新時(shí)代背景下嵌入式系統(tǒng)的智能泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)智能泊車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，結(jié)合超聲波傳感器、電機(jī)編碼器等設(shè)備，構(gòu)建了高效、穩(wěn)定的智能泊車系統(tǒng)。通過在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確感知周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車功能，有效提升了泊車的便捷性和安全性。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；智能泊車；STM32芯片；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；超聲波傳感器；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dǎo)致了居民小區(qū)、公共街道等場(chǎng)所的擁堵和混亂，使得可用的泊車空間越來越小[1]。尤其對(duì)于新手駕駛員來說，在泊車過程中的手、足、眼協(xié)調(diào)配合是一大考驗(yàn)，而技術(shù)不嫻熟往往導(dǎo)致停車不順利，甚至引發(fā)交通事故。因此，設(shè)計(jì)與應(yīng)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(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等多種技術(shù)手段的綜合性系統(tǒng)。其主要功能是通過自動(dòng)檢測(cè)車位、規(guī)劃泊車路徑、控制車輛自動(dòng)泊車等方式，實(shí)現(xiàn)快速、安全、便捷的泊車體驗(yàn)[2]。智能泊車系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于住宅小區(qū)、商業(yè)停車場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)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(yàn)。

對(duì)智能泊車系統(tǒng)涉及的技術(shù)及其在智能泊車系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹如下：

（1）嵌入式技術(shù)：嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)硬件和軟件集成到特定設(shè)備中的一種技術(shù)，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)。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(fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)、規(guī)劃泊車路徑、控制車輛動(dòng)作等任務(wù)。

（2）傳感器技術(shù)：傳感器是一種能夠感知外部環(huán)境并將感知到的信息轉(zhuǎn)換為可處理的電信號(hào)的設(shè)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(cè)車位、障礙物等信息，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)。

（3）通信技術(shù)：是實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，包括無線通信和有線通信。智能泊車系統(tǒng)通過WiFi、藍(lán)牙等無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)、手機(jī)等設(shè)備的連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳輸。

智能泊車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：（1）自動(dòng)檢測(cè)車位。通過傳感器檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)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(cè)到合適的車位后，會(huì)自動(dòng)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(dòng)泊車。通過控制車輛的轉(zhuǎn)向、加速、制動(dòng)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)泊車。駕駛員只需啟動(dòng)智能泊車系統(tǒng)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)控制車輛完成泊車過程，無需人工干預(yù)。

2 嵌入式系統(tǒng)在智能泊車系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是智能泊車系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文選擇了STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，其具有高性價(jià)比、體積小、控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。智能泊車系統(tǒng)的嵌入式硬件架構(gòu)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(shí)現(xiàn)車位信息的采集、處理、傳輸以及遠(yuǎn)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(cè)的主要手段，通過紅外對(duì)管感應(yīng)車位上是否有車輛停放。傳感器模塊將檢測(cè)到的車位狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(fù)責(zé)接收傳感器模塊發(fā)送的車位狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷[4]。根據(jù)處理結(jié)果，通過NB-IoT通信模塊將車位信息上傳至云平臺(tái)，同時(shí)接收云平臺(tái)的控制指令，對(duì)停車場(chǎng)的車位進(jìn)行分配和管理。NB-IoT通信模塊采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的遠(yuǎn)程通信。該模塊負(fù)責(zé)將MCU處理后的車位信息上傳至云平臺(tái)，接收云平臺(tái)的控制指令并傳輸給MCU模塊。電源模塊為整個(gè)嵌入式系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，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(duì)應(yīng)引腳，MCU電路設(shè)計(jì)中根據(jù)STM32芯片的引腳定義和功能需求，設(shè)計(jì)合理的電路布局和連接方式，包括晶振電路、復(fù)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(shè)計(jì)中根據(jù)NB-IoT模塊的接口定義和通信協(xié)議，設(shè)計(jì)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(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。根據(jù)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的電源需求，設(shè)計(jì)合理的電源電路。智能泊車系統(tǒng)嵌入式硬件設(shè)計(jì)說明見表1所列。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

