低功耗藍牙與智能硬件設計

劉裕佳，趙友章，梁 倩

（北方民族大學，寧夏 銀川 750021）

低功耗藍牙與智能硬件設計

劉裕佳，趙友章，梁 倩

（北方民族大學，寧夏 銀川 750021）

不斷降功耗是電子發展過程中永遠不會改變的主題。設計了一個低功耗藍牙與智能平臺聯合項目。藍牙技術憑借其普遍性和簡潔性改變了設備與設備之間的無線通信，設備可通過藍牙進行高度安全的無線通訊。藍牙的便捷性及全球的認可度，使任何支持藍牙的設備都能通過配對流程與鄰近的其他設備連接。配對后的設備可建立全雙工通信。

STM32；單片機；低功耗；嵌入式

智能硬件、智能家居、物聯網、移動互聯網大潮的到來，正在越來越多地改變我們身邊的一切。我們看到的智能手環、智能手表、智能插座、智能水杯、谷歌眼鏡等，都是其中的形態和表現方式，其核心是通過軟硬件結合的方式，使產品具備智能化的功能，并且具備與云端鏈接的能力。其中，低功耗藍牙技術是實現智能連接的重要技術支撐。

1 研究意義

目前，智能手機平臺及操作系統Android（4.3以上）、iOS（6.0以上）、Windows（8.0以上）均提供了對低功耗藍牙的原生態支持，天然地具備了移動互聯平臺的能力。低功耗藍牙是由諾基亞所設計的一種短距離無線通訊技術，最初的目標是提供功耗最低的無線標準，并且專門在低成本、地帶寬、低功耗與低復雜性方面進行了優化。

2 研究內容

2.1 天線選擇和對比

2.1.1 鞭狀天線

鞭狀天線是一種可彎曲的垂直桿狀天線，其長度一般為1/4或1/2波長。鞭狀天線PCB可實現，但是要注意天線走線不應太靠近平面，與地的距離最好為1/10波長（大約1 cm），否則輻射效率受到較大影響。

2.1.2 倒F天線

倒F天線屬于1/4波長天線，它被彎曲成L形，短邊連接到大地，長邊的末端是開放的。饋電點位于大地端的某一點處和開放端之間。這個結構的特點類似于字母F，由于饋電點到地面的循環電流，使其具有環形天線的特性，又由于開放端使其兼具鞭狀天線的特性。倒F天線（IFA）很容易在PCB上實現。F形狀只是天線的一個元素，另外還包括板接地平面等。反饋走線的長度加上開放走線的長度約為λ/4，相應的接地平面的長度大約為λ/4.

圖1為PCB上實現倒F天線。

圖1 PCB上實現倒F天線

2.1.3 蛇形天線

蛇形天線為PCB天線。該天線被印刷在PCB印刷板的板頂層，一個接地平面被放置在天線附近的頂層上。蛇形天線的PCB底層不允許有接地平面，以免影響天線的輻射特性。圖2為PCB上實現蛇形天線。

圖2 PCB上實現蛇形天線

2.2 周圍物體對天線性能的影響及考慮

周圍空間的影響：天線的問題通常是天線周圍空間不合理。為了不影響天線的性能，天線不能太接近地或其他走線、電池或其他金屬物體。

2.3 金屬物體對天線性能的影響

保持金屬物體遠離天線，確保金屬物體與天線近場足夠遠。天線近場與天線尺寸及波長相關，具體為：

式（1）中：D為天線的最大尺寸，在以上天線的實例中，D可以認為是大約1/4波長（λ/4）；λ為無線電波信號在自由空間的波長。

對于藍牙的工作頻率，將λ＝122 mm代入近場計算公式得，近場＝λ/8＝122/8 mm＝15.25 mm。

在2.4 GHz藍牙頻段，金屬物體應至少與倒F天線和蛇形天線保持15.25 mm的距離，以便使天線能夠有效地工作。如果這是不可能的，那么需要進行額外的實驗，確保天線的性能和產品尺寸之間達成一個可接受的方案。

2.4 介電材料對天線性能的影響

介電材料（比如塑料或FR-4）會降低天線的諧振頻率告知失諧。與金屬物體相比，天線附近放置的介電材料對天線性能所產生的影響結果不會太嚴重，而且這種影響可以通過減少天線的超過年度來矯正。

2.5 天線的調諧

天線性能是確?？煽繜o線電通信的重要因素。天線可以看作神秘的藝術，附近任何原料及尺寸的改變都會影響天線的性能。天線設計是非常重要的，通常也需要調節，在這個過程中有很多技巧。除了理論的分析和計算外，考慮到周圍物體等因素對天線性能的影響，有必要在實際產品設計中對天線進行測試和調諧，使其具有最好的性能表現。

2.6 天線的最后調諧

由于天線可能被附近的物體影響，包括線路板的尺寸和形狀，甚至連接到網絡分析儀的電纜，都會對測量造成影響。把手接近天線，點就會向周圍移動一點。如果不是這樣，則天線可能未連接好。接地層敏感的天線可能會把附加的導線看作地的延伸，需要在遠場情況下進行進一步的測試和調諧。

2.7 移動端系統

本系統選擇Android，Android是Google開發的基于Linux平臺的、開源的智能手機操作系統。Android包括操作系統、中間件和應用程序，由于源碼開放，Android可以被移植到不同的硬件平臺上。

［1］明日科技.Java從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2014.

［2］黃智偉.低功耗系統設計——原理、器件與電路［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［3］〔美〕Carlos Sessa.打造高質量Android應用［M］.楊云，譯.北京：電子工業出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.102

2095－6835（2017）23－0102－02