舞臺電腦燈控制系統中無線傳感網絡的應用

浙江大豐實業股份有限公司 浙江余姚 315400

摘要：在各種不同類型的娛樂設備中，燈光設備占據的地位是十分重要的，在眾多燈光設備中，電腦燈發揮著積極重要的作用。電腦燈是由單片機控制的，其特點是色彩變化多樣，能夠隨意的控制動作，所以在舞臺、電視演播廳和歌舞廳等場所得到廣泛應用。電腦燈在大眾娛樂設備中已經成為必不可少的組成部分。本文分析了無線傳感網絡在舞臺電腦燈控制系統中的應用。

關鍵詞：舞臺；電腦燈控制系統；無線傳感

引言

舞臺燈光是演出中的重要組成部分，對于演出的是否完美有著決定性的因素。隨著信息技術的進步，人們對舞臺燈光的效果要求也比較高，舞臺燈光信號最初的傳輸方式是借助雙絞線進行的，如果傳輸距離比較遠或者情況比較特殊的場合，會對于舞臺燈光的布線有著很高的要求，本文主要通過對舞臺電腦燈控制系統中的無線傳感網絡進行應用分析。

一、舞臺電腦燈控制系統的發展

舞臺電腦燈為演出提供優質的舞臺燈光是提升舞臺質量的重要方式之一。舞臺電腦燈就是為了烘托現場氛圍，就利用點擊控制的筒子燈來制造顏色可以變化和擺動的光束，這種筒子燈就是電腦燈最初的原型。上個世紀九十年代初，才出現真正意義上的電腦燈，但是因為技術的限制，那時候的電腦燈的結構比較簡單，多采用模擬技術控制，體積比較大，電腦燈的功率卻比較小，功能也比較少。有些場景里的攝像機照度要求比較高，這種裝置的電腦燈很難達到理想的效果。進入數字化時代后，照明度對于攝像機的影響大大降低了，這對于電腦燈的發展十分有利。融合了光學、機械、電子、電氣及計算機控制等綜合現代技術，在電腦燈中的應用，使電腦燈的控制技術取得了革命性的進步，電腦燈的設備不僅可以控制燈光的亮度、光束的方向，也可以控制光斑的移動速度，而且電腦燈的可靠性、穩定性等功能越來越高，光束的色彩更加絢麗、飽和度也比較高、攝像機更容易拍攝到。

電腦燈的應用規模也從最初的十幾臺，發展到如今的使用上百臺組成的燈光系統，例如近幾年的央視春晚使用的各類電腦燈已經達到了上千臺。現在市面上的電腦燈按結構形式可以分為掃描式和搖頭式。掃描式的電腦燈的照明方式主要依靠燈頭上的反射鏡的翻轉改變照明的位置，這種裝置的缺點是不能實現全范圍的照明，反射鏡轉動角度的限制比較大。搖頭式的電腦燈是借助燈頭的轉動實現照明位置的移動，可以360度的照明，是現階段舞臺電腦燈的主流應用。電腦燈的智能化主要體現在控制系統中運用了各種先進的微控制器和控制算法，可以接收和處理各種類型傳感器以及參數，從而實現自動控制、自動顯示的目的，以及及時生成系統運行狀態和參數的報告。可以預測的是，未來電腦燈的發展趨勢特點是多功能化、智能化、網絡化、節能化等。

二、無線傳感網絡在舞臺電腦燈控制系統的結構

現階段的舞臺電腦燈十分先進，除了最基本的照明功能，還在舞臺演出中發揮著定位、頻閃、追光、圖案及顏色變換等功能。先進的舞臺照明以及多樣化的演藝技術，對于舞臺電腦燈提出智能化和自動化的需求。想要實現這些功能的需求，電腦燈控制系統的應用就應該集合光學、機械學、信息科學等各種學科的技術。本文介紹的電腦燈控制系統的結構包括電路系統、光學系統、機械系統這三大部分，電路系統是整個電腦控制系統中的控制單元，電腦燈控制系統的實現單元包括光學系統和機械系統，三者共同作用才能完成電腦燈的各項功能，以下對三大系統進行簡述。

1.電路系統。電路系統是電腦燈控制系統中的控制部分，主要負責電腦燈系統中控制信號的解碼、傳輸、狀態監控等方面的功能。步進電機的配備系統可以帶動燈頭、快門、圖案盤等運動部件的操作，以實現電腦燈控制系統的燈頭轉動、定位、快門開合、圖像變換等功能。電路系統的另一個功能就是為步進電機提供驅動，這是因為啟動和運轉奠基需要很大的電流，帶動各運動部件實現各種系統功能。電路系統的第三個系統就是顯示電腦燈的運行狀態以及監控，以便電腦燈在運作過程中某參數及狀態異常時進行調整或者報警，確保電腦燈的工作狀態正常。

