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使用安卓蓝牙进行远距离通信系统设计与实现论文资料说明
余哲哲
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随着智能穿戴设备、物联网、移动互联网大潮的到来，低功耗蓝牙技术 （Bluetooth Low Energy，BLE）己然成为了移动互联网智能连接的重要技术支撑，但是由于其短距离通信的特性，限制了在各种领域的应用发展，所以为了改善这种现状，基于Android平台设计蓝牙通信系统以及能够实现更远距离数据传输的想法便应运而生，进而刺激了当前课题研究的展开。
本文基于BLE、Android技术的研究现状及200m传输距离的指标需求，将BLE 技术、安卓系统以及高增益天线技术相结合，设计了基于Android手机的远距离蓝牙通信系统，该系统由主机端Android手机、从机端BLE模块及高增益微带阵列天线三部分构成。首先，在IAR编译环境中基于蓝牙4．0协议栈使用C语言完成了硬件模块初始化、操作系统抽象层任务事件驱动机制设计、模块广播、 与主机端数据交互协议机制的功能。然后，设计完成了应用于BLE通信模块高增益接收天线，从单元贴片和基板的尺寸计算、微带阵列天线馈电方式、阻抗匹配变换器及组阵馈电网络的设计出发，完成了微带贴片单元、二元天线阵、2×2天线阵的仿真优化与结果分析，并对2×2阵列天线进行了加工与实物测试。最后，基于Android 手机平台，在Android Studio编译环境中，使用Java编程语言搭建了应用软件的搜所和通信界面，并完成了外围设备扫描连接、名称地址信息显示、传输速率记录、通信字节数的统计等移动终端功能。
本课题从系统功耗、传输速率、通信距离、平均漏包数方面进行了测试与系统可靠性分析，达到了预期指标，验证了基于Android手机蓝牙技术的远距离BLE 通信系统的可行性，由于本设计具有低成本、低功耗、移动应用软件灵活性强、天线增益可拓展、摆脱短距离的束缚及实现远距离数据传输等优点，必将成为移动BLE通信的应用趋势，进而为实现更远距离BLE通信系统的可能性及其应用奠定了基础。
本次设计的基于Android手机的远距离BLE通信系统［12，271，分为从机 （Pefiphery，也称为外围设备）和主机端（Center，也称为中心设备），其中，Center 端选择Android手机及在Android平台上设计的应用程序作为BLE通信系统的主角色，而Periphery端主要涉及的设计内容包括：BLE模块设计以及基于BLE协议栈完成软件协议的功能实现。本次设计中为了满足BLE通信系统的传输数据距离改善到200m的指标需求，综合考虑2．4小节介绍的接收灵敏度、发射机的射频输出功率、系统靠干扰能力、发射接收天线的增益几个主要影响通信距离的因素，其中，系统主机端的发射功率已经固定，而从机端，虽然传统蓝牙的发射功率较高，但是在低功耗蓝牙技术己然成为目前的趋势的大环境下，从机端设计一款高增益天线就成为我们提高通信系统的传输距离的必然选择。整体系统架构如图1．1 所示：
本次设计的具体章节安排如下：
第1章是绪论。主要介绍了BLE通信系统的研究背景及意义，结合BLE的技术以及应用现状进行详细阐述，引出了本次设计的研究目的以及意义，并在最后规划了论文的整体架构和主要内容。
第2章阐述了本次设计所需的技术理论及预期指标。首先重点探讨BLE协议栈的相关内容，其中主要包括BLE的协议栈层次架构、蓝牙设备的工作状态、工作角色、拓扑结构以及数据交互机制的分析等等，然后对Android中的低功耗蓝牙架构和基于BLE通信的高增益天线技术进行了深入地分析和研究。最后结合蓝牙通信的传输距离的影响因素给出了本此设计的技术指标。
第3章主要完成BLE通信系统Periphery端BLE模块的设计与实现。首先， BLE硬件模块采用核心模块和底板相分离的方法，然后，从天线贴片单元、基板的尺寸计算出发，进行贴片单元的仿真优化、阵列天线馈电方式实现、阻抗匹配变换器设计、阵列天线的馈电网络设计以及二元阵列、四元阵列仿真优化并3Hq了2×2天线实物。最后，BLE通信模块的软件系统主要基于BLE．CC254X一1．3．2 蓝牙协议栈，通过IAR Embedded Workbench开发平台使用C语言代码程序编写完成协议栈中GAP和GATT这两个主要协议层的设计，完成了硬件模块初始化、操作系统抽象层任务事件驱动机制设计、模块广播、 与主机端数据交互协议机制的功能。
第4章主要基于Android平台完成手机Center端手机App的细节程序代码编写。首先，介绍了本次设计的App的平台以及工作空间结构。然后，基于Android Studio平台，使用Java编程语言完成了外围蓝牙设备的搜索连接、监控管理、数据通信、通信速率显示、统计发送接收字节数的App功能以及搜所界面、通信界面的UI具体设计。最后，将3、4章结合完成了Center端与Periphery端数据交互功能。
第5章主要是对系统的可行性进行测试与分析。首先，将实现了广播和数据通信功能的BLE模块进行测试、以及程序烧写，完成Periphery端BLE模块的硬件调试和软件功能测试与分析，对应用于Periphery端的四元阵列天线模型进行了手工加工以及在微波暗室进行了实物测试分析，仿真与实测结果对比中分析表明，本次设计的天线满足设计指标可以应用于BLE通信系统的Periphery端。然后，基于Android Studio平台对Center端App进行了软件下载与测试分析。最后，将BLE模块、天线、手机端App相结合，从BLE系统数据传输功能、平均漏包数与传输距离、功耗方面对通信系统整机测试，并对系统可靠性进行了分析。测试结果表明本次设计达到了BLE通信系统的200m传输距离的预期指标，证明了低功耗蓝牙远距离通信系统的可行性，为实现低功耗蓝牙通信传输更远距离的可能性及其应用奠定了基础。
第6章是对全文的整体工作进行归纳总结及对未来的展望。
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