景觀照明調(diào)光控制概述

夏 軍

(龍華區(qū)市政園林服務中心，廣東 深圳 518109)

引言

隨著LED燈具的普遍應用，各地的燈光夜景越來越美麗。園林和橋梁變幻著顏色、圖案，樓宇立面上呈現(xiàn)著各種圖像、文字。燈光還經(jīng)常和噴泉、焰火、煙霧等按不同的時序相結(jié)合，就像一臺大型的舞臺演出。如何讓光色發(fā)生變化？如何讓燈具和其他設(shè)備按時序運行？這些都離不開控制。越是設(shè)備種類繁多或越是多場景、多模式的景觀照明，所用的控制部分越復雜。筆者在《景觀照明開關(guān)控制概述》一文中闡述了開關(guān)控制的概況。本文主要闡述調(diào)光控制的概況。文章先介紹燈具的調(diào)光原理，再從調(diào)光控制信號的源頭——燈光效果設(shè)計文件開始，依次分部闡述調(diào)光控制信號是如何產(chǎn)生、如何傳輸、如何在燈具上發(fā)揮作用，并根據(jù)實際使用經(jīng)驗，提出應用建議。

1 景觀照明自動控制分類

根據(jù)《LED夜景照明應用技術(shù)要求》(GB/T 39237—2020)規(guī)定[1]，如圖1所示，LED夜景照明控制系統(tǒng)控制類別主要分為兩種：開關(guān)、調(diào)光[2]。

圖1 LED夜景照明控制系統(tǒng)分類[2]Fig.1 Classification of LED night scene lighting control system

開關(guān)控制是通過控制電路的通斷來控制燈光的開與關(guān)，如對220 V的配電回路進行開關(guān)控制，即控制燈具等設(shè)備是否能獲得220 V供電。調(diào)光控制就是通過在電腦、控制器(包括主控器、分控器)、燈具的驅(qū)動芯片等設(shè)備之間傳輸燈光控制信號，調(diào)節(jié)LED電壓、電流的大小或脈寬工作比，從而控制LED燈具里紅、綠、藍光色的光強，形成光色變幻的效果。以上可以簡單理解為：景觀照明開關(guān)控制部分決定著連在各配電回路的燈具是否亮燈；調(diào)光控制部分通過控制LED燈具發(fā)光的顏色或光強，決定著各個LED燈具怎么亮。

以下本文僅對景觀照明的調(diào)光控制部分進行探討。

2 燈具

2.1 LED調(diào)光原理

通常所說的LED是指發(fā)光二極管。在LED的兩側(cè)施加正向電壓，它就能發(fā)光。當組成PN結(jié)的材料不同時，LED發(fā)出光的顏色也不同。如果用PN結(jié)發(fā)出的藍光或紫外光照射熒光粉，就能激發(fā)出白光。根據(jù)三原色的原理，如果把分別發(fā)紅、綠、藍光的三個二極管放在一起，調(diào)節(jié)這三種顏色光的光強比值，就能組合得到各種顏色的光。那么如何調(diào)節(jié)這三種顏色光的光強呢？從原理上說主要有兩種方法：調(diào)節(jié)電流和PWM調(diào)光。

2.1.1 調(diào)節(jié)電流

一般來說，改變流經(jīng)LED的電流大小，可以改變LED的光強。比如在用紅、綠、藍三原色組成的混光中，如果調(diào)大流經(jīng)發(fā)紅光的二極管的電流，紅光光強就變大，此時紅光比例增加，混光整體就偏紅。利用這種方法，也可以得到偏綠、偏藍的混光。但是這樣做存在一些問題。其中一個主要問題是電流變化時，二極管發(fā)光的色彩(或波長)會有所偏移。而人眼對色彩的偏移感覺靈敏，因此調(diào)節(jié)電流可以調(diào)節(jié)光強，但不適宜調(diào)節(jié)光色。

2.1.2 PWM調(diào)光

向LED施加正向脈沖電流，可以實現(xiàn)快速開關(guān)。它的開關(guān)速度可以達到微秒的級別。當LED開關(guān)變換速度足夠快時，我們的眼睛無法分辨它發(fā)出的光在閃爍?？刂浦芷跁r間內(nèi)脈沖的寬度，就可以控制LED開和關(guān)的時間比例。將發(fā)某種光色的LED開和關(guān)的時間比例劃分為若干等級，這種光色就可以顯示出若干個灰度。用這種方法組合發(fā)不同灰度等級的紅、綠、藍光，就可以得到幾乎任意顏色的光。

