基于物聯網技術的劇場設備安全狀態實時監測方案的設計

陳 林，李 茜，沙 狄，霍冬冬

（1.中國藝術科技研究所，北京 100007；2.中國科學院信息工程研究所 網絡與系統安全實驗室，北京 100193）

1 引言

近年來，隨著中國經濟的迅速發展，大眾在文化領域的消費需求也不斷提升，全國各地陸續興建各種不同規模的劇場，推動中國舞臺藝術的發展。同時，隨著觀眾文化素養、審美水平的提升，各種類型的演出所呈現的舞臺效果及支撐舞臺呈現的設備數量和技術含量實現跨越式發展。為了追求更為震撼、高超的演繹效果，劇場設備所承載的功能不斷增多、數量不斷加大、設計愈加復雜，隨之而來的安全問題不斷凸顯，劇場演出所面臨的安全風險系數也隨之相應提高。僅2018年就發生了中資在柬的大型文娛項目《吳哥王朝》火災事件、李玉剛成都演唱會的升降臺異常升降事故以及河南許昌的舞臺燈架傾倒事故等，2020年更是發生了漢秀劇場觀眾席旋轉座椅擠壓致人死亡的慘痛事故。再往前追溯，還有諸如2016年的江蘇大劇院火災事故、2015年的畢節大劇院舞臺坍塌事故、2014年的曹禺劇院坍塌事故以及1994年的新疆克拉瑪依大火事故等。這些劇場事故無一不造成重大財產損失或人員傷亡，對推動和傳播舞臺藝術產生了消極影響。

降低甚至清零劇場安全隱患，杜絕安全事故的發生，一直是演藝行業從業者努力和研究的方向。然而，現今劇場中的設備具有種類多、數量大、結構龐大復雜、易受外部環境影響等特點，使得事故發生的原因越發復雜多變，且模糊不可控。因此，進行劇場安全狀態監測和安全預警難度很大。目前，大部分劇場的安全監控仍然采用人力手段，即定期定量的人員巡檢和演出前后的檢查維修。事實上，這樣的方式難以感知劇場設備的實時狀態，對演出過程中劇場環境和設備狀態不斷變化所造成的突發事故無能為力。雖然部分廠商提供與設備匹配的監測系統，在演出過程中可以對設備起到一定的監控作用，但對于設備與設備間、設備與環境間的互動造成的安全隱患的統一感知監測卻始終缺位。

事實上，劇場設備安全信息的表征形式，不僅僅局限于設備內部所產生的異常數據信息。在演出過程中，劇場所包含的機械、燈光、音響、視頻、通信系統等關鍵設備會產生大量能夠體現自身安全狀況和健康狀況的客觀數據（如溫度、濕度、加速度等）。但這些數據轉瞬即逝，目前尚未被有效記錄和利用，如果能夠對這些數據進行有效采集和處理，就可以實現對劇場設備實時狀態的觀察和監測。這不僅能更高效合理地保障劇場設備的正常運行，還能對一些環境和設備的突發異常狀態給出實時預警，從而實現對劇場設備在演出過程中不間斷實時的監測。

為了實現劇場設備健康狀況的有效感知，利用日益成熟的物聯網技術[1]及傳感器等設備可以實現對劇場設備狀態數據的采集、以及大量數據的高速傳輸。本文從增強劇場設備安全狀態靈活監測的角度，設計基于物聯網技術的劇場設備安全狀態實時監測方案，利用靈活可插拔的環境感知模塊、遠程傳輸技術，適配劇場多類型設備實現實時監測、預警、管控，提升設備安全狀態感知的時效性和靈活性，為劇場演出提供全方位、全品類和高時效的安全保障。

2 劇場設備狀態監測的相關技術研究

隨著中國現代化劇場建設的繁榮發展，劇場管理和舞臺技術取得了長足進步。但從整體看，數字技術、網絡技術、信息技術和智能技術等高新技術在劇場還處于初級的淺層的應用階段，還沒有將高新技術與舞臺藝術、劇場文化、劇場管理、劇場安全保障等相融合。

