星闪数字钥匙智能门锁系统

基于 BearPi-Pico H3863 的星闪(SLE)身份识别 + UWB 多锚点定位 + 智能门锁控制 本文档由AI辅助生成

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一、项目背景

本项目为电赛 C 题方案，要求实现一套数字钥匙系统：钥匙端广播身份 ID，门锁端识别 ID 并通过测距判断钥匙位置，在授权范围内自动解锁。

核心挑战：

• 身份识别：需要低功耗、低延迟的无线通信方案
• 精准测距：需要厘米级定位精度判断钥匙是否在解锁范围内
• 实时响应：进入/离开区域需即时反馈（LED + 蜂鸣器 + OLED）

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二、系统方案

2.1 整体架构

                         星闪 SLE 通信
  ┌────────────┐     ID 广播 + Notify     ┌─────────────────────┐
  │            │ ◄──────────────────────► │                     │
  │  钥匙 KEY   │   UUID: 0x2828/0x2929   │     门锁 LOCK        │
  │ (H3863)    │                          │     (H3863)          │
  │            │                          │                     │
  │ · DIP 设ID │                          │  ┌─── SLE Client    │
  │ · SLE广播  │                          │  ├── UART×2 测距    │
  │ · ID Notify│                          │  ├── OLED 显示      │
  └────────────┘                          │  ├── LED×3 指示     │
                                          │  ├── 蜂鸣器提示     │
                                          │  └── DIP 校验ID     │
                                          └─────────────────────┘
                                              ▲           ▲
                                     UART1    │           │  UART2
                                   115200bps  │           │
                                              ▼           ▼
                                    ┌──────────┐  ┌──────────┐
                                    │ 锚点 E   │  │ 锚点 G   │
                                    │ 锚点 F   │  │ 锚点 H   │
                                    │ STM32 +  │  │ STM32 +  │
                                    │ DW1000   │  │ DW1000   │
                                    └──────────┘  └──────────┘

2.2 技术选型

模块	方案	选型理由
主控芯片	Hi3863 (RISC-V 240MHz)	集成 Wi-Fi6/BLE/SLE，原生支持星闪
近距通信	星闪 SLE (SparkLink Edge)	低延迟、低功耗，原生 SSAP 协议栈
测距定位	UWB DW1000 + STM32	厘米级精度，4 锚点定位
数据回传	UART 双串口	简单可靠，双通道并行接收
显示	SSD1306 0.96" OLED	软件 I2C，低功耗，信息密度高

2.3 工作流程

[钥匙端]
  上电 → SLE 初始化 → 广播 "diansai2_key" → 等待连接
       → 配对成功 → 每 500ms Notify 发送 ID (0x0A)

[门锁端]
  上电 → OLED 显示 "Scanning..." → SLE 扫描
       → 发现钥匙 → 连接 → 配对 → 服务发现
       → 接收 ID → 与 DIP 开关期望 ID 比对

  [并行] UART 接收 4 锚点测距数据
       → 卡尔曼滤波 → 野值剔除
       → 计算径向距离 + 方位角
       → 判断区域 (感知/欢迎/解锁)

  [综合判断]
       ID 匹配 + 距离 < 1m → 解锁 (绿灯 + 蜂鸣)
       ID 匹配 + 距离 < 2m → 欢迎 (黄灯 + 蜂鸣)
       其他 → 锁定 (红灯)

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三、硬件设计

3.1 器件清单

器件	型号	数量	角色
主控板	BearPi-Pico H3863	2	钥匙 + 门锁
UWB 模块	DW1000 + STM32	4	测距锚点 E/F/G/H
显示屏	SSD1306 0.96" OLED	1	门锁状态显示
LED	红/绿/黄	3	锁定/解锁/欢迎指示
蜂鸣器	有源蜂鸣器	1	进出区域提示
拨码开关	4 位 DIP	2	ID 设置 (钥匙/门锁各一)

3.2 门锁端接线

BearPi-Pico H3863 (LOCK)
                    ┌─────────────────────┐
   GPIO 4  ────────►│ LED Red   (锁定)     │
   GPIO 5  ────────►│ LED Green (解锁)     │
   GPIO 14 ────────►│ LED Yellow(欢迎)     │
   GPIO 6  ────────►│ Buzzer              │
   GPIO 13 ───┬────►│ OLED SCL (软件I2C)  │
   GPIO 12 ───┤     │                     │
              └────►│ OLED SDA            │
   GPIO 9~3  ──────►│ DIP Switch ×4       │
   GPIO 15 ────────►│ UART1 TX → 锚点E/F  │
   GPIO 16 ────────►│ UART1 RX ← 锚点E/F  │
   GPIO 8  ────────►│ UART2 TX → 锚点G/H  │
   GPIO 7  ────────►│ UART2 RX ← 锚点G/H  │
                    └─────────────────────┘

