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北京明瑞之光科技有限公司 技術(shù)研發(fā)經(jīng)理
戶外景觀多集中于樓宇、橋梁、公路、河岸等多個(gè)方面，并存在有不斷融合、交叉的延伸應(yīng)用。于此同時(shí)，越來越多的戶外景觀項(xiàng)目在不斷整個(gè)城區(qū)，乃至城市景觀照明聯(lián)控的方向發(fā)展。
縱觀LED控制系統(tǒng)的工作性質(zhì)，控制系統(tǒng)可劃分為三種控制模式：
1、常規(guī)控制系統(tǒng)，采用上位機(jī)/主控器等主從結(jié)構(gòu)的控制模式；
2、小型控制系統(tǒng)，采用多卡存儲(chǔ)，利用同步方式形成的小控模式；
3、集控型控制系統(tǒng)，采用互聯(lián)網(wǎng)等方式，實(shí)現(xiàn)的大型項(xiàng)目的集控類的控制模式；
現(xiàn)在我們針對(duì)上述的三種控制模式，來講述戶外景觀照明的LED控制系統(tǒng)的類別。
常規(guī)控制系統(tǒng)
常規(guī)控制系統(tǒng)，采用上位機(jī)/主控器等主從結(jié)構(gòu)的控制模式，控制器可形成串行/并行等多種級(jí)聯(lián)方式，采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通訊，通過分控器對(duì)LED燈具形成有效的控制。
1、上位機(jī)/主控器層，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；
2、通訊數(shù)據(jù)層，系統(tǒng)內(nèi)各控制器之間的通訊數(shù)據(jù)的傳輸；
3、驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)層，驅(qū)動(dòng)燈具的信號(hào)傳輸，如SPI信號(hào)，DMX512信號(hào)；
4、驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)增強(qiáng)層，采用差分/中繼等方式延長、強(qiáng)化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸距離和強(qiáng)度；
上述4部分即是LED控制系統(tǒng)的主干，其控制系統(tǒng)主干框架如下：
圍繞控制系統(tǒng)的主干，針對(duì)不同的項(xiàng)目的需求，就需要其相應(yīng)功能的控制器。而往往在常規(guī)應(yīng)用中，特殊功能的控制器都是為圍繞上位機(jī)/主控器這一部分來進(jìn)行通訊對(duì)接。其架構(gòu)如下：
那么我們按照其工作性質(zhì)，來逐一解析控制系統(tǒng)的各個(gè)部分。
上位機(jī)/主控器是控制系統(tǒng)的大腦，其基本功能如下
1、支持工程布線的編輯，或?qū)氪鎯?chǔ)；
2、具備動(dòng)畫數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；
3、具備通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送功能。
這3種功能就保證上位機(jī)/主控器端的最基本的功能，能夠按照相應(yīng)的工程布線，將動(dòng)畫數(shù)據(jù)通過通訊信號(hào)發(fā)送給下一級(jí)控制器。
如上位機(jī)/主控器端僅支持上述基礎(chǔ)功能，即證明了該上位機(jī)/主控器端僅是簡易類型。
而作為符合現(xiàn)代控制系統(tǒng)應(yīng)用的上位機(jī)/主控器端，應(yīng)具備更多的功能接口，如：
1、具備內(nèi)部時(shí)鐘，能夠精確計(jì)算時(shí)間，進(jìn)行場景定時(shí)切換等一系列功能。
2、具備衛(wèi)星、無線射頻等無線通訊技術(shù)，來進(jìn)行同步聯(lián)控；
3、具備GSM等無線移動(dòng)端通訊技術(shù)，接收無線控制；
4、具備3G、Wi-Fi等網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)編播控制；
5、具備RS485/RS232等常規(guī)通訊接口，進(jìn)行第三方設(shè)備控制；
6、具備音頻等多媒體通訊接口，實(shí)現(xiàn)多媒體多樣化控制。
上位機(jī)/主控器端是LED控制系統(tǒng)的大腦，在承擔(dān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸?shù)幕A(chǔ)功能上，應(yīng)具備多種通訊接口來實(shí)現(xiàn)其針對(duì)項(xiàng)目需求的功能。判斷一套控制系統(tǒng)的優(yōu)劣程度，從上位機(jī)（軟件界面）/主控器層面可以看到該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)能力。
在LED控制系統(tǒng)內(nèi)，控制器之間的通訊多采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中UDP協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，集中表現(xiàn)在控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的能力，一般來說控制系統(tǒng)多采用自適應(yīng)100Mbps網(wǎng)絡(luò)帶寬，而目前市面上也出現(xiàn)了自適應(yīng)1000Mbps(即1Gbps)網(wǎng)絡(luò)帶寬，如MR-208系列控制系統(tǒng)。
