基于工業(yè)PC的塔式音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：針對傳統(tǒng)音樂噴泉控制系統(tǒng)的局限性，提出了一種基于工業(yè)PC的塔式音樂噴泉控制系統(tǒng)，并闡述了整個(gè)音樂噴泉系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，其中包括控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)和音響系統(tǒng)四部分。各種噴泉控制柜內(nèi)配置采用嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)的DMX512功能模塊，實(shí)現(xiàn)對水泵，水燈，變頻器，LED燈的控制。噴泉運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢，在實(shí)際工程項(xiàng)目中具有很好的控制效果和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：音樂噴泉；控制系統(tǒng)；動(dòng)力系統(tǒng)；嵌入式

引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，音樂噴泉作為一種獨(dú)特的人工景觀，相繼出現(xiàn)在公園、購物廣場、游樂場等地方。目前，音樂噴泉有多種表現(xiàn)形式，其中包括：廣場噴泉、激光噴泉、水幕電影、超高噴泉、人工瀑布等[1-3]。

由于音樂噴泉要表達(dá)的意境和實(shí)現(xiàn)的功能不同，所以在音樂噴泉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中就會(huì)有不同的設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但噴泉控制系統(tǒng)作為音樂噴泉的核心，在很大程度上決定了噴泉的表演效果[4]。針對不同的噴泉控制系統(tǒng)，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，高紹坤等[5]以C8051F單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套移動(dòng)式音樂噴泉，噴泉便于移動(dòng)，適用性強(qiáng)，適宜家庭和室內(nèi)觀賞。陳文輝[6]闡述了利用MCS-51單片機(jī)為主控制器來實(shí)現(xiàn)小型音樂噴泉的控制，實(shí)現(xiàn)小型音樂噴泉的聲、光、水完美控制。趙永強(qiáng)等[7]通過借用有源音箱揚(yáng)聲器的信號(hào)，并引入Smith預(yù)估補(bǔ)償器，解決了整個(gè)控制系統(tǒng)較大的時(shí)間滯后問題，實(shí)現(xiàn)了PLC控制音樂噴泉。巨星等[8]針對傳統(tǒng)音樂噴泉控制系統(tǒng)采用有線通信方式的局限性，提出了一種基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的噴泉表演系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、可靠性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到了很好的應(yīng)用。傳統(tǒng)音樂噴泉控制方法一般采用單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)價(jià)格便宜，但是，受其數(shù)據(jù)處理能力的限制，一定程度的阻礙了音樂噴泉的發(fā)展，因此，本文采用一種基于工業(yè)PC的噴泉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制，手動(dòng)、程序控制、預(yù)編輯音樂控制等功能，可實(shí)現(xiàn)噴泉的調(diào)試預(yù)編程和噴泉，投影一體化多媒體表演。

1 設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.1 設(shè)計(jì)方案

該音樂噴泉擬建于公園湖區(qū)的湖面上，整個(gè)音樂噴泉系統(tǒng)的實(shí)景圖如圖1所示。該音樂噴泉的主體造型如同塔，稱為“塔式音樂噴泉”，塔由12條曲線圍攏形成，八座獨(dú)立圓形飛碟圍繞水滴塔，36個(gè)一維徑向搖擺噴頭，每個(gè)噴頭獨(dú)立受控，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外搖擺，定位噴射等多種水舞姿態(tài)。塔身設(shè)計(jì)9個(gè)霧爆泉層，每層12個(gè)，具有極強(qiáng)的視覺沖擊力。108個(gè)獨(dú)立控制的一維數(shù)控泉，可組合出數(shù)十種多姿的水造型。水滴塔外有八座獨(dú)立的噴泉陣，中心分布在直徑6.8m的圓環(huán)線上，水陣表演時(shí)水花覆蓋的區(qū)域約8.8m，整個(gè)噴泉形成從片面到立體的全方位、多角度觀賞效果。

圖1 音樂噴泉實(shí)景圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

整個(gè)噴泉系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)和音響系統(tǒng)四部分組成。首先在控制系統(tǒng)中運(yùn)行軟件，提取音樂信號(hào)，然后通過信息傳輸對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行控制，嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)對對動(dòng)力系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)中的硬件進(jìn)行控制，產(chǎn)生不同的水型和燈光效果。

2 音樂噴泉系統(tǒng)實(shí)施

2.1 控制系統(tǒng)

音樂噴泉控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和多媒體技術(shù)，集噴泉表演，水幕投影為一體的控制系統(tǒng)。主控制室由二臺(tái)工業(yè)級(jí)控制計(jì)算機(jī)做主控制機(jī)，通過符合國際標(biāo)準(zhǔn)的DMX512接口連接各類具有DMX512接口的設(shè)備（變頻控制器、定位控制器、RGB LED燈、跑泉控制器等）或具有DMX512接口的控制柜。通過RS485接口連接，連接各類具有RS485接口程控噴泉設(shè)備。該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、手動(dòng)控制、程序控制、預(yù)編輯音樂控制等功能，可實(shí)現(xiàn)噴泉的調(diào)試預(yù)編程，噴泉和投影一體化多媒體表演。本系統(tǒng)支持多臺(tái)投影機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制。同步表演。還可以方便的連接符合DMX512協(xié)議的總控制臺(tái)，或有DMX512接口的集中控制系統(tǒng)。