目前，國內有部分研究是圍繞劇院的舞臺機械設備配置、舞臺控制系統和客戶需求展開的，是基于舞臺機械設備配置情況和舞臺控制系統控制要求[2]。有的研究選取舞臺吊桿設備為診斷對象，分析其遠程監測功能要求和設備遠程診斷系統要求，采用基于B/S模式的遠程診斷框架，利用云數據庫的中轉功能，成功實現PLC數據遠程訪問，通過Web Service技術實現對劇場設備的運行數據實時監測。有的研究著重于攝像機云臺的控制及功能優化方法，在基于onvif協議[3]的舞臺視頻監控系統中，通過使用多媒體技術、網絡通信技術及計算機控制技術，實現點擊屏幕識別攝像頭、云臺方位調節和焦距變動等功能，提升視頻監控系統性能，方便舞臺監督對舞臺運行進行有效監管。工業界也存在對舞臺監控技術進行研發并落地的項目：某舞臺設計公司的舞臺控制系統以工業以太網協議為前提和基礎，通過對劇場設備的組態控制與管理、編組運行管理控制、設備運行狀態監控、節目編排管理、故障報警控制等方式，實現對舞臺實時、歷史數據信息的采集、存儲、分析和處理，實現舞臺控制系統自動化、智能化。還有的企業采用基于IP技術的多媒體調度系統以及WiFi網絡部署調度平臺，通過多媒體調度系統實現劇場內調度分機、視頻監控之間互聯互通，并由調度臺實現統一調度，從而全面實現舞臺智能化系統控制。

然而，上述研究針對的專業設備，要么具備專用硬件（如搭載可遠程傳輸功能的PLC硬件），要么具備網絡協議接口，可以對外發送數據（如onvif）。對于不具備上述軟硬件特性的設備而言，其反映設備和環境狀態的信息難以采集。

物聯網技術的快速發展，為實時監控劇場環境與設備的異常狀態，提升劇場設備的安全運行提供了有效的數據采集、傳輸手段。通過為舞臺掛載傳感器模塊，可以實時采集匯總與劇場設備運行相關的信息，包括溫度、濕度、速度、照度、異常氣體等，這些數據能夠反映引發劇場事故的常見原因，如設備過熱、墜落、起火等。當傳感器采集到出現異常的數據時，能夠通過組網技術實時傳輸到監控平臺的界面上，經過處理后顯示并觸發預警，引起安全監測人員的警覺，便于及時進行排查處理，從而防患于未然。

3 基于物聯網技術的劇場設備狀態實時監測系統架構設計

3.1 系統架構概述

系統架構設計方案如圖1所示，由基于C/S模式的物聯網中控——服務端系統、物聯網子節點——客戶端系統兩大系統組成。對劇場設備進行改造，為其粘附無線感知模塊（即物聯網子節點），使劇場設備在運行時所產生的近距離環境數據（如溫濕度、氣體煙霧、火光等）可以被實時記錄，并傳輸到收集單元（即物聯網中控）；物聯網中控可以對這些大規模數據進行快速獲取，得到與劇場設備安全相關的有效數據；有效數據可以被監視者觀察。上述功能具體可以分解為三方面的工作。

（1）劇場設備信息感知：對劇場設備的感知，分為對設備工作狀態的數據感知和對設備工作環境的感知。由于劇場設備的正常運轉高度依賴合適的溫濕度環境，因此，可利用溫濕度傳感器對關鍵設備的環境狀態做實時測量感知，然后通過物聯網技術進行數據收集傳輸。

（2）劇場設備環境感知信息空口傳輸：設備狀態數據需要通過空口傳輸到中控平臺，由于物聯網節點通常不具備遠程傳輸功能，為保證數據傳輸的快速準確且保證低能耗，為各物聯網節點搭載與其自身特性相匹配的無線模塊，實現物聯網子節點的空口傳輸。

（3）劇場設備數據觀測預警：通過對所有物聯網節點采集的傳感數據進行匯總，使安全人員可以方便觀測設備運行時的環境狀態信息，并通過預警的形式提示安全人員。同時，該方案支持對安全狀態的預警門限值進行修改，以適應地域、季節和環境差異。在此基礎上，預警信息還可以回傳到物聯網節點設備上，對狀態異常設備周邊人員進行實時提示和預警。

從功能需求可知，本方案是一個軟硬件協同的物聯網解決方案，旨在解決劇場設備環境感知以及預警問題。以下將對物聯網中控和物聯網子節點如何實現上述功能進行論述。

圖1 系統架構

3.2 物聯網子節點——客戶端系統

為了實時獲取劇場設備安全信息，需要在劇場中每個待監測設備上粘附一個傳感器節點，節點上部署定制客戶端系統軟件。客戶端系統由連接協商模塊以及數據傳輸模塊組成，分別負責與服務端建立連接，以及將采集到的傳感器數據通過組網技術發送給服務端。以下將從硬件選型和具體功能兩方面對物聯網子節點進行解析。