在這一部分中，存在一個(gè)常見誤區(qū)：為什么不是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？
首先我們要了解一下TCP/IP協(xié)議與UDP協(xié)議的區(qū)別。
TCP/IP協(xié)議是基于連接的協(xié)議，在傳輸數(shù)據(jù)之前，首先要建立連接。假設(shè)A端向B端發(fā)送數(shù)據(jù)，首先要進(jìn)行“可不可以發(fā)？”“什么時(shí)候發(fā)？”“現(xiàn)在就發(fā)，你接好了”等多次詢問后才能進(jìn)行發(fā)送。
UDP協(xié)議是基于非連接的協(xié)議，在未與對(duì)方建立連接的基礎(chǔ)上，就直接將數(shù)據(jù)發(fā)出去。
如果用比喻的方式來看兩種協(xié)議，TCP/IP協(xié)議就如同打電話，想說話必須要先撥號(hào)，并接通信號(hào)后才能通話。而UDP協(xié)議就像用對(duì)講機(jī)，不同對(duì)方在不在，在頻道里就可以直接喊一通，充滿著蠻橫有效的美感。
而LED控制系統(tǒng)中，控制器之間通訊內(nèi)容是高頻的數(shù)據(jù)信號(hào)，一秒鐘內(nèi)至少25幀的數(shù)據(jù)量，如果采用TCP/IP這種基于連接的協(xié)議，即會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲、丟失等情況。故在LED控制系統(tǒng)內(nèi)通訊協(xié)議多采用UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
而TCP/IP協(xié)議在LED控制系統(tǒng)中并不是無用武之地，其實(shí)該協(xié)議同樣具備重要的作用。在集控型控制系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議將大放異彩。
在LED控制系統(tǒng)中，最基礎(chǔ)的工作即是驅(qū)動(dòng)燈具進(jìn)行調(diào)光顯示其效果。最基礎(chǔ)的作用，同樣代表著最重要。這部分功能集中體現(xiàn)在控制系統(tǒng)中分控器上面。
在控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面，目前戶外景觀照明領(lǐng)域常見方式為2種：
1、SPI驅(qū)動(dòng)方式
首先我們來了解SPI驅(qū)動(dòng)方式，該類方式的LED燈具采用串行級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式（手拉手方式），常見SPI驅(qū)動(dòng)芯片有3、9、12、16等不同數(shù)量驅(qū)動(dòng)通道，其中3通道對(duì)應(yīng)單組RGB，而9、12、16通道對(duì)應(yīng)多組RGB，故3通道的SPI驅(qū)動(dòng)芯片多應(yīng)用于串行點(diǎn)光源，多通道芯片多應(yīng)用于LED線條燈等多段數(shù)燈具。
SPI驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)：應(yīng)用簡單，現(xiàn)場調(diào)試較為容易。但級(jí)聯(lián)串中某個(gè)燈具損壞易導(dǎo)致后序燈具不受控。
2、DMX512驅(qū)動(dòng)方式
DMX512協(xié)議是傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈光控制協(xié)議，我們來了解一下DMX512協(xié)議的特點(diǎn)：
1、DMX512協(xié)議基于EIA-485標(biāo)準(zhǔn)；
2、通訊傳輸波特率=250k；
3、標(biāo)準(zhǔn)通道數(shù)=512通道（512通道/3（RGB三基色）=170像素點(diǎn)）；
4、DMX512信號(hào)，采用總線制（并聯(lián)）傳輸方式，DMX512燈具需要固定其所占用的DMX通道數(shù)；
5、DMX512協(xié)議是一種基于主從式的協(xié)議，能夠適應(yīng)一對(duì)多的燈光控制系統(tǒng)。該協(xié)議雖然能把不同廠家產(chǎn)品連接起來并實(shí)施控制，但由于只能單向傳輸，控制系統(tǒng)與被控設(shè)備之間無法實(shí)現(xiàn)真正的信息交互。
由于DMX512協(xié)議在戶外景觀亮化工程中得到越來越多的追捧，DMX512協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議應(yīng)用中不斷發(fā)展，并出現(xiàn)的拓展協(xié)議，
1、針對(duì)戶外景觀亮化項(xiàng)目采用燈具越來越多的情況，DMX512協(xié)議出現(xiàn)波特率與通道數(shù)拓展的功能，目前如聯(lián)芯科、明微、天微、明瑞等公司都具備其拓展協(xié)議的芯片產(chǎn)品；
2、因DMX512燈具固定DMX通道數(shù)較為復(fù)雜的情況，出現(xiàn)了采用編址線、繼電器等多種自動(dòng)排序編址的方式，如UCS512、SM512AP、TM512具備編址線功能，MR-DMX05/06系列產(chǎn)品具備編址線/繼電器等功能；
3、因DMX512協(xié)議的主從式單向傳輸?shù)南拗?，出現(xiàn)DMX512-RDM協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)端與DMX512燈具端的雙向通訊（采用波特率=250K，通道數(shù)=512標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議較為穩(wěn)定），如MR-RDM06芯片支持RMD協(xié)議。
