基于ZIGBEE和MIDI技術混合的舞臺控制網絡系統

張伍軍 柴大明 呂建華 楊燕罡

【摘 要】 提出一種基于ZIGBEE和MIDI技術混合的舞臺控制網絡系統，將傳統的舞臺燈光網絡控制技術與ZIGBEE無線 網絡技術融合，使用MIDI鍵盤發送指令，經過MIDI的轉換單元將控制命令發送到ZIGBEE網絡，實現舞臺控制。

【關鍵詞】 ZIGBEE；MIDI技術；舞臺控制；燈光控制；Z-M舞臺控制網絡

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.02.007

【Abstract】The author puts forward a stage control network system based on the ZIGBEE and MIDI technology， with the integration of the traditional stage lighting network control technology and ZIGBEE wireless network technology， using the MIDI keyboard to send instructions. Through the MIDI conversion unit， the control commands are sent to the ZIGBEE network， to realize the stage control.

【Key Words】ZIGBEE； MIDI technology； stage control； lighting control； Z-M stage control network

隨著舞臺技術的發展，一些大型實景舞臺劇，如《印象·劉三姐》、《長恨歌》、《12·12西安事變》、《四季周莊》等，受到了人民群眾的歡迎。實景演出的舞臺經常結合燈光、音響、機械、特效等多種設備、多種通信協議、多種控制方式，結構復雜，布置與維護成本高昂，給演出組織者和執行者帶來了很大的不確定性。很多演出場所配備了一些工控網絡和聯動，但是由于各個設備的協議不統一，使得布線工作量大、通信可靠性差，導致舞臺實景演出需要大量的控制人員來實現。

因此，研究一套適用于中國舞臺實景劇演出的網絡控制系統，是目前舞臺演藝領域的緊迫需求。筆者提出一套基于ZIGBEE網絡和傳統MIDI（Musical Instrument Digital Interface）輸出的組合網絡（Z-M舞臺控制網絡）系統，可以實現舞臺實景演出的一鍵式智能控制。

1 ZIGBEE技術和MIDI技術特點

在進行舞臺網絡控制上，國內外很多學者進行了相關研究，沈陽大學信息科學與工程學院的申晗等人提出了基于ZIGBEE的無線MIDI雙向接口設計[1]；天津工業大學王巍教授等在舞臺安全網絡上采用ZIGBEE結合圖像傳輸進行了一系列研究[2]；天津舞臺所在長恨歌等實景演出中進行了ZIGBEE網絡的使用。在這些研究和應用中，都進行了相關的原理性探索和設計，在《長恨歌》的舞臺呈現中已經初步實現ZIGBEE的應用，但是他們只是單純地應用ZIGBEE網絡，并沒有和MIDI技術混合。ZIGBEE網絡的特點是低功耗、低成本、設計簡單，但是存在的最大缺點就是低速率。另外，ZIGBEE模塊輸出點較少，對于一部大型的舞臺實景劇，演出道具不能實現一鍵式控制。在《康熙大典》舞臺劇演出時，需要幾位工作者同時配合，完成演出。

MIDI，即樂器數字接口[3]，是電子樂器之間接口標準和音樂網絡中各設備間的通信協議。它用音符數字控制信號記錄音樂，一首完整的MIDI音樂只有幾十KB，包含幾十條音樂軌道，目前現代音樂普遍基于MIDI并結合音色庫制作合成[4]。MIDI控制是目前演藝設備中比較普遍的接口，調音臺、燈光臺都含有MIDI輸入，而MIDI輸入的響應時間一般在20 ms左右，將兩者結合的Z-M網絡就可以涵蓋大多數的舞臺控制設備。

2 Z-M舞臺控制網絡系統的構成與實現

筆者以實景演出《鼎盛王朝》為例，分析Z-M舞臺控制網絡系統的構成及實現。其主控系統中的GRANDMA-3D燈光臺就帶有MIDI接口，可以進行MIDI輸入和控制指令編輯，如圖1所示。 圖1（a）是GRANDMA燈光控制臺，控制命令就是通過該按鍵發送；圖1（b）是GRANDMA燈光控制臺的控制接口，通過該接口可以和MIDI鍵連接起來。