3.2.1 硬件選型

物聯網子節點需要保證整天的演出過程中可以于劇場設備上進行正常工作，且不能因為傳輸速率、信息傳輸間隔等因素過慢或過長造成安全事件的漏報，因此，各節點的硬件選型應對上述需求進行一定的平衡，即在保證較好的傳輸效率的同時，保證一定的低能源消耗。

針對以上需求，一種可行的方案是采用低功耗Arduino[4]擴展板外接各類型傳感器的方式，對劇場設備安全信息的采集進行集中管控，并進行遠距離傳輸。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，它能通過各種各樣的傳感器來感知環境，通過控制燈光、電機和其他裝置來反饋、影響環境。基于Arduino出色的擴展能力，可以采用外接不同傳感器的方式，實現針對不同劇場設備環境信息的有效感知，大幅降低開發成本。此外，其中央處理器的運算能力可以勝任單個節點上采集數據的不間斷發送任務，而較低的能源消耗保證了節點有一定的持續工作能力。

3.2.2 功能實現

（1）連接協商模塊

該模塊是客戶端通過socket連接與服務端取得聯系，服務端通過驗證配置用戶名、密碼，確認連接的物聯網子節點是否為可信的檢測點。

為了實現物聯網空口傳輸，本方案采用ESP8266[5]無線模塊實現遠程連接的功能。具體而言，通過物聯網子節點控制ESP8266工作在Station模式，檢測并加入服務器所在網段，與服務器建立TCP連接，實現通信。服務器端（物聯網中控）需要設置好Sensor的IP，需要與ESP8266結點的IP一致，從而允許建立連接。

客戶端（物聯網子節點）發送的用戶名、密碼是否正確，決定服務端（物聯網中控）是否與客戶端（物聯網子節點）建立連接。如果用戶名、密碼錯誤，服務端（物聯網中控）會拒絕與檢測點的客戶端（物聯網子節點）連接。

（2）數據傳輸模塊

數據傳輸模塊是檢測點讀取依附在設備上的各種傳感器數據，然后通過網絡將數據實時傳遞給服務端（物聯網中控）。

為了實現環境數據的感知，需要對所選用的傳感器有所了解。溫度與濕度數據采用DHT11傳感器，該傳感器采用單引腳通信，在保證通信效率與準確率的前提下，節省引腳資源；聲音與光敏數據采用處理電路轉化為數字開關量，同樣通過單個引腳傳輸數據；煙霧傳感器將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據電信號的強弱，可以獲得與待測氣體在環境中存在情況的有關信息；火焰傳感器利用紅外線對火焰非常敏感的特點，使用特制的紅外線接收管檢測火焰，然后把火焰的亮度轉化為高低變化的電平信號，輸入中央處理器，中央處理器根據信號的變化做出相應的程序處理。

傳感器的硬件特性決定了它可以對周邊環境信息進行快速（實時）的感知，而數據傳輸模塊的作用就在于使用物聯網節點上的A/D轉換器和對應的轉換邏輯，可以將傳感器實時感知的模擬/數字階躍信號轉換為本監測系統可以識別語義的字符串。此時，定制物聯網子節點實時讀取各個傳感器數據（表1），并以與服務端（物聯網中控）規定的格式相同的數據格式發送。

通過發送傳感器數據，可以減少網絡的阻塞，能夠將數據盡快傳輸到服務端進行展示。

（3）無線傳輸模塊驅動與設計

為了實現對于劇場設備環境信息彈性插拔感知，服務端系統與傳感器節點不宜使用有線連接，采用無線連接的方式。雖然在數據傳輸模塊的驅動下，傳感器節點可以迅速感知環境數據，但物聯網節點通常驅動的是定制無線模塊，需要進行一定的配置處理，使得數據可以按照規定的時間間隔正確無誤地發送出去，低延時、低間隔的傳輸模式在一定的程度上實現“實時”效果。

實際上，物聯網子節點發送數據需要經過一定的延時，才能保證數據發送成功。而在這段時間內，物聯網中控模塊發送過來的UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）數據都會放到接收緩存區內，無線傳輸模塊每次發送數據后都會返回本次發送數據的響應結果，這部分信息也會放到接收緩存區中。發送時接收到的UDP數據就會和發送數據返回的響應信息一起保存在接收緩存區，導致UDP請求失敗。如果不對這部分數據進行處理，下次通過接收緩存區獲取客戶端發送過來的信息也會讀取錯誤。