而上述拓展協(xié)議及RMD協(xié)議需配合具備其相應(yīng)功能的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，如MR-208DW/DC等控制系統(tǒng)。
DMX512驅(qū)動(dòng)方式雖目前從項(xiàng)目應(yīng)用上DMX512得到了越來越多的認(rèn)可，但其中存在一定的誤區(qū)。
誤區(qū)：單個(gè)DMX512燈具損壞，并不影響信號(hào)總線上其他DMX512燈具的工作狀態(tài)。
解答：首先這個(gè)觀點(diǎn)，在一定程度上正確的，但是存在值得商榷的地方。我們從一張示意圖上在解釋一下該問題，如下：
在圖中可見，如果B區(qū)DMX512芯片驅(qū)動(dòng)LED燈珠的部分出現(xiàn)了故障，那么該故障點(diǎn)不會(huì)影響總線上其他燈具的工作情況。
但是如果A區(qū)出現(xiàn)了故障，如A或B對(duì)GND短路，A對(duì)B短路等情況時(shí)，該故障會(huì)影響整個(gè)總線的信號(hào)傳輸質(zhì)量，那么總線上其他燈具必然會(huì)出現(xiàn)工作異常的問題。
在SPI驅(qū)動(dòng)方式與DMX512方式上的選擇，一般要按照實(shí)際項(xiàng)目需求而定。兩種方式各有其特點(diǎn)，并不能一概而論，斷定其優(yōu)劣。
在控制器驅(qū)動(dòng)LED燈具的應(yīng)用過程中，因安裝位置的原因造成控制器距離LED燈具較遠(yuǎn)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)信號(hào)線距過長，信號(hào)衰減嚴(yán)重，而造成LED燈具無法正常工作的情況。
為解決上述情況，往往需加設(shè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的增強(qiáng)設(shè)備。因驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)類型的不同，信號(hào)增強(qiáng)的方式已有不同，如下：
1、差分板：
針對(duì)SPI驅(qū)動(dòng)方式，在控制系統(tǒng)中多采用差分板來延長距離。
其原理是將傳輸距離較短的SPI驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為傳輸距離較長的差分信號(hào)來延長傳輸距離，然后再將信號(hào)轉(zhuǎn)換為原SPI驅(qū)動(dòng)信號(hào)來帶載LED燈具。
故差分板在應(yīng)用中，多采用一對(duì)（一發(fā)一收）來使用，而市面上功能較為完善的SPI控制系統(tǒng)皆具備兼容輸出SPI信號(hào)與差分信號(hào)，故在此情況下，差分板即可選用一個(gè)接收端即可。
2、中繼器
針對(duì)DMX512驅(qū)動(dòng)方式，在控制系統(tǒng)中多采用DMX512中繼器來延長信號(hào)傳輸距離。
DMX512協(xié)議基于EIA-485標(biāo)準(zhǔn)，在信號(hào)傳輸上多采用485芯片來驅(qū)動(dòng)，中繼器即可采用了此原理，當(dāng)DMX512信號(hào)在傳輸總線上出現(xiàn)衰減情況時(shí)，采用485芯片對(duì)DMX512信號(hào)進(jìn)行重新驅(qū)動(dòng)，即延長了DMX512信號(hào)的傳輸距離。
同時(shí)DMX512中繼器的應(yīng)用原則：在DMX512信號(hào)傳輸總線上，每32個(gè)DMX512負(fù)載加設(shè)1個(gè)DMX512中繼器。簡單來講，一般情況下，每32個(gè)DMX512燈具加設(shè)1個(gè)DMX512中繼器。
目前在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的增強(qiáng)方面，主要為SPI驅(qū)動(dòng)方面的差分板與DMX512驅(qū)動(dòng)方面的中繼器。與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)設(shè)備具備了更多的功能，如下：
1、信號(hào)隔離保護(hù)，如磁耦隔離、光耦隔離；
2、信號(hào)反饋通道，如具備反饋通道的DMX512中繼器；
3、增加編址線，并具備隔離保護(hù)功能，如DMX512中繼器增加編址線，并支持隔離保護(hù)。
在控制系統(tǒng)中，因項(xiàng)目應(yīng)用中存在多樣化的需求，故針對(duì)需求而開發(fā)相應(yīng)的特殊控制的功能模塊。目前來說特殊功能，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
1、感應(yīng)功能：溫度、光照、音頻、紅外、超聲波雷達(dá)、微波雷達(dá)等一系列感應(yīng)模塊；
2、通訊轉(zhuǎn)換功能：DMX512、RS485、RS232等協(xié)議轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)第三方設(shè)備的控制；
3、無線通訊控制：利用GSM、3G、4G、Wifi等無線通訊方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的控制。
4、無線同步：利用GPS、北斗等衛(wèi)星信號(hào)，及無線射頻等方式進(jìn)行無線同步；
