摘 要：劇院舞臺燈光布置較為復雜，對不同場景燈光的要求也不盡相同，導致舞臺燈光控制效果難以達到理想狀態(tài)，為此，提出基于物聯網技術的劇院舞臺分布式燈光控制系統設計與應用研究。以高性能高品質ZYNQ7000計算平臺和Xilinx Zynq-7020處理器的MYC-C7Z020-V2核心板作為系統的開發(fā)載體，構建了包含感知層、網絡層、平臺層以及應用層的系統構架，并分別從自動調光、場景切換以及演員跟蹤3個方面對其功能進行設計。在測試結果中，控制系統下的劇院舞臺分布式燈光狀態(tài)與預設狀態(tài)的時延誤差穩(wěn)定在1.0 s以內，應用效果較好。

關鍵詞：物聯網技術；劇院舞臺；分布式燈光控制；開發(fā)載體；系統構架；自動調光；場景切換；演員跟蹤

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

由于劇院的舞臺燈光多樣且復雜，因此需要精確地控制每一個燈來確保燈光亮度和顏色都符合要求。燈光控制系統需要能夠快速、準確地響應指令，并且能夠進行預設編程以實現自動化控制[1]。此外，控制系統也需要保證精度和可靠性，以免出現誤差影響演出效果。值得注意的是，燈光布置和控制還需要考慮到安全性問題[2]。例如，燈具的安裝需要符合安全標準，以免其掉落傷人；同時，也需要特別注意過熱的燈具，以免其引發(fā)火災或其他安全事故。不僅如此，劇院的燈光控制還需要具有一定的適應性和靈活性。因為不同的劇目、不同的導演和演員對燈光的要求可能會有所不同，所以燈光應該能夠根據需要進行調整和改變[3]。結合上述分析，本文提出基于物聯網技術的劇院舞臺分布式燈光控制系統，并以實際的劇院舞臺環(huán)境為基礎，通過對比測試，對設計系統的應用效果加以驗證。

1 硬件設計

在對劇院舞臺燈光進行控制時，由于燈光配置的差異性以及目標控制狀態(tài)的差異性，需要功能強大的芯片作為系統的核心[4]。為此，本文將MYC-C7Z020-V2核心板及開發(fā)板作為設計系統的微處理器芯片[5]。在雙核Cortex-A9+FPGA全可編程處理器的基礎上，MYC-C7Z020-V2搭載了高性能高品質ZYNQ7000計算平臺。其基于Xilinx Zynq-7020處理器以及Cortex-A9處理核加Artix-7的FPGA架構，因此MYC-C7Z020-V2具有性能強大的特點[6]。在MYC-C7Z020-V2的PS（ARM）與PL（FPGA）之間，采用AXI高速片上總線通信，因此能夠達到Gb級帶寬，突破傳統ARM+FPGA架構的通信瓶頸。此外，MYC-C7Z020-V2通過ARM和FPGA靈活配置豐富的外設接口，如串口、以太網口、視頻接口等，可滿足工業(yè)以太網、物聯網環(huán)境下，劇院舞臺分布式燈光控制系統在應用方面的拓展性需求，保障系統性能的穩(wěn)定輸出。

2 軟件設計

2.1 基于物聯網的分布式燈光控制系統架構設計

對于劇院舞臺分布式燈光控制系統構架，本文在設計過程中引入了物聯網技術，將系統構架分為感知層、網絡層、平臺層以及應用層4部分，如圖1所示。

在圖1所示的劇院舞臺分布式燈光控制系統構架中，感知層為整個劇院舞臺分布式燈光控制系統的數據輸入源，通過各種傳感器和設備實時監(jiān)測舞臺上的燈光、音效、演員位置等信息。網絡層負責將感知層采集的數據傳輸至數據中心。為了確保數據的穩(wěn)定性和安全性，本文采用ZigBee+WiFi+LoRa的通信協議模式。同時，為了避免數據丟失或存在較大時延，本文采用了多通道備份傳輸技術。平臺層是劇院舞臺分布式燈光控制系統的核心，主要包括數據中心和數據處理中心兩部分。其中，數據中心主要負責接收并存儲從網絡層傳輸過來的數據，數據處理中心對接收到的數據進行處理、分析和挖掘，提取燈光控制策略、演員位置信息。在本文設計的劇院舞臺分布式燈光控制系統中，應用層根據實際需求控制具體的執(zhí)行單元，包括自動調光、場景切換、遠程控制。

