隨著智能穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)大潮的到來，低功耗藍(lán)牙技術(shù) （Bluetooth Low Energy，BLE）己然成為了移動(dòng)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(yīng)用發(fā)展，所以為了改善這種現(xiàn)狀，基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)藍(lán)牙通信系統(tǒng)以及能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)南敕ū銘?yīng)運(yùn)而生，進(jìn)而刺激了當(dāng)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(biāo)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(jì)了基于Android手機(jī)的遠(yuǎn)距離藍(lán)牙通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主機(jī)端Android手機(jī)、從機(jī)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(lán)牙4．0協(xié)議棧使用C語(yǔ)言完成了硬件模塊初始化、操作系統(tǒng)抽象層任務(wù)事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)、模塊廣播、 與主機(jī)端數(shù)據(jù)交互協(xié)議機(jī)制的功能。然后，設(shè)計(jì)完成了應(yīng)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(jì)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(luò)的設(shè)計(jì)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(duì)2×2陣列天線進(jìn)行了加工與實(shí)物測(cè)試。最后，基于Android 手機(jī)平臺(tái)，在Android Studio編譯環(huán)境中，使用Java編程語(yǔ)言搭建了應(yīng)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(jì)等移動(dòng)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(jìn)行了測(cè)試與系統(tǒng)可靠性分析，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)，驗(yàn)證了基于Android手機(jī)藍(lán)牙技術(shù)的遠(yuǎn)距離BLE 通信系統(tǒng)的可行性，由于本設(shè)計(jì)具有低成本、低功耗、移動(dòng)應(yīng)用軟件靈活性強(qiáng)、天線增益可拓展、擺脫短距離的束縛及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，必將成為移動(dòng)BLE通信的應(yīng)用趨勢(shì)，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離BLE通信系統(tǒng)的可能性及其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　本次設(shè)計(jì)的基于Android手機(jī)的遠(yuǎn)距離BLE通信系統(tǒng)［12，271，分為從機(jī) （Pefiphery，也稱為外圍設(shè)備）和主機(jī)端（Center，也稱為中心設(shè)備），其中，Center 端選擇Android手機(jī)及在Android平臺(tái)上設(shè)計(jì)的應(yīng)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(jì)內(nèi)容包括：BLE模塊設(shè)計(jì)以及基于BLE協(xié)議棧完成軟件協(xié)議的功能實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)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(biāo)需求，綜合考慮2．4小節(jié)介紹的接收靈敏度、發(fā)射機(jī)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(gè)主要影響通信距離的因素，其中，系統(tǒng)主機(jī)端的發(fā)射功率已經(jīng)固定，而從機(jī)端，雖然傳統(tǒng)藍(lán)牙的發(fā)射功率較高，但是在低功耗藍(lán)牙技術(shù)己然成為目前的趨勢(shì)的大環(huán)境下，從機(jī)端設(shè)計(jì)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(jì)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(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)闡述，引出了本次設(shè)計(jì)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(jì)所需的技術(shù)理論及預(yù)期指標(biāo)。首先重點(diǎn)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(lán)牙設(shè)備的工作狀態(tài)、工作角色、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)交互機(jī)制的分析等等，然后對(duì)Android中的低功耗藍(lán)牙架構(gòu)和基于BLE通信的高增益天線技術(shù)進(jìn)行了深入地分析和研究。最后結(jié)合藍(lán)牙通信的傳輸距離的影響因素給出了本此設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。

　　第3章主要完成BLE通信系統(tǒng)Periphery端BLE模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)算出發(fā)，進(jìn)行貼片單元的仿真優(yōu)化、陣列天線饋電方式實(shí)現(xiàn)、阻抗匹配變換器設(shè)計(jì)、陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及二元陣列、四元陣列仿真優(yōu)化并3Hq了2×2天線實(shí)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(lán)牙協(xié)議棧，通過IAR Embedded Workbench開發(fā)平臺(tái)使用C語(yǔ)言代碼程序編寫完成協(xié)議棧中GAP和GATT這兩個(gè)主要協(xié)議層的設(shè)計(jì)，完成了硬件模塊初始化、操作系統(tǒng)抽象層任務(wù)事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)、模塊廣播、 與主機(jī)端數(shù)據(jù)交互協(xié)議機(jī)制的功能。

　　第4章主要基于Android平臺(tái)完成手機(jī)Center端手機(jī)App的細(xì)節(jié)程序代碼編寫。首先，介紹了本次設(shè)計(jì)的App的平臺(tái)以及工作空間結(jié)構(gòu)。然后，基于Android Studio平臺(tái)，使用Java編程語(yǔ)言完成了外圍藍(lán)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(jì)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(jì)。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(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行測(cè)試與分析。首先，將實(shí)現(xiàn)了廣播和數(shù)據(jù)通信功能的BLE模塊進(jìn)行測(cè)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(cè)試與分析，對(duì)應(yīng)用于Periphery端的四元陣列天線模型進(jìn)行了手工加工以及在微波暗室進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試分析，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比中分析表明，本次設(shè)計(jì)的天線滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)可以應(yīng)用于BLE通信系統(tǒng)的Periphery端。然后，基于Android Studio平臺(tái)對(duì)Center端App進(jìn)行了軟件下載與測(cè)試分析。最后，將BLE模塊、天線、手機(jī)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(duì)通信系統(tǒng)整機(jī)測(cè)試，并對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析。測(cè)試結(jié)果表明本次設(shè)計(jì)達(dá)到了BLE通信系統(tǒng)的200m傳輸距離的預(yù)期指標(biāo)，證明了低功耗藍(lán)牙遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)的可行性，為實(shí)現(xiàn)低功耗藍(lán)牙通信傳輸更遠(yuǎn)距離的可能性及其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　第6章是對(duì)全文的整體工作進(jìn)行歸納總結(jié)及對(duì)未來的展望。