特殊控制方式是針對(duì)多樣化項(xiàng)目需求而定制開發(fā)。一般情況來講，特殊功能的開發(fā)能力，是判定一個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)極限的因素。這一部分十分強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)廠家的自主研發(fā)能力，及針對(duì)項(xiàng)目的對(duì)接能力。
在小型控制系統(tǒng)中，每一臺(tái)控制器都具備存儲(chǔ)卡，并能夠帶載LED燈具?？刂破髦g可采用多種同步方式來實(shí)現(xiàn)整體的聯(lián)動(dòng)。其特點(diǎn)如下：
1、單個(gè)控制器皆具備SD/CF等存儲(chǔ)卡，來存儲(chǔ)動(dòng)畫數(shù)據(jù)，通過設(shè)置編號(hào)ID的方式讀取相應(yīng)的動(dòng)畫；
2、控制器皆可帶載LED，但輸出端口較少，常見多為1、2個(gè)端口。一般小型控制器皆可兼容輸出SPI信號(hào)與DMX512信號(hào)，如MR-502可做參考；
3、因動(dòng)畫數(shù)據(jù)已經(jīng)分置于每個(gè)控制器的存儲(chǔ)卡中，故多個(gè)控制器之間并不會(huì)采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議這一類的大數(shù)據(jù)量的傳輸方式，而是采用同步控制的方式來實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，如交流工頻同步、同步線同步等方式。
根據(jù)小型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，故小型控制系統(tǒng)多應(yīng)用于橋梁、道路、河岸及湖邊等分布較廣的亮化項(xiàng)目中。
因小型控制器自身功能較少、端口輸出較少等特點(diǎn)，其市場價(jià)格一般較低。目前存在一些劣質(zhì)小型控制系統(tǒng)利用其價(jià)格低廉的特點(diǎn)在市面上大行其道。故用戶在選用小型控制系統(tǒng)的時(shí)候，需選用具備品牌的控制系統(tǒng)，以保證其項(xiàng)目應(yīng)用。
目前小型控制系統(tǒng)也在不斷進(jìn)步與發(fā)展，更多的前沿技術(shù)也應(yīng)用到了小型控制系統(tǒng)之中。如衛(wèi)星同步、SIM通訊，Wifi通訊等一系列應(yīng)用技術(shù)。
集控型控制系統(tǒng)主要是針對(duì)城區(qū)/城市戶外景觀亮化等超大型項(xiàng)目，來開發(fā)的大型控制系統(tǒng)。前文所述的常規(guī)亮化控制系統(tǒng)多為控制一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，或幾個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。而集控型控制系統(tǒng)可控制幾十個(gè)，甚至幾百個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。
因戶外景觀亮化的不斷發(fā)展，其規(guī)格體量在不斷壯大，人們已經(jīng)不在滿足于單個(gè)樓體的亮化效果，而逐漸傾向于區(qū)域化發(fā)展。
常規(guī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)已經(jīng)難以滿足區(qū)域化發(fā)展的需求。在跨區(qū)域的信號(hào)敷設(shè)距離，大數(shù)據(jù)量的傳輸質(zhì)量等因素決定下，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)勢必登上集控型控制系統(tǒng)的舞臺(tái)。
2015年“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展戰(zhàn)略的提出，是中國互聯(lián)網(wǎng)歷史上的里程碑。
互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族，采用“控制端-服務(wù)器端-節(jié)點(diǎn)端”的三層架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)了超大型項(xiàng)目的遠(yuǎn)程集控。
”節(jié)點(diǎn)端“可以理解為常規(guī)的上位機(jī)控制系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)的方式，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。同時(shí)節(jié)點(diǎn)端的上位機(jī)能夠通過RS485/232等協(xié)議來實(shí)現(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的對(duì)接，如音樂噴泉等。
”服務(wù)器端“采用高性能數(shù)據(jù)服務(wù)器，能夠上一級(jí)控制端的指令與數(shù)據(jù)的傳輸，并能夠?qū)⒅噶钆c數(shù)據(jù)下傳至各個(gè)節(jié)點(diǎn)端，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)端的同步聯(lián)動(dòng)控制。同時(shí)能夠監(jiān)控各個(gè)節(jié)點(diǎn)端的工作狀態(tài)。
”控制端“即為集控端，通過控制端可將動(dòng)畫數(shù)據(jù)等素材下傳至服務(wù)器或節(jié)點(diǎn)端，并可實(shí)時(shí)控制整體控制系統(tǒng)的播控狀態(tài)。并可直觀監(jiān)控各個(gè)節(jié)點(diǎn)端的播放內(nