富新輝，余之喜，蘇凱雄

　?。ǜＶ荽髮W(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002）

　　摘要：為提高北斗終端設(shè)備的便攜性、兼容性與待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，針對(duì)北斗報(bào)文數(shù)據(jù)特點(diǎn)與低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy, BLE)的傳輸協(xié)議，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種安卓導(dǎo)航通信系統(tǒng)。通過(guò)多線(xiàn)程分包組裝處理增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，并討論得出兼容不同安卓終端的轉(zhuǎn)發(fā)速度提高軟件適用性。加入藍(lán)牙丟包校驗(yàn)機(jī)制，有效提高系統(tǒng)傳輸可靠性。本設(shè)計(jì)可將北斗導(dǎo)航儀的各種交互功能集成在安卓終端上，安卓智能終端用戶(hù)只需使用體積更小的北斗便攜終端便能實(shí)現(xiàn)北斗通信導(dǎo)航功能，操作體驗(yàn)性更好，更具實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星；導(dǎo)航通信；安卓；低功耗藍(lán)牙；便攜終端

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN965.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.028

　　引用格式：富新輝，余之喜，蘇凱雄.基于BLE北斗便攜終端的安卓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：95-97，101.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：福州市科技項(xiàng)目計(jì)劃資助(市校合作)(2015 G 61)；福建省發(fā)改委2014產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資助(2014 G 100)北斗行業(yè)近幾年迅速崛起，相關(guān)的終端設(shè)備也正在往便攜性、小型化的方向發(fā)展。本文提出了一種基于北斗便攜終端的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，該方法可使北斗終端體積進(jìn)一步縮小，待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，交互性更好。

　　該方案采用安卓系統(tǒng)的移動(dòng)終端，利用BLE獲得北斗一代、二代信息并進(jìn)行交互操作，在安卓終端上實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文通信與定位功能。本文針對(duì)BLE的協(xié)議特點(diǎn)與北斗數(shù)據(jù)的傳輸特性，設(shè)計(jì)了一種合理的結(jié)合方式，并經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了兩者融合后數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

1系統(tǒng)組成

　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包含北斗一代模塊、北斗二代模塊、ARM處理器、BLE模塊、安卓終端等。

　　1.1低功耗藍(lán)牙BLE模塊

　　本文的北斗便攜終端采用的BLE模塊具有低功耗、高速率、體積小、成本低的特點(diǎn)。并且該藍(lán)牙模塊采用單模模式［1］，使得設(shè)備集成度更高，鏈路層更輕量且支持超低功耗待機(jī)模式操作。模塊連接間隔為20 ms，當(dāng)串口波特率為115 200 b/s 時(shí)，模塊具有最高轉(zhuǎn)發(fā)能力4 KB/s。模塊可以從串口一次性最多傳輸200 B數(shù)據(jù)包，并會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包大小自動(dòng)分包發(fā)送，每包最大載荷為20 B［2］。

　　1.2ARM處理器

　　本系統(tǒng)中采用的ARM處理器為STM32，其主要功能為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，將北斗一代、二代數(shù)據(jù)分包并插入適當(dāng)?shù)陌l(fā)送間隔時(shí)間，轉(zhuǎn)發(fā)給BLE模塊。當(dāng)藍(lán)牙模塊接收到安卓終端發(fā)來(lái)的指令后交付給STM32，處理器對(duì)指令進(jìn)行協(xié)議頭判斷并校驗(yàn)，若符合標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，則按照相應(yīng)的指令內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給北斗一代或二代模塊。

　　1.3安卓終端應(yīng)用軟件功能

　　安卓系統(tǒng)4.3以后的版本支持BLE技術(shù)。本文的安卓終端采用的系統(tǒng)版本為Android6.0。

　　本文設(shè)計(jì)的安卓系統(tǒng)軟件主要功能有：

　　(1)基本功能：北斗卡檢測(cè)、北斗便攜終端電量讀取、北斗衛(wèi)星信號(hào)功率讀??；

　　(2)通信功能：一代模塊短報(bào)文通信、SOS緊急求救；

　　(3)定位功能：RDSS有源定位、RNSS無(wú)源定位；

　　(4)藍(lán)牙操作：連接、斷開(kāi)、搜索、丟包檢測(cè)。

2核心軟件處理過(guò)程

　　2.1指令分包發(fā)送與接收

　　安卓終端接收北斗終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，每包的長(zhǎng)度都為小于或等于20 B，數(shù)據(jù)包都需要先存入接收緩存隊(duì)列中，方便后續(xù)指令的組裝操作。向北斗終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度大于20 B，需要主動(dòng)將指令拆分成等于或小于20 B的小包后，再放入發(fā)送緩存隊(duì)列中等待發(fā)送。