例如控制發(fā)某種顏色光的LED開和關(guān)的時間比例，可以將此LED發(fā)光的灰度劃分為256個等級。組合不同灰度等級的紅、綠、藍三色，就可以得到紅(256級)×綠(256級)×藍(256級)=16 777 216種顏色。

這種利用脈寬調(diào)制進行調(diào)光的方法就是PWM調(diào)光法，也是目前應用最廣泛的調(diào)光方法。

2.2 驅(qū)動電源和驅(qū)動芯片

驅(qū)動電源和驅(qū)動芯片是實現(xiàn)LED調(diào)光的必須要素。

2.2.1 驅(qū)動電源

單個LED正向?qū)妷和ǔ橹绷?～3 V。它能適應的電壓和電流變動范圍十分狹窄，必須要設(shè)計復雜的驅(qū)動電源，將220 V交流電轉(zhuǎn)變成低壓的直流電，使LED在特定電壓或電流狀態(tài)下最高效的工作。根據(jù)燈具的功率不同，一個驅(qū)動電源可以連接一個或多個燈具。

2.2.2 驅(qū)動芯片

燈具里驅(qū)動芯片的功能就是將驅(qū)動電源輸出的電流按一定的方式分配到各個LED上。對于具有PWM調(diào)光功能的驅(qū)動芯片來說，就是要解碼控制信號，并根據(jù)控制信號來調(diào)制流經(jīng)各個LED的電流脈寬。根據(jù)控制信號的來源，驅(qū)動芯片的調(diào)光控制方式分為兩類：內(nèi)控和外控。

內(nèi)控方式是指燈具出廠前驅(qū)動芯片內(nèi)已預置燈光效果變化程序。它不受外部設(shè)備的控制。裝有這樣芯片的燈具通電后，就立即按程序變化光色。因為內(nèi)控方式不能隨意更改變化的效果，有些內(nèi)控燈具還存在彼此之間難以長時間保持同步變化的問題，所以應用較少。

外控方式是指驅(qū)動芯片在輸入端接收外部設(shè)備的燈光控制信號，經(jīng)解碼后在輸出端驅(qū)動LED發(fā)光。因為外控方式可以較為方便的改變燈光效果，所以應用廣泛。

一般情況下，每個需要變色的燈具里都有調(diào)光的驅(qū)動芯片。如果我們把一個或n個同種顏色的LED算作一個通道，那么一個變色的燈具里就有多個通道，而驅(qū)動芯片就要對多個通道LED進行調(diào)光。

采用外控方式調(diào)光的燈具，它接受的燈光控制信號是由調(diào)光控制系統(tǒng)將燈光效果設(shè)計文件按照某種協(xié)議(規(guī)則)轉(zhuǎn)變?yōu)闊艄饪刂菩盘柡髠魉投鴣?。調(diào)光控制系統(tǒng)主要由電腦(工控機)、信號線、控制器、控制協(xié)議等組成。下面從燈光控制信號的源頭——燈光效果設(shè)計文件開始闡述。

3 燈光效果設(shè)計文件

景觀照明燈具調(diào)光呈現(xiàn)出來的夜景效果應該和設(shè)計師設(shè)計的效果一致。設(shè)計師利用電腦設(shè)計軟件(如AfterEffects或Photoshop)制作出視頻、圖片等燈光效果設(shè)計文件。燈光效果設(shè)計文件通過電腦(工控機)傳輸給控制器，再傳輸給燈具進行調(diào)光。注意電腦設(shè)計軟件制作出來的視頻、圖片等文件格式(如MP4、JPG等)不能直接被控制器讀取。控制器廠家通常都會提供各自的轉(zhuǎn)換軟件。設(shè)計人員只有在電腦上將視頻、圖片文件導入到轉(zhuǎn)換軟件后，控制器才可以讀取轉(zhuǎn)換后的燈光效果設(shè)計文件。

在制作大廈外墻燈光演示的視頻、圖片前，設(shè)計人員應先拿到大廈布燈的點位圖，根據(jù)點位圖的長寬比，來制作相同長寬比的視頻、圖片文件。如果需要在多棟建筑上整體呈現(xiàn)一個燈光聯(lián)動畫面，就需先按照多棟建筑布燈點位圖制作好整體視頻或圖片，再將其按照各個建筑布燈點位圖的長寬比進行分割并分別傳送到各個建筑的調(diào)光控制系統(tǒng)里。每個建筑上的調(diào)光控制系統(tǒng)只播放為它分割好的那部分文件。

