LED景观照明系统设计与实现*

张玉杰，周洁，邱金妮

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

LED景观照明系统设计与实现*

张玉杰*，周洁，邱金妮

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

针对大型景观照明系统存在的灯光效果单调、设备管理功能不完善、系统扩展不便等问题，设计了一种LED景观照明系统，该系统使用分布式系统结构，上层采用Art-Net协议通过以太网实现监控中心到控制器的控制，下层采用RDM协议通过RDM总线实现控制器到调光器的控制;系统可实现花样调光、设备搜索、参数设置、信息获取以及故障分析等功能，并对该系统性能进行了测试，测试结果表明该系统易于扩展，便于管理、维护，能够满足实际工程应用需求。

RDM协议;Art-Net协议;景观照明;设备管理与控制

城市景观照明对于提升城市艺术形象具有重要作用，随着城市建设水平的不断发展，城市景观照明在照明区域、照明设备数量、花样效果等方面要求越来越高。因此在保证丰富的花样效果前提下，如何高效地对设备进行管理和控制成为亟待解决的问题。目前，在景观照明系统中，DMX512(Digital Multiple X，多路数字传输)协议以其便捷的传输方式，简单的总线结构被广泛应用，但其数据只能单向传输［1］，无法对灯具及设备进行有效管理，系统兼容性较差。

美国国家标准学会在DMX512-A的基础上制定了RDM(Remote Device Management)协议，在不改变DMX512总线结构基础上，实现设备的远程管理功能［2］，提高了设备管理效率。

随着网络技术的成熟，采用网络技术实现灯光控制被提到议程，由Artistic License开发的Art-Net协议是目前使用最广泛的网络灯光控制协议之一，该协议遵循OSI模型，以TCP/IP网络协议为基础，以以太网作为传输介质，传输层采用UDP传输方式，利用网络技术来传送数据，使系统易于扩展与互联［6-8］。

本文通过将RDM总线与以太网连接，实现Art -Net协议与RDM协议结合，用于提高系统数据传输速率，简化通信过程，使系统具有更大扩展性，更加高效的对灯光效果进行设置，同时双向数据传输使监控中心能够及时获取设备和灯具信息，为系统维护和管理提供帮助。

1 系统总体设计方案

系统采用分布式系统结构，利用集中管理与分散控制相结合的方式，实现花样调光、设备管理等功能。系统结构图如图1所示，由监控中心、控制器以及调光器3部分组成。其中监控中心与控制器之间采用Art-Net协议通过以太网通信;控制器与调光器之间采用RDM协议通过RDM总线通信。

系统以PC机作为监控中心，管理员通过操作PC端监控软件即可实现设备的远程管理。控制器通过以太网接收监控中心命令，根据命令要求执行操作并回复信息，将需传送到调光器的数据重新封装后发送至RDM总线，同时接收、解析或转发调光器的应答消息。调光器通过RDM总线接收命令，执行操作并回复应答消息，实现花样调光以及设备信息反馈等功能。

图1 系统结构图

系统上层使用的Art-Net协议可兼容DMX512和RDM协议，图2为其协议层次图，其中Art-Net主体部分包括Art-Net功能数据包和实现DMX512协议的数据包;RDM部分用于实现RDM命令; Video部分为视频信息数据包［6-8］。控制数据通过Art-Net数据格式封装后可通过以太网传输，其中DMX512数据主要传送0～255等级的调光数据，而RDM数据较为复杂，为保证系统功能的实现，表1中列出了该系统传送的RDM参数ID(PID)命令，通过这些命令的传送，可实现远程设备管理功能。

图2 Art－Net协议层次图

表1 系统实现的PID［2］

2 系统硬件设计

2.1 控制器

控制器作为Art-Net网络控制节点既与上层监控PC相连，同时又兼作RDM控制网的主控器。控制器主要功能包括协议转换，串口数据接收/发送，网络端口数据接收/发送，数据处理、保存等，控制器的主控芯片要保证上下行数据的快速实时性和数据处理的有效性。

根据控制器的功能要求设计图3所示硬件结构图，其微控芯片采用STM公司的Cortex-M3处理器STM32F103RE，该处理器具有高达512 kbyte的闪存程序存储器，64 kbyte的SRAM，5通道UART，2个I2C接口，具有睡眠、停机和待机模式，其低功耗、高性能的优点符合本系统的设计要求。

图3 控制器硬件结构图

控制器通过网络接口模块实现与以太网的信息交互，网络接口芯片的双绞线接口与网络连接时，在二者之间放置网络滤波变压器，具有滤波、隔离的作用。串口电路则负责建立与调光器间的通信。

