新時代背景下嵌入式系統(tǒng)的智能泊車系統(tǒng)設計與應用分析

摘 要：為了實現(xiàn)智能泊車系統(tǒng)的設計，采用嵌入式系統(tǒng)設計理念，結合超聲波傳感器、電機編碼器等設備，構建了高效、穩(wěn)定的智能泊車系統(tǒng)。通過在實際場景中的應用測試結果表明，該系統(tǒng)能夠準確感知周圍環(huán)境，實現(xiàn)自動泊車功能，有效提升了泊車的便捷性和安全性。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；智能泊車；STM32芯片；系統(tǒng)設計；超聲波傳感器；LabVIEW

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

隨著汽車保有量越來越多，使得人們不得不在有限的地面上劃分出更多的車位。這種情況導致了居民小區(qū)、公共街道等場所的擁堵和混亂，使得可用的泊車空間越來越小[1]。尤其對于新手駕駛員來說，在泊車過程中的手、足、眼協(xié)調配合是一大考驗，而技術不嫻熟往往導致停車不順利，甚至引發(fā)交通事故。因此，設計與應用智能泊車系統(tǒng)是極為必要的。

1 智能泊車系統(tǒng)概述

智能泊車系統(tǒng)是一種基于嵌入式技術、傳感器技術、通信技術等多種技術手段的綜合性系統(tǒng)。其主要功能是通過自動檢測車位、規(guī)劃泊車路徑、控制車輛自動泊車等方式，實現(xiàn)快速、安全、便捷的泊車體驗[2]。智能泊車系統(tǒng)可廣泛應用于住宅小區(qū)、商業(yè)停車場、機場等場所，能夠有效緩解停車難問題，提高泊車效率，為用戶帶來更好的泊車體驗。

對智能泊車系統(tǒng)涉及的技術及其在智能泊車系統(tǒng)中的應用介紹如下：

（1）嵌入式技術：嵌入式系統(tǒng)是將計算機硬件和軟件集成到特定設備中的一種技術，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點。智能泊車系統(tǒng)中的中央控制單元通常采用嵌入式系統(tǒng)，負責處理傳感器數(shù)據(jù)、規(guī)劃泊車路徑、控制車輛動作等任務。

（2）傳感器技術：傳感器是一種能夠感知外部環(huán)境并將感知到的信息轉換為可處理的電信號的設備。智能泊車系統(tǒng)中使用超聲波傳感器、攝像頭等多種傳感器來檢測車位、障礙物等信息，為系統(tǒng)提供準確的輸入數(shù)據(jù)。

（3）通信技術：是實現(xiàn)設備之間信息傳輸?shù)年P鍵技術，包括無線通信和有線通信。智能泊車系統(tǒng)通過WiFi、藍牙等無線通信技術實現(xiàn)與上位機、手機等設備的連接，進行數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳輸。

智能泊車系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下：（1）自動檢測車位。通過傳感器檢測車位的大小、位置等信息，判斷車位是否適合泊車。智能泊車系統(tǒng)能夠在車輛行駛過程中自動檢測車位，為駕駛員提供泊車建議。（2）規(guī)劃泊車路徑。根據(jù)車位的位置、大小以及周圍環(huán)境的障礙物信息，規(guī)劃出一條最優(yōu)的泊車路徑。系統(tǒng)在檢測到合適的車位后，會自動規(guī)劃泊車路徑，并控制車輛按照路徑行駛。（3）控制車輛自動泊車。通過控制車輛的轉向、加速、制動等動作，實現(xiàn)車輛的自動泊車。駕駛員只需啟動智能泊車系統(tǒng)，系統(tǒng)便會自動控制車輛完成泊車過程，無需人工干預。

2 嵌入式系統(tǒng)在智能泊車系統(tǒng)中的設計與實現(xiàn)

2.1 硬件設計

嵌入式系統(tǒng)的硬件設計是智能泊車系統(tǒng)的基礎。本文選擇了STC89C52單片機作為主控芯片，其具有高性價比、體積小、控制能力強等優(yōu)點。智能泊車系統(tǒng)的嵌入式硬件架構主要包括傳感器模塊、微控制器（MCU）模塊、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）通信模塊以及電源模塊等部分。這些模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)車位信息的采集、處理、傳輸以及遠程控制等功能[3]。

傳感器模塊采用紅外傳感器作為車位檢測的主要手段，通過紅外對管感應車位上是否有車輛停放。傳感器模塊將檢測到的車位狀態(tài)信息轉換為電信號，供MCU模塊處理。MCU模塊選用STM32芯片作為系統(tǒng)的核心控制器，負責接收傳感器模塊發(fā)送的車位狀態(tài)信息，進行數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷[4]。根據(jù)處理結果，通過NB-IoT通信模塊將車位信息上傳至云平臺，同時接收云平臺的控制指令，對停車場的車位進行分配和管理。NB-IoT通信模塊采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)與云平臺的遠程通信。該模塊負責將MCU處理后的車位信息上傳至云平臺，接收云平臺的控制指令并傳輸給MCU模塊。電源模塊為整個嵌入式系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應，確保各模塊正常工作[5]。

傳感器電路將紅外傳感器的VCC、GND、OUT引腳分別連接至STM32開發(fā)板的對應引腳，MCU電路設計中根據(jù)STM32芯片的引腳定義和功能需求，設計合理的電路布局和連接方式，包括晶振電路、復位電路、電源電路等部分，確保MCU模塊正常工作。NB-IoT通信電路設計中根據(jù)NB-IoT模塊的接口定義和通信協(xié)議，設計合理的電路連接方式和通信流程。確保NB-IoT模塊能夠穩(wěn)定地與云平臺進行遠程通信。根據(jù)整個嵌入式系統(tǒng)的電源需求，設計合理的電源電路。智能泊車系統(tǒng)嵌入式硬件設計說明見表1所列。

