,從而影響其精度,定位器的能耗也較高。

2. 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙通訊是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù),在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點后,將網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式,并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備。這樣通過檢測信號強度就可以獲得用戶的位置信息。藍(lán)牙定位主要應(yīng)用于小范圍定位,例如:單層大廳或倉庫。對于持有集成了藍(lán)牙功能移動終端設(shè)備,只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟,藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M行位置判斷。不過,對于復(fù)雜的空間環(huán)境,藍(lán)牙定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差,受噪聲信號干擾大。

3. 紅外線技術(shù)

紅外線技術(shù)室內(nèi)定位是通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器,接收各移動設(shè)備(紅外線IR標(biāo)識)發(fā)射調(diào)制的紅外射線進行定位,具有相對較高的室內(nèi)定位精度。但是,由于光線不能穿過障礙物,使得紅外射線僅能視距傳播,容易受其他燈光干擾,并且紅外線的傳輸距離較短,使其室內(nèi)定位的效果很差。當(dāng)移動設(shè)備放置

在口袋里或者被墻壁遮擋時,就不能正常工作,需要在每個房間、走廊安裝接收天線,導(dǎo)致總體造價較高。

4. 超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)的定位方法有較大差異,它不需要使用傳統(tǒng)通信

體制中的載波,而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù),可用于室內(nèi)精確定位,例如:戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機器人運動跟蹤等。

超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比,具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、

安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能夠提高精確定位精度等優(yōu)點,通常用于室內(nèi)移動物體的定位跟蹤或?qū)Ш健?/p>

5. RFID技術(shù)

RFID定位技術(shù)利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)移動設(shè)

備識別和定位的目的。它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息,且傳輸范圍大、成本較低;不過,由于以下問題未能解決,以RFID定位技術(shù)的適用范圍受到局限。

1. RFID不便于整合到移動設(shè)備之中

2. 作用距離短(一般最長為幾十米)

3. 用戶的安全隱私保護

4. 國際標(biāo)準(zhǔn)化

5. ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它介于RFID和藍(lán)牙之間,可以通過傳感器之間的相互協(xié)調(diào)通信進行設(shè)備的位置定位。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器,所以ZigBee最顯著的技術(shù)特點是它的低功耗和低成本。

6. 超聲波技術(shù)

超聲波定位主要采用反射式測距(發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波后,根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出兩者之間的距離),并通過三角定位等算法確定物體的位置。超聲波定位整體定位精度較高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,但容易受多徑效應(yīng)和非視距傳播的影響,降低定位精度;同時,它還需要大量的底層硬件設(shè)施投資,總體成本較高。

二、 服務(wù)商

室內(nèi)定位技術(shù)主要分基站定位和慣導(dǎo)定位兩種服務(wù)商?;径ㄎ环?wù)商主要有:谷歌、諾基亞、TI、蘋果、高德、百度等采用WIFI定位;慣導(dǎo)定位服務(wù)商主要有:美國的NAVISEER,龍旗瑞譜科技,上海消防研究所。目前商用技術(shù)基本采用WIFI,RFID等無線通訊基站方案,針對應(yīng)急救援主要采用慣性導(dǎo)航等技術(shù)方案,因為應(yīng)急救援面對的場所應(yīng)該都是災(zāi)害性的,基站無[1-4] 線通訊都屬于癱瘓狀態(tài),還有就是社會成本過高,所以只能采用慣性導(dǎo)航技術(shù),它無需任何額外的基礎(chǔ)設(shè)施或網(wǎng)絡(luò),以無線方式實時輸出人員的行走距離與方向信息,可以實現(xiàn)在各種復(fù)雜環(huán)境中人員的準(zhǔn)確定位,為保證人員的生命安全提供有效的保證。

三、 技術(shù)方案

目前我們已經(jīng)能夠看到一些室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用介紹了。據(jù)我所知的有谷歌、諾基亞、博通、IndoorAtals、Qubulus、杜克大學(xué)這幾個方案。下面筆者就把它們整理一下,歡迎大家在此基礎(chǔ)上進行指正、補充。

3.1 谷歌方案

谷歌手機地圖6.0版的時候已經(jīng)在一些地區(qū)加入了室內(nèi)導(dǎo)航功能,此方案主要依靠GPS(室內(nèi)一般也能搜索到2~3顆衛(wèi)星)、wifi信號、手機基站以及根據(jù)一些“盲點”(室內(nèi)無GPS、wifi或基站信號的地方)的具體位置完成室內(nèi)的定位。目前此方案的精度還不是很滿意,所以谷歌后來又發(fā)布了一個叫“Google Maps Floor Plan Marker”的手機應(yīng)用,號召用戶按照一定的步驟來提高室內(nèi)導(dǎo)航的精度。

谷歌一直在努力解決兩個問題:獲取更多的建筑平面圖;提高室內(nèi)導(dǎo)航的精度。建筑平面圖是室內(nèi)導(dǎo)航的基礎(chǔ),就如同GPS車用導(dǎo)航需要電子導(dǎo)航地圖一樣。谷歌目前想通過“眾包”的方式解決數(shù)據(jù)源的問題,就是鼓勵用戶上傳建筑平面圖。另外,用戶在使用谷歌的室內(nèi)導(dǎo)航時,谷歌會收集一些GPS、wifi、基站等信息,通過服務(wù)器進行處理分析之后為用戶提供更準(zhǔn)確的定位服務(wù)。

