基于傳感網的智能舞臺燈光控制系統

宋琦俠

（中國國家話劇院，北京 100055）

當前，隨著我國文化文藝事業的發展，劇場演出、舞臺表演及藝術比賽等活動層出不窮，活動內容精彩紛呈，為了配合活動內容，給觀眾帶來優質的體驗，應設計與之呼應的舞臺燈光控制方案，來達到精彩的燈光運用效果。目前多數演出場所仍使用以Ethernet來達到燈光設計、變幻信息數據的輸出，但應用Ethernet進行舞臺燈光控制系統的設計存在著舞臺燈光布線復雜、傳輸信息電纜型號的選擇等問題，耗費成本較高，工程量較大。紫蜂技術可實現較短距離的數據傳輸，損耗能量較少，用于傳輸距離較短、傳輸速率緩慢的電子設備之間的數據信息交流，該技術應用難度較低，工程設計簡便，且耗費成本不高，屬于近程無線網絡技術。紫蜂技術相比同類型網絡傳輸技術而言具有操作簡便、傳輸速率穩定和經濟性較高等優點，具有較大的市場開拓空間，競爭力較強。

1 智能化舞臺燈光控制系統設計原則

舞臺燈光系統設計是基于舞臺演出的表演需求、音樂節奏、舞蹈情景等進行設定，目的在于配合演出為觀眾呈現更好的效果，將燈光控制需求以控制設備按照系統工程進行設計，使燈光呈現效果貼合藝術表演，創造更好的氛圍。而舞臺燈光設計原則需遵循以下幾點：第一，設置完整的舞臺燈光操控與設計空間，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的穩定運行；第三，該系統應獨立運行，不可受到外來干擾，并提高該系統的安全性；第四，應用綠色節能的新型燈光道具，將其納入智能化舞臺燈光控制系統設計方案；第五，應用紫蜂技術實現舞臺燈具與控制面板的信息數據傳遞。

2 智能化舞臺燈光控制系統設計說明

舞臺燈光燈位布置從上而下照射的燈光、區域燈光構成排列，能夠根據舞臺場所面積、分布位置進行靈活調整。

可進行頂光系統設計配置，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以提高透光性為目的，可應用進口燈具，相比國產燈具的透光率提高了150%。選擇設計獨特、外形優美的遮光葉，保障其應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目的燈具，其中，舞臺燈光系統的報價清單列表一般包括LED數字變焦聚光燈、LED數字平板柔光燈、LED室內染色燈3種，所需數量分別為16只、6只、16只。此外，舞臺燈光系統中包含的燈具、型號、數量等見表1，其他所需燈具的型號見表2。

表1 舞臺燈光系統主要應用燈具清單

表2 舞臺燈光系統使用燈具清單

3 智能化舞臺燈光控制系統總體架構

該控制系統將無線傳感器接入點鑲嵌入燈具中，并應用軟件程序達到定時目的，也可人工調節不同燈具的明暗程度，來達到智能化燈光控制的目標，實現不同層次設計的舞臺燈光效果。智能化燈光明暗調控系統能夠解決現場燈光布線復雜、雜亂的問題，也可將該系統應用于攝影場地、景區景觀展覽等。智能化調控系統需要使用個人計算機控制舞臺區域內布置的任意燈具，可實現單個控制，還可檢測燈具的明暗程度及參數信息。個人計算機接入點為節點路由器，通過串行端口與個人計算機應用的軟件程序進行信息交換。每一個單獨的網絡或一個子網均擁有端與端路徑范圍進程接入點，這些決定端與端路徑范圍接入點與個人計算機接入點進行無線通信。此外，決定端與端路徑范圍進程接入點與同一單獨網絡或子網中的其他與計算機系統相連的輸入輸出設備的接入點進行無線通信。每個與計算機系統相連的輸入輸出設備的接入點最多能夠與3個燈具相連接，通過CPU和外圍電路，能夠對接入點的3個燈具進行逐一性能測試與控制。

