全天候自动激光表演系统的实现

蔡孟超

（上海大恒光学精密机械有限公司，上海，200000）

1 城市亮化在城市发展中的作用

1.1 城市亮化工程满足基本的照明功能

城市亮化工程会满足最基本的照明。当夜幕降临的时候，如果没有灯光的照射，整个城市将处于黑暗之中。

1.2 城市亮化工程美化城市建设

城市亮化工程在满足照明的同时也美化了城市。亮化工程既可以展示城市夜间的丰富多彩、特色鲜明的光形象，从而增加城市空间的吸引力，充分表现城市环境文化信息及其建筑美学。

1.3 城市亮化工程带动城市经济发展

城市亮化工程既能带动一个城市的经济发展，亮化工程的建设更是增加了城市的时代感，同时也推动了市场的发展[1]。

2 激光在城市亮化中的作用

高功率激光表演系统，集激光应用技术、计算机图像处理技术和超高速振镜控制技术于一体，将纯正、炫丽的激光光束在城市上空变幻出动态的线、面、旋转体及任意编辑的图形、文字。

激光的种类（1）地标激光：经过光束整值过得激光器射出得激光光束具有射程远，亮度强得特点，并可以实现任意方向的定点照射，也可以实现多种激光光束穿插表演，多层次的激光光束显得更有立体感，也可以通过计算机编程实现其他的效果，例如用光束来模拟时钟秒针摆动。（2）动画激光：通过计算机编程的激光系统发出的激光射向水幕、建筑物或墙体等，激光在扫描系统的电脑的控制下快速移动，目标面上形成已经编辑的文字、图案等供人观赏，并可以与投影及其他灯光一起联动穿插表演，使得整个表演环境更具有观赏性。（3）娱乐激光：激光安装于剧院、夜总会、歌舞厅内。将激光束射向烟雾并进行扫描，亦可形成文字、图案、动画效果。也可随音乐节拍进行激光表演。

3 全自动激光表演系统研制

系统功能及其构成：整个系统分为四大部分：系统总体控制模块、单元软件控制模块、单元硬件控制模块、局域网络控制模块。

系统总体控制模块主要通过网络对各个单元进行控制和状态监控，并将各个单元的当前状态实时显示在总控端，操控人员可随时查看并调整各单元的参数，以便系统能运行在最佳状态下。

单元软件控制模块主要控制各单元的实时运行和状态监控，并定时返回给主控端。对于监控到的单元状况，能自动调整参数，使单元运行在最佳状态。

单元硬件控制模块主要对单元内部的各个硬件部分进行实时控制，并采集单元各硬件部分的实时信息反馈给单元软件控制模块。

局域网络控制模块主要控制整个系统的网络通信，采用的方式包括有线网络（含双绞线和光纤）、无线网络、网络转串口等[2]。

网络通信采用TCP/IP协议或者UDP协议，在采用UDP协议时，为了保证数据传输的正确性及有效性，且防止数据丢失引起控制失效或不同步，实行了每一条数据同时向各个客户端发送三遍，同时客户端在收到数据以后，向主控端应答三次且客户端的标志位值1，主控端在接收到客户端反馈的数据及标志位数值以后，开始下次控制命令的执行；同时，为了保证系统运行的稳定性，采用了客户端收到命令后，不止向主机端发送应答命令，且同时和其他客户端转发主控端的命令，这样即使一台主控端出现故障，系统照样能正常运转，如图1-2所示。

图1 系统控制的拓扑结构图

图2 系统控制的效果图

3.1 分组控制

可以把不同地理位置和要求的终端分成若干设备组，对不同设备组采用不同的定时控制方案。

3.2 运行模式

（1）手动模式：可以在固定表演时间外开启激光表演，当结束后自动转回自动控制模式。

（2）自动模式：根据设定的日期，时段进行全自动表演，自动开机，自动关机，无需要人工参与。

3.3 控制模式

通过无线网桥或者光纤，网线，所有客户端及主控端的网络设置进入总控局域网，总控室主控电脑通过研发的控制系统对整个系统进行远程控制。

4 全自动表演中的故障处理

运行状态采集功能：主要是对各回路及总电源的电流、电压及控制柜内的温湿度态进行实时监测[3]，由总控点监测软件对所有回路采集的数据进行分析，为每一回路运行状态做出判断，对非正常状态的变化(即故障状态)进行预警和报警。

