【正文】 RF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的六個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，分別為CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ和CE。此外，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。表44 FM70指紋模塊技術(shù)指標(biāo)表 The index table of FM70 fingerprint module parameter 性能參數(shù)特點(diǎn)供電電壓~供電電流供電小于120mA，峰值電流小于140mA指紋錄入圖像時(shí)間窗口面積14*18mm特征文件/模板文件256/512字節(jié)存儲(chǔ)容量1000枚安全等級(jí)五級(jí)，默認(rèn)第三級(jí)認(rèn)假率/拒真率%/%(安全等級(jí)為3級(jí)時(shí))上位機(jī)接口UART(TTl邏輯電平)通信波特率(UART)(9600*N)bps，其中N為1~12，默認(rèn)值為6，即57600bps工作溫度20~+50℃存儲(chǔ)環(huán)境40~+50℃ 12864OLED模塊 12864OLED（有機(jī)發(fā)光顯示OrganicLight EmittingDisplay）液晶屏是一種128*64行點(diǎn)陣的藍(lán)色或黃藍(lán)雙色的的液晶屏，作為新一代顯示技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表的顯示終端，實(shí)時(shí)顯示字符、漢字、曲線(xiàn)等信息。FM70指紋模塊共有23條指令，每一條指令介紹的非常詳細(xì)，并且通俗易懂。指紋登錄時(shí)，對(duì)每一枚指紋錄入2次，將2次錄入的圖像進(jìn)行處理，合成模板存儲(chǔ)于模板中。指紋的存儲(chǔ)、比對(duì)和搜索等都是通過(guò)指紋特征來(lái)完成的。和同類(lèi)質(zhì)問(wèn)產(chǎn)品相比，F(xiàn)M70模塊具有以下特色：指紋圖像讀取過(guò)程中，對(duì)于濕手指都有較好的成像質(zhì)量，適合人群廣泛；用戶(hù)根據(jù)FM70模塊提供的豐富指令，可自行開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)；面對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，用戶(hù)可自行設(shè)定不同安全等級(jí)。表43 nRF24L01引腳介紹表 The pinout table of nRF24L01 引腳名稱(chēng)引腳功能描述1CE數(shù)字輸入RX或TX模式選擇2CSN數(shù)字輸入SPI片選信號(hào)3SCK數(shù)字輸入SPI時(shí)鐘4MOSI數(shù)字輸入從SPI數(shù)據(jù)輸入腳5MISO數(shù)字輸出從SPI數(shù)據(jù)輸出腳6IQR數(shù)字輸出可屏蔽中斷腳7VDD電源電源(+3V)8VSS電源接地(0V)9XC2模擬輸出晶體振蕩器2腳10XC1模擬輸入晶體振蕩器1腳/外部時(shí)鐘輸入腳11VDD_PA電源輸出給RF的功率放大器提供+12ANT1天線(xiàn)天線(xiàn)接口113ANT2天線(xiàn)天線(xiàn)接口214VSS電源接地(0V)15VDD電源電源(+3V)16IREF模擬輸入?yún)⒖茧娏?7VSS電源接地(0V)18VDD電源電源(+3V)19DVDD電源輸出去耦電路電源正極端20VSS電源接地(0V) 首先在家用場(chǎng)合中，nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的距離足夠用，而且消耗的功耗極低，傳輸穩(wěn)定，并且跟其他無(wú)線(xiàn)模塊比較價(jià)格最低，性?xún)r(jià)比較高，所以選擇了nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在接收堆棧中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，以便通知MCU去取數(shù)據(jù)。最后發(fā)射成功時(shí)，若CE為低，則nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入待機(jī)模式2。發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式，接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫(xiě)入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫(xiě)入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫(xiě)入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)。SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s。具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能。該射頻模塊集成了NORDIC公司生產(chǎn)的無(wú)線(xiàn)射頻芯片nRF24L01：，最大發(fā)射功率為0dBm；2Mbps，傳輸速率高；功耗低，等待模式時(shí)電流消耗僅22uA；多頻點(diǎn)（125個(gè)），滿(mǎn)足多點(diǎn)通信及跳頻通信需求；在空曠場(chǎng)地，有效通信距離25m（外置天線(xiàn)）、10m（PCB天線(xiàn)）等。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。NOEDIC公司提供通信模塊的GERBER文件，可以直接加工生產(chǎn)。可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)6的無(wú)線(xiàn)通信。 無(wú)線(xiàn)模塊nRF24L01nRF24L01是NORDIC公司最近生產(chǎn)的一款新型單片射頻收發(fā)器件，采用FSK調(diào)制， GHz～ GHz ISM頻段。STC89C52具體性能如表42所示。STC89C52單片機(jī)擁有8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間，512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間，可直接使用串口下載。支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、DAC、SPI、IIC和USART2個(gè)12位的uS級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器(16通道)A/D測(cè)量范圍：0~，雙采樣和保持能力；片上集成一個(gè)溫度傳感器2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器STM32F103xC，STM32F103xD獨(dú)有13個(gè)通信接口2個(gè)IIC接口，5個(gè)UART接口，3個(gè)SPI接口，兩個(gè)和IIS、CAN接口，接收模塊上選擇的是STC89C52單片機(jī)，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STM32F103原理圖如圖41所示，性能參數(shù)表如表41所示。