全天候自動激光表演系統的實現

蔡孟超

（上海大恒光學精密機械有限公司，上海，200000）

1 城市亮化在城市發展中的作用

1.1 城市亮化工程滿足基本的照明功能

城市亮化工程會滿足最基本的照明。當夜幕降臨的時候，如果沒有燈光的照射，整個城市將處于黑暗之中。

1.2 城市亮化工程美化城市建設

城市亮化工程在滿足照明的同時也美化了城市。亮化工程既可以展示城市夜間的豐富多彩、特色鮮明的光形象，從而增加城市空間的吸引力，充分表現城市環境文化信息及其建筑美學。

1.3 城市亮化工程帶動城市經濟發展

城市亮化工程既能帶動一個城市的經濟發展，亮化工程的建設更是增加了城市的時代感，同時也推動了市場的發展[1]。

2 激光在城市亮化中的作用

高功率激光表演系統，集激光應用技術、計算機圖像處理技術和超高速振鏡控制技術于一體，將純正、炫麗的激光光束在城市上空變幻出動態的線、面、旋轉體及任意編輯的圖形、文字。

激光的種類（1）地標激光：經過光束整值過得激光器射出得激光光束具有射程遠，亮度強得特點，并可以實現任意方向的定點照射，也可以實現多種激光光束穿插表演，多層次的激光光束顯得更有立體感，也可以通過計算機編程實現其他的效果，例如用光束來模擬時鐘秒針擺動。（2）動畫激光：通過計算機編程的激光系統發出的激光射向水幕、建筑物或墻體等，激光在掃描系統的電腦的控制下快速移動，目標面上形成已經編輯的文字、圖案等供人觀賞，并可以與投影及其他燈光一起聯動穿插表演，使得整個表演環境更具有觀賞性。（3）娛樂激光：激光安裝于劇院、夜總會、歌舞廳內。將激光束射向煙霧并進行掃描，亦可形成文字、圖案、動畫效果。也可隨音樂節拍進行激光表演。

3 全自動激光表演系統研制

系統功能及其構成：整個系統分為四大部分：系統總體控制模塊、單元軟件控制模塊、單元硬件控制模塊、局域網絡控制模塊。

系統總體控制模塊主要通過網絡對各個單元進行控制和狀態監控，并將各個單元的當前狀態實時顯示在總控端，操控人員可隨時查看并調整各單元的參數，以便系統能運行在最佳狀態下。

單元軟件控制模塊主要控制各單元的實時運行和狀態監控，并定時返回給主控端。對于監控到的單元狀況，能自動調整參數，使單元運行在最佳狀態。

單元硬件控制模塊主要對單元內部的各個硬件部分進行實時控制，并采集單元各硬件部分的實時信息反饋給單元軟件控制模塊。

局域網絡控制模塊主要控制整個系統的網絡通信，采用的方式包括有線網絡（含雙絞線和光纖）、無線網絡、網絡轉串口等[2]。

網絡通信采用TCP/IP協議或者UDP協議，在采用UDP協議時，為了保證數據傳輸的正確性及有效性，且防止數據丟失引起控制失效或不同步，實行了每一條數據同時向各個客戶端發送三遍，同時客戶端在收到數據以后，向主控端應答三次且客戶端的標志位值1，主控端在接收到客戶端反饋的數據及標志位數值以后，開始下次控制命令的執行；同時，為了保證系統運行的穩定性，采用了客戶端收到命令后，不止向主機端發送應答命令，且同時和其他客戶端轉發主控端的命令，這樣即使一臺主控端出現故障，系統照樣能正常運轉，如圖1-2所示。

圖1 系統控制的拓撲結構圖

圖2 系統控制的效果圖

3.1 分組控制

可以把不同地理位置和要求的終端分成若干設備組，對不同設備組采用不同的定時控制方案。

3.2 運行模式

（1）手動模式：可以在固定表演時間外開啟激光表演，當結束后自動轉回自動控制模式。

（2）自動模式：根據設定的日期，時段進行全自動表演，自動開機，自動關機，無需要人工參與。

3.3 控制模式

通過無線網橋或者光纖，網線，所有客戶端及主控端的網絡設置進入總控局域網，總控室主控電腦通過研發的控制系統對整個系統進行遠程控制。

4 全自動表演中的故障處理

運行狀態采集功能：主要是對各回路及總電源的電流、電壓及控制柜內的溫濕度態進行實時監測[3]，由總控點監測軟件對所有回路采集的數據進行分析，為每一回路運行狀態做出判斷，對非正常狀態的變化(即故障狀態)進行預警和報警。

