景观照明调光控制概述

2024-01-09夏军

照明工程学报 2023年6期

夏军

(龙华区市政园林服务中心，广东深圳 518109)

引言

随着LED灯具的普遍应用，各地的灯光夜景越来越美丽。园林和桥梁变幻着颜色、图案，楼宇立面上呈现着各种图像、文字。灯光还经常和喷泉、焰火、烟雾等按不同的时序相结合，就像一台大型的舞台演出。如何让光色发生变化？如何让灯具和其他设备按时序运行？这些都离不开控制。越是设备种类繁多或越是多场景、多模式的景观照明，所用的控制部分越复杂。笔者在《景观照明开关控制概述》一文中阐述了开关控制的概况。本文主要阐述调光控制的概况。文章先介绍灯具的调光原理，再从调光控制信号的源头——灯光效果设计文件开始，依次分部阐述调光控制信号是如何产生、如何传输、如何在灯具上发挥作用，并根据实际使用经验，提出应用建议。

1 景观照明自动控制分类

根据《LED夜景照明应用技术要求》(GB/T 39237—2020)规定[1]，如图1所示，LED夜景照明控制系统控制类别主要分为两种：开关、调光[2]。

图1 LED夜景照明控制系统分类[2]Fig.1 Classification of LED night scene lighting control system

开关控制是通过控制电路的通断来控制灯光的开与关，如对220 V的配电回路进行开关控制，即控制灯具等设备是否能获得220 V供电。调光控制就是通过在电脑、控制器(包括主控器、分控器)、灯具的驱动芯片等设备之间传输灯光控制信号，调节LED电压、电流的大小或脉宽工作比，从而控制LED灯具里红、绿、蓝光色的光强，形成光色变幻的效果。以上可以简单理解为：景观照明开关控制部分决定着连在各配电回路的灯具是否亮灯；调光控制部分通过控制LED灯具发光的颜色或光强，决定着各个LED灯具怎么亮。

以下本文仅对景观照明的调光控制部分进行探讨。

2 灯具

2.1 LED调光原理

通常所说的LED是指发光二极管。在LED的两侧施加正向电压，它就能发光。当组成PN结的材料不同时，LED发出光的颜色也不同。如果用PN结发出的蓝光或紫外光照射荧光粉，就能激发出白光。根据三原色的原理，如果把分别发红、绿、蓝光的三个二极管放在一起，调节这三种颜色光的光强比值，就能组合得到各种颜色的光。那么如何调节这三种颜色光的光强呢？从原理上说主要有两种方法：调节电流和PWM调光。

2.1.1 调节电流

一般来说，改变流经LED的电流大小，可以改变LED的光强。比如在用红、绿、蓝三原色组成的混光中，如果调大流经发红光的二极管的电流，红光光强就变大，此时红光比例增加，混光整体就偏红。利用这种方法，也可以得到偏绿、偏蓝的混光。但是这样做存在一些问题。其中一个主要问题是电流变化时，二极管发光的色彩(或波长)会有所偏移。而人眼对色彩的偏移感觉灵敏，因此调节电流可以调节光强，但不适宜调节光色。

2.1.2 PWM调光

向LED施加正向脉冲电流，可以实现快速开关。它的开关速度可以达到微秒的级别。当LED开关变换速度足够快时，我们的眼睛无法分辨它发出的光在闪烁。控制周期时间内脉冲的宽度，就可以控制LED开和关的时间比例。将发某种光色的LED开和关的时间比例划分为若干等级，这种光色就可以显示出若干个灰度。用这种方法组合发不同灰度等级的红、绿、蓝光，就可以得到几乎任意颜色的光。

例如控制发某种颜色光的LED开和关的时间比例，可以将此LED发光的灰度划分为256个等级。组合不同灰度等级的红、绿、蓝三色，就可以得到红(256级)×绿(256级)×蓝(256级)=16 777 216种颜色。

这种利用脉宽调制进行调光的方法就是PWM调光法，也是目前应用最广泛的调光方法。

2.2 驱动电源和驱动芯片

驱动电源和驱动芯片是实现LED调光的必须要素。

2.2.1 驱动电源

单个LED正向导通电压通常为直流2～3 V。它能适应的电压和电流变动范围十分狭窄，必须要设计复杂的驱动电源，将220 V交流电转变成低压的直流电，使LED在特定电压或电流状态下最高效的工作。根据灯具的功率不同，一个驱动电源可以连接一个或多个灯具。