5 工程样例

2014年上海北外滩激光亮化工程是本单位研制的自动化激光演示系统及节能降耗的实际案例。

5.1 工程要求

为迎接2014年上海亚信峰会及亮化黄浦江两岸。在上海建工大厦，国际港务大厦，外滩茂悦大酒店，金岸大厦顶部安装四台全天候户外激光器[4]。主控点设置在国际港务大厦，具体4个安装地点在下图红色圈中处，如图3所示。

图3 户外激光器地点安放位置图

5.1.1 激光表演系统构成

（1）激光主控系统

①研华工控机一套

②激光设备内部局域网

③激光表演系统网络控制软件

1）表演实时控制

2）表演同步控制

3）表演定时控制

4）表演远程控制

5）全自动表演控制

6）设备状态监控

7）温度湿度监控

8）设备错误报警

（2）无线通信系统

1）5.8G电信级无线网桥Doublecom DB6000ANST-H,4台

2）防水胶套装（3泥1带）

（3）激光器系统

1）激光器及激光电源

2）激光高速扫描振镜

3）带恒温系统的全天候户外机柜

5.2 激光表演系统控制整体示意图，如图4。及带温湿度控制的户外机柜，如图5与图6。

图4 激光表演系统控制整体示意图

图5 带温湿度控制的户外机柜

图6 带温湿度控制的户外机柜平面图

各模块功能阐述：

a.研华工控机根据前期设置好的时间自动启动激光系统，并启动激光总控软件，通过无线系统发命令控制各个终端。

b.MOXA-E1214网络继电器控制各终端设备的电源，并接入各点MOXA205A工业非网管型以太网交换机组成终端局域网。

c.MOXA-NPort5130网络转串口通信读取机柜内部温湿度，并控制机柜的温湿度系统，使设备一直保持在最佳的工作温度。

d.QM2000_net板卡控制激光器振镜系统进行光束的输出驱动节目的表演。

5.3 主控端控制示意图，如图7。

图7 主控端控制示意图

5.4 各终端控制示意图，如图8。

图8 各终端控制示意图

5.5 主控端控制软件示意图，如图9所示。

图9 主控端控制软件示意图

（1）主控端控制软件界面及分项功能

a.根据设置的时间自动开启激光系统。

b.根据设定好的时段及节目号自动表演。

（2）主控端控制软件终端控制界面，如下图10所示。

图10 主控端控制软件终端控制界面

a.设置主控端通讯协议及本地IP地址及端口

b．设置主控端发送命令的次数。

c.设置需要受控的终端的IP地址及端口。

（3）主控端控制软件外控设置界面，如下图11。

图11 主控端控制软件外控设置界面

a.设置各外控终端的通讯协议。

b.设置本机IP地址端口并设置受那台控制。

c.设置需要受控终端的串口协议以控制机柜的温湿度系统，并读取各机柜的温湿度，以采取相应措施。

（4）主控端控制软件表演设置界面，如下图12。

图12 主控端控制软件表演设置界面

a.设置各受控终端激光系统的表演方式是自动还是手动。

b.设置受控终端的激光系统的表演日期及表演场次。

c.在已经设定好的日期，场次的情况设置各表演场次时长，及表演开始结束时间及表演的节目号，不表演时自动关机，等待下一时段再运行系统。达到节能降耗的作用。

5.6 光路效果及实际场景图

激光器根据激光表演软件发出的命令射出单束激光，然后激光光束通过高反射率的1，2反射镜片进入3大角度高速扫描振镜，振镜系统开始高透射率涂膜玻璃表演编辑的好的激光节目，如下图13及效果展示图14、图15所示。

图13 光路示意图

图14 现场激光演示效果

6 结论

通过前期的技术研究攻关及各方的大力支持，在亚迅峰会召开前一个星期圆满完成任务，为上海黄浦江两岸的亮化工程贡献了绵薄之力，并为国内激光表演系统的全自动无人值守和节能降耗提供可行之路。

图15 现场激光演示效果