基于傳感網(wǎng)的智能舞臺燈光控制系統(tǒng)

宋琦俠

（中國國家話劇院，北京 100055）

當(dāng)前，隨著我國文化文藝事業(yè)的發(fā)展，劇場演出、舞臺表演及藝術(shù)比賽等活動層出不窮，活動內(nèi)容精彩紛呈，為了配合活動內(nèi)容，給觀眾帶來優(yōu)質(zhì)的體驗，應(yīng)設(shè)計與之呼應(yīng)的舞臺燈光控制方案，來達(dá)到精彩的燈光運(yùn)用效果。目前多數(shù)演出場所仍使用以Ethernet來達(dá)到燈光設(shè)計、變幻信息數(shù)據(jù)的輸出，但應(yīng)用Ethernet進(jìn)行舞臺燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計存在著舞臺燈光布線復(fù)雜、傳輸信息電纜型號的選擇等問題，耗費(fèi)成本較高，工程量較大。紫蜂技術(shù)可實現(xiàn)較短距離的數(shù)據(jù)傳輸，損耗能量較少，用于傳輸距離較短、傳輸速率緩慢的電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息交流，該技術(shù)應(yīng)用難度較低，工程設(shè)計簡便，且耗費(fèi)成本不高，屬于近程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。紫蜂技術(shù)相比同類型網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)而言具有操作簡便、傳輸速率穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性較高等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的市場開拓空間，競爭力較強(qiáng)。

1 智能化舞臺燈光控制系統(tǒng)設(shè)計原則

舞臺燈光系統(tǒng)設(shè)計是基于舞臺演出的表演需求、音樂節(jié)奏、舞蹈情景等進(jìn)行設(shè)定，目的在于配合演出為觀眾呈現(xiàn)更好的效果，將燈光控制需求以控制設(shè)備按照系統(tǒng)工程進(jìn)行設(shè)計，使燈光呈現(xiàn)效果貼合藝術(shù)表演，創(chuàng)造更好的氛圍。而舞臺燈光設(shè)計原則需遵循以下幾點(diǎn)：第一，設(shè)置完整的舞臺燈光操控與設(shè)計空間，供給燈具的排列，滿足舞臺演出需求；第二，保障該燈光控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；第三，該系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立運(yùn)行，不可受到外來干擾，并提高該系統(tǒng)的安全性；第四，應(yīng)用綠色節(jié)能的新型燈光道具，將其納入智能化舞臺燈光控制系統(tǒng)設(shè)計方案；第五，應(yīng)用紫蜂技術(shù)實現(xiàn)舞臺燈具與控制面板的信息數(shù)據(jù)傳遞。

2 智能化舞臺燈光控制系統(tǒng)設(shè)計說明

舞臺燈光燈位布置從上而下照射的燈光、區(qū)域燈光構(gòu)成排列，能夠根據(jù)舞臺場所面積、分布位置進(jìn)行靈活調(diào)整。

可進(jìn)行頂光系統(tǒng)設(shè)計配置，頂光照明能夠給予舞臺更好的演出效果，同時弱化人物臉部線條，使演員臉型更加流暢。頂光配置中使用的燈具應(yīng)以提高透光性為目的，可應(yīng)用進(jìn)口燈具，相比國產(chǎn)燈具的透光率提高了150%。選擇設(shè)計獨(dú)特、外形優(yōu)美的遮光葉，保障其應(yīng)用于舞臺燈光遮光中的位置合理。配置燈具分布如下：舞臺頂端共陳列38只燈具。每道頂光分別用不同數(shù)目的燈具，其中，舞臺燈光系統(tǒng)的報價清單列表一般包括LED數(shù)字變焦聚光燈、LED數(shù)字平板柔光燈、LED室內(nèi)染色燈3種，所需數(shù)量分別為16只、6只、16只。此外，舞臺燈光系統(tǒng)中包含的燈具、型號、數(shù)量等見表1，其他所需燈具的型號見表2。

