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使用安卓藍牙進行遠距離通信系統設計與實現論文資料說明

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上傳日期: 2019-02-25

上 傳 者: 余哲哲他上傳的所有資料

資料介紹

標簽:通信系統(326)藍牙(1673)Android(1697)

  隨著智能穿戴設備、物聯網、移動互聯網大潮的到來,低功耗藍牙技術 (Bluetooth Low Energy,BLE)己然成為了移動互聯網智能連接的重要技術支撐,但是由于其短距離通信的特性,限制了在各種領域的應用發展,所以為了改善這種現狀,基于Android平臺設計藍牙通信系統以及能夠實現更遠距離數據傳輸的想法便應運而生,進而刺激了當前課題研究的展開。

  本文基于BLE、Android技術的研究現狀及200m傳輸距離的指標需求,將BLE 技術、安卓系統以及高增益天線技術相結合,設計了基于Android手機的遠距離藍牙通信系統,該系統由主機端Android手機、從機端BLE模塊及高增益微帶陣列天線三部分構成。首先,在IAR編譯環境中基于藍牙4.0協議棧使用C語言完成了硬件模塊初始化、操作系統抽象層任務事件驅動機制設計、模塊廣播、 與主機端數據交互協議機制的功能。然后,設計完成了應用于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絡的設計出發,完成了微帶貼片單元、二元天線陣、2×2天線陣的仿真優化與結果分析,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,并完成了外圍設備掃描連接、名稱地址信息顯示、傳輸速率記錄、通信字節數的統計等移動終端功能。

  本課題從系統功耗、傳輸速率、通信距離、平均漏包數方面進行了測試與系統可靠性分析,達到了預期指標,驗證了基于Android手機藍牙技術的遠距離BLE 通信系統的可行性,由于本設計具有低成本、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遠距離數據傳輸等優點,必將成為移動BLE通信的應用趨勢,進而為實現更遠距離BLE通信系統的可能性及其應用奠定了基礎。

  本次設計的基于Android手機的遠距離BLE通信系統[12,271,分為從機 (Pefiphery,也稱為外圍設備)和主機端(Center,也稱為中心設備),其中,Center 端選擇Android手機及在Android平臺上設計的應用程序作為BLE通信系統的主角色,而Periphery端主要涉及的設計內容包括:BLE模塊設計以及基于BLE協議棧完成軟件協議的功能實現。本次設計中為了滿足BLE通信系統的傳輸數據距離改善到200m的指標需求,綜合考慮2.4小節介紹的接收靈敏度、發射機的射頻輸出功率、系統靠干擾能力、發射接收天線的增益幾個主要影響通信距離的因素,其中,系統主機端的發射功率已經固定,而從機端,雖然傳統藍牙的發射功率較高,但是在低功耗藍牙技術己然成為目前的趨勢的大環境下,從機端設計一款高增益天線就成為我們提高通信系統的傳輸距離的必然選擇。整體系統架構如圖1.1 所示:

  本次設計的具體章節安排如下:

  第1章是緒論。主要介紹了BLE通信系統的研究背景及意義,結合BLE的技術以及應用現狀進行詳細闡述,引出了本次設計的研究目的以及意義,并在最后規劃了論文的整體架構和主要內容。

  第2章闡述了本次設計所需的技術理論及預期指標。首先重點探討BLE協議棧的相關內容,其中主要包括BLE的協議棧層次架構、藍牙設備的工作狀態、工作角色、拓撲結構以及數據交互機制的分析等等,然后對Android中的低功耗藍牙架構和基于BLE通信的高增益天線技術進行了深入地分析和研究。最后結合藍牙通信的傳輸距離的影響因素給出了本此設計的技術指標。

  第3章主要完成BLE通信系統Periphery端BLE模塊的設計與實現。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,進行貼片單元的仿真優化、陣列天線饋電方式實現、阻抗匹配變換器設計、陣列天線的饋電網絡設計以及二元陣列、四元陣列仿真優化并3Hq了2×2天線實物。最后,BLE通信模塊的軟件系統主要基于BLE.CC254X一1.3.2 藍牙協議棧,通過IAR Embedded Workbench開發平臺使用C語言代碼程序編寫完成協議棧中GAP和GATT這兩個主要協議層的設計,完成了硬件模塊初始化、操作系統抽象層任務事件驅動機制設計、模塊廣播、 與主機端數據交互協議機制的功能。

  第4章主要基于Android平臺完成手機Center端手機App的細節程序代碼編寫。首先,介紹了本次設計的App的平臺以及工作空間結構。然后,基于Android Studio平臺,使用Java編程語言完成了外圍藍牙設備的搜索連接、監控管理、數據通信、通信速率顯示、統計發送接收字節數的App功能以及搜所界面、通信界面的UI具體設計。最后,將3、4章結合完成了Center端與Periphery端數據交互功能。

  第5章主要是對系統的可行性進行測試與分析。首先,將實現了廣播和數據通信功能的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,仿真與實測結果對比中分析表明,本次設計的天線滿足設計指標可以應用于BLE通信系統的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相結合,從BLE系統數據傳輸功能、平均漏包數與傳輸距離、功耗方面對通信系統整機測試,并對系統可靠性進行了分析。測試結果表明本次設計達到了BLE通信系統的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的可行性,為實現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。

  第6章是對全文的整體工作進行歸納總結及對未來的展望。

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