軟件使用基于時(shí)間線和功能塊的多編輯軌方式。如音頻和視頻可占用二個(gè)編輯軌，可設(shè)置許多表演的設(shè)備編輯軌在對應(yīng)的時(shí)刻拖動(dòng)噴泉設(shè)備的功能塊調(diào)整其參數(shù)，待調(diào)整好即可打開輸出通道，實(shí)現(xiàn)噴泉，投影一體化多媒體表演。在各種噴泉控制柜內(nèi)配置采用嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)的DMX512功能模塊，實(shí)現(xiàn)對水泵、水燈、變頻器、LED燈、搖擺定位系統(tǒng)、軟啟動(dòng)器、閥控跑泉和變頻跑泉的控制。這些模塊具有很好的通用性、易用性和可擴(kuò)充性，極大地優(yōu)化了控制系統(tǒng)的性能，降低了控制柜系統(tǒng)硬件特別是電纜的造價(jià)。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)

2.2.1 噴頭搖擺傳動(dòng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)配有一個(gè)帶正弦機(jī)構(gòu)的動(dòng)力機(jī)。將動(dòng)力機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。且動(dòng)力機(jī)還配有一個(gè)接近開關(guān)，其作為傳感器供動(dòng)力機(jī)定位用。動(dòng)力機(jī)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過柔性連接傳遞至各噴頭的直角杠桿式萬向拔叉、拔動(dòng)噴頭擺動(dòng)，這種傳動(dòng)屬純機(jī)械傳動(dòng)。成本相對低廉。動(dòng)作相對可靠。由于是柔性連結(jié)，所以進(jìn)行相應(yīng)組合后可實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用。

2.2.2 電磁閥

表1 電磁閥性能參數(shù)

2.2.3 潛水泵

潛水泵采用國內(nèi)知名品牌，能適應(yīng)變頻器的變頻控制要求，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、體積小、重量輕、高效節(jié)能、安裝維護(hù)方便且不需泵房，廣泛應(yīng)用于給排水系統(tǒng)及噴泉工程。

工作條件：

（1）電泵應(yīng)完全潛入水中工作，潛水深度大于0.5m。

（2）工作介質(zhì)為無腐蝕性清水，含固體雜質(zhì)的體積比不超過0.1%，顆粒直徑不大于0.2mm，水溫不高于30℃，水中的PH值為6.5-8.5。

（3）電源頻率50HZ、電壓380V，其供電電壓必須保證在342-420V范圍內(nèi)。

（4）流量使用范圍為額定點(diǎn)值的0.7-1.2倍。

整機(jī)表面無明顯化傷、銹斑和壓痕，表面整潔、美觀光滑、噴涂層均勻，色調(diào)一致，無流痕、氣泡和剝落。

2.2.4 動(dòng)力機(jī)設(shè)備

動(dòng)力機(jī)是一種噴泉用伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由渦輪蝸桿減速機(jī)和電機(jī)構(gòu)成。減速機(jī)機(jī)殼和電機(jī)殼體整體連接，蝸桿與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸整體制造，殼腔間相互隔絕密封。防水性強(qiáng)，傳動(dòng)穩(wěn)定可靠。

表2 動(dòng)力機(jī)性能參數(shù)

2.2.5 止回閥

（1）公稱壓力1.6MPa

（2）殼體強(qiáng)度試驗(yàn)壓力1.5MPa，保壓時(shí)間≥60s

（3）密封試驗(yàn)壓力1.1MPa，保壓時(shí)間≥60s

表3 止回閥

2.3 燈光系統(tǒng)

噴泉采用多種照明設(shè)備（LED彩燈、投影等）有機(jī)組合的方式，共同表演。表演時(shí)段和內(nèi)容劃分為重大節(jié)日或活動(dòng)場景、一般節(jié)假日場景、平日場景。在保障表演的基礎(chǔ)上，筆者充分考慮節(jié)能的需求，利用新型高效LED光源，并通過場景及回路劃分、構(gòu)建不同時(shí)間和不同效果的照明控制模式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。而且，燈光系統(tǒng)具有很好的安全性，選用的水下LED彩燈防護(hù)等級(jí)為IP68，防塵防水效果很好。

2.4 音響系統(tǒng)

音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括建聲設(shè)計(jì)和電聲設(shè)計(jì)，這是專業(yè)性很強(qiáng)的兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，建聲為基礎(chǔ)，電聲為條件，相輔相成，互相彌補(bǔ)，缺一不可。本研究的設(shè)計(jì)重點(diǎn)盡管在電聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)的首要條件是設(shè)定出一個(gè)良好的建聲環(huán)境，在這個(gè)基礎(chǔ)上才可再進(jìn)行電聲設(shè)計(jì)。由于建聲特性還沒有測定，故筆者根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)較合理的建聲特性，再在這個(gè)設(shè)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行電聲設(shè)計(jì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)較合理的建聲特性混響時(shí)間，在頻率500Hz時(shí)的混響時(shí)間應(yīng)滿足T60≦1.2s，才能有一個(gè)較好的音樂擴(kuò)聲環(huán)境。設(shè)計(jì)通過動(dòng)感音樂的擴(kuò)聲方式，使音樂與噴泉在同一系統(tǒng)中與周邊環(huán)境可以相互融合，最終實(shí)現(xiàn)完美的統(tǒng)一。本系統(tǒng)不僅具有很好的可靠性、實(shí)用性和先進(jìn)性，而且在保證了設(shè)備總體性能指標(biāo)的要求基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)性能與價(jià)格之比在同類系統(tǒng)和條件下達(dá)到最優(yōu)，選擇最佳性價(jià)比的設(shè)備，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)束語

本研究針對傳統(tǒng)音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的局限性和不足，提出了一種基于工業(yè)PC的塔式音樂噴泉控制系統(tǒng)，闡述了整個(gè)音樂噴泉控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和各個(gè)組成部分的功能。噴泉的運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，運(yùn)行效果良好，很好地達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。

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作者簡介：石小和（1957-），男，北京人，學(xué)士，工程師，主要從事環(huán)境工程技術(shù)研究。