使用安卓藍牙進行遠距離通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)論文資料說明

　　隨著智能穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)大潮的到來，低功耗藍牙技術(shù) （Bluetooth Low Energy，BLE）己然成為了移動互聯(lián)網(wǎng)智能連接的重要技術(shù)支撐，但是由于其短距離通信的特性，限制了在各種領(lǐng)域的應用發(fā)展，所以為了改善這種現(xiàn)狀，基于Android平臺設(shè)計藍牙通信系統(tǒng)以及能夠?qū)崿F(xiàn)更遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)南敕ū銘\而生，進而刺激了當前課題研究的展開。

　　本文基于BLE、Android技術(shù)的研究現(xiàn)狀及200m傳輸距離的指標需求，將BLE 技術(shù)、安卓系統(tǒng)以及高增益天線技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了基于Android手機的遠距離藍牙通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主機端Android手機、從機端BLE模塊及高增益微帶陣列天線三部分構(gòu)成。首先，在IAR編譯環(huán)境中基于藍牙4．0協(xié)議棧使用C語言完成了硬件模塊初始化、操作系統(tǒng)抽象層任務事件驅(qū)動機制設(shè)計、模塊廣播、 與主機端數(shù)據(jù)交互協(xié)議機制的功能。然后，設(shè)計完成了應用于BLE通信模塊高增益接收天線，從單元貼片和基板的尺寸計算、微帶陣列天線饋電方式、阻抗匹配變換器及組陣饋電網(wǎng)絡的設(shè)計出發(fā)，完成了微帶貼片單元、二元天線陣、2×2天線陣的仿真優(yōu)化與結(jié)果分析，并對2×2陣列天線進行了加工與實物測試。最后，基于Android 手機平臺，在Android Studio編譯環(huán)境中，使用Java編程語言搭建了應用軟件的搜所和通信界面，并完成了外圍設(shè)備掃描連接、名稱地址信息顯示、傳輸速率記錄、通信字節(jié)數(shù)的統(tǒng)計等移動終端功能。

　　本課題從系統(tǒng)功耗、傳輸速率、通信距離、平均漏包數(shù)方面進行了測試與系統(tǒng)可靠性分析，達到了預期指標，驗證了基于Android手機藍牙技術(shù)的遠距離BLE 通信系統(tǒng)的可行性，由于本設(shè)計具有低成本、低功耗、移動應用軟件靈活性強、天線增益可拓展、擺脫短距離的束縛及實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，必將成為移動BLE通信的應用趨勢，進而為實現(xiàn)更遠距離BLE通信系統(tǒng)的可能性及其應用奠定了基礎(chǔ)。

　　本次設(shè)計的基于Android手機的遠距離BLE通信系統(tǒng)［12，271，分為從機 （Pefiphery，也稱為外圍設(shè)備）和主機端（Center，也稱為中心設(shè)備），其中，Center 端選擇Android手機及在Android平臺上設(shè)計的應用程序作為BLE通信系統(tǒng)的主角色，而Periphery端主要涉及的設(shè)計內(nèi)容包括：BLE模塊設(shè)計以及基于BLE協(xié)議棧完成軟件協(xié)議的功能實現(xiàn)。本次設(shè)計中為了滿足BLE通信系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)距離改善到200m的指標需求，綜合考慮2．4小節(jié)介紹的接收靈敏度、發(fā)射機的射頻輸出功率、系統(tǒng)靠干擾能力、發(fā)射接收天線的增益幾個主要影響通信距離的因素，其中，系統(tǒng)主機端的發(fā)射功率已經(jīng)固定，而從機端，雖然傳統(tǒng)藍牙的發(fā)射功率較高，但是在低功耗藍牙技術(shù)己然成為目前的趨勢的大環(huán)境下，從機端設(shè)計一款高增益天線就成為我們提高通信系統(tǒng)的傳輸距離的必然選擇。整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1．1 所示：

