LED景觀照明系統設計與實現*

張玉杰，周潔，邱金妮

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

LED景觀照明系統設計與實現*

張玉杰*，周潔，邱金妮

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

針對大型景觀照明系統存在的燈光效果單調、設備管理功能不完善、系統擴展不便等問題，設計了一種LED景觀照明系統，該系統使用分布式系統結構，上層采用Art-Net協議通過以太網實現監控中心到控制器的控制，下層采用RDM協議通過RDM總線實現控制器到調光器的控制;系統可實現花樣調光、設備搜索、參數設置、信息獲取以及故障分析等功能，并對該系統性能進行了測試，測試結果表明該系統易于擴展，便于管理、維護，能夠滿足實際工程應用需求。

RDM協議;Art-Net協議;景觀照明;設備管理與控制

城市景觀照明對于提升城市藝術形象具有重要作用，隨著城市建設水平的不斷發展，城市景觀照明在照明區域、照明設備數量、花樣效果等方面要求越來越高。因此在保證豐富的花樣效果前提下，如何高效地對設備進行管理和控制成為亟待解決的問題。目前，在景觀照明系統中，DMX512(Digital Multiple X，多路數字傳輸)協議以其便捷的傳輸方式，簡單的總線結構被廣泛應用，但其數據只能單向傳輸［1］，無法對燈具及設備進行有效管理，系統兼容性較差。

美國國家標準學會在DMX512-A的基礎上制定了RDM(Remote Device Management)協議，在不改變DMX512總線結構基礎上，實現設備的遠程管理功能［2］，提高了設備管理效率。

隨著網絡技術的成熟，采用網絡技術實現燈光控制被提到議程，由Artistic License開發的Art-Net協議是目前使用最廣泛的網絡燈光控制協議之一，該協議遵循OSI模型，以TCP/IP網絡協議為基礎，以以太網作為傳輸介質，傳輸層采用UDP傳輸方式，利用網絡技術來傳送數據，使系統易于擴展與互聯［6-8］。

本文通過將RDM總線與以太網連接，實現Art -Net協議與RDM協議結合，用于提高系統數據傳輸速率，簡化通信過程，使系統具有更大擴展性，更加高效的對燈光效果進行設置，同時雙向數據傳輸使監控中心能夠及時獲取設備和燈具信息，為系統維護和管理提供幫助。

1 系統總體設計方案

系統采用分布式系統結構，利用集中管理與分散控制相結合的方式，實現花樣調光、設備管理等功能。系統結構圖如圖1所示，由監控中心、控制器以及調光器3部分組成。其中監控中心與控制器之間采用Art-Net協議通過以太網通信;控制器與調光器之間采用RDM協議通過RDM總線通信。

系統以PC機作為監控中心，管理員通過操作PC端監控軟件即可實現設備的遠程管理。控制器通過以太網接收監控中心命令，根據命令要求執行操作并回復信息，將需傳送到調光器的數據重新封裝后發送至RDM總線，同時接收、解析或轉發調光器的應答消息。調光器通過RDM總線接收命令，執行操作并回復應答消息，實現花樣調光以及設備信息反饋等功能。

圖1 系統結構圖

系統上層使用的Art-Net協議可兼容DMX512和RDM協議，圖2為其協議層次圖，其中Art-Net主體部分包括Art-Net功能數據包和實現DMX512協議的數據包;RDM部分用于實現RDM命令; Video部分為視頻信息數據包［6-8］。控制數據通過Art-Net數據格式封裝后可通過以太網傳輸，其中DMX512數據主要傳送0～255等級的調光數據，而RDM數據較為復雜，為保證系統功能的實現，表1中列出了該系統傳送的RDM參數ID(PID)命令，通過這些命令的傳送，可實現遠程設備管理功能。

圖2 Art－Net協議層次圖

表1 系統實現的PID［2］

2 系統硬件設計

2.1 控制器

控制器作為Art-Net網絡控制節點既與上層監控PC相連，同時又兼作RDM控制網的主控器。控制器主要功能包括協議轉換，串口數據接收/發送，網絡端口數據接收/發送，數據處理、保存等，控制器的主控芯片要保證上下行數據的快速實時性和數據處理的有效性。