2.2 调光器

作为系统终端控制设备调光器与LED灯具连接，其主要功能是根据控制器发送的控制命令执行操作，实现灯光调节以及设备和灯具信息反馈等功能。

图4为调光器硬件结构框图，选用SONIX公司的8位高效率、低功耗芯片SN8F5708作为微控芯片。外围电路包括串口电路、电源电路、LED指示电路、LED驱动电路以及数据采集电路等。

其中串口电路负责建立与控制器间的通信。数据采集电路是通过SN8F5708微控器的AD转换通道获取输入电压、LED的电流、电压以及基板温度等信息。LED指示电路则用于物理识别设备。

LED驱动控制芯片选用NCL30160，其滞后控制在负载瞬变和PWM调光时具有良好的电源抑制和快速反应，不需要控制回路补偿，可调整LED电流，驱动电路支持可变占空比的PWM数字脉冲调光方式，当调光器接收到调光数据时，通过驱动器调节相应PWM输出信号的占空比从而控制LED亮度。

图4 调光器硬件结构框图

3 系统软件设计

3.1 监控中心软件设计

系统采用图形化编程语言LabVIEW编写远程管控软件，具有直观、可扩展、易维护等特点。监控中心功能框图如图5所示，主要包括设备搜索、设备监管、调光花样设置等功能。设备搜索功能可以获取网络中控制器的IP地址以及控制器所连接调光器的特殊ID(UID)列表;设备监控功能可获取设备的基本信息，如DMX起始地址、通道数等，用户可根据需要对设备参数进行设置，也可对设备和灯具进行故障检测并记录故障，同时设备识别能将设备信息与实际设备对应起来，方便设备管理;用户可选择给定的花样进行灯光调节，也可自定义调光花样。

图5 监控中心功能框架图

3.2 控制器软件设计

控制器采用层次化的软件设计方法，把整个软件分为3层:底层驱动层、协议层和应用层;底层驱动层完成和硬件相关的交互，协议层完成通信协议栈的设计，应用层则根据系统的功能要求定制功能。这种设计方法可以保证各程序模块间的低耦合性和完整性，并且方便系统软件的移植和应用层功能扩展［11-12］。

3.2.1 功能要求

根据控制器的设计要求，软件部分主要实现的功能包括:①按照RDM协议的要求与RDM总线通信，包括向总线发送命令，接收、处理或存储回复的应答消息;②按照Art-Net协议的要求与以太网通信，解析接收到的数据包，执行要求的操作并回复消息;③实现RDM总线与以太网数据交互，从以太网接收到数据包后进行解析，需发送到调光器的Art-Net数据包主要为ArtDmx和ArtRdm，图6所示为数据包转换格式图，提取数据包中DMX512数据和RDM数据，重新封装数据为DMX512或RDM数据帧格式，发送至总线;同时对总线接收的数据进行解析，解析后需发送到监控中心的数据封装为Art-Net数据格式后，增加UDP报文格式发送至以太网［6-8］。

图6 数据包转换格式图

3.2.2 任务划分

根据系统功能的需求，将控制器的软件划分为以下任务:

(1)设备搜索任务:根据监控中心指令回复IP地址以及连接的调光器UID列表;

(2)信息查询任务:根据监控中心指令回复信息或对连接的调光器信息进行查询，并将调光器回复的信息发送给监控中心;

(3)参数设置任务:根据监控中心指令设置参数或对连接的调光器参数进行设置;

(4)调光数据发送任务:接收、解析、转发监控中心发送的DMX512调光数据到RDM总线;

(5)轮询搜索UID任务:定时搜索连接的调光器UID，并存储回复的UID列表，以供监控中心搜索。

3.2.3 时序实现

RDM协议规定RDM命令的发送总是在DMX512数据发送的间隔完成，且控制器通信端口相邻数据帧间隔的时序要求如表2所示［4-5］，因此在软件实现时规定DMX512消息每次发送完整的512 frame数据，这样DMX512数据包的发送时间大约为23 ms。

表2 控制器通信端口相邻数据帧间隔

根据协议规定总结出图7所示间隔时序，通过合理的程序结构设计对数据命令帧的发送进行调度，实现发送RDM数据帧与接收RDM应答帧在同一DMX512数据包间隔完成;发送广播无需回复的RDM数据帧与发送其他RDM数据帧在同一DMX512数据包间隔完成;接收RDM应答帧到发送其他RDM数据帧在时间允许时可在同一DMX512数据包间隔完成，当时间不允许时要放到下一间隔发送。