本設(shè)計(jì)中使用STM32最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)是指能夠支持單片機(jī)正常工作的最簡(jiǎn)單的硬件系統(tǒng)。 核心部件選型 單片機(jī)部件主控模塊上選擇的是STM32F103，STM32F103是以ARM CortexM3為內(nèi)核的32位微控制器，可以兼容所有的ARM工具和軟件。(7)盡量朝“單片”方向設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。(6)單片機(jī)外圍電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。如選用CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。(2)系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿(mǎn)足系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遵循了以下原則。 e軟硬件測(cè)試、調(diào)試：通過(guò)JTag/JLink等方式聯(lián)合調(diào)試程序。 c軟件仿真調(diào)試：在Keil中仿真軟件運(yùn)行情況。 圖35 下位機(jī)軟件程序流程圖 The flow diagram of lower puter software program (2) 編譯過(guò)程a源代碼編寫(xiě)：編寫(xiě)C語(yǔ)言程序。綜合比較，C語(yǔ)言更適合嵌入式編程，所以本次設(shè)計(jì)編程選用的是C語(yǔ)言。Java語(yǔ)言相對(duì)年輕，但有很強(qiáng)的跨平臺(tái)特性發(fā)展勢(shì)頭較為強(qiáng)勁。C++語(yǔ)言是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，應(yīng)用也很多，如Visual C++是一種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持可視化編程，廣泛應(yīng)用于GUI程序開(kāi)發(fā)，但與C語(yǔ)言相比，C++編寫(xiě)的程序代碼往往比較龐大。目前在國(guó)防、航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前應(yīng)用比較廣泛的語(yǔ)言有：Ada、C/C++、Java等高級(jí)語(yǔ)言。因?yàn)閰R編語(yǔ)言與微處理器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，移植性較差，既不宜在復(fù)雜系統(tǒng)中使用，又不方便實(shí)現(xiàn)軟件重用。而且在刪除的時(shí)候還需要管理員權(quán)限，輸入密碼后才可刪除。(3) 顯示模塊 顯示模塊是本控制系統(tǒng)中進(jìn)行人機(jī)交互不可缺少的部分，通過(guò)12864OLED液晶屏上顯示的內(nèi)容，可以了解到每個(gè)物品的情況，這樣就會(huì)保證做到全面安全。薄膜矩陣鍵盤(pán)上的3鍵分別對(duì)應(yīng)的是洗衣機(jī)、藥品柜和消毒柜，按相應(yīng)的按鍵就會(huì)打開(kāi)該設(shè)備的開(kāi)關(guān)，再按一下就會(huì)關(guān)閉該物品的開(kāi)關(guān)。無(wú)論選擇那種開(kāi)鎖都可以，如果選擇指紋開(kāi)鎖就直接進(jìn)行指紋識(shí)別，如果選擇密碼開(kāi)鎖就直接鍵入密碼。對(duì)于指紋的設(shè)置可以錄入多個(gè)指紋，錄入指紋應(yīng)取得管理員權(quán)限，即每錄入一個(gè)指紋之前都需要輸入密碼，輸入正確進(jìn)行指紋錄入，錄入成功；密碼只可以設(shè)置一個(gè)，但是密碼可以更改，每次更改前需要輸入原始密碼，正確就可以設(shè)置新密碼。如圖34所示。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案圖如圖33所示。其分辨率很高，同時(shí)具有靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。模塊內(nèi)藏6464的顯示數(shù)據(jù)RAM，其中的每位數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)于OLED屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。STM32和指紋模塊、矩陣鍵盤(pán)模塊進(jìn)行通信，通過(guò)和事先設(shè)置的指紋、密碼進(jìn)行比對(duì)，判斷輸入指紋或密碼的正確與否，進(jìn)行設(shè)備的開(kāi)關(guān)。在本控制指系統(tǒng)中能完成預(yù)設(shè)定功能。FM70指紋模塊操作起來(lái)非常簡(jiǎn)單，在每次錄入指紋的時(shí)候都需要比對(duì)兩次，而且對(duì)濕指紋的錄入也比較準(zhǔn)確。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52在該嵌入式控制系統(tǒng)中提供高靈活、超有效的解決方案。 圖32 硬件搭建結(jié)構(gòu)圖 The diagram of hardware structure 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì) (1)單片機(jī) a STM32F103單片機(jī) STM32F103是以ARM CortexM3為內(nèi)核的32位微控制器，內(nèi)存比較大，可以同時(shí)容納液晶屏、指紋模塊以及無(wú)線(xiàn)模塊編譯后的代碼，而且具有了更高的代碼效率，具有高性能、低成本、低功耗的的特點(diǎn)，適合應(yīng)用在嵌入式開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)中。圖31 系統(tǒng)總體框圖 The diagram of overall sysytem block 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 基于nRF24L01的無(wú)線(xiàn)指紋密碼控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)搭建如圖32所示，圖中共有3個(gè)房間，每個(gè)房間都有一個(gè)物品，每個(gè)物品的開(kāi)關(guān)都由單片機(jī)進(jìn)行控制。還可以對(duì)指紋鎖和密碼鎖進(jìn)行增刪改查等操作，這些操作同樣需要管理員權(quán)限。