2.2.2 驱动芯片

灯具里驱动芯片的功能就是将驱动电源输出的电流按一定的方式分配到各个LED上。对于具有PWM调光功能的驱动芯片来说，就是要解码控制信号，并根据控制信号来调制流经各个LED的电流脉宽。根据控制信号的来源，驱动芯片的调光控制方式分为两类：内控和外控。

内控方式是指灯具出厂前驱动芯片内已预置灯光效果变化程序。它不受外部设备的控制。装有这样芯片的灯具通电后，就立即按程序变化光色。因为内控方式不能随意更改变化的效果，有些内控灯具还存在彼此之间难以长时间保持同步变化的问题，所以应用较少。

外控方式是指驱动芯片在输入端接收外部设备的灯光控制信号，经解码后在输出端驱动LED发光。因为外控方式可以较为方便的改变灯光效果，所以应用广泛。

一般情况下，每个需要变色的灯具里都有调光的驱动芯片。如果我们把一个或n个同种颜色的LED算作一个通道，那么一个变色的灯具里就有多个通道，而驱动芯片就要对多个通道LED进行调光。

采用外控方式调光的灯具，它接受的灯光控制信号是由调光控制系统将灯光效果设计文件按照某种协议(规则)转变为灯光控制信号后传送而来。调光控制系统主要由电脑(工控机)、信号线、控制器、控制协议等组成。下面从灯光控制信号的源头——灯光效果设计文件开始阐述。

3 灯光效果设计文件

景观照明灯具调光呈现出来的夜景效果应该和设计师设计的效果一致。设计师利用电脑设计软件(如AfterEffects或Photoshop)制作出视频、图片等灯光效果设计文件。灯光效果设计文件通过电脑(工控机)传输给控制器，再传输给灯具进行调光。注意电脑设计软件制作出来的视频、图片等文件格式(如MP4、JPG等)不能直接被控制器读取。控制器厂家通常都会提供各自的转换软件。设计人员只有在电脑上将视频、图片文件导入到转换软件后，控制器才可以读取转换后的灯光效果设计文件。

在制作大厦外墙灯光演示的视频、图片前，设计人员应先拿到大厦布灯的点位图，根据点位图的长宽比，来制作相同长宽比的视频、图片文件。如果需要在多栋建筑上整体呈现一个灯光联动画面，就需先按照多栋建筑布灯点位图制作好整体视频或图片，再将其按照各个建筑布灯点位图的长宽比进行分割并分别传送到各个建筑的调光控制系统里。每个建筑上的调光控制系统只播放为它分割好的那部分文件。

4 调光控制系统

电脑(工控机)将灯光效果设计文件转换并传输给控制器后，控制器将其按照某种协议转换成灯光控制信号(协议指令)进行发送，通过信号线传输至灯具。协议有很多种，如DMX512、RDM、ArtNET、KiNET等[3]。只有把采用同种协议通讯的控制器、灯具通过协议规定的信号线连在一起，协议指令才能被顺利传输和被执行。

以下以目前景观照明用得最多的是DMX512协议为例，说明调光控制系统的工作情况。图2为DMX512协议控制系统的结构框图。

图2 DMX512协议控制系统的结构框图Fig.2 Structure block diagram of DMX512 protocol control system

4.1 DMX512协议

DMX512协议是景观照明调光控制中用得较广泛的一种协议[4]。在它的发展历程中，存在不同版本，比如DMX512—1990协议、DMX512-A协议等。其中DMX512-A协议是中华人民共和国文化行业标准(WH/T 32—2008)[5]。下面主要从地址码和数据包这两点来阐述DMX512协议的控制原理。

4.1.1 地址码

在DMX512协议控制系统中的每个灯具都需要被赋予一个地址起始码。如果一个灯具需要变化光色或具有多个功能，它就需要有多个通道来分别受控。灯具的每个通道也有相应的地址码。地址码是用于DMX512控制信号的寻址，以保证灯具只对属于“自己的”控制信号产生反应。比如一个灯具有3个通道，此灯具被赋予地址起始码004，则它的通道地址码就分别为004、005、006。下一个灯具地址起始码应被赋为007。

不同厂家灯具地址起始码的设定方式不同，有的是施工人员通过灯具上的手动按钮或者用配套的写码器给灯具设定地址起始码。有的是在所有灯具和控制器接好线后，施工人员通过主控软件自动写地址起始码。