图7 数据包收发间隔时序图

3.3 调光器软件设计

调光器的软件设计采用模块化的思想，将每个功能模块划分为不同的层次，分别实现各自的功能，相邻层之间通过接口函数进行数据交换，不同功能模块之间通过应用层进行通信，这种方式降低了层与层之间的耦合程度，提高了系统的可维护性和移植性。

调光器软件主要分为以下任务:

(1)PWM调光任务:根据接收的DMX512调光数据更新PWM输出信号的占空比，采用反伽马校正技术，使实际LED调光效果更符合人眼的生理感觉，同时经校正后的数据由原来的8位扩展为16位，有效的提高了PWM调光精度。

(2)通信任务:调光器通信流程图如图8所示，主要用于接收、解析控制器发送的控制数据，根据数据要求执行相应的操作，并回复应答消息。

图8 调光器通信流程图

(3)数据采集任务:定时采集和处理AD转换通道数据，采集的数据包括输入电压、LED两端电压、电流以及基板温度等信息，保存信息，以供控制器查询。

4 结束语

本文将Art-Net网络灯光控制协议与RDM远程设备管理标准相结合，设计了一种LED景观照明系统。该系统以大型景观照明特点为出发点，具有远程管理功能完善、调光效率高、通信过程简单、系统扩展能力强等特点。分布式的系统结构使本系统具有较强的可靠性，相比于已经被广泛使用的DMX512调光系统，该系统增加了设备间信息的交互功能，能够快速的检测每个灯具状态，及时排查景观照明设备和灯具故障，为系统维护提供帮助。经测试，该系统可实现花样调光、设备搜索、参数设置、信息获取以及故障分析等功能，系统可靠性强，效率高，操作方便灵活，扩展性好，具有良好的前景和较大的现实意义。

［1］ANSI.Entertainment Technology，USITTDMX512-A:Asynchronous Serial Digital Data Transmission Standard for Controlling Lighting Equipment and Accessories.ANSIE1 11-2004.

［2］Entertainment Technology-RDM-Remote Device Management Over DMX512Networks.ANSIE1.20-2006.

［3］梁艺，周卫星，陈炳锐.基于DMX512协议的灯光控制信号无线传输设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2009，7:46-48.

［4］肖志强，段永顺.在灯光设备中实现RDM［J］.演艺科技，2011 (10):12-15.

［5］米尔顿·戴维斯，施端.远程设备管理(RDM)略谈［J］.演艺科技，2013(3):13-15.

［6］韦恩·豪厄尔，施端.解析Art-Net控制协议［J］.演艺科技，2010(11):12-14.

［7］陈国义，胡清亮，梁国芹，等.谈“ACN”和“Artnet”网络协议标准［J］.照明工程学报，2003(4):11-16，22.

［8］王业罡.基于Art-Net协议的嵌入式调光系统的研究与设计［D］.延边大学，2007.

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［11］吴迪新，李鹏超.基于总线通信的嵌入式控制系统［J］.电子制作，2014(6):134-135.

［12］马琳娜.嵌入式系统软件设计方法应用分析［J］.电子技术与软件工程，2014(15):82.

张玉杰(1966-)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向为信息采集与处理、模式识别、嵌入式系统开发等;

周洁(1991-)，女，汉族，陕西省安康市人，陕西科技大学在读研究生，研究方向为模式识别与智能系统，1257180190@ qq.com。

Design and Im plementation of LED Landscape Lighting System*

ZHANG Yujie*，ZHOU Jie，QIU Jinni

(College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

For the problems of large landscape lighting system that lights show monotone effect，equipmentmanagement function does not perfect，and system extended inconvenience，a LED landscape lighting system is designed.The system is constructed using distributed system structure，the upper layer used Art-Net protocol through Ethernet monitoring center to control，lower layer used RDM protocol through RDM bus controller to adjust light device.System can make pattern forms of adjustable light，equipment search，parameter set，information get and fault analyse.And the performance of the system was tested.The test results show that the system is easy to expand，easy tomanage，and keep in good condition.The system can meet the needs of practical engineering applications.

RDM protocol;Art-Net protocol;landscape lighting;equipmentmanagement and control

C:8530

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.049

TN915

:A

:1005－9490(2017)01－0262－05

项目来源:陕西省科技计划项目(2014K07-17);西安市科技计划项目(CXY1436(1))

2016-02-27修改日期:2016-03-24