基于STM32的一體化指紋簽到棒

龐 玥，劉澤辰，李宏博

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，泰安 271000）

1 引言

大學(xué)生是國家建設(shè)的后備力量，而目前在高校教學(xué)過程中頻繁出現(xiàn)學(xué)生逃課、代答到等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了高校正常教學(xué)秩序，對教學(xué)質(zhì)量帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響?，F(xiàn)有的考勤機(jī)功能繁復(fù)，配件繁多，體積大不方便攜帶使用，不能夠及時反饋缺勤同學(xué)信息，對高校課堂考勤并不適用。通過考察高?？记谛枨?，將傳統(tǒng)指紋考勤機(jī)的電源、考勤器、數(shù)據(jù)線合為一體形成一個精小棒狀、便于攜帶使用，可在學(xué)生之間傳遞考勤的簽到棒?？蛇M(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)校的教學(xué)管理，規(guī)范學(xué)生的學(xué)習(xí)生活狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為貼合高?？记诠芾硇枨?，整體系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分，硬件部分以STM32F103C8T6芯片為核心，構(gòu)建了OLED顯示模塊、存儲模塊、指紋識別模塊等硬件模塊，處理器的串口1與指紋識別模塊相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)指令的傳送從而完成指紋的識別和比對；串口2與USB轉(zhuǎn)接口相連，既可以與上位機(jī)通信，也可以進(jìn)行充電操作。軟件部分依托于Python語言設(shè)計。圖1為本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

簽到棒的外觀將考勤機(jī)、充電器、數(shù)據(jù)線合為一體，形成一個長度約為10cm便攜精小的簽到棒，配合上位機(jī)軟件模塊，實現(xiàn)各大功能。圖2為整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計

3.1 STM32F103C8T6微處理器

STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器。該產(chǎn)品具有性能高、功耗低、運(yùn)行速度快等特點。其內(nèi)部具有64k的閃存程序存儲器和高達(dá)20k字節(jié)的SRAM供電電壓為2.0～3.6V。多達(dá)80個IO端口、7個定時器和9個通信接口其中包含2個IIC接口、3個USART接口、2個SPI接口。

3.2 系統(tǒng)電源

電源系統(tǒng)提供能量，因STM32F103C8T6需要3.3v供電，且指紋識別模塊工作電壓為2.7～3.3V，所以選擇采用自帶保護(hù)電路的402035聚合物鋰電池作為電源模塊。標(biāo)稱電壓為3.7 V，充電限制電壓4.26V，標(biāo)稱容量為1500mAh?？梢猿浞烹?000多次。電源模塊通過TPS75933將電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V，然后直接給各模塊供電。同時也可以通過USB進(jìn)行充電。當(dāng)USB接通時，TPS75933失能，USB直接供電，電池開始充電。

3.3 flash模塊

本系統(tǒng)采用大容量SPI FLASH產(chǎn)品W25Q128，存儲容量為16MB，工作電壓為2.7-3.6 V，該模塊用于存儲GBK漢字字庫以及不同指紋對應(yīng)的不同學(xué)生姓名等信息。模塊通過SPI總線與MCU連接，供MCU讀取與寫入數(shù)據(jù)。

3.4 led模塊

本系統(tǒng)采用0.91寸的OLED液晶屏，可見角度>160°，強(qiáng)光照射下依然能清晰顯示，使用模擬IIC與MCU通信，采用3.3v供電，超低功耗，全屏點亮?xí)r僅0.08w，正常全屏顯示漢字只有0.06w。

3.5 指紋識別模塊

本系統(tǒng)采用R300指紋識別模塊。R300指紋識別模塊采用了最先進(jìn)的指紋傳感器和高性能的DSP處理器，內(nèi)嵌完整的指紋識別算法和協(xié)議。具有指紋采集，指紋比對，搜索和存儲等功能的智能型模塊。模塊通過USART2與MCU進(jìn)行通信，完成一系列的數(shù)據(jù)傳輸與處理。該模塊的工作電壓為2.7-3.6 V，無手指按壓時進(jìn)入睡眠狀態(tài)，功耗低，當(dāng)有手指按壓時，模塊的IRQ管腳將輸出3.3V的高電平喚醒模塊，進(jìn)行指紋的錄入及匹配。這種工作模式保證了該模塊的超低功耗，保證了產(chǎn)品更長的續(xù)航時間。模塊內(nèi)置的存儲設(shè)備能夠存儲1000枚指紋，圖像處理時間<0.4S，安全等級為3。圖3為指紋識別流程圖。

4 軟件設(shè)計

一體化指紋簽到棒配套應(yīng)用程序使用了Python語言進(jìn)行編寫，依靠Python強(qiáng)大的功能庫包，將應(yīng)用程序分割成了3個獨立的任務(wù)，它們分別是UI界面的生成、串口的發(fā)送和接收、文件內(nèi)容的寫入和提取。

圖3 指紋識別流程圖

UI界面的生成依托于PyQt5功能庫包，使用Qt Designer設(shè)計軟件設(shè)計可視化的ui文件，再通過Python強(qiáng)大的pyuic外部工具將ui文件轉(zhuǎn)換為可編程的py文件，實現(xiàn)對UI界面的編程。串口的發(fā)送和接收啟用了兩個線程進(jìn)行處理，擺脫了單線程工作時序的限制，保證了數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的獨立運(yùn)行，防止同時收發(fā)數(shù)據(jù)造成的數(shù)據(jù)丟失等問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與此同時，在下位機(jī)植入了USB轉(zhuǎn)虛擬串口的程序，實現(xiàn)了系統(tǒng)USB形式的串口通信。文件內(nèi)容的寫入和提取實現(xiàn)了指紋信息的存儲和上傳，當(dāng)應(yīng)用程序向下位機(jī)發(fā)送獲取信息的指令時，下位機(jī)將向PC端發(fā)送對應(yīng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)以固定格式寫入將要保存的文件，實現(xiàn)指紋庫的建立和PC端顯示；當(dāng)應(yīng)用程序向下位機(jī)發(fā)送傳輸信息指令時，應(yīng)用程序?qū)⒆x取對應(yīng)文件中的內(nèi)容并以固定的格式傳輸給下位機(jī)，實現(xiàn)指紋庫的上傳。圖4為軟件程序流程圖。

5 系統(tǒng)可行性實驗

系統(tǒng)的指紋識別模塊拒真率（FRR）<0.1%，認(rèn)假率（FAR）<0.001%（安全等級為3時）。我們對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行實驗，以本校學(xué)生數(shù)最多的老師為實驗對象，老師所帶學(xué)生總數(shù)為728人，系統(tǒng)1000枚指紋的存儲量滿足要求。在一周的課堂考勤中，共計識別指紋2184次，每次的識別反應(yīng)時間為1秒鐘，僅有2次識別錯誤，識別正確率高達(dá)99.9%。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)切合高校老師的需求，設(shè)計出了一款集考勤器、充電器、數(shù)據(jù)線為一體，體積精小的便攜簽到棒，只需課前將產(chǎn)品交由同學(xué)傳遞進(jìn)行指紋簽到，課下查看匹配結(jié)果即可得到考勤結(jié)果。簽到棒將所有配件合為一體便于攜帶，課前簽到節(jié)省上課時間，方便快捷，省時省力，大大增強(qiáng)了對學(xué)生的監(jiān)督力度，實用性強(qiáng)，有長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。

圖4 軟件程序流程圖