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(fù)責(zé)從傳感器中讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；控制輸出模塊則根據(jù)處理結(jié)果控制車輛的行駛和泊車動(dòng)作。智能泊車管理軟件采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。表現(xiàn)層負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互，提供直觀、友好的操作界面；業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)處理各種業(yè)務(wù)邏輯，如車位分配、費(fèi)用計(jì)算等；數(shù)據(jù)訪問層則負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索。

軟件運(yùn)行邏輯如下：在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化操作，包括單片機(jī)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(dòng)泊車過程做好準(zhǔn)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(hào)。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)WiFi模塊的自動(dòng)搜索、信號(hào)強(qiáng)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(jìn)行上下位機(jī)之間的通信。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)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(jī)通信，實(shí)現(xiàn)電腦端對(duì)車輛的控制以及車輛狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送自動(dòng)泊車命令后，車輛開始執(zhí)行自動(dòng)泊車過程[7]。智能泊車系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)見表2所列。

軟件設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)車輛控制算法，包括車速控制、轉(zhuǎn)向控制以及停車位置調(diào)整等。在自動(dòng)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(diào)整車輛位置。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)車位的自動(dòng)搜索、車位大小識(shí)別以及車輛位置調(diào)整等功能。在自動(dòng)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(jī)[8]。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)障礙物的實(shí)時(shí)檢測(cè)、距離判斷以及停車控制等功能。當(dāng)檢測(cè)到障礙物距離過近時(shí)，軟件應(yīng)立即控制車輛停止，并通過上下位機(jī)通信將提示信息發(fā)送至電腦端進(jìn)行顯示。待障礙物消失后，軟件應(yīng)繼續(xù)控制車輛完成自動(dòng)泊車過程。在自動(dòng)泊車過程中，軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，確保車輛在低速狀態(tài)下進(jìn)行泊車操作，避免發(fā)生意外情況[9]。軟件還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)能夠及時(shí)停止并給出相應(yīng)的提示信息。嵌入式系統(tǒng)在智能泊車系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果見表3所列。

3 實(shí)際應(yīng)用案例分析

在泊車過程中，超聲波傳感器不斷測(cè)量車輛與周圍障礙物的距離，電機(jī)編碼器提供車輛的行駛距離和速度信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行處理后，通過WiFi模塊發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，通過LabVIEW軟件進(jìn)行處理[10]。將字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)組，并提取出每個(gè)數(shù)據(jù)；根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算出的車輛位置和速度信息，上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送控制命令。單片機(jī)接收到命令后，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和超聲波傳感器的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)泊車[11]。自動(dòng)泊車系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理見表4所列。

在自動(dòng)泊車系統(tǒng)中，超聲波傳感器和電機(jī)編碼器為系統(tǒng)提供了關(guān)鍵的距離和速度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)的初步處理后，通過WiFi模塊被傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)利用LabVIEW軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、提取和計(jì)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(chǔ)，通過WiFi發(fā)送回單片機(jī)。單片機(jī)接收這些命令后，將其轉(zhuǎn)換為具體的控制信號(hào)，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和超聲波傳感器的測(cè)量，最終實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)泊車功能。整個(gè)系統(tǒng)通過高效的數(shù)據(jù)處理和傳輸機(jī)制，確保了泊車過程的準(zhǔn)確性和安全性。

4 結(jié) 語

在新時(shí)代背景下，嵌入式系統(tǒng)在智能泊車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中的關(guān)鍵作用得到了充分驗(yàn)證。結(jié)合超聲波傳感器、電機(jī)編碼器等設(shè)備，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的自動(dòng)泊車功能。在數(shù)據(jù)處理和傳輸方面，系統(tǒng)通過單片機(jī)對(duì)超聲波傳感器和電機(jī)編碼器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，然后通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)利用LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和計(jì)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(jī)，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)控制。

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