舞臺電腦燈控制系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

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摘要：在各種不同類型的娛樂設(shè)備中，燈光設(shè)備占據(jù)的地位是十分重要的，在眾多燈光設(shè)備中，電腦燈發(fā)揮著積極重要的作用。電腦燈是由單片機(jī)控制的，其特點是色彩變化多樣，能夠隨意的控制動作，所以在舞臺、電視演播廳和歌舞廳等場所得到廣泛應(yīng)用。電腦燈在大眾娛樂設(shè)備中已經(jīng)成為必不可少的組成部分。本文分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)在舞臺電腦燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：舞臺；電腦燈控制系統(tǒng)；無線傳感

引言

舞臺燈光是演出中的重要組成部分，對于演出的是否完美有著決定性的因素。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，人們對舞臺燈光的效果要求也比較高，舞臺燈光信號最初的傳輸方式是借助雙絞線進(jìn)行的，如果傳輸距離比較遠(yuǎn)或者情況比較特殊的場合，會對于舞臺燈光的布線有著很高的要求，本文主要通過對舞臺電腦燈控制系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用分析。

一、舞臺電腦燈控制系統(tǒng)的發(fā)展

舞臺電腦燈為演出提供優(yōu)質(zhì)的舞臺燈光是提升舞臺質(zhì)量的重要方式之一。舞臺電腦燈就是為了烘托現(xiàn)場氛圍，就利用點擊控制的筒子燈來制造顏色可以變化和擺動的光束，這種筒子燈就是電腦燈最初的原型。上個世紀(jì)九十年代初，才出現(xiàn)真正意義上的電腦燈，但是因為技術(shù)的限制，那時候的電腦燈的結(jié)構(gòu)比較簡單，多采用模擬技術(shù)控制，體積比較大，電腦燈的功率卻比較小，功能也比較少。有些場景里的攝像機(jī)照度要求比較高，這種裝置的電腦燈很難達(dá)到理想的效果。進(jìn)入數(shù)字化時代后，照明度對于攝像機(jī)的影響大大降低了，這對于電腦燈的發(fā)展十分有利。融合了光學(xué)、機(jī)械、電子、電氣及計算機(jī)控制等綜合現(xiàn)代技術(shù)，在電腦燈中的應(yīng)用，使電腦燈的控制技術(shù)取得了革命性的進(jìn)步，電腦燈的設(shè)備不僅可以控制燈光的亮度、光束的方向，也可以控制光斑的移動速度，而且電腦燈的可靠性、穩(wěn)定性等功能越來越高，光束的色彩更加絢麗、飽和度也比較高、攝像機(jī)更容易拍攝到。

電腦燈的應(yīng)用規(guī)模也從最初的十幾臺，發(fā)展到如今的使用上百臺組成的燈光系統(tǒng)，例如近幾年的央視春晚使用的各類電腦燈已經(jīng)達(dá)到了上千臺。現(xiàn)在市面上的電腦燈按結(jié)構(gòu)形式可以分為掃描式和搖頭式。掃描式的電腦燈的照明方式主要依靠燈頭上的反射鏡的翻轉(zhuǎn)改變照明的位置，這種裝置的缺點是不能實現(xiàn)全范圍的照明，反射鏡轉(zhuǎn)動角度的限制比較大。搖頭式的電腦燈是借助燈頭的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)照明位置的移動，可以360度的照明，是現(xiàn)階段舞臺電腦燈的主流應(yīng)用。電腦燈的智能化主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)中運(yùn)用了各種先進(jìn)的微控制器和控制算法，可以接收和處理各種類型傳感器以及參數(shù)，從而實現(xiàn)自動控制、自動顯示的目的，以及及時生成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的報告。可以預(yù)測的是，未來電腦燈的發(fā)展趨勢特點是多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能化等。

二、無線傳感網(wǎng)絡(luò)在舞臺電腦燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段的舞臺電腦燈十分先進(jìn)，除了最基本的照明功能，還在舞臺演出中發(fā)揮著定位、頻閃、追光、圖案及顏色變換等功能。先進(jìn)的舞臺照明以及多樣化的演藝技術(shù)，對于舞臺電腦燈提出智能化和自動化的需求。想要實現(xiàn)這些功能的需求，電腦燈控制系統(tǒng)的應(yīng)用就應(yīng)該集合光學(xué)、機(jī)械學(xué)、信息科學(xué)等各種學(xué)科的技術(shù)。本文介紹的電腦燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括電路系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)這三大部分，電路系統(tǒng)是整個電腦控制系統(tǒng)中的控制單元，電腦燈控制系統(tǒng)的實現(xiàn)單元包括光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，三者共同作用才能完成電腦燈的各項功能，以下對三大系統(tǒng)進(jìn)行簡述。

1.電路系統(tǒng)。電路系統(tǒng)是電腦燈控制系統(tǒng)中的控制部分，主要負(fù)責(zé)電腦燈系統(tǒng)中控制信號的解碼、傳輸、狀態(tài)監(jiān)控等方面的功能。步進(jìn)電機(jī)的配備系統(tǒng)可以帶動燈頭、快門、圖案盤等運(yùn)動部件的操作，以實現(xiàn)電腦燈控制系統(tǒng)的燈頭轉(zhuǎn)動、定位、快門開合、圖像變換等功能。電路系統(tǒng)的另一個功能就是為步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動，這是因為啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)奠基需要很大的電流，帶動各運(yùn)動部件實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能。電路系統(tǒng)的第三個系統(tǒng)就是顯示電腦燈的運(yùn)行狀態(tài)以及監(jiān)控，以便電腦燈在運(yùn)作過程中某參數(shù)及狀態(tài)異常時進(jìn)行調(diào)整或者報警，確保電腦燈的工作狀態(tài)正常。