　　發(fā)送和接收的過(guò)程都比較耗時(shí)，不適合放在主線(xiàn)程中執(zhí)行，因此，本設(shè)計(jì)開(kāi)啟兩路線(xiàn)程分別負(fù)責(zé)發(fā)送和接收（如圖2所示）。圖3所示的發(fā)送線(xiàn)程完成將發(fā)送數(shù)據(jù)分包并存入發(fā)送緩存的工作。

　　圖3安卓終端發(fā)送線(xiàn)程接收線(xiàn)程完成從接收緩存內(nèi)提取出數(shù)據(jù)包，再將這些數(shù)據(jù)包按照“$”開(kāi)頭和“*”結(jié)尾的指令格式組裝起來(lái)，若出現(xiàn)“*”丟失的情況，則當(dāng)組裝的指令長(zhǎng)度>300 B時(shí)自動(dòng)拋棄。具體過(guò)程如圖4所示。

　　2.2發(fā)送延時(shí)兼容性

　　藍(lán)牙BLE存在連接間隔這個(gè)固定參數(shù)，指的是兩個(gè)連接事件之間的時(shí)間間隔，藍(lán)牙只有在連接事件內(nèi)處理發(fā)送接收事件，連接間隔［3］的值一般為7.5 ms~4 s。不同的應(yīng)用可能要求不同的時(shí)間間隔。時(shí)間間隔較長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)是可顯著節(jié)省功耗［4］，短的時(shí)間間隔的優(yōu)勢(shì)是可以更快地收發(fā)數(shù)據(jù)，不利之處是設(shè)備因連接事件的到來(lái)而被頻繁地喚醒，會(huì)有較多功耗。

　　對(duì)于安卓終端上的藍(lán)牙模塊，不同終端上使用的模塊連接間隔參數(shù)通常都不相同，且安卓終端的自身配置也不相同，處理速度有快有慢，這便會(huì)出現(xiàn)如圖5所示的發(fā)送丟包問(wèn)題。

　　通過(guò)圖5可看出，由于配置較低的安卓終端，處理速度較慢，分裝完一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間普遍大于藍(lán)牙的連接間隔時(shí)間，即：

　　Ts≥nTL(n為正整數(shù))(1)

　　式中，Ts為安卓終端的處理時(shí)間、TL為藍(lán)牙連接間隔。這種情況下，當(dāng)藍(lán)牙連接事件到達(dá)時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)總是最新的。但當(dāng)安卓終端配置較高，數(shù)據(jù)分裝速度較快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)藍(lán)牙模塊的發(fā)送速度跟不上數(shù)據(jù)更新速度的問(wèn)題，部分?jǐn)?shù)據(jù)還沒(méi)被發(fā)送出去就已經(jīng)被新的數(shù)據(jù)覆蓋，直觀的表現(xiàn)就是藍(lán)牙丟包。

　　由于藍(lán)牙底層的連接事件到達(dá)并沒(méi)有任何標(biāo)志位返回，且藍(lán)牙為透?jìng)鞯讓影l(fā)送成功的標(biāo)志位RTS［5］安卓系統(tǒng)無(wú)法讀取到，所以為了避免這種情況,使配置較高的安卓終端滿(mǎn)足式(1)條件，需要主動(dòng)地加入延時(shí)。因?yàn)榘沧拷K端的發(fā)送操作被放進(jìn)獨(dú)立的線(xiàn)程中，線(xiàn)程每次運(yùn)行的間隔取決于不同安卓終端CPU的性能，理論上CPU越慢的安卓終端所需要的線(xiàn)程休眠時(shí)間越短。本文選取了配置性能不同的4種安卓終端，調(diào)整不同時(shí)延觀察是否出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，測(cè)試所需的最小時(shí)延，測(cè)試結(jié)果如表1所示?？梢钥闯鯟PU性能越好的手機(jī)配合自己本身的藍(lán)牙模塊所需要的延時(shí)越長(zhǎng)。 