四、软件设计

4.1 任务架构

门锁端运行两个并行 RTOS 任务：

┌─────────────────────────────────────────────┐
│              LiteOS (liteos_v208)            │
├─────────────────────────────────────────────┤
│                                             │
│  ┌─ Diansai2Lock (优先级 17) ──────────┐    │
│  │  · SLE Client 扫描/连接/配对        │    │
│  │  · 接收 ID + DIP 校验              │    │
│  │  · OLED 刷新 (200ms)               │    │
│  │  · LED/蜂鸣器控制                  │    │
│  │  · 区域判断 + 状态机               │    │
│  └────────────────────────────────────┘    │
│                                             │
│  ┌─ Diansai2LockDist (优先级 15) ──────┐    │
│  │  · UART1 接收锚点 E/F (115200)     │    │
│  │  · UART2 接收锚点 G/H (115200)     │    │
│  │  · 解析 "X D:距离" 协议            │    │
│  │  · 卡尔曼滤波 (每锚点独立)         │    │
│  │  · 野值剔除                        │    │
│  │  · 径向距离 + 方位角计算           │    │
│  │  · 更新全局距离/角度变量           │    │
│  └────────────────────────────────────┘    │
│                                             │
│  栈大小: Lock 8KB / Dist 4KB               │
└─────────────────────────────────────────────┘

4.2 SLE 通信流程

钥匙端 (Server)                     门锁端 (Client)
     │                                   │
     │  ◄── 广播 "diansai2_key" ──────  │ 扫描
     │                                   │ 发现目标
     │  ◄── 连接请求 ────────────────── │
     │  ── 连接成功 ─────────────────►  │
     │                                   │
     │  ◄── 配对请求 ────────────────── │
     │  ── 配对完成 ─────────────────►  │
     │                                   │
     │  ◄── MTU 交换 (520) ──────────── │
     │  ── MTU 确认 ─────────────────►  │
     │                                   │
     │  ◄── 服务发现 ────────────────── │
     │  ── Property Handle ──────────►  │
     │                                   │
     │  ── Notify ID (0x0A) ─────────►  │  每 500ms
     │  ── Notify ID ────────────────►  │
     │  ── Notify ID ────────────────►  │
     │                          ...      │

SLE 参数：

• Service UUID: 0x2828
• Property UUID: 0x2929
• 广播间隔: 200ms (0xC8)
• 连接间隔: 100ms (0x64)
• MTU: 520 bytes
• ID 发送间隔: 500ms

4.3 OLED 显示界面

扫描中：

┌──────────────────┐
│ SLE: Scanning... │
│                  │
│ Exp: b0000       │
│                  │
│ Key ID: ----     │
│ Zone: ----       │
└──────────────────┘

已连接：

┌──────────────────┐
│ Key:b1010 Exp:b0000│  ← 接收ID / 期望ID
│ Ver: PASS          │  ← ID 校验结果
│ Dist:1.23m A:+4.5  │  ← 距离 / 角度
│ Zone: WELCOME      │  ← 当前区域
│ Event: Enter Welc  │  ← 区域事件
│ Hrz:1.53m          │  ← 水平距离
│ Status: WELCOME    │  ← 门锁状态
└──────────────────┘

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五、核心算法

5.1 UWB 多锚点定位

5.1.1 数据采集

4 个 STM32+DW1000 锚点各自测距，通过 UART 上报：

E D:0.56    ← 锚点E，距离 0.56m
F D:1.23    ← 锚点F，距离 1.23m
G D:0.89    ← 锚点G，距离 0.89m
H D:2.34    ← 锚点H，距离 2.34m

门锁端双 UART 并行接收：

• UART1 (GPIO 15/16): 锚点 E、F
• UART2 (GPIO 8/7): 锚点 G、H

5.1.2 卡尔曼滤波

每个锚点独立维护一个卡尔曼滤波器，平滑测距噪声：

预测:
  p_pred = p_est + Q        (Q = 0.05)

更新:
  K = p_pred / (p_pred + R)  (R = 0.1)
  x_est = x_est + K × (测量值 - x_est)
  p_est = (1 - K) × p_pred

5.1.3 野值剔除

当测量值与估计值偏差超过阈值时，拒绝该次测量：

if |测量值 - 估计值| > 50cm:
    使用估计值替代，连续拒绝计数 +1
    if 连续拒绝 > 5 次:
        接受新测量值（强制重置）
else:
    正常卡尔曼更新，重置计数器

5.1.4 位置解算

基于 4 锚点距离差分计算坐标和方位角：

锚点布局 (间距 L = 60cm):
  E ─────── G
  │         │
  F ─────── H

坐标计算:
  x = (d_G² - d_E²) / (2L)     (L = 60, 2L = 120)
  y = (d_H² - d_F²) / (2L)