4.1.2 数据包

DMX512协议规定每个数据包最多含512帧数据，而每帧数据只控制那个地址码与帧序号相同的通道，因此控制器每个输出端口最多控制512个通道。

控制器每个输出端口发出的每一个数据包都包含了连接此端口的所有通道的数据。即使通道数据不变化，数据包里数据也必须按次序不停发送。如果控制器某个输出端口连接有512个通道，每发送完一次数据包的时间大约是23 ms，则每秒每通道数据可刷新44次[6]。如果实际通道数少于512个，那么刷新频率就将相应提高。例如对一只1 m长的全彩LED数码管来说，内含红、绿、蓝三种颜色的LED颗粒，每种颜色48粒。三色共计144粒LED颗粒。如果每6个同色颗粒占一个通道，那么这个数码管就占用了3×(48/6)=24个通道，因为控制器的一个输出端口最多能控制512个通道，所以此端口最多能控制21根1 m长全彩LED数码管。此端口每秒钟对所有21×24=504个通道完成44次控制，即刷新频率44 Hz，完全满足人眼要求。

4.2 DMX512信号线

DMX512信号线为一对双绞线。主控器与分控器、分控器与灯具之间都是用这种信号线相连。为保证信号传输质量和预防电源质量问题造成相关模块的损坏，有时还需增加一根作为信号地线。

灯具接线分为信号线输入端和输出端、电源线输入端和输出端。上一个灯具的输出线和下一个灯具的输入线按类别各自相连。为便于施工，有的厂家将信号线(含信号地线)和灯具电源线合并成五芯线，作为灯具的输入线和输出线。第一个灯具的输入端信号线和电源线要从五芯线中分别引出，信号线要接到控制器的信号输出端，信号地线要接入控制器的信号地输出端，电源线要接到驱动电源的输出端。在最后一个灯具的输出端，信号线上要安装DMX终端器(即120 Ω，功率不小于0.25 W的电阻)。这样做的目的是为了避免信号到了末端原路返回，与后来的信号叠加，造成误码[6]。

4.3 DMX512控制器

DMX512控制器是把人们编辑好的视频、画面等灯光效果设计文件转变成DMX512控制信号(协议指令)并进行发送的设备。控制器一般有多个输出端口。控制器的输出端口可以直接连接、控制LED灯具等设备。对于需控制的回路较多的景观照明项目，则需要设置主控器和分控器。主控器通常安装在控制室或者场地的中央位置，控制多个分控器，并且可以设置灯光的亮度、颜色、运动等参数。分控器是主控器的下级设备，通常安装在场地的各个角落或者需要控制的灯光设备附近。主控器和分控器也是通过DMX512信号线相连，分控器可以接收主控器发送的DMX512协议指令，并且根据指令控制相应的灯光设备。

控制器获取灯光效果设计文件的方式有以下三种：第一种是控制器本身已存储了多种灯光变化的程序，现场操作人员可以通过控制器的显示屏和按键对程序进行简单编辑和选择播放；第二种为控制器自带插卡接口，可读取SD等存储卡内的灯光效果设计文件；第三是在输入端口通过网线、USB线等与电脑(工控机)联机，接收电脑(工控机)里编辑好的灯光效果设计文件。

部分厂家的控制器具备以上三种功能，且设置了不同的优先级。比如同时连接电脑和插入存储卡时，优先播放电脑里文件。

5 思考和建议

(1)大厦外墙的景观照明经常会采用媒体立面的做法，这样令整个外墙仿佛一个大的显示屏。对于外墙为玻璃幕墙的建筑来说，灯具通常安装在玻璃幕墙的龙骨上。这种情况下灯具的排间距或列间距较大，因此视频文件是否采用高精度并不会影响建筑外墙的表现效果，而且高精度视频文件较大，往往会造成电脑渲染太慢，也不便于文件远程传输。建议视频文件在渲染和压缩时采用中等精度，文件格式采用MP4或MOV即可。

(2)对于单个园林、桥梁、建筑等景观照明项目，用户一般不需频繁改变灯光效果，或是技术人员容易抵达现场更换灯光效果设计文件。此时应优先采用自带灯光变化效果程序或从SD等存储卡中读取灯光效果设计文件的控制器。原因是这样的控制器具有布线简单、维护方便的优点。它可以随时被断电。一旦恢复供电，控制器就会自动按预设好的效果驱动灯具运作。

(3)对于建筑群等需要联动的景观照明项目，用户一般需要经常改变效果，或是技术人员难以抵达现场更换灯光效果设计文件。此时应采用与电脑(工控机)联机的控制器，并在大厦现场设置电脑(工控机)。此电脑(工控机)可以与远距离的控制中心网络连接，并接收控制中心传来的灯光效果设计文件和控制指令。要注意因为现场电脑(工控机)不宜被强行断电，所以应该给电脑(工控机)提供24 h不间断电源。

图3为建筑群景观照明控制系统结构框图。