為了在不提升發送間隔的情況下解決這一問題，將發送時間盡量縮短，在發送數據之后，先清空一次接收緩存區，然后延時一段時間來提高接收到UDP請求的機率，再獲取接收緩存區中的數據。在這段延時時間內，接收到的UDP請求就會被正確處理。物聯網中控模塊通過多次發送UDP請求的方式，可以提高通信成功率。

表1 傳感器數據

3.3 物聯網中控——服務端系統

本系統的主要作用在于接收各個傳感器節點傳遞來的傳感數據，分析并判斷是否在安全閾值范圍內。本系統主要分為連接協商模塊、數據接收和閾值修改三大模塊，分別用于建立物聯網子節點與物聯網中控的可信通路，服務端從客戶端接收相關數據并進行解析、顯示，以及依據需求進行安全閾值修改。

3.3.1 硬件選型

與物聯網子節點負責自身的傳感數據不同，物聯網中控需要面對的是來自所有物聯網子節點的傳感數據。中控部分需要對劇場設備信息進行快速收集、處理，必要時發出預警，這些需求都對中控的硬件能力提出新的挑戰。不僅如此，舞臺監控室內已經存在相當數量的用于監視、控制的設備、工具。為了不對其他設備的工作、部署產生干擾，不影響操作人員本來的習慣性操作，本方案中提到的監控實際部署中應具備易于移動、方便告警等特點。因此，采用搭載高性能ARM處理器的便攜設備會在滿足計算能力的前提下，極大地降低操作人員對于舞臺監控室環境的重新適應成本。具體而言，ARM便攜終端可以使用基于當前計算能力較強的Cortex-A53系列處理器連接各種數據接收設備（如WiFi、藍牙、ZigBee模塊）的方式，對舞臺安全數據進行接收處理。Cortex-A53采取ARMv8-A架構，能夠支持32位代碼的ARMv7和64位代碼的AArch64執行狀態。Cortex-A53架構特點是功耗低、能效高，具有良好的處理復雜運算邏輯的能力。

3.3.2 功能實現

（1）連接協商模塊

該模塊是客戶端（物聯網子節點）通過socket連接與服務端取得聯系，服務端初始化一個線程池，循環等待接收客戶端傳過來的數據。之后，通過驗證其配置的用戶名、密碼，確認連接的物聯網子節點是否為可信的檢測點。

如果用戶名、密碼正確，服務端（物聯網中控）會繼續循環等待客戶端（物聯網子節點）發送的傳感器數據，進而進行下一步的數據邏輯處理。反之，服務端會斷開與該客戶端的聯系，并在日志中顯示該錯誤消息。

（2）數據接收模塊

在通過協商模塊后，數據接收模塊開始從客戶端等待接收數據。

服務端獲取sensorId之后，取出對應的界面區域，之后解析data字段（該data字段的數據格式已提前約定好）中的字符串內容，判斷對應的傳感器的數字數據或模擬數據，并更新該區域的顯示信息。

（3）閾值修改模塊

系統正常啟動之后，管理者可以點擊界面中的功能按鈕，在彈出的修改閾值的窗口中，依據環境、地域、季節等不同需求設定傳感器閾值。之后，利用Static類中的靜態變量與靜態函數，設置與改變全局變量的值，從而在各類之間傳遞修改的閾值。在眾多修改閾值的模塊中，溫度、光照等模塊底層的蜂鳴器的蜂鳴條件會隨之進行更改，即實現物聯網子節點與物聯網中控的交互。

4 總結與展望

近年來，基于物聯網技術的日趨成熟，國內外均展開物聯網技術與舞臺監控設備相結合的研究，建立了不同需求的舞臺物聯網系統，其結構包括舞臺設備層、物聯網絡層、系統應用層等。舞臺物聯網系統使得原本割裂的各子系統得到統一管控，通過信息全面感知，能夠收集各個層面的信息，方便決策，并實現諸如對設備潛在安全隱患感知預警等功能；通過數據可靠傳遞，可以避免信息傳遞過程中的損失與變化；通過業務智能處理，使決策具有更高的合理性與準確性。

基于物聯網技術的劇場設備安全狀態實時監測方案的設計是在調研劇場環境特點、演出系統設備特點的基礎上，深入分析劇場設備安全監測的特定需求，利用物聯網技術，完成劇場設備狀態實時監測系統的架構設計，為物聯網技術在劇場設備安全保障中的應用打下理論基礎。未來將基于該架構，展開監測系統的硬件平臺和軟件平臺的研發工作，以期實現劇場設備狀態的實時統一監測，以實現劇場安全全方位、實時的保障。