　　綜上，由于安卓端發(fā)送給北斗終端的信息量并不大，發(fā)送周期也較長(zhǎng)，且為了兼容市面上的普遍機(jī)型和BLE模塊，在每發(fā)送20 B數(shù)據(jù)包之間增加12 ms~30 ms的時(shí)延較為合適,這里折中選擇20 ms延時(shí)。

　　2.3校驗(yàn)機(jī)制

　　圖6系統(tǒng)校驗(yàn)機(jī)制為了過(guò)濾掉一些不正確的干擾信息，并且減少藍(lán)牙丟包造成的影響，本系統(tǒng)采用了一套校驗(yàn)機(jī)制以增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，如圖6所示。北斗終端接收到指令后，經(jīng)過(guò)初步檢驗(yàn)，過(guò)濾掉不符合正確指令格式的無(wú)效信息，再進(jìn)行校驗(yàn)碼校驗(yàn)，將指令按字節(jié)異或，最后的結(jié)果與指令的校驗(yàn)和進(jìn)行對(duì)比。如果相同則反饋成功，反之反饋失敗。安卓終端接收到指令后，同樣先做初步校驗(yàn)過(guò)濾無(wú)效指令信息，再進(jìn)行校驗(yàn)碼檢驗(yàn)，若校驗(yàn)通過(guò)則交付后續(xù)處理，如果出錯(cuò)則統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤數(shù)量。

　　對(duì)于安卓終端發(fā)送給北斗終端的部分，由于藍(lán)牙傳輸為透?jìng)髂Ｊ?，安卓終端并不知道北斗終端是否正確地接收到信息。除了通信申請(qǐng)（$CCTXA）和定位申請(qǐng)（$CCDWA）指令北斗終端接收后有反饋信息，其他指令北斗終端是否接收到并無(wú)任何提示，所以有必要另外加入自定義的檢驗(yàn)協(xié)議。加入的指令如表2所示。其中校驗(yàn)結(jié)果A表示有效信息，V表示無(wú)效信息。

3系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

　　為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案的可行性，通過(guò)BLE將Android終端與北斗便攜終端連接后，進(jìn)行通信與定位的測(cè)試。將發(fā)送接收的北斗卡號(hào)設(shè)置為同一張實(shí)現(xiàn)自發(fā)自收。系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖7所示。測(cè)試采用混發(fā)模式，使用3級(jí)北斗卡連續(xù)短報(bào)文通信，發(fā)送內(nèi)容為39個(gè)漢字的滿(mǎn)報(bào)文，發(fā)送周期為62 s。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

　　通過(guò)表3的數(shù)據(jù)可以分析得到，安卓終端與北斗終端連接的距離越大，藍(lán)牙丟包率越高，當(dāng)距離小于2.5 m時(shí)只要沒(méi)有明顯的阻擋物藍(lán)牙丟包率為0。當(dāng)距離大于5 m后成功率低于95%，在藍(lán)牙丟包率較低的情況下，通信成功率主要取決于北斗衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度，所以會(huì)出現(xiàn)小于1 m的通信成功率反而比2.5 m的低的狀況。在實(shí)際使用情況下，便攜北斗終端一般隨身攜帶，藍(lán)牙連接距離一般都小于5 m。該系統(tǒng)的性能與成功率完全適用于這種情況。

4結(jié)論

　　北斗產(chǎn)業(yè)不斷壯大，北斗產(chǎn)品也漸漸出現(xiàn)在百姓生活中。北斗終端設(shè)備的小型化是必然趨勢(shì)。本文針對(duì)使用BLE連接北斗終端設(shè)備與安卓設(shè)備的系統(tǒng)提供一種設(shè)計(jì)方案。在一般正常的使用情況下，本方案出現(xiàn)的丟包現(xiàn)象基本可以忽略。因此本方案滿(mǎn)足北斗通信的要求，并提供了人性化的交互功能，具有良好的擴(kuò)展性與移植性，對(duì)北斗設(shè)備的其他便攜式、兼容性的應(yīng)用有著一定的借鑒參考意義。

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