基于工業(yè)PC的塔式音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計與實現(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)，并闡述了整個音樂噴泉系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，其中包括控制系統(tǒng)、動力系統(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現(xiàn)的DMX512功能模塊，實現(xiàn)對水泵，水燈，變頻器，LED燈的控制。噴泉運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活穩(wěn)定、可靠性強等優(yōu)勢，在實際工程項目中具有很好的控制效果和推廣價值。

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

引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(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的意境和實現(xiàn)的功能不同，所以在音樂噴泉系統(tǒng)的設(shè)計過程中就會有不同的設(shè)計方案和系統(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)學者也進行了大量的研究，高紹坤等[5]以C8051F單片機為核心控制系統(tǒng)，設(shè)計了一套移動式音樂噴泉，噴泉便于移動，適用性強，適宜家庭和室內(nèi)觀賞。陳文輝[6]闡述了利用MCS-51單片機為主控制器來實現(xiàn)小型音樂噴泉的控制，實現(xiàn)小型音樂噴泉的聲、光、水完美控制。趙永強等[7]通過借用有源音箱揚聲器的信號，并引入Smith預估補償器，解決了整個控制系統(tǒng)較大的時間滯后問題，實現(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)計方案，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、可靠性強、成本低等優(yōu)點，在實際工程項目中得到了很好的應用。傳統(tǒng)音樂噴泉控制方法一般采用單片機進行控制，單片機價格便宜，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)具有遠程控制，手動、程序控制、預編輯音樂控制等功能，可實現(xiàn)噴泉的調(diào)試預編程和噴泉，投影一體化多媒體表演。

1 設(shè)計方案及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.1 設(shè)計方案

該音樂噴泉擬建于公園湖區(qū)的湖面上，整個音樂噴泉系統(tǒng)的實景圖如圖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，八座獨立圓形飛碟圍繞水滴塔，36個一維徑向搖擺噴頭，每個噴頭獨立受控，實現(xiàn)內(nèi)外搖擺，定位噴射等多種水舞姿態(tài)。塔身設(shè)計9個霧爆泉層，每層12個，具有極強的視覺沖擊力。108個獨立控制的一維數(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，水陣表演時水花覆蓋的區(qū)域約8.8m，整個噴泉形成從片面到立體的全方位、多角度觀賞效果。

圖1 音樂噴泉實景圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

整個噴泉系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、動力系統(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)中運行軟件，提取音樂信號，然后通過信息傳輸對嵌入式系統(tǒng)進行控制，嵌入式系統(tǒng)負責對對動力系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)中的硬件進行控制，產(chǎn)生不同的水型和燈光效果。

2 音樂噴泉系統(tǒng)實施

2.1 控制系統(tǒng)

音樂噴泉控制系統(tǒng)是采用先進的網(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)。主控制室由二臺工業(yè)級控制計算機做主控制機，通過符合國際標準的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)具有遠程控制、手動控制、程序控制、預編輯音樂控制等功能，可實現(xiàn)噴泉的調(diào)試預編程，噴泉和投影一體化多媒體表演。本系統(tǒng)支持多臺投影機網(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，或有DMX512接口的集中控制系統(tǒng)。

軟件使用基于時間線和功能塊的多編輯軌方式。如音頻和視頻可占用二個編輯軌，可設(shè)置許多表演的設(shè)備編輯軌在對應的時刻拖動噴泉設(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現(xiàn)的DMX512功能模塊，實現(xiàn)對水泵、水燈、變頻器、LED燈、搖擺定位系統(tǒng)、軟啟動器、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。

2.2 動力系統(tǒng)

2.2.1 噴頭搖擺傳動系統(tǒng)

該系統(tǒng)配有一個帶正弦機構(gòu)的動力機。將動力機軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直線往復運動。且動力機還配有一個接近開關(guān)，其作為傳感器供動力機定位用。動力機的直線往復運動，通過柔性連接傳遞至各噴頭的直角杠桿式萬向拔叉、拔動噴頭擺動，這種傳動屬純機械傳動。成本相對低廉。動作相對可靠。由于是柔性連結(jié)，所以進行相應組合后可實現(xiàn)上述應用。

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、安裝維護方便且不需泵房，廣泛應用于給排水系統(tǒng)及噴泉工程。

工作條件：

（1）電泵應完全潛入水中工作，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值的0.7-1.2倍。

整機表面無明顯化傷、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 動力機設(shè)備

動力機是一種噴泉用伺服傳動機構(gòu)，由渦輪蝸桿減速機和電機構(gòu)成。減速機機殼和電機殼體整體連接，蝸桿與電機轉(zhuǎn)子軸整體制造，殼腔間相互隔絕密封。防水性強，傳動穩(wěn)定可靠。

表2 動力機性能參數(shù)

2.2.5 止回閥

（1）公稱壓力1.6MPa

（2）殼體強度試驗壓力1.5MPa，保壓時間≥60s

（3）密封試驗壓力1.1MPa，保壓時間≥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）有機組合的方式，共同表演。表演時段和內(nèi)容劃分為重大節(jié)日或活動場景、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)建不同時間和不同效果的照明控制模式實現(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彩燈防護等級為IP68，防塵防水效果很好。

2.4 音響系統(tǒng)

音響系統(tǒng)設(shè)計主要包括建聲設(shè)計和電聲設(shè)計，這是專業(yè)性很強的兩個技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計，建聲為基礎(chǔ)，電聲為條件，相輔相成，互相彌補，缺一不可。本研究的設(shè)計重點盡管在電聲系統(tǒng)設(shè)計，但設(shè)計的首要條件是設(shè)定出一個良好的建聲環(huán)境，在這個基礎(chǔ)上才可再進行電聲設(shè)計。由于建聲特性還沒有測定，故筆者根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律和經(jīng)驗設(shè)定一個較合理的建聲特性，再在這個設(shè)定的基礎(chǔ)上進行電聲設(shè)計。根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律和經(jīng)驗，一個較合理的建聲特性混響時間，在頻率500Hz時的混響時間應滿足T60≦1.2s，才能有一個較好的音樂擴聲環(huán)境。設(shè)計通過動感音樂的擴聲方式，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，最終實現(xiàn)完美的統(tǒng)一。本系統(tǒng)不僅具有很好的可靠性、實用性和先進性，而且在保證了設(shè)備總體性能指標的要求基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計，使系統(tǒng)性能與價格之比在同類系統(tǒng)和條件下達到最優(yōu)，選擇最佳性價比的設(shè)備，具有很好的經(jīng)濟性。

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)，闡述了整個音樂噴泉控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和各個組成部分的功能。噴泉的運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，運行效果良好，很好地達到了預期的設(shè)計效果并實現(xiàn)設(shè)計的功能。

參考文獻

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