基于传感网的智能舞台灯光控制系统

宋琦侠

（中国国家话剧院，北京 100055）

当前，随着我国文化文艺事业的发展，剧场演出、舞台表演及艺术比赛等活动层出不穷，活动内容精彩纷呈，为了配合活动内容，给观众带来优质的体验，应设计与之呼应的舞台灯光控制方案，来达到精彩的灯光运用效果。目前多数演出场所仍使用以Ethernet来达到灯光设计、变幻信息数据的输出，但应用Ethernet进行舞台灯光控制系统的设计存在着舞台灯光布线复杂、传输信息电缆型号的选择等问题，耗费成本较高，工程量较大。紫蜂技术可实现较短距离的数据传输，损耗能量较少，用于传输距离较短、传输速率缓慢的电子设备之间的数据信息交流，该技术应用难度较低，工程设计简便，且耗费成本不高，属于近程无线网络技术。紫蜂技术相比同类型网络传输技术而言具有操作简便、传输速率稳定和经济性较高等优点，具有较大的市场开拓空间，竞争力较强。

1 智能化舞台灯光控制系统设计原则

舞台灯光系统设计是基于舞台演出的表演需求、音乐节奏、舞蹈情景等进行设定，目的在于配合演出为观众呈现更好的效果，将灯光控制需求以控制设备按照系统工程进行设计，使灯光呈现效果贴合艺术表演，创造更好的氛围。而舞台灯光设计原则需遵循以下几点：第一，设置完整的舞台灯光操控与设计空间，供给灯具的排列，满足舞台演出需求；第二，保障该灯光控制系统的稳定运行；第三，该系统应独立运行，不可受到外来干扰，并提高该系统的安全性；第四，应用绿色节能的新型灯光道具，将其纳入智能化舞台灯光控制系统设计方案；第五，应用紫蜂技术实现舞台灯具与控制面板的信息数据传递。

2 智能化舞台灯光控制系统设计说明

舞台灯光灯位布置从上而下照射的灯光、区域灯光构成排列，能够根据舞台场所面积、分布位置进行灵活调整。

可进行顶光系统设计配置，顶光照明能够给予舞台更好的演出效果，同时弱化人物脸部线条，使演员脸型更加流畅。顶光配置中使用的灯具应以提高透光性为目的，可应用进口灯具，相比国产灯具的透光率提高了150%。选择设计独特、外形优美的遮光叶，保障其应用于舞台灯光遮光中的位置合理。配置灯具分布如下：舞台顶端共陈列38只灯具。每道顶光分别用不同数目的灯具，其中，舞台灯光系统的报价清单列表一般包括LED数字变焦聚光灯、LED数字平板柔光灯、LED室内染色灯3种，所需数量分别为16只、6只、16只。此外，舞台灯光系统中包含的灯具、型号、数量等见表1，其他所需灯具的型号见表2。

表1 舞台灯光系统主要应用灯具清单

表2 舞台灯光系统使用灯具清单

3 智能化舞台灯光控制系统总体架构

该控制系统将无线传感器接入点镶嵌入灯具中，并应用软件程序达到定时目的，也可人工调节不同灯具的明暗程度，来达到智能化灯光控制的目标，实现不同层次设计的舞台灯光效果。智能化灯光明暗调控系统能够解决现场灯光布线复杂、杂乱的问题，也可将该系统应用于摄影场地、景区景观展览等。智能化调控系统需要使用个人计算机控制舞台区域内布置的任意灯具，可实现单个控制，还可检测灯具的明暗程度及参数信息。个人计算机接入点为节点路由器，通过串行端口与个人计算机应用的软件程序进行信息交换。每一个单独的网络或一个子网均拥有端与端路径范围进程接入点，这些决定端与端路径范围接入点与个人计算机接入点进行无线通信。此外，决定端与端路径范围进程接入点与同一单独网络或子网中的其他与计算机系统相连的输入输出设备的接入点进行无线通信。每个与计算机系统相连的输入输出设备的接入点最多能够与3个灯具相连接，通过CPU和外围电路，能够对接入点的3个灯具进行逐一性能测试与控制。