表1 舞臺燈光系統(tǒng)主要應(yīng)用燈具清單

表2 舞臺燈光系統(tǒng)使用燈具清單

3 智能化舞臺燈光控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

該控制系統(tǒng)將無線傳感器接入點(diǎn)鑲嵌入燈具中，并應(yīng)用軟件程序達(dá)到定時目的，也可人工調(diào)節(jié)不同燈具的明暗程度，來達(dá)到智能化燈光控制的目標(biāo)，實現(xiàn)不同層次設(shè)計的舞臺燈光效果。智能化燈光明暗調(diào)控系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)場燈光布線復(fù)雜、雜亂的問題，也可將該系統(tǒng)應(yīng)用于攝影場地、景區(qū)景觀展覽等。智能化調(diào)控系統(tǒng)需要使用個人計算機(jī)控制舞臺區(qū)域內(nèi)布置的任意燈具，可實現(xiàn)單個控制，還可檢測燈具的明暗程度及參數(shù)信息。個人計算機(jī)接入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)路由器，通過串行端口與個人計算機(jī)應(yīng)用的軟件程序進(jìn)行信息交換。每一個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)或一個子網(wǎng)均擁有端與端路徑范圍進(jìn)程接入點(diǎn)，這些決定端與端路徑范圍接入點(diǎn)與個人計算機(jī)接入點(diǎn)進(jìn)行無線通信。此外，決定端與端路徑范圍進(jìn)程接入點(diǎn)與同一單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)中的其他與計算機(jī)系統(tǒng)相連的輸入輸出設(shè)備的接入點(diǎn)進(jìn)行無線通信。每個與計算機(jī)系統(tǒng)相連的輸入輸出設(shè)備的接入點(diǎn)最多能夠與3個燈具相連接，通過CPU和外圍電路，能夠?qū)尤朦c(diǎn)的3個燈具進(jìn)行逐一性能測試與控制。

4 智能化舞臺燈光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)的設(shè)計主要是針對燈具明暗度的控制與基于傳感器的亮度采集系統(tǒng)電路設(shè)計燈的明暗度控制，主要利用MC13213芯片的通用輸入輸出端口管腳控制SCR從而控制燈具的導(dǎo)通角度。亮度采集系統(tǒng)利用MC13213芯片的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器管腳需要將交流電轉(zhuǎn)換為MC13213芯片可處理的變量在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的量。在利用SCR控制通導(dǎo)角度進(jìn)行燈具明暗度控制的過程中，利用調(diào)整波的相位技術(shù)，需要檢測在指定時間范圍內(nèi)，改變晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)控制功率的信號。過零檢測是指交流系統(tǒng)中，當(dāng)波形從正半周向負(fù)半周轉(zhuǎn)換時，經(jīng)過零位時，系統(tǒng)對其進(jìn)行的檢測，在本文所分析的舞臺燈光控制系統(tǒng)硬件中可理解為給予MC13213一個參考標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的起點(diǎn)為對交流過零型固態(tài)繼電器，輸入端加入額定電壓，能使繼電器輸出端導(dǎo)通最大起始電壓。SCR在周期內(nèi)由晶閘管控制其導(dǎo)通的角度的大小應(yīng)參考該額定電壓的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)。在控制燈光的明暗程度過程中，不同的明暗程度均與周期內(nèi)由晶閘管控制其導(dǎo)通的角度相對應(yīng)，而每個周期內(nèi)由晶閘管控制其導(dǎo)通的角度的閥或臂呈現(xiàn)低電阻流過正向電流的狀態(tài)時長是從對交流過零型固態(tài)繼電器，輸入端加入額定電壓進(jìn)行計算的，閥或臂呈現(xiàn)低電阻流過正向電流的狀態(tài)的持續(xù)時長不一樣，周期內(nèi)由晶閘管控制其導(dǎo)通的角度大小就不一樣，因此燈光的明暗程度才能得到相應(yīng)控制。

燈光的明暗程度采集的部分應(yīng)用某市的電子有限責(zé)任公司的交流電壓傳感器。此交流電壓傳感器輸入為0~220 AC，輸出為0~7 VDC，需要10 VDC進(jìn)行供電。因此，結(jié)合交流電壓傳感器的各項參數(shù)可將接入燈光燈具的交流電轉(zhuǎn)化為0~7 V的計算機(jī)控制系統(tǒng)輸出的模擬量，另外接入0~7 V轉(zhuǎn)化為0~2.5 V的電路即可完成。

5 智能化舞臺燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 底端軟件設(shè)計

底端軟件設(shè)計需要根據(jù)預(yù)留的軟件接口配置支持應(yīng)用層中程序運(yùn)行的框架參數(shù)，對于單一無線接入點(diǎn)而言需要根據(jù)舞臺控制系統(tǒng)的燈光呈現(xiàn)需求，將與計算機(jī)系統(tǒng)連接的輸入輸出設(shè)備接入點(diǎn)的芯片與管腳配置為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器功能用于檢測舞臺區(qū)域內(nèi)燈具的明暗程度，管腳配置為通用輸入輸出端口的輸出功能來進(jìn)行舞臺區(qū)域內(nèi)燈具的明暗程度控制，默認(rèn)輸出最低電壓。為其賦予通用輸入輸出端口的輸出功能用于控制或設(shè)定指示燈的亮起或熄滅的指令是否能夠照樣下達(dá)并依照命令進(jìn)行運(yùn)作，默認(rèn)輸出最低電壓。另一管腳的配置為通用型輸入輸出模式的功能，可用于交流系統(tǒng)中，當(dāng)波形從正半周向負(fù)半周轉(zhuǎn)換時，經(jīng)過零位時，系統(tǒng)對其進(jìn)行檢測，用作頻率檢測。節(jié)點(diǎn)路由器與同計算機(jī)系統(tǒng)相連的輸入輸出設(shè)備節(jié)點(diǎn)的串行端口每秒內(nèi)能夠傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)配置為9 500。

本文分析的控制網(wǎng)絡(luò)分為3個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)或者子網(wǎng)，分別有5、8、12個與計算機(jī)系統(tǒng)相連的輸入輸出設(shè)備節(jié)點(diǎn)，每個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)或者子網(wǎng)都擁有1個路由器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)和與計算機(jī)系統(tǒng)相連的輸入輸出設(shè)備節(jié)點(diǎn)擁有與之相對應(yīng)的單獨(dú)的地址。應(yīng)用層中程序運(yùn)行的框架層參數(shù)配置信息在每一次單獨(dú)設(shè)定中都輸入了MC13213規(guī)定的存儲器的芯片單位中，來幫助連接點(diǎn)接入電源后能夠按照最后一次指令來進(jìn)行工作，控制燈光。

5.2 高端配置與測試軟件設(shè)計

該測試軟件主要由3個部分組成：舞臺燈光分布、舞臺燈光參數(shù)設(shè)置和燈光明暗程度控制。

舞臺燈光分布是指根據(jù)舞臺演出內(nèi)容，結(jié)合實際情況，為所應(yīng)用的燈具配置與該燈具參數(shù)、性能相對應(yīng)的子燈，并結(jié)合舞臺演出需求對其進(jìn)行明暗度的調(diào)節(jié)。舞臺燈具的控制編輯信息包括行、部分組成、組、燈具和子燈5個部分，以上5個部分的控制能夠決定一段舞臺區(qū)域的燈具設(shè)置是否合格。在數(shù)字設(shè)置過程中，控制者可任意修改段、區(qū)域、組、燈或者子燈的名稱，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾踊騽h減。

主控制界面能夠為智能化舞臺燈光控制系統(tǒng)提供的功能如下：控制者選擇舞臺區(qū)域內(nèi)一定面積的燈具進(jìn)行測試時，可選擇到段、區(qū)域、組、燈或者子燈；操作控制面板者可選擇測試舞臺區(qū)域內(nèi)所有子燈的連接情況；可調(diào)整舞臺區(qū)域內(nèi)每只燈具與其子燈所連接子燈的明暗程度、亮燈的起始時間與熄滅時間；對于舞臺區(qū)域內(nèi)子燈的控制包括可設(shè)定某時間段內(nèi)亮燈、實時對子燈的亮燈情況進(jìn)行控制，前者可在子燈亮起時間段的起始時間與熄滅時間內(nèi)進(jìn)行控制，到達(dá)指定時間點(diǎn)后子燈自動熄滅，后者的命令可立即執(zhí)行，決定子燈亮起或熄滅。

6 結(jié)束語

綜上所述，本文主要闡述基于傳感網(wǎng)的智能舞臺燈光控制系統(tǒng)方案的設(shè)計，首先分析控制系統(tǒng)的實際情況與所需達(dá)到的舞臺效果，得到單個連接點(diǎn)的管腳所具備的功能，并分析該連接點(diǎn)應(yīng)有的管腳功能加以完善，適配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)地址，之后從硬件環(huán)境搭建和軟件基礎(chǔ)配置、高端配置測試、軟件選擇與定制3個方面，來完成燈光調(diào)整、變幻的控制系統(tǒng)的設(shè)計，達(dá)到舞臺演出應(yīng)呈現(xiàn)的繽紛效果。連接點(diǎn)硬件方面，設(shè)計出應(yīng)用SCR進(jìn)行燈光明暗度調(diào)控的電路，例如SCR電路。底端軟件需要根據(jù)支持應(yīng)用層中程序運(yùn)行的框架層參數(shù)進(jìn)行配置與選擇。最后，通過綜合燈具的信息編輯與配置和賦予指令的主控制頁面通過串行端口傳遞數(shù)據(jù)信息或發(fā)送命令到節(jié)點(diǎn)路由器，節(jié)點(diǎn)路由器依靠紫蜂技術(shù)與計算機(jī)相連的輸入輸出設(shè)備進(jìn)行信息交流，來達(dá)到燈光明暗度轉(zhuǎn)換的目的。