5 工程樣例

2014年上海北外灘激光亮化工程是本單位研制的自動化激光演示系統及節能降耗的實際案例。

5.1 工程要求

為迎接2014年上海亞信峰會及亮化黃浦江兩岸。在上海建工大廈，國際港務大廈，外灘茂悅大酒店，金岸大廈頂部安裝四臺全天候戶外激光器[4]。主控點設置在國際港務大廈，具體4個安裝地點在下圖紅色圈中處，如圖3所示。

圖3 戶外激光器地點安放位置圖

5.1.1 激光表演系統構成

（1）激光主控系統

①研華工控機一套

②激光設備內部局域網

③激光表演系統網絡控制軟件

1）表演實時控制

2）表演同步控制

3）表演定時控制

4）表演遠程控制

5）全自動表演控制

6）設備狀態監控

7）溫度濕度監控

8）設備錯誤報警

（2）無線通信系統

1）5.8G電信級無線網橋Doublecom DB6000ANST-H,4臺

2）防水膠套裝（3泥1帶）

（3）激光器系統

1）激光器及激光電源

2）激光高速掃描振鏡

3）帶恒溫系統的全天候戶外機柜

5.2 激光表演系統控制整體示意圖，如圖4。及帶溫濕度控制的戶外機柜，如圖5與圖6。

圖4 激光表演系統控制整體示意圖

圖5 帶溫濕度控制的戶外機柜

圖6 帶溫濕度控制的戶外機柜平面圖

各模塊功能闡述：

a.研華工控機根據前期設置好的時間自動啟動激光系統，并啟動激光總控軟件，通過無線系統發命令控制各個終端。

b.MOXA-E1214網絡繼電器控制各終端設備的電源，并接入各點MOXA205A工業非網管型以太網交換機組成終端局域網。

c.MOXA-NPort5130網絡轉串口通信讀取機柜內部溫濕度，并控制機柜的溫濕度系統，使設備一直保持在最佳的工作溫度。

d.QM2000_net板卡控制激光器振鏡系統進行光束的輸出驅動節目的表演。

5.3 主控端控制示意圖，如圖7。

圖7 主控端控制示意圖

5.4 各終端控制示意圖，如圖8。

圖8 各終端控制示意圖

5.5 主控端控制軟件示意圖，如圖9所示。

圖9 主控端控制軟件示意圖

（1）主控端控制軟件界面及分項功能

a.根據設置的時間自動開啟激光系統。

b.根據設定好的時段及節目號自動表演。

（2）主控端控制軟件終端控制界面，如下圖10所示。

圖10 主控端控制軟件終端控制界面

a.設置主控端通訊協議及本地IP地址及端口

b．設置主控端發送命令的次數。

c.設置需要受控的終端的IP地址及端口。

（3）主控端控制軟件外控設置界面，如下圖11。

圖11 主控端控制軟件外控設置界面

a.設置各外控終端的通訊協議。

b.設置本機IP地址端口并設置受那臺控制。

c.設置需要受控終端的串口協議以控制機柜的溫濕度系統，并讀取各機柜的溫濕度，以采取相應措施。

（4）主控端控制軟件表演設置界面，如下圖12。

圖12 主控端控制軟件表演設置界面

a.設置各受控終端激光系統的表演方式是自動還是手動。

b.設置受控終端的激光系統的表演日期及表演場次。

c.在已經設定好的日期，場次的情況設置各表演場次時長，及表演開始結束時間及表演的節目號，不表演時自動關機，等待下一時段再運行系統。達到節能降耗的作用。

5.6 光路效果及實際場景圖

激光器根據激光表演軟件發出的命令射出單束激光，然后激光光束通過高反射率的1，2反射鏡片進入3大角度高速掃描振鏡，振鏡系統開始高透射率涂膜玻璃表演編輯的好的激光節目，如下圖13及效果展示圖14、圖15所示。

圖13 光路示意圖

圖14 現場激光演示效果

6 結論

通過前期的技術研究攻關及各方的大力支持，在亞迅峰會召開前一個星期圓滿完成任務，為上海黃浦江兩岸的亮化工程貢獻了綿薄之力，并為國內激光表演系統的全自動無人值守和節能降耗提供可行之路。

圖15 現場激光演示效果