4 調(diào)光控制系統(tǒng)

電腦(工控機)將燈光效果設(shè)計文件轉(zhuǎn)換并傳輸給控制器后，控制器將其按照某種協(xié)議轉(zhuǎn)換成燈光控制信號(協(xié)議指令)進行發(fā)送，通過信號線傳輸至燈具。協(xié)議有很多種，如DMX512、RDM、ArtNET、KiNET等[3]。只有把采用同種協(xié)議通訊的控制器、燈具通過協(xié)議規(guī)定的信號線連在一起，協(xié)議指令才能被順利傳輸和被執(zhí)行。

以下以目前景觀照明用得最多的是DMX512協(xié)議為例，說明調(diào)光控制系統(tǒng)的工作情況。圖2為DMX512協(xié)議控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 DMX512協(xié)議控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure block diagram of DMX512 protocol control system

4.1 DMX512協(xié)議

DMX512協(xié)議是景觀照明調(diào)光控制中用得較廣泛的一種協(xié)議[4]。在它的發(fā)展歷程中，存在不同版本，比如DMX512—1990協(xié)議、DMX512-A協(xié)議等。其中DMX512-A協(xié)議是中華人民共和國文化行業(yè)標準(WH/T 32—2008)[5]。下面主要從地址碼和數(shù)據(jù)包這兩點來闡述DMX512協(xié)議的控制原理。

4.1.1 地址碼

在DMX512協(xié)議控制系統(tǒng)中的每個燈具都需要被賦予一個地址起始碼。如果一個燈具需要變化光色或具有多個功能，它就需要有多個通道來分別受控。燈具的每個通道也有相應的地址碼。地址碼是用于DMX512控制信號的尋址，以保證燈具只對屬于“自己的”控制信號產(chǎn)生反應。比如一個燈具有3個通道，此燈具被賦予地址起始碼004，則它的通道地址碼就分別為004、005、006。下一個燈具地址起始碼應被賦為007。

不同廠家燈具地址起始碼的設(shè)定方式不同，有的是施工人員通過燈具上的手動按鈕或者用配套的寫碼器給燈具設(shè)定地址起始碼。有的是在所有燈具和控制器接好線后，施工人員通過主控軟件自動寫地址起始碼。

4.1.2 數(shù)據(jù)包

DMX512協(xié)議規(guī)定每個數(shù)據(jù)包最多含512幀數(shù)據(jù)，而每幀數(shù)據(jù)只控制那個地址碼與幀序號相同的通道，因此控制器每個輸出端口最多控制512個通道。

控制器每個輸出端口發(fā)出的每一個數(shù)據(jù)包都包含了連接此端口的所有通道的數(shù)據(jù)。即使通道數(shù)據(jù)不變化，數(shù)據(jù)包里數(shù)據(jù)也必須按次序不停發(fā)送。如果控制器某個輸出端口連接有512個通道，每發(fā)送完一次數(shù)據(jù)包的時間大約是23 ms，則每秒每通道數(shù)據(jù)可刷新44次[6]。如果實際通道數(shù)少于512個，那么刷新頻率就將相應提高。例如對一只1 m長的全彩LED數(shù)碼管來說，內(nèi)含紅、綠、藍三種顏色的LED顆粒，每種顏色48粒。三色共計144粒LED顆粒。如果每6個同色顆粒占一個通道，那么這個數(shù)碼管就占用了3×(48/6)=24個通道，因為控制器的一個輸出端口最多能控制512個通道，所以此端口最多能控制21根1 m長全彩LED數(shù)碼管。此端口每秒鐘對所有21×24=504個通道完成44次控制，即刷新頻率44 Hz，完全滿足人眼要求。

4.2 DMX512信號線

DMX512信號線為一對雙絞線。主控器與分控器、分控器與燈具之間都是用這種信號線相連。為保證信號傳輸質(zhì)量和預防電源質(zhì)量問題造成相關(guān)模塊的損壞，有時還需增加一根作為信號地線。

燈具接線分為信號線輸入端和輸出端、電源線輸入端和輸出端。上一個燈具的輸出線和下一個燈具的輸入線按類別各自相連。為便于施工，有的廠家將信號線(含信號地線)和燈具電源線合并成五芯線，作為燈具的輸入線和輸出線。第一個燈具的輸入端信號線和電源線要從五芯線中分別引出，信號線要接到控制器的信號輸出端，信號地線要接入控制器的信號地輸出端，電源線要接到驅(qū)動電源的輸出端。在最后一個燈具的輸出端，信號線上要安裝DMX終端器(即120 Ω，功率不小于0.25 W的電阻)。這樣做的目的是為了避免信號到了末端原路返回，與后來的信號疊加，造成誤碼[6]。