根據控制器的功能要求設計圖3所示硬件結構圖，其微控芯片采用STM公司的Cortex-M3處理器STM32F103RE，該處理器具有高達512 kbyte的閃存程序存儲器，64 kbyte的SRAM，5通道UART，2個I2C接口，具有睡眠、停機和待機模式，其低功耗、高性能的優點符合本系統的設計要求。

圖3 控制器硬件結構圖

控制器通過網絡接口模塊實現與以太網的信息交互，網絡接口芯片的雙絞線接口與網絡連接時，在二者之間放置網絡濾波變壓器，具有濾波、隔離的作用。串口電路則負責建立與調光器間的通信。

2.2 調光器

作為系統終端控制設備調光器與LED燈具連接，其主要功能是根據控制器發送的控制命令執行操作，實現燈光調節以及設備和燈具信息反饋等功能。

圖4為調光器硬件結構框圖，選用SONIX公司的8位高效率、低功耗芯片SN8F5708作為微控芯片。外圍電路包括串口電路、電源電路、LED指示電路、LED驅動電路以及數據采集電路等。

其中串口電路負責建立與控制器間的通信。數據采集電路是通過SN8F5708微控器的AD轉換通道獲取輸入電壓、LED的電流、電壓以及基板溫度等信息。LED指示電路則用于物理識別設備。

LED驅動控制芯片選用NCL30160，其滯后控制在負載瞬變和PWM調光時具有良好的電源抑制和快速反應，不需要控制回路補償，可調整LED電流，驅動電路支持可變占空比的PWM數字脈沖調光方式，當調光器接收到調光數據時，通過驅動器調節相應PWM輸出信號的占空比從而控制LED亮度。

圖4 調光器硬件結構框圖

3 系統軟件設計

3.1 監控中心軟件設計

系統采用圖形化編程語言LabVIEW編寫遠程管控軟件，具有直觀、可擴展、易維護等特點。監控中心功能框圖如圖5所示，主要包括設備搜索、設備監管、調光花樣設置等功能。設備搜索功能可以獲取網絡中控制器的IP地址以及控制器所連接調光器的特殊ID(UID)列表;設備監控功能可獲取設備的基本信息，如DMX起始地址、通道數等，用戶可根據需要對設備參數進行設置，也可對設備和燈具進行故障檢測并記錄故障，同時設備識別能將設備信息與實際設備對應起來，方便設備管理;用戶可選擇給定的花樣進行燈光調節，也可自定義調光花樣。

圖5 監控中心功能框架圖

3.2 控制器軟件設計

控制器采用層次化的軟件設計方法，把整個軟件分為3層:底層驅動層、協議層和應用層;底層驅動層完成和硬件相關的交互，協議層完成通信協議棧的設計，應用層則根據系統的功能要求定制功能。這種設計方法可以保證各程序模塊間的低耦合性和完整性，并且方便系統軟件的移植和應用層功能擴展［11-12］。

3.2.1 功能要求

根據控制器的設計要求，軟件部分主要實現的功能包括:①按照RDM協議的要求與RDM總線通信，包括向總線發送命令，接收、處理或存儲回復的應答消息;②按照Art-Net協議的要求與以太網通信，解析接收到的數據包，執行要求的操作并回復消息;③實現RDM總線與以太網數據交互，從以太網接收到數據包后進行解析，需發送到調光器的Art-Net數據包主要為ArtDmx和ArtRdm，圖6所示為數據包轉換格式圖，提取數據包中DMX512數據和RDM數據，重新封裝數據為DMX512或RDM數據幀格式，發送至總線;同時對總線接收的數據進行解析，解析后需發送到監控中心的數據封裝為Art-Net數據格式后，增加UDP報文格式發送至以太網［6-8］。

圖6 數據包轉換格式圖

3.2.2 任務劃分

根據系統功能的需求，將控制器的軟件劃分為以下任務:

(1)設備搜索任務:根據監控中心指令回復IP地址以及連接的調光器UID列表;

(2)信息查詢任務:根據監控中心指令回復信息或對連接的調光器信息進行查詢，并將調光器回復的信息發送給監控中心;

(3)參數設置任務:根據監控中心指令設置參數或對連接的調光器參數進行設置;

(4)調光數據發送任務:接收、解析、轉發監控中心發送的DMX512調光數據到RDM總線;

(5)輪詢搜索UID任務:定時搜索連接的調光器UID，并存儲回復的UID列表，以供監控中心搜索。

3.2.3 時序實現

RDM協議規定RDM命令的發送總是在DMX512數據發送的間隔完成，且控制器通信端口相鄰數據幀間隔的時序要求如表2所示［4-5］，因此在軟件實現時規定DMX512消息每次發送完整的512 frame數據，這樣DMX512數據包的發送時間大約為23 ms。

表2 控制器通信端口相鄰數據幀間隔

根據協議規定總結出圖7所示間隔時序，通過合理的程序結構設計對數據命令幀的發送進行調度，實現發送RDM數據幀與接收RDM應答幀在同一DMX512數據包間隔完成;發送廣播無需回復的RDM數據幀與發送其他RDM數據幀在同一DMX512數據包間隔完成;接收RDM應答幀到發送其他RDM數據幀在時間允許時可在同一DMX512數據包間隔完成，當時間不允許時要放到下一間隔發送。

圖7 數據包收發間隔時序圖

3.3 調光器軟件設計

調光器的軟件設計采用模塊化的思想，將每個功能模塊劃分為不同的層次，分別實現各自的功能，相鄰層之間通過接口函數進行數據交換，不同功能模塊之間通過應用層進行通信，這種方式降低了層與層之間的耦合程度，提高了系統的可維護性和移植性。

調光器軟件主要分為以下任務:

(1)PWM調光任務:根據接收的DMX512調光數據更新PWM輸出信號的占空比，采用反伽馬校正技術，使實際LED調光效果更符合人眼的生理感覺，同時經校正后的數據由原來的8位擴展為16位，有效的提高了PWM調光精度。

(2)通信任務:調光器通信流程圖如圖8所示，主要用于接收、解析控制器發送的控制數據，根據數據要求執行相應的操作，并回復應答消息。

圖8 調光器通信流程圖

(3)數據采集任務:定時采集和處理AD轉換通道數據，采集的數據包括輸入電壓、LED兩端電壓、電流以及基板溫度等信息，保存信息，以供控制器查詢。

4 結束語

本文將Art-Net網絡燈光控制協議與RDM遠程設備管理標準相結合，設計了一種LED景觀照明系統。該系統以大型景觀照明特點為出發點，具有遠程管理功能完善、調光效率高、通信過程簡單、系統擴展能力強等特點。分布式的系統結構使本系統具有較強的可靠性，相比于已經被廣泛使用的DMX512調光系統，該系統增加了設備間信息的交互功能，能夠快速的檢測每個燈具狀態，及時排查景觀照明設備和燈具故障，為系統維護提供幫助。經測試，該系統可實現花樣調光、設備搜索、參數設置、信息獲取以及故障分析等功能，系統可靠性強，效率高，操作方便靈活，擴展性好，具有良好的前景和較大的現實意義。

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

［3］梁藝，周衛星，陳炳銳.基于DMX512協議的燈光控制信號無線傳輸設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2009，7:46-48.

［4］肖志強，段永順.在燈光設備中實現RDM［J］.演藝科技，2011 (10):12-15.

［5］米爾頓·戴維斯，施端.遠程設備管理(RDM)略談［J］.演藝科技，2013(3):13-15.

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［12］馬琳娜.嵌入式系統軟件設計方法應用分析［J］.電子技術與軟件工程，2014(15):82.

張玉杰(1966-)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向為信息采集與處理、模式識別、嵌入式系統開發等;

周潔(1991-)，女，漢族，陜西省安康市人，陜西科技大學在讀研究生，研究方向為模式識別與智能系統，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

項目來源:陜西省科技計劃項目(2014K07-17);西安市科技計劃項目(CXY1436(1))

2016-02-27修改日期:2016-03-24