按照上述方式，實現對分布式燈光控制系統架構的設計，為其穩(wěn)定運行提供可靠保障。

2.2 分布式燈光控制系統功能設計

在設計分布式燈光控制系統功能階段，本文以數據監(jiān)測與分析為基礎，將一個劇院的舞臺分布式燈光控制系統功能主要分為3個方面，分別為自動調光、場景切換以及演員跟蹤。在自動調光功能中，主要根據實時監(jiān)測到的舞臺光線和演出需求，自動調整燈光亮度、色溫等參數。在具體實現過程中，首先確定燈光傳感器實時監(jiān)測的舞臺光線強度、色溫參數與預設的標準值之間的差值，具體的計算方式見式（1）：

（1）

式中：f（a）表示燈光傳感器實時監(jiān)測舞臺燈光狀態(tài)數據與預設標準值之間的差異；a（t）表示燈光傳感器實時監(jiān)測到的t時刻舞臺燈光狀態(tài)數據；F（t）和Ω（t）分別表示t時刻人對舞臺燈光刺激所感知到的明亮程度并以此作為估計的輻射通量參數，以及燈光傳感器獲取舞臺燈光狀態(tài)數據時對應的立體角參量。結合式（1）的計算結果，根據差值的大小和方向，自動調整燈光設備的亮度、色溫等參數，使燈光效果與舞臺光線相匹配。

在場景切換功能中，主要根據演出需求快速切換不同的燈光場景。在具體實現階段，首先根據不同的演出需求，預設不同的燈光場景，包括燈光亮度、色溫、效果參數，再通過傳感器實時監(jiān)測舞臺上的演出狀態(tài)、劇情變化參數，并比較采集到的數據與預設的演出需求，判斷是否需要切換場景。具體的判斷方式見式（2）：

（2）

式中：f（E）表示采集到的演出狀態(tài)、劇情變化參數與當前執(zhí)行預設燈光場景之間的擬合函數；E（t）表示預設的t時刻燈光場景信息；θ和r分別表示面元法線與光束傳播方向之間的夾角和點光源到面元之間的距離。當式（2）輸出的判斷結果為需要切換場景，則快速調整燈光設備的參數，實現場景的切換，對應的調整目標為預設場景下與當前演出進度一致的參數。

演員跟蹤功能主要通過紅外線或超聲波等技術實時監(jiān)測演員的位置，并自動調整燈光跟隨演員移動。在具體實現過程中，首先利用演員位置傳感器實時監(jiān)測演員的位置坐標，再通過比較采集到的位置坐標與預設的燈光區(qū)域之間的位置關系，判斷是否需要調整燈光位置。具體的判斷方式見式（3）：

（3）

式中：lji表示采集到的位置坐標與預設的燈光區(qū)域之間的位置偏差；xi和yi分別表示演員位置傳感器實時監(jiān)測到的演員位置坐標；xj和yj分別表示預設的燈光區(qū)域位置坐標；Emax表示最大光源照度參數；h表示劇院舞臺空間對應的光源高度信息。根據式（3）的分析結果，自動調整燈光設備的角度和亮度等參數，使對應的燈光跟隨演員移動。在設計上述劇院舞臺分布式燈光控制系統功能階段，本文引入了反饋機制，以此不斷優(yōu)化控制參數，通過這樣的方式提高功能實現的精度和穩(wěn)定性，為確保最佳的舞臺演出效果和良好的觀眾觀演體驗提供可靠保障。

3 應用測試與分析

3.1 測試準備

在分析基于物聯網技術的劇院舞臺分布式燈光控制系統具體應用的過程中，本文以某現實劇院舞臺為基礎，開展了對比測試，對測試環(huán)境進行分析。劇院舞臺是一個矩形舞臺，長度為15.0 m，寬度為10.0 m，高度為8.0 m；舞臺上方有一個吊頂，吊頂用來安裝燈光設備；舞臺前方有一個大幕，大幕可以根據演出需要進行升降和開合；舞臺后方和兩側有一些可移動的幕布和隔斷，幕布和隔斷可以根據演出需要進行調整。對分布式燈光布設情況進行分析，分布式燈光包括面光、側光、頂光、追光等不同方向的燈光設備。面光主要安裝在舞臺上方吊頂的前方，用于照亮演員的面部和上半身；側光主要安裝在舞臺上方吊頂的兩側，用于照亮演員的側面；頂光主要安裝在舞臺上方吊頂的后方，用于營造氛圍和突出重點；追光主要安裝在舞臺兩側，用于跟隨演員移動并突出重點。在上述燈光配置的基礎上，劇院舞臺配備了調光臺和燈光控制系統，可以對分布式燈光進行精準控制。調光臺采用Dali系統，可以通過網絡進行遠程控制和編程?？刂葡到y采用PLC控制技術，可以實時監(jiān)測和控制燈光設備的運行狀態(tài)和參數，為燈光控制提供基礎[7-8]。

3.2 測試結果與分析

在上述測試環(huán)境的基礎上，對具體的測試結果進行分析。本文以一場50 min的舞臺演出的12個主場景為基礎，將燈光狀態(tài)與預設狀態(tài)的時延作為具體的評價指標。同時，將測試結果和文獻[2]提出的以單片機為基礎的燈光控制系統，以及文獻[3]提出的以LED光源與傳統光源為基礎的燈光控制系統進行對比。劇院舞臺分布式燈光控制測試結果如圖2所示。

結合圖2所示的測試結果可以看出，本文設計系統對于測試劇院舞臺分布式燈光的控制效果與預設狀態(tài)的擬合度最高，時延最短，始終穩(wěn)定在1.0 s以內，與對照組相比具有較為明顯的優(yōu)勢。結合上述測試分析結果可以得出，本文設計的基于物聯網技術的劇院舞臺分布式燈光控制系統設計具有良好的應用價值[9-10]。

4 結 語

精準的燈光控制能夠更好地引導觀眾的視線，突出重點，營造出所需的氛圍，使演出效果更加出色。為此，本文提出了基于物聯網技術的劇院舞臺分布式燈光控制系統，分別從硬件角度和軟件角度對燈光控制系統進行了針對性設計，并充分利用了物聯網技術的優(yōu)勢，切實實現了精準控制劇院舞臺分布式燈光狀態(tài)的目的。借助本文對于劇院舞臺分布式燈光控制問題的研究，使得燈光可以與演員的表演、音樂和布景等元素相互配合，更好地展現出藝術效果。

參考文獻

[1]劉芝博，李花，王強，等. AC-ACPWM式機場助航燈光控制系統設計[J].制造業(yè)自動化，2023，45（9）：71-74.

[2]崇哲文，程昊鑫.基于單片機的智能語音燈光控制系統的設計與實現[J].物聯網技術，2023，13（7）：148-151.

[3]康秀光.基于LED光源與傳統光源相結合的混合網絡分布式智能燈光控制系統設計[J].科學技術創(chuàng)新，2023（13）：69-72.

[4]李宇圣，湯熠.基于計算機視覺和自動化的智能教室無人檢測斷電系統設計[J].電子制作，2023，31（3）：112-115.

[5]魯宇加，蔡家林，崔赫，等.基于物聯網的多指標綜合控制室內燈光系統[J].現代信息科技，2021，5（12）：172-176.

[6]魏秋蘭.基于BCM控制的汽車燈光系統原理分析與故障診斷[J].粘接，2021，46（6）：174-177.

[7]楊塤，董燦，譚鋒.智慧教室燈光控制系統設計[J].物聯網技術，2014，4（10）：47-49.

[8]賴思恩.基于物聯網的智能樓宇舒適性節(jié)能照明系統研究[D].杭州：浙江理工大學，2014.

[9]朱曉君，申昊，李沛熹，等.基于ZigBee的室外籃球場智能照明控制系統設計[J].物聯網技術，2020，10（12）：109-111.

[10]黃學通，張磊，應建洪，等.一種基于物聯網技術的精確舞臺照明無線調控系統：CN104486885B [P]. 2017-02-01.

作者簡介：李沁陽（1984—），男，江蘇靖江人，設計師，研究方向為舞臺設計管理。

收稿日期：2024-01-15 修回日期：2024-02-26