張玉杰，周潔，邱金妮

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

LED景觀照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

張玉杰*，周潔，邱金妮

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

針對大型景觀照明系統(tǒng)存在的燈光效果單調(diào)、設(shè)備管理功能不完善、系統(tǒng)擴展不便等問題，設(shè)計了一種LED景觀照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，上層采用Art-Net協(xié)議通過以太網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)控中心到控制器的控制，下層采用RDM協(xié)議通過RDM總線實現(xiàn)控制器到調(diào)光器的控制;系統(tǒng)可實現(xiàn)花樣調(diào)光、設(shè)備搜索、參數(shù)設(shè)置、信息獲取以及故障分析等功能，并對該系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)易于擴展，便于管理、維護(hù)，能夠滿足實際工程應(yīng)用需求。

RDM協(xié)議;Art-Net協(xié)議;景觀照明;設(shè)備管理與控制

城市景觀照明對于提升城市藝術(shù)形象具有重要作用，隨著城市建設(shè)水平的不斷發(fā)展，城市景觀照明在照明區(qū)域、照明設(shè)備數(shù)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(shè)備進(jìn)行管理和控制成為亟待解決的問題。目前，在景觀照明系統(tǒng)中，DMX512(Digital Multiple X，多路數(shù)字傳輸)協(xié)議以其便捷的傳輸方式，簡單的總線結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，但其數(shù)據(jù)只能單向傳輸［1］，無法對燈具及設(shè)備進(jìn)行有效管理，系統(tǒng)兼容性較差。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會在DMX512-A的基礎(chǔ)上制定了RDM(Remote Device Management)協(xié)議，在不改變DMX512總線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理功能［2］，提高了設(shè)備管理效率。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)燈光控制被提到議程，由Artistic License開發(fā)的Art-Net協(xié)議是目前使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)燈光控制協(xié)議之一，該協(xié)議遵循OSI模型，以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)，以以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)，傳輸層采用UDP傳輸方式，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來傳送數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)易于擴展與互聯(lián)［6-8］。

本文通過將RDM總線與以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)Art -Net協(xié)議與RDM協(xié)議結(jié)合，用于提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，簡化通信過程，使系統(tǒng)具有更大擴展性，更加高效的對燈光效果進(jìn)行設(shè)置，同時雙向數(shù)據(jù)傳輸使監(jiān)控中心能夠及時獲取設(shè)備和燈具信息，為系統(tǒng)維護(hù)和管理提供幫助。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用集中管理與分散控制相結(jié)合的方式，實現(xiàn)花樣調(diào)光、設(shè)備管理等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由監(jiān)控中心、控制器以及調(diào)光器3部分組成。其中監(jiān)控中心與控制器之間采用Art-Net協(xié)議通過以太網(wǎng)通信;控制器與調(diào)光器之間采用RDM協(xié)議通過RDM總線通信。

系統(tǒng)以PC機作為監(jiān)控中心，管理員通過操作PC端監(jiān)控軟件即可實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理。控制器通過以太網(wǎng)接收監(jiān)控中心命令，根據(jù)命令要求執(zhí)行操作并回復(fù)信息，將需傳送到調(diào)光器的數(shù)據(jù)重新封裝后發(fā)送至RDM總線，同時接收、解析或轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)光器的應(yīng)答消息。調(diào)光器通過RDM總線接收命令，執(zhí)行操作并回復(fù)應(yīng)答消息，實現(xiàn)花樣調(diào)光以及設(shè)備信息反饋等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)上層使用的Art-Net協(xié)議可兼容DMX512和RDM協(xié)議，圖2為其協(xié)議層次圖，其中Art-Net主體部分包括Art-Net功能數(shù)據(jù)包和實現(xiàn)DMX512協(xié)議的數(shù)據(jù)包;RDM部分用于實現(xiàn)RDM命令; Video部分為視頻信息數(shù)據(jù)包［6-8］。控制數(shù)據(jù)通過Art-Net數(shù)據(jù)格式封裝后可通過以太網(wǎng)傳輸，其中DMX512數(shù)據(jù)主要傳送0～255等級的調(diào)光數(shù)據(jù)，而RDM數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，為保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，表1中列出了該系統(tǒng)傳送的RDM參數(shù)ID(PID)命令，通過這些命令的傳送，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備管理功能。