径向距离:
  avg = (d_E + d_F + d_G + d_H) / 4
  r = (avg - 61.0) / 1.105     (零偏 + 缩放校准)
  r_edge = r - 30.0            (边缘补偿)

方位角:
  angle = -atan2(y, x) × (180/π) - 125°
  (−125° 为锚点布局偏移，需根据实际安装标定)

角度平滑:
  angle_smooth += 0.3 × (angle - angle_smooth)
  (处理 360° 环绕)

5.2 区域状态机

                    距离 < 1m
    ┌──────────┐ ─────────────► ┌──────────┐
    │  SENSING  │                │  UNLOCK  │
    │  (红灯)   │ ◄───────────── │  (绿灯)  │
    └──────────┘   距离 >= 1m    └──────────┘
         │                              │
         │ 距离 < 2m                    │ 距离 >= 1m
         ▼                              ▼
    ┌──────────┐                 ┌──────────┐
    │  WELCOME  │ ──────────────►│  WELCOME  │
    │  (黄灯)   │   距离 < 2m    │  (黄灯)   │
    └──────────┘ ◄──────────────└──────────┘
                   距离 >= 2m

蜂鸣器事件：

• 进入解锁区：短响 100ms
• 离开解锁区：短响 100ms
• 进入欢迎区：长响 200ms
• 离开欢迎区：长响 200ms

5.3 ID 验证

钥匙端:
  KEY_ID = 0x0A (固定)
  → 每 500ms 通过 SLE Notify 发送

门锁端:
  g_expected_id = DIP 开关读取 (4-bit)
  g_received_id = SLE Notify 接收

  if g_received_id == g_expected_id:
      验证通过 (PASS) → 允许解锁
  else:
      验证失败 (FAIL) → 保持锁定

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六、代码结构

diansai2/
├── README.md              # 项目文档
├── LICENSE                # CC BY-NC-SA 4.0
├── CMakeLists.txt         # 构建配置 (KEY/LOCK 二选一)
├── Kconfig                # 引脚可配置项
│
├── diansai2.h             # 公共定义
│                          #   SLE UUID / 任务参数 / 区域阈值
│
├── diansai2_key.c         # 钥匙端 (347 行)
│                          #   SLE Server / 广播 / 配对 / ID Notify
│
├── diansai2_lock.c        # 门锁端 (716 行) -- 核心
│                          #   SLE Client / UART 测距接收
│                          #   卡尔曼滤波 / 野值剔除
│                          #   位置解算 / 方位角
│                          #   OLED 显示 / LED / 蜂鸣器
│                          #   区域状态机 / ID 验证
│
├── diansai2_oled.c/.h     # SSD1306 软件 I2C 驱动 (153 行)
├── diansai2_oled_font.h   # 6x8 点阵字库 (95 字符)

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七、创新点

1. 星闪 SLE 通信：使用新一代短距通信技术 SparkLink Edge 替代传统 BLE，原生 SSAP 协议栈实现身份广播与通知，低延迟低功耗

2. 4 锚点 UWB 定位：4 个 STM32+DW1000 锚点分布式测距，双 UART 并行接收，通过差分平方算法解算 2D 坐标和方位角

3. 多级滤波融合：

   • 每锚点独立卡尔曼滤波器平滑测距噪声
   • 自适应野值剔除机制防止异常跳变
   • 径向距离二次卡尔曼滤波
   • 角度指数平滑（含 360° 环绕处理）

4. 三级区域状态机：感知 → 欢迎 → 解锁，带事件驱动的蜂鸣器提示和 LED 状态指示

5. 全引脚可配置：所有外设引脚通过 Kconfig 配置，适应不同硬件布局

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八、校准说明

首次使用需根据实际环境校准以下参数（位于 diansai2_lock.c）：

参数	默认值	校准方法
AVG_OFFSET_CM	61.0	在已知距离处测量 avg 值，计算零偏
AVG_SCALE	1.105	多点采样，线性拟合斜率
角度偏移 -125°	-125	锚点正前方放置钥匙，记录角度偏差
锚点间距 /120.0f	120 (60cm×2)	修改为实际间距 ×2

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九、许可证

CC BY-NC-SA 4.0 (署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际)

• 允许学习、研究、修改、分享
• 禁止任何形式的商业使用
• 衍生作品须采用相同许可证

详见 LICENSE 或 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

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十、致谢

• BearPi-Pico H3863 SDK -- 海思 Hi3863 开发板及 SDK
• LiteOS -- 华为轻量级实时操作系统
• Decawave DW1000 -- UWB 测距芯片 (锚点端，本仓库不含其驱动代码)