2.光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)可以直接決定電腦燈真的照明效果，屬于電腦燈的輸出部分，輸出光是光學(xué)系統(tǒng)最基本的任務(wù)，現(xiàn)階段比較先進(jìn)的光源系統(tǒng)是RGB激光器。電腦燈在現(xiàn)在舞臺表中除了發(fā)揮最基本的照明功能外，還有紅烘托現(xiàn)場氛圍的效果，能夠給觀眾帶來心臨其境的感官享受。例如，電腦燈快門的迅速開合可以實處瞬間的閃光，實現(xiàn)模擬閃電的效果。木有經(jīng)過處理的光源是無法實現(xiàn)這種燈光效果，滿足舞臺表演需求的，實現(xiàn)光源系統(tǒng)的換色、頻閃、亮度調(diào)節(jié)等功能，需要光源系統(tǒng)在輸出光的過程中對光進(jìn)行一定的處理，這就是光學(xué)系統(tǒng)中的后期處理功能。激光光源具有單色性的特點，實現(xiàn)顏色換色時不能用換色板，只能使用調(diào)節(jié)激光輸出器的光強(qiáng)來實現(xiàn)顏色的變化，借助光學(xué)渾束系統(tǒng)把三束激光合成一束輸出。對于激光光源中激光器的驅(qū)動設(shè)置，應(yīng)該給予重視，尤其是激光器電源模塊的選擇應(yīng)該適配。

3.機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)的主要功能就是帶動燈頭移動、轉(zhuǎn)動、透鏡、圖片等部件運(yùn)動，以實現(xiàn)預(yù)期的舞臺燈光效果。機(jī)械系統(tǒng)可以移動舞臺燈的燈頭，實現(xiàn)追光、移動燈光、頻閃、變焦、圖案變換以及指定照明位置等作用。

三、舞臺電腦燈控制系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器在舞臺電腦燈中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在無線數(shù)據(jù)的通信程序流程中的數(shù)據(jù)傳遞。主站上的無線數(shù)據(jù)通信流程是：首先給系統(tǒng)裝置通電，啟動輸入輸出狀態(tài)的配置以及串口、SPI接口、NRF24L01寄存器、無線傳輸數(shù)據(jù)格式設(shè)置的初始化，通信開始后進(jìn)入正常工作模式。當(dāng)主發(fā)射模塊出現(xiàn)DMX512數(shù)據(jù)包起始標(biāo)志時，也應(yīng)該把NRF24L01設(shè)置成發(fā)射模式，例如設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)射和接收節(jié)點的地址，使系統(tǒng)可以自動應(yīng)答通訊數(shù)據(jù)的傳輸，配置適當(dāng)?shù)淖詣又匕l(fā)次數(shù)、通信頻率、發(fā)射參數(shù)等，并且根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸通道計算出有效的數(shù)據(jù)傳輸寬度，然后對NRF24L01的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并且換工作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射、啟動的設(shè)置，完成數(shù)據(jù)發(fā)射后，系統(tǒng)會自動的轉(zhuǎn)入接收模式接收應(yīng)答信號。分站程序的數(shù)據(jù)傳輸流程：分站程序流程與主站有很多相似的地方，首先應(yīng)該設(shè)置NRF24L01的發(fā)射節(jié)點地址和接收節(jié)點地址，開啟發(fā)射模式，使系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣討?yīng)答，同時對于數(shù)據(jù)傳輸夫人自動重發(fā)次數(shù)、通信頻率、發(fā)射參數(shù)等進(jìn)行合理的配置，選擇數(shù)據(jù)信息傳輸通道0后，計算出有效數(shù)據(jù)的傳輸寬度，然后啟動數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)置，數(shù)據(jù)信息發(fā)射完成后，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)入信號接收模式接收應(yīng)答信號。當(dāng)數(shù)據(jù)信息接收完成后，單片機(jī)裝置恢復(fù)總線信號時可以通過緩存接收的數(shù)據(jù)信息、串口模擬DMX512時序完成信號的無線傳輸。

電腦燈控制系統(tǒng)主要功能模塊的實現(xiàn)。電腦燈控制系統(tǒng)中的各個模塊的功能和實現(xiàn)方法都是不同的。以下主要介紹電腦燈的主要執(zhí)行元件——步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的工作原理就是通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度獲取所需的波形。步進(jìn)電機(jī)的工作方式有兩種，包括整步方式和半步方式，以1.8°步進(jìn)角度的混合式步進(jìn)電機(jī)為例，整步方式的工作過程中，每旋轉(zhuǎn)1.8°就是步進(jìn)電機(jī)接收一個脈沖，旋轉(zhuǎn)一周就可以接收200個脈沖，半步工作方式下的步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)0.9°就接收一個脈沖，旋轉(zhuǎn)一周則需要400個脈沖。步進(jìn)電機(jī)的控制需要注意的是輸入脈沖時應(yīng)該按照一定的時序進(jìn)行。電腦燈各種顏色的生成主要是利用減法混合顏色生成的，通過反光杯匯聚的電腦燈光源形成光束，光束在濾光片的作用下形成了不同的顏色。

總結(jié)

綜上所述，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在電腦燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要優(yōu)勢有，布線結(jié)構(gòu)簡單、電路建構(gòu)簡潔、所用的外圍器比較少、成本比較低等特點。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，把有線信號轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線輸出和接收，有效的實現(xiàn)了控制舞臺電腦燈系統(tǒng)的效果，具有很廣泛的應(yīng)用趨勢，前景不可估量。

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基金項目：本文得到國家科技支撐計劃項目課題“舞臺視覺呈現(xiàn)接口協(xié)議研究與應(yīng)用”（課題編號：2012BAH38F02-04）資助。