圖2 Art－Net協(xié)議層次圖

表1 系統(tǒng)實現(xiàn)的PID［2］

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制器

控制器作為Art-Net網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點既與上層監(jiān)控PC相連，同時又兼作RDM控制網(wǎng)的主控器?？刂破髦饕δ馨▍f(xié)議轉(zhuǎn)換，串口數(shù)據(jù)接收/發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)據(jù)接收/發(fā)送，數(shù)據(jù)處理、保存等，控制器的主控芯片要保證上下行數(shù)據(jù)的快速實時性和數(shù)據(jù)處理的有效性。

根據(jù)控制器的功能要求設(shè)計圖3所示硬件結(jié)構(gòu)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(dá)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(yōu)點符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖3 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

控制器通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊實現(xiàn)與以太網(wǎng)的信息交互，網(wǎng)絡(luò)接口芯片的雙絞線接口與網(wǎng)絡(luò)連接時，在二者之間放置網(wǎng)絡(luò)濾波變壓器，具有濾波、隔離的作用。串口電路則負(fù)責(zé)建立與調(diào)光器間的通信。

2.2 調(diào)光器

作為系統(tǒng)終端控制設(shè)備調(diào)光器與LED燈具連接，其主要功能是根據(jù)控制器發(fā)送的控制命令執(zhí)行操作，實現(xiàn)燈光調(diào)節(jié)以及設(shè)備和燈具信息反饋等功能。

圖4為調(diào)光器硬件結(jié)構(gòu)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(qū)動電路以及數(shù)據(jù)采集電路等。

其中串口電路負(fù)責(zé)建立與控制器間的通信。數(shù)據(jù)采集電路是通過SN8F5708微控器的AD轉(zhuǎn)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(shè)備。

LED驅(qū)動控制芯片選用NCL30160，其滯后控制在負(fù)載瞬變和PWM調(diào)光時具有良好的電源抑制和快速反應(yīng)，不需要控制回路補償，可調(diào)整LED電流，驅(qū)動電路支持可變占空比的PWM數(shù)字脈沖調(diào)光方式，當(dāng)調(diào)光器接收到調(diào)光數(shù)據(jù)時，通過驅(qū)動器調(diào)節(jié)相應(yīng)PWM輸出信號的占空比從而控制LED亮度。

圖4 調(diào)光器硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用圖形化編程語言LabVIEW編寫遠(yuǎn)程管控軟件，具有直觀、可擴展、易維護(hù)等特點。監(jiān)控中心功能框圖如圖5所示，主要包括設(shè)備搜索、設(shè)備監(jiān)管、調(diào)光花樣設(shè)置等功能。設(shè)備搜索功能可以獲取網(wǎng)絡(luò)中控制器的IP地址以及控制器所連接調(diào)光器的特殊ID(UID)列表;設(shè)備監(jiān)控功能可獲取設(shè)備的基本信息，如DMX起始地址、通道數(shù)等，用戶可根據(jù)需要對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也可對設(shè)備和燈具進(jìn)行故障檢測并記錄故障，同時設(shè)備識別能將設(shè)備信息與實際設(shè)備對應(yīng)起來，方便設(shè)備管理;用戶可選擇給定的花樣進(jìn)行燈光調(diào)節(jié)，也可自定義調(diào)光花樣。

圖5 監(jiān)控中心功能框架圖

3.2 控制器軟件設(shè)計

控制器采用層次化的軟件設(shè)計方法，把整個軟件分為3層:底層驅(qū)動層、協(xié)議層和應(yīng)用層;底層驅(qū)動層完成和硬件相關(guān)的交互，協(xié)議層完成通信協(xié)議棧的設(shè)計，應(yīng)用層則根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制功能。這種設(shè)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(tǒng)軟件的移植和應(yīng)用層功能擴展［11-12］。

3.2.1 功能要求

根據(jù)控制器的設(shè)計要求，軟件部分主要實現(xiàn)的功能包括:①按照RDM協(xié)議的要求與RDM總線通信，包括向總線發(fā)送命令，接收、處理或存儲回復(fù)的應(yīng)答消息;②按照Art-Net協(xié)議的要求與以太網(wǎng)通信，解析接收到的數(shù)據(jù)包，執(zhí)行要求的操作并回復(fù)消息;③實現(xiàn)RDM總線與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互，從以太網(wǎng)接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解析，需發(fā)送到調(diào)光器的Art-Net數(shù)據(jù)包主要為ArtDmx和ArtRdm，圖6所示為數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換格式圖，提取數(shù)據(jù)包中DMX512數(shù)據(jù)和RDM數(shù)據(jù)，重新封裝數(shù)據(jù)為DMX512或RDM數(shù)據(jù)幀格式，發(fā)送至總線;同時對總線接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析后需發(fā)送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)封裝為Art-Net數(shù)據(jù)格式后，增加UDP報文格式發(fā)送至以太網(wǎng)［6-8］。

圖6 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換格式圖

3.2.2 任務(wù)劃分

根據(jù)系統(tǒng)功能的需求，將控制器的軟件劃分為以下任務(wù):

(1)設(shè)備搜索任務(wù):根據(jù)監(jiān)控中心指令回復(fù)IP地址以及連接的調(diào)光器UID列表;

(2)信息查詢?nèi)蝿?wù):根據(jù)監(jiān)控中心指令回復(fù)信息或?qū)B接的調(diào)光器信息進(jìn)行查詢，并將調(diào)光器回復(fù)的信息發(fā)送給監(jiān)控中心;

(3)參數(shù)設(shè)置任務(wù):根據(jù)監(jiān)控中心指令設(shè)置參數(shù)或?qū)B接的調(diào)光器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;

(4)調(diào)光數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù):接收、解析、轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心發(fā)送的DMX512調(diào)光數(shù)據(jù)到RDM總線;

(5)輪詢搜索UID任務(wù):定時搜索連接的調(diào)光器UID，并存儲回復(fù)的UID列表，以供監(jiān)控中心搜索。

3.2.3 時序?qū)崿F(xiàn)

RDM協(xié)議規(guī)定RDM命令的發(fā)送總是在DMX512數(shù)據(jù)發(fā)送的間隔完成，且控制器通信端口相鄰數(shù)據(jù)幀間隔的時序要求如表2所示［4-5］，因此在軟件實現(xiàn)時規(guī)定DMX512消息每次發(fā)送完整的512 frame數(shù)據(jù)，這樣DMX512數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間大約為23 ms。

表2 控制器通信端口相鄰數(shù)據(jù)幀間隔

根據(jù)協(xié)議規(guī)定總結(jié)出圖7所示間隔時序，通過合理的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計對數(shù)據(jù)命令幀的發(fā)送進(jìn)行調(diào)度，實現(xiàn)發(fā)送RDM數(shù)據(jù)幀與接收RDM應(yīng)答幀在同一DMX512數(shù)據(jù)包間隔完成;發(fā)送廣播無需回復(fù)的RDM數(shù)據(jù)幀與發(fā)送其他RDM數(shù)據(jù)幀在同一DMX512數(shù)據(jù)包間隔完成;接收RDM應(yīng)答幀到發(fā)送其他RDM數(shù)據(jù)幀在時間允許時可在同一DMX512數(shù)據(jù)包間隔完成，當(dāng)時間不允許時要放到下一間隔發(fā)送。

圖7 數(shù)據(jù)包收發(fā)間隔時序圖

3.3 調(diào)光器軟件設(shè)計

調(diào)光器的軟件設(shè)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(xiàn)各自的功能，相鄰層之間通過接口函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不同功能模塊之間通過應(yīng)用層進(jìn)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(tǒng)的可維護(hù)性和移植性。

調(diào)光器軟件主要分為以下任務(wù):

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

(2)通信任務(wù):調(diào)光器通信流程圖如圖8所示，主要用于接收、解析控制器發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)要求執(zhí)行相應(yīng)的操作，并回復(fù)應(yīng)答消息。

圖8 調(diào)光器通信流程圖

(3)數(shù)據(jù)采集任務(wù):定時采集和處理AD轉(zhuǎn)換通道數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)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(jié)束語

本文將Art-Net網(wǎng)絡(luò)燈光控制協(xié)議與RDM遠(yuǎn)程設(shè)備管理標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，設(shè)計了一種LED景觀照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)以大型景觀照明特點為出發(fā)點，具有遠(yuǎn)程管理功能完善、調(diào)光效率高、通信過程簡單、系統(tǒng)擴展能力強等特點。分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使本系統(tǒng)具有較強的可靠性，相比于已經(jīng)被廣泛使用的DMX512調(diào)光系統(tǒng)，該系統(tǒng)增加了設(shè)備間信息的交互功能，能夠快速的檢測每個燈具狀態(tài)，及時排查景觀照明設(shè)備和燈具故障，為系統(tǒng)維護(hù)提供幫助。經(jīng)測試，該系統(tǒng)可實現(xiàn)花樣調(diào)光、設(shè)備搜索、參數(shù)設(shè)置、信息獲取以及故障分析等功能，系統(tǒng)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(xiàn)實意義。

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

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