《鼎盛王朝》的舞臺控制系統采用ZIGBEE模塊構成的網絡構成燈光前端采集和音響效果采集，通過ZIGBEE協調器發出的指令控制遠程的帶有MIDI接口的控制臺，包括中央控制室的燈光臺，進而完成對于整個舞臺的自動控制，網絡接口如圖2所示。

在整個舞臺控制網絡中，通過安全控制服務器帶有的ZIGBEE協調器模塊，發送到指令到各個ZIGBEE終端路由模塊，路由模塊可以帶動多個終端，采集模擬量數據和數字量數據，并發送串口指令。

音響、燈光控制端通過MIDI鍵盤發送指令到ZIGBEE網絡中，由ZIGBEE網絡把命令傳輸到控制的設備端。其中，音響、燈光的命令通過MIDI的轉換單元，把MIDI命令轉換成ZIGBEE協議，最終實現舞臺自動網絡監控。同時，控制人員在控制端把信息通過TCP/IP與遠程B/S端服務器平臺軟件連接，最終通過各個終端實現操作和控制。

為了確保網絡的暢通，通過理論分析和實驗仿真的方法確定網絡拓撲結構和單個子網可以支持的最大結點數。采用OPNET仿真軟件，對不同節點數ZIGBEE模塊進行不同規模及不同組網方式的組網，組網方式包括星型（Star）、樹型（Tree）和網狀型（Mesh）[5]，如圖3、圖4所示。主要針對以下性能指標進行測試：（1）網絡延時；（2）網絡路徑吞吐量 ；（3）網絡丟包率。仿真結果如表1所示。

通過實際測試，網絡平均延時情況和丟包率如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6的結果可以看出，藍線表示星型網絡的平均延時，紅線和綠線分別表示樹型和網狀網的平均延時情況。圖5前3分鐘星型網絡的延時始終遠遠大于樹狀網及網狀網，到第3分鐘左右的時候，星型網絡不再進行數據傳輸，網絡直接處于癱瘓狀態。而樹狀網和網狀網始終有數據傳送，網狀網的端到端延時明顯低于其他兩種形式，而且傳輸穩定。因此，選擇網狀網絡作為《鼎盛王朝》現場的ZIGBEE網絡，并進行了現場施工和布置。在現場布置的ZIGBEE網絡監控點如圖7所示。標注星號的是ZIGBEE網絡協調器與燈光控制器的組合，每個監控點的ZIGBEE模塊都采用防雷箱設計，放置在室外，通過網狀組網繞開山體和樹木的阻擋，實現了遠程的多點蜂窩式連接。

舞臺監控網絡設備實現了通過軟件平臺發送MIDI指令到ZIGBEE模塊，再通過ZIGBEE模塊發送指令到燈光臺，經過測試，ZIGBEE網絡在距離達到752 m的最遠一處元寶山上，一秒刷新一次，發送數據包長度為50個字節的情況下，能夠保證通信質量。圖8為在《鼎盛王朝》元寶山進行的現場測試情況。

通過實驗發現，網狀組網可以最大限度提升ZIGBEE的性能，降低丟包率和延時時間，通過遠程控制，基本實現了在線的遠程燈光控制臺遙控，可以增加510個MIDI按鍵（16信道），而每一幕演出需要的控制功能鍵在150個左右，可以達到很好的遠程控制效果。

ZigBee與MIDI技術的結合應用到舞臺控制系統上，實現了舞臺控制的多功能化與便捷性，技術的融合運用為將來舞臺演藝發展提供了新的發展方向。

參考文獻：

[1]申晗，耿浩，黃平. 基于ZigBee的無線MIDI雙向接口設計[J]. 中國新技術新產品，2015，（19）：20-21.

[2]朱亞林. 基于ZIGBEE的演藝控制網絡融合技術研究[D]. 天津工業大學，2017.

[3]祝祥迪等. 一種復音MIDI鍵盤控制器的設計[J]. 電聲技術，2008.

[4]趙云娥，黃婕. 基于H6188語音IC的MIDI發聲器設計[J]. 電子技術，2016，45（02）：60-61.

[5]錢志鴻，朱爽，王雪. 基于分簇機制的ZigBee混合路由能量優化算法[J]. 計算機學報，2013，36（03）：485-493.