4 智能化舞台灯光控制系统硬件设计

硬件系统的设计主要是针对灯具明暗度的控制与基于传感器的亮度采集系统电路设计灯的明暗度控制，主要利用MC13213芯片的通用输入输出端口管脚控制SCR从而控制灯具的导通角度。亮度采集系统利用MC13213芯片的模拟数字转换器管脚需要将交流电转换为MC13213芯片可处理的变量在一定范围内连续变化的量。在利用SCR控制通导角度进行灯具明暗度控制的过程中，利用调整波的相位技术，需要检测在指定时间范围内，改变晶闸管导通的周波数控制功率的信号。过零检测是指交流系统中，当波形从正半周向负半周转换时，经过零位时，系统对其进行的检测，在本文所分析的舞台灯光控制系统硬件中可理解为给予MC13213一个参考标准，该标准的起点为对交流过零型固态继电器，输入端加入额定电压，能使继电器输出端导通最大起始电压。SCR在周期内由晶闸管控制其导通的角度的大小应参考该额定电压的数值标准。在控制灯光的明暗程度过程中，不同的明暗程度均与周期内由晶闸管控制其导通的角度相对应，而每个周期内由晶闸管控制其导通的角度的阀或臂呈现低电阻流过正向电流的状态时长是从对交流过零型固态继电器，输入端加入额定电压进行计算的，阀或臂呈现低电阻流过正向电流的状态的持续时长不一样，周期内由晶闸管控制其导通的角度大小就不一样，因此灯光的明暗程度才能得到相应控制。

灯光的明暗程度采集的部分应用某市的电子有限责任公司的交流电压传感器。此交流电压传感器输入为0~220 AC，输出为0~7 VDC，需要10 VDC进行供电。因此，结合交流电压传感器的各项参数可将接入灯光灯具的交流电转化为0~7 V的计算机控制系统输出的模拟量，另外接入0~7 V转化为0~2.5 V的电路即可完成。

5 智能化舞台灯光控制系统软件设计

5.1 底端软件设计

底端软件设计需要根据预留的软件接口配置支持应用层中程序运行的框架参数，对于单一无线接入点而言需要根据舞台控制系统的灯光呈现需求，将与计算机系统连接的输入输出设备接入点的芯片与管脚配置为模拟数字转换器功能用于检测舞台区域内灯具的明暗程度，管脚配置为通用输入输出端口的输出功能来进行舞台区域内灯具的明暗程度控制，默认输出最低电压。为其赋予通用输入输出端口的输出功能用于控制或设定指示灯的亮起或熄灭的指令是否能够照样下达并依照命令进行运作，默认输出最低电压。另一管脚的配置为通用型输入输出模式的功能，可用于交流系统中，当波形从正半周向负半周转换时，经过零位时，系统对其进行检测，用作频率检测。节点路由器与同计算机系统相连的输入输出设备节点的串行端口每秒内能够传输的波特位数配置为9 500。

本文分析的控制网络分为3个单独的网络或者子网，分别有5、8、12个与计算机系统相连的输入输出设备节点，每个单独的网络或者子网都拥有1个路由器节点。路由器节点和与计算机系统相连的输入输出设备节点拥有与之相对应的单独的地址。应用层中程序运行的框架层参数配置信息在每一次单独设定中都输入了MC13213规定的存储器的芯片单位中，来帮助连接点接入电源后能够按照最后一次指令来进行工作，控制灯光。

5.2 高端配置与测试软件设计

该测试软件主要由3个部分组成：舞台灯光分布、舞台灯光参数设置和灯光明暗程度控制。

舞台灯光分布是指根据舞台演出内容，结合实际情况，为所应用的灯具配置与该灯具参数、性能相对应的子灯，并结合舞台演出需求对其进行明暗度的调节。舞台灯具的控制编辑信息包括行、部分组成、组、灯具和子灯5个部分，以上5个部分的控制能够决定一段舞台区域的灯具设置是否合格。在数字设置过程中，控制者可任意修改段、区域、组、灯或者子灯的名称，并进行适当的增加或删减。

主控制界面能够为智能化舞台灯光控制系统提供的功能如下：控制者选择舞台区域内一定面积的灯具进行测试时，可选择到段、区域、组、灯或者子灯；操作控制面板者可选择测试舞台区域内所有子灯的连接情况；可调整舞台区域内每只灯具与其子灯所连接子灯的明暗程度、亮灯的起始时间与熄灭时间；对于舞台区域内子灯的控制包括可设定某时间段内亮灯、实时对子灯的亮灯情况进行控制，前者可在子灯亮起时间段的起始时间与熄灭时间内进行控制，到达指定时间点后子灯自动熄灭，后者的命令可立即执行，决定子灯亮起或熄灭。

6 结束语

综上所述，本文主要阐述基于传感网的智能舞台灯光控制系统方案的设计，首先分析控制系统的实际情况与所需达到的舞台效果，得到单个连接点的管脚所具备的功能，并分析该连接点应有的管脚功能加以完善，适配相应的网络连接点地址，之后从硬件环境搭建和软件基础配置、高端配置测试、软件选择与定制3个方面，来完成灯光调整、变幻的控制系统的设计，达到舞台演出应呈现的缤纷效果。连接点硬件方面，设计出应用SCR进行灯光明暗度调控的电路，例如SCR电路。底端软件需要根据支持应用层中程序运行的框架层参数进行配置与选择。最后，通过综合灯具的信息编辑与配置和赋予指令的主控制页面通过串行端口传递数据信息或发送命令到节点路由器，节点路由器依靠紫蜂技术与计算机相连的输入输出设备进行信息交流，来达到灯光明暗度转换的目的。