　　本次設(shè)計的具體章節(jié)安排如下：

　　第1章是緒論。主要介紹了BLE通信系統(tǒng)的研究背景及意義，結(jié)合BLE的技術(shù)以及應用現(xiàn)狀進行詳細闡述，引出了本次設(shè)計的研究目的以及意義，并在最后規(guī)劃了論文的整體架構(gòu)和主要內(nèi)容。

　　第2章闡述了本次設(shè)計所需的技術(shù)理論及預期指標。首先重點探討B(tài)LE協(xié)議棧的相關(guān)內(nèi)容，其中主要包括BLE的協(xié)議棧層次架構(gòu)、藍牙設(shè)備的工作狀態(tài)、工作角色、拓撲結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)交互機制的分析等等，然后對Android中的低功耗藍牙架構(gòu)和基于BLE通信的高增益天線技術(shù)進行了深入地分析和研究。最后結(jié)合藍牙通信的傳輸距離的影響因素給出了本此設(shè)計的技術(shù)指標。

　　第3章主要完成BLE通信系統(tǒng)Periphery端BLE模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。首先， BLE硬件模塊采用核心模塊和底板相分離的方法，然后，從天線貼片單元、基板的尺寸計算出發(fā)，進行貼片單元的仿真優(yōu)化、陣列天線饋電方式實現(xiàn)、阻抗匹配變換器設(shè)計、陣列天線的饋電網(wǎng)絡設(shè)計以及二元陣列、四元陣列仿真優(yōu)化并3Hq了2×2天線實物。最后，BLE通信模塊的軟件系統(tǒng)主要基于BLE．CC254X一1．3．2 藍牙協(xié)議棧，通過IAR Embedded Workbench開發(fā)平臺使用C語言代碼程序編寫完成協(xié)議棧中GAP和GATT這兩個主要協(xié)議層的設(shè)計，完成了硬件模塊初始化、操作系統(tǒng)抽象層任務事件驅(qū)動機制設(shè)計、模塊廣播、 與主機端數(shù)據(jù)交互協(xié)議機制的功能。

　　第4章主要基于Android平臺完成手機Center端手機App的細節(jié)程序代碼編寫。首先，介紹了本次設(shè)計的App的平臺以及工作空間結(jié)構(gòu)。然后，基于Android Studio平臺，使用Java編程語言完成了外圍藍牙設(shè)備的搜索連接、監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)通信、通信速率顯示、統(tǒng)計發(fā)送接收字節(jié)數(shù)的App功能以及搜所界面、通信界面的UI具體設(shè)計。最后，將3、4章結(jié)合完成了Center端與Periphery端數(shù)據(jù)交互功能。

　　第5章主要是對系統(tǒng)的可行性進行測試與分析。首先，將實現(xiàn)了廣播和數(shù)據(jù)通信功能的BLE模塊進行測試、以及程序燒寫，完成Periphery端BLE模塊的硬件調(diào)試和軟件功能測試與分析，對應用于Periphery端的四元陣列天線模型進行了手工加工以及在微波暗室進行了實物測試分析，仿真與實測結(jié)果對比中分析表明，本次設(shè)計的天線滿足設(shè)計指標可以應用于BLE通信系統(tǒng)的Periphery端。然后，基于Android Studio平臺對Center端App進行了軟件下載與測試分析。最后，將BLE模塊、天線、手機端App相結(jié)合，從BLE系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能、平均漏包數(shù)與傳輸距離、功耗方面對通信系統(tǒng)整機測試，并對系統(tǒng)可靠性進行了分析。測試結(jié)果表明本次設(shè)計達到了BLE通信系統(tǒng)的200m傳輸距離的預期指標，證明了低功耗藍牙遠距離通信系統(tǒng)的可行性，為實現(xiàn)低功耗藍牙通信傳輸更遠距離的可能性及其應用奠定了基礎(chǔ)。

　　第6章是對全文的整體工作進行歸納總結(jié)及對未來的展望。