設(shè)備的開(kāi)關(guān)是由51單片機(jī)和繼電器控制一個(gè)個(gè)LED小燈[6]的亮滅來(lái)模擬的。然后再開(kāi)鎖的時(shí)候選擇一種開(kāi)鎖方式和操控對(duì)象，隨即輸入正確的密碼后即可開(kāi)鎖，進(jìn)行各個(gè)設(shè)備開(kāi)關(guān)的控制。在指紋密碼錄入下，錄入指紋之前需要輸入默認(rèn)密碼，即管理員權(quán)限，輸入正確后，進(jìn)行指紋的錄入，同時(shí)會(huì)依次生成指紋的ID號(hào)。在最開(kāi)始有一個(gè)默認(rèn)的按鍵密碼，在系統(tǒng)啟動(dòng)后可以用這個(gè)密碼控制各個(gè)設(shè)備的開(kāi)關(guān)。鎖和“鑰匙”之間是無(wú)線(xiàn)通信，通過(guò)nRF24L01傳遞“開(kāi)”或“關(guān)”的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)。指紋鎖錄入用戶(hù)指紋，可錄入多個(gè)指紋，即一個(gè)住宅中的用戶(hù)都可以操控家中的設(shè)備。在這個(gè)系統(tǒng)里模擬三個(gè)設(shè)備，分別是洗衣機(jī)、藥品柜和消毒柜。嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)從一個(gè)給定的系統(tǒng)任務(wù)描述著手，通過(guò)有效的分析系統(tǒng)任務(wù)和所需的資源，采用一系列變換方法設(shè)計(jì)出硬件和軟件架構(gòu)。與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)軟件與硬件設(shè)計(jì)的并行性和相互反饋，提高了設(shè)計(jì)抽象的層次，拓展了設(shè)計(jì)覆蓋的范圍。把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。通過(guò)通過(guò)指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，取到指紋圖像之后，要對(duì)原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰。每個(gè)指紋都有幾個(gè)獨(dú)一無(wú)二、可測(cè)量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)大約5~7個(gè)特征，我們的十個(gè)手指最少4900個(gè)獨(dú)立可測(cè)量的特征，這足以說(shuō)明指紋識(shí)別是一個(gè)更加可靠的鑒別方式。但指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對(duì)指紋的特征。指紋其實(shí)是比較復(fù)雜的，與人工處理不同，許多生物識(shí)別技術(shù)公司并不直接存儲(chǔ)指紋的圖像。每個(gè)人（包括指紋在內(nèi)）皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，也就是說(shuō)，是唯一的，并且終生不變。 指紋識(shí)別技術(shù) 我們知道人體的指紋具有人各有異、終生不變、絕無(wú)丟失等特點(diǎn)，因此出現(xiàn)了指紋識(shí)別技術(shù)。ISM頻段主要是開(kāi)發(fā)給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用的，該頻段并沒(méi)有所謂使用授權(quán)的限制，所以使用時(shí)不用申請(qǐng)?jiān)S可證。目前短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要有兩種，一種是IrDA紅外無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，另一種是工作于ISM(Industrial Scientific Medical)頻段射頻通信技術(shù)。 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)短距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要方面，近幾年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)、信息處理與存儲(chǔ)等技術(shù)的快速發(fā)展，短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)也得到迅速的發(fā)展。每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿(mǎn)足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。ARM公司開(kāi)發(fā)了很多系列的ARM處理器核，ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、Intel的Xscale和Intel的StrongARM。除用戶(hù)模式外，其余6種模式稱(chēng)為非用戶(hù)模式或特權(quán)模式，用戶(hù)模式和系統(tǒng)模式之外的5種模式稱(chēng)為異常模式。ARM處理器是一種32位嵌入式處理器，它的特點(diǎn)是：體積小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；指令長(zhǎng)度固定。它提供ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核，將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠(chǎng)商，并提供服務(wù)。1985年第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋誕生。一些區(qū)域組織和技術(shù)聯(lián)盟正在積極制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并已取得了一些成果，并試圖以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的形式形成技術(shù)壁壘，進(jìn)而壟斷國(guó)際市場(chǎng)，但距離形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還有相當(dāng)?shù)牟罹?。中科院?lián)合一些高校也正在積極開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究工作，具備一定的技術(shù)攻關(guān)能力，獲得了一些國(guó)際先進(jìn)的研究成果，并已經(jīng)參與到相關(guān)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的制定工作中。另外，在控制的過(guò)程中采用指紋和密碼進(jìn)行控制，快速、便捷、安全管理。采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸有以下優(yōu)點(diǎn)：一是成本低，家居控制系統(tǒng)省去