4 智能化舞臺燈光控制系統硬件設計

硬件系統的設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電路設計燈的明暗度控制，主要利用MC13213芯片的通用輸入輸出端口管腳控制SCR從而控制燈具的導通角度。亮度采集系統利用MC13213芯片的模擬數字轉換器管腳需要將交流電轉換為MC13213芯片可處理的變量在一定范圍內連續變化的量。在利用SCR控制通導角度進行燈具明暗度控制的過程中，利用調整波的相位技術，需要檢測在指定時間范圍內，改變晶閘管導通的周波數控制功率的信號。過零檢測是指交流系統中，當波形從正半周向負半周轉換時，經過零位時，系統對其進行的檢測，在本文所分析的舞臺燈光控制系統硬件中可理解為給予MC13213一個參考標準，該標準的起點為對交流過零型固態繼電器，輸入端加入額定電壓，能使繼電器輸出端導通最大起始電壓。SCR在周期內由晶閘管控制其導通的角度的大小應參考該額定電壓的數值標準。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由晶閘管控制其導通的角度相對應，而每個周期內由晶閘管控制其導通的角度的閥或臂呈現低電阻流過正向電流的狀態時長是從對交流過零型固態繼電器，輸入端加入額定電壓進行計算的，閥或臂呈現低電阻流過正向電流的狀態的持續時長不一樣，周期內由晶閘管控制其導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控制。

燈光的明暗程度采集的部分應用某市的電子有限責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進行供電。因此，結合交流電壓傳感器的各項參數可將接入燈光燈具的交流電轉化為0~7 V的計算機控制系統輸出的模擬量，另外接入0~7 V轉化為0~2.5 V的電路即可完成。

5 智能化舞臺燈光控制系統軟件設計

5.1 底端軟件設計

底端軟件設計需要根據預留的軟件接口配置支持應用層中程序運行的框架參數，對于單一無線接入點而言需要根據舞臺控制系統的燈光呈現需求，將與計算機系統連接的輸入輸出設備接入點的芯片與管腳配置為模擬數字轉換器功能用于檢測舞臺區域內燈具的明暗程度，管腳配置為通用輸入輸出端口的輸出功能來進行舞臺區域內燈具的明暗程度控制，默認輸出最低電壓。為其賦予通用輸入輸出端口的輸出功能用于控制或設定指示燈的亮起或熄滅的指令是否能夠照樣下達并依照命令進行運作，默認輸出最低電壓。另一管腳的配置為通用型輸入輸出模式的功能，可用于交流系統中，當波形從正半周向負半周轉換時，經過零位時，系統對其進行檢測，用作頻率檢測。節點路由器與同計算機系統相連的輸入輸出設備節點的串行端口每秒內能夠傳輸的波特位數配置為9 500。

本文分析的控制網絡分為3個單獨的網絡或者子網，分別有5、8、12個與計算機系統相連的輸入輸出設備節點，每個單獨的網絡或者子網都擁有1個路由器節點。路由器節點和與計算機系統相連的輸入輸出設備節點擁有與之相對應的單獨的地址。應用層中程序運行的框架層參數配置信息在每一次單獨設定中都輸入了MC13213規定的存儲器的芯片單位中，來幫助連接點接入電源后能夠按照最后一次指令來進行工作，控制燈光。

5.2 高端配置與測試軟件設計

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

舞臺燈光分布是指根據舞臺演出內容，結合實際情況，為所應用的燈具配置與該燈具參數、性能相對應的子燈，并結合舞臺演出需求對其進行明暗度的調節。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域的燈具設置是否合格。在數字設置過程中，控制者可任意修改段、區域、組、燈或者子燈的名稱，并進行適當的增加或刪減。

主控制界面能夠為智能化舞臺燈光控制系統提供的功能如下：控制者選擇舞臺區域內一定面積的燈具進行測試時，可選擇到段、區域、組、燈或者子燈；操作控制面板者可選擇測試舞臺區域內所有子燈的連接情況；可調整舞臺區域內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；對于舞臺區域內子燈的控制包括可設定某時間段內亮燈、實時對子燈的亮燈情況進行控制，前者可在子燈亮起時間段的起始時間與熄滅時間內進行控制，到達指定時間點后子燈自動熄滅，后者的命令可立即執行，決定子燈亮起或熄滅。

6 結束語

綜上所述，本文主要闡述基于傳感網的智能舞臺燈光控制系統方案的設計，首先分析控制系統的實際情況與所需達到的舞臺效果，得到單個連接點的管腳所具備的功能，并分析該連接點應有的管腳功能加以完善，適配相應的網絡連接點地址，之后從硬件環境搭建和軟件基礎配置、高端配置測試、軟件選擇與定制3個方面，來完成燈光調整、變幻的控制系統的設計，達到舞臺演出應呈現的繽紛效果。連接點硬件方面，設計出應用SCR進行燈光明暗度調控的電路，例如SCR電路。底端軟件需要根據支持應用層中程序運行的框架層參數進行配置與選擇。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據信息或發送命令到節點路由器，節點路由器依靠紫蜂技術與計算機相連的輸入輸出設備進行信息交流，來達到燈光明暗度轉換的目的。