3.2 諾基亞方案

諾基亞采用的是HAIP技術(shù),具體是什么筆者也沒能查到更多的資料,不過諾基亞正在努力使它成為藍(lán)牙協(xié)議的一部分,這樣只要你的設(shè)備帶有藍(lán)牙模塊,就能夠使用這種技術(shù)進行定位。當(dāng)然,僅有一個藍(lán)牙模塊還不能完成定位,還需要在室內(nèi)安裝一種定位發(fā)射臺,通過這兩者之間的通信完成定位。這種發(fā)射臺可以覆蓋100m×100m的范圍,定位精度在30cm~100cm,據(jù)說這種發(fā)射臺還有成本低、功耗低等特點,一臺或多臺都能完成定位。

3.3 博通方案

博通公司研制了一種用于室內(nèi)定位的新芯片(BCM4752),具備三維定位功

能(即你所在位置的高度也算出來)。這種芯片可以通過wifi、藍(lán)牙或NFC等技術(shù)來提供室內(nèi)定位系統(tǒng)支持。更強大的是,該芯片可以結(jié)合其它傳感器,例如手機里的陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等,將你位置的變化實時計算出來,甚至做到?jīng)]有死角。博通公司的如意算盤是將這種芯片內(nèi)置到智能手機里。

3.4 IndoorAtlas方案

IndoorAtlas是一家專注于室內(nèi)導(dǎo)航解決方案的公司,剛成立不久。

IndoorAtlas的方案基于地球磁場,依據(jù)是每一個具體位置的磁場信息都不一樣。不過使用這種技術(shù)進行導(dǎo)航比較麻煩,首先用戶需要上傳建筑平面圖,然后還需要你拿著移動設(shè)備繞室內(nèi)一圈,記錄下各個位置的地磁信號特征,這些信息需要上傳到IndoorAtlas的服務(wù)器。最后,你需要使用IndoorAtlas提供的工具包開發(fā)一個應(yīng)用才能使用定位功能(IndoorAtlas的開發(fā)工具包可以在線申請,不過筆者申請了兩次都沒結(jié)果)。

3.5 Qubulus方案

跟IndoorAtlas不同的是,Qubulus公司根據(jù)無線電信號(Radio Signature)

來定位。每一個位置的無線電信號數(shù)量、頻度、強度等也是不同的,Qubulus根據(jù)這些差異計算出你的具體位置。使用Qubulus的方案,你同樣需要收集室內(nèi)的無線電信號。Qubulus也提供了開發(fā)工具包,很容易申請下來。開發(fā)工具包里有一個例子,可以使用Eclipse直接編譯通過。

3.6 杜克大學(xué)方案

杜克大學(xué)則借助現(xiàn)實生活中路標(biāo)(landmarks)的思想,正在開發(fā)一個叫做

UnLoc的應(yīng)用。此應(yīng)用通過感知wifi、3G信號死角,以及一些運動特征,如電梯、樓梯等,并根據(jù)這些位置已知的路標(biāo)來計算你的位置。當(dāng)你移動的時候,就根據(jù)其他感應(yīng)器( 陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等)來跟蹤你的位置。這一過程精度會逐漸降低,但當(dāng)你到達(dá)下一個路標(biāo)時,位置就會被校準(zhǔn)。

3.7 智慧圖方案

北京智慧圖科技有限責(zé)任公司通過檢測Wi-Fi、藍(lán)牙節(jié)點(iBeacon)的信

號強度進行定位,目前智慧圖定位產(chǎn)品包括終端側(cè)定位與網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位兩種[5] 。終端側(cè)定位通過手機檢測無線網(wǎng)絡(luò)信號,進行手機自主定位導(dǎo)航,在手機app中提供了部分室內(nèi)場館(機場及商業(yè)廣場)的室內(nèi)位置服務(wù)功能(定位、導(dǎo)航、POI搜索、優(yōu)惠查詢等)。網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位由Wi-Fi的無線AP檢測移動設(shè)備的信號,進行定位,主要應(yīng)用于建筑內(nèi)的客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,該模式主要為大型商業(yè)廣場、店鋪、公共文化建筑提供服務(wù)。

四、前景分析

4.1.室內(nèi)定位技術(shù)的前景

1.未來是移動互聯(lián)的時代

2.移動服務(wù)最后一米的機會

人平均80%的時間在室內(nèi),80%移動電話使用和數(shù)據(jù)連接在室內(nèi)使用。

4.2.室內(nèi)定位的需求

1.公共安全及應(yīng)急響應(yīng)

在緊急情況下,每一個人都想被救援人員精確定位到,大到建筑物的位置,甚至是樓層或者房間號。

2.定位導(dǎo)覽

(1)這建筑物內(nèi)有什么東西。

(2)我辦公室的周圍是誰。

(3)我車放在地下停車場什么位置。

(4)超市里的牛奶在什么位置。

(5)大型商場里面最近的餐館在哪里。

(6)怎么去那里。

4.3. 社交需求

實現(xiàn)名片交換、微博推送、類似微信進行交友互動等等。

4.4.市場推廣需求

在百貨商場里為客戶提供導(dǎo)購服務(wù)。手機會告訴你,提供導(dǎo)購服務(wù),附近有哪些商品在打折。

在旅游景區(qū)、展館、機場、實現(xiàn)定位導(dǎo)覽,進行展品介紹等。機場,可以精確引導(dǎo)用戶辦手續(xù)、指示衛(wèi)生間位置等等。

4.5.有價值數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)方式應(yīng)用

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