2.光學系統。光學系統可以直接決定電腦燈真的照明效果，屬于電腦燈的輸出部分，輸出光是光學系統最基本的任務，現階段比較先進的光源系統是RGB激光器。電腦燈在現在舞臺表中除了發揮最基本的照明功能外，還有紅烘托現場氛圍的效果，能夠給觀眾帶來心臨其境的感官享受。例如，電腦燈快門的迅速開合可以實處瞬間的閃光，實現模擬閃電的效果。木有經過處理的光源是無法實現這種燈光效果，滿足舞臺表演需求的，實現光源系統的換色、頻閃、亮度調節等功能，需要光源系統在輸出光的過程中對光進行一定的處理，這就是光學系統中的后期處理功能。激光光源具有單色性的特點，實現顏色換色時不能用換色板，只能使用調節激光輸出器的光強來實現顏色的變化，借助光學渾束系統把三束激光合成一束輸出。對于激光光源中激光器的驅動設置，應該給予重視，尤其是激光器電源模塊的選擇應該適配。

3.機械系統。機械系統的主要功能就是帶動燈頭移動、轉動、透鏡、圖片等部件運動，以實現預期的舞臺燈光效果。機械系統可以移動舞臺燈的燈頭，實現追光、移動燈光、頻閃、變焦、圖案變換以及指定照明位置等作用。

三、舞臺電腦燈控制系統中的無線傳感網絡的應用

無線網絡傳感器在舞臺電腦燈中的應用主要體現在無線數據的通信程序流程中的數據傳遞。主站上的無線數據通信流程是：首先給系統裝置通電，啟動輸入輸出狀態的配置以及串口、SPI接口、NRF24L01寄存器、無線傳輸數據格式設置的初始化，通信開始后進入正常工作模式。當主發射模塊出現DMX512數據包起始標志時，也應該把NRF24L01設置成發射模式，例如設置數據發射和接收節點的地址，使系統可以自動應答通訊數據的傳輸，配置適當的自動重發次數、通信頻率、發射參數等，并且根據數據的傳輸通道計算出有效的數據傳輸寬度，然后對NRF24L01的基本參數進行設置，并且換工作模式，進行數據發射、啟動的設置，完成數據發射后，系統會自動的轉入接收模式接收應答信號。分站程序的數據傳輸流程：分站程序流程與主站有很多相似的地方，首先應該設置NRF24L01的發射節點地址和接收節點地址，開啟發射模式，使系統實現數據傳輸的自動應答，同時對于數據傳輸夫人自動重發次數、通信頻率、發射參數等進行合理的配置，選擇數據信息傳輸通道0后，計算出有效數據的傳輸寬度，然后啟動數據發送設置，數據信息發射完成后，系統會自動轉入信號接收模式接收應答信號。當數據信息接收完成后，單片機裝置恢復總線信號時可以通過緩存接收的數據信息、串口模擬DMX512時序完成信號的無線傳輸。

電腦燈控制系統主要功能模塊的實現。電腦燈控制系統中的各個模塊的功能和實現方法都是不同的。以下主要介紹電腦燈的主要執行元件——步進電機。步進電機的工作原理就是通過調節脈沖的寬度獲取所需的波形。步進電機的工作方式有兩種，包括整步方式和半步方式，以1.8°步進角度的混合式步進電機為例，整步方式的工作過程中，每旋轉1.8°就是步進電機接收一個脈沖，旋轉一周就可以接收200個脈沖，半步工作方式下的步進電機每旋轉0.9°就接收一個脈沖，旋轉一周則需要400個脈沖。步進電機的控制需要注意的是輸入脈沖時應該按照一定的時序進行。電腦燈各種顏色的生成主要是利用減法混合顏色生成的，通過反光杯匯聚的電腦燈光源形成光束，光束在濾光片的作用下形成了不同的顏色。

總結

綜上所述，無線傳感網絡在電腦燈控制系統中的應用主要優勢有，布線結構簡單、電路建構簡潔、所用的外圍器比較少、成本比較低等特點。無線傳感網絡系統可以在復雜的室內環境中，把有線信號轉變為無線輸出和接收，有效的實現了控制舞臺電腦燈系統的效果，具有很廣泛的應用趨勢，前景不可估量。

參考文獻：

[1]楊帥.舞臺燈光控制系統的設計與研究[D].中北大學，2013.

[2]張雷，徐大可.無線傳感網絡在預裝式智能變電站中的應用設計[A].安徽省電機工程學會.第二十屆華東六省一市電機工程（電力）學會輸配電技術討論會論文集[C].安徽省電機工程學會：，2012：9.

[3]王振玲.基于ZigBee無線傳感器網絡的監控系統的設計與實現[D].河南師范大學，2012.

基金項目：本文得到國家科技支撐計劃項目課題“舞臺視覺呈現接口協議研究與應用”（課題編號：2012BAH38F02-04）資助。