2.2 軟件設計

本文采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制輸出等模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負責從傳感器中讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊負責對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析；控制輸出模塊則根據(jù)處理結果控制車輛的行駛和泊車動作。智能泊車管理軟件采用分層架構設計，主要包括表現(xiàn)層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。表現(xiàn)層負責與用戶進行交互，提供直觀、友好的操作界面；業(yè)務邏輯層負責處理各種業(yè)務邏輯，如車位分配、費用計算等；數(shù)據(jù)訪問層則負責與數(shù)據(jù)庫進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和檢索。

軟件運行邏輯如下：在系統(tǒng)上電后，首先進行初始化操作，包括單片機各功能模塊的初始化、WiFi模塊的初始化以及系統(tǒng)參數(shù)的初始化。通過初始化操作，確保系統(tǒng)各模塊處于正常工作狀態(tài)，為后續(xù)的自動泊車過程做好準備。初始化完成后，電腦端需要連接系統(tǒng)中WiFi模塊所發(fā)出的WiFi信號。軟件設計應實現(xiàn)WiFi模塊的自動搜索、信號強度顯示以及連接管理等功能。在電腦端成功連接到WiFi模塊后，即可進行上下位機之間的通信。軟件設計應實現(xiàn)上下位機之間的數(shù)據(jù)格式定義、通信協(xié)議制定以及數(shù)據(jù)傳輸管理等功能[6]。通過上下位機通信，實現(xiàn)電腦端對車輛的控制以及車輛狀態(tài)信息的實時顯示。當上位機向下位機發(fā)送自動泊車命令后，車輛開始執(zhí)行自動泊車過程[7]。智能泊車系統(tǒng)邏輯設計見表2所列。

軟件設計應實現(xiàn)車輛控制算法，包括車速控制、轉向控制以及停車位置調整等。在自動泊車過程中，車輛需要不斷搜索合適的停車區(qū)域即車位，并根據(jù)車位大小調整車輛位置。軟件設計應實現(xiàn)車位的自動搜索、車位大小識別以及車輛位置調整等功能。在自動泊車過程中，若車輛前后方有障礙物且距離過近，則車輛需要停止并將提示信息發(fā)送至上位機[8]。軟件設計應實現(xiàn)障礙物的實時檢測、距離判斷以及停車控制等功能。當檢測到障礙物距離過近時，軟件應立即控制車輛停止，并通過上下位機通信將提示信息發(fā)送至電腦端進行顯示。待障礙物消失后，軟件應繼續(xù)控制車輛完成自動泊車過程。在自動泊車過程中，軟件應實現(xiàn)對車輛速度的實時監(jiān)控和控制，確保車輛在低速狀態(tài)下進行泊車操作，避免發(fā)生意外情況[9]。軟件還應實現(xiàn)對系統(tǒng)各功能模塊的故障診斷和處理功能，確保系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時能夠及時停止并給出相應的提示信息。嵌入式系統(tǒng)在智能泊車系統(tǒng)中的測試結果見表3所列。

3 實際應用案例分析

在泊車過程中，超聲波傳感器不斷測量車輛與周圍障礙物的距離，電機編碼器提供車輛的行駛距離和速度信息。這些數(shù)據(jù)經過單片機進行處理后，通過WiFi模塊發(fā)送給上位機。上位機接收到數(shù)據(jù)后，通過LabVIEW軟件進行處理[10]。將字符串數(shù)據(jù)轉換為數(shù)組，并提取出每個數(shù)據(jù)；根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出車輛的位置、速度等信息；將這些信息以圖形的方式顯示出來。根據(jù)計算出的車輛位置和速度信息，上位機向單片機發(fā)送控制命令。單片機接收到命令后，控制電機的轉動和超聲波傳感器的測量，從而實現(xiàn)車輛的自動泊車[11]。自動泊車系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理見表4所列。

在自動泊車系統(tǒng)中，超聲波傳感器和電機編碼器為系統(tǒng)提供了關鍵的距離和速度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經過單片機的初步處理后，通過WiFi模塊被傳輸?shù)缴衔粰C。上位機利用LabVIEW軟件對這些數(shù)據(jù)進行進一步的處理，包括數(shù)據(jù)格式的轉換、提取和計算，從而得出車輛的位置和速度信息。這些信息不僅以圖形的形式直觀地展示給用戶，還可作為控制命令的基礎，通過WiFi發(fā)送回單片機。單片機接收這些命令后，將其轉換為具體的控制信號，以調節(jié)電機的轉動和超聲波傳感器的測量，最終實現(xiàn)車輛的自動泊車功能。整個系統(tǒng)通過高效的數(shù)據(jù)處理和傳輸機制，確保了泊車過程的準確性和安全性。

4 結 語

在新時代背景下，嵌入式系統(tǒng)在智能泊車系統(tǒng)的設計與應用中的關鍵作用得到了充分驗證。結合超聲波傳感器、電機編碼器等設備，本系統(tǒng)實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的自動泊車功能。在數(shù)據(jù)處理和傳輸方面，系統(tǒng)通過單片機對超聲波傳感器和電機編碼器提供的數(shù)據(jù)進行初步處理，然后通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。上位機利用LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進行進一步的處理和計算，得出車輛的位置和速度信息，并以圖形的形式直觀地展示給用戶。根據(jù)這些信息生成控制命令，通過WiFi發(fā)送回單片機，實現(xiàn)車輛的自動控制。

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