4.3 DMX512控制器

DMX512控制器是把人們編輯好的視頻、畫面等燈光效果設(shè)計文件轉(zhuǎn)變成DMX512控制信號(協(xié)議指令)并進行發(fā)送的設(shè)備。控制器一般有多個輸出端口?？刂破鞯妮敵龆丝诳梢灾苯舆B接、控制LED燈具等設(shè)備。對于需控制的回路較多的景觀照明項目，則需要設(shè)置主控器和分控器。主控器通常安裝在控制室或者場地的中央位置，控制多個分控器，并且可以設(shè)置燈光的亮度、顏色、運動等參數(shù)。分控器是主控器的下級設(shè)備，通常安裝在場地的各個角落或者需要控制的燈光設(shè)備附近。主控器和分控器也是通過DMX512信號線相連，分控器可以接收主控器發(fā)送的DMX512協(xié)議指令，并且根據(jù)指令控制相應的燈光設(shè)備。

控制器獲取燈光效果設(shè)計文件的方式有以下三種：第一種是控制器本身已存儲了多種燈光變化的程序，現(xiàn)場操作人員可以通過控制器的顯示屏和按鍵對程序進行簡單編輯和選擇播放；第二種為控制器自帶插卡接口，可讀取SD等存儲卡內(nèi)的燈光效果設(shè)計文件；第三是在輸入端口通過網(wǎng)線、USB線等與電腦(工控機)聯(lián)機，接收電腦(工控機)里編輯好的燈光效果設(shè)計文件。

部分廠家的控制器具備以上三種功能，且設(shè)置了不同的優(yōu)先級。比如同時連接電腦和插入存儲卡時，優(yōu)先播放電腦里文件。

5 思考和建議

(1)大廈外墻的景觀照明經(jīng)常會采用媒體立面的做法，這樣令整個外墻仿佛一個大的顯示屏。對于外墻為玻璃幕墻的建筑來說，燈具通常安裝在玻璃幕墻的龍骨上。這種情況下燈具的排間距或列間距較大，因此視頻文件是否采用高精度并不會影響建筑外墻的表現(xiàn)效果，而且高精度視頻文件較大，往往會造成電腦渲染太慢，也不便于文件遠程傳輸。建議視頻文件在渲染和壓縮時采用中等精度，文件格式采用MP4或MOV即可。

(2)對于單個園林、橋梁、建筑等景觀照明項目，用戶一般不需頻繁改變燈光效果，或是技術(shù)人員容易抵達現(xiàn)場更換燈光效果設(shè)計文件。此時應優(yōu)先采用自帶燈光變化效果程序或從SD等存儲卡中讀取燈光效果設(shè)計文件的控制器。原因是這樣的控制器具有布線簡單、維護方便的優(yōu)點。它可以隨時被斷電。一旦恢復供電，控制器就會自動按預設(shè)好的效果驅(qū)動燈具運作。

(3)對于建筑群等需要聯(lián)動的景觀照明項目，用戶一般需要經(jīng)常改變效果，或是技術(shù)人員難以抵達現(xiàn)場更換燈光效果設(shè)計文件。此時應采用與電腦(工控機)聯(lián)機的控制器，并在大廈現(xiàn)場設(shè)置電腦(工控機)。此電腦(工控機)可以與遠距離的控制中心網(wǎng)絡(luò)連接，并接收控制中心傳來的燈光效果設(shè)計文件和控制指令。要注意因為現(xiàn)場電腦(工控機)不宜被強行斷電，所以應該給電腦(工控機)提供24 h不間斷電源。

圖3為建筑群景觀照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 建筑群景觀照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structural block diagram of landscape lighting control system for building cluster

6 結(jié)論

景觀照明項目離不開控制系統(tǒng)。清楚開關(guān)控制和調(diào)光控制的原理對于從事景觀照明行業(yè)的人員很重要，只有這樣才能保證設(shè)計合理、施工準確、管理到位。而理解燈具的調(diào)光原理是理解調(diào)光控制的基礎(chǔ)。本文概述了景觀照明調(diào)光控制的全過程及其原理，希望給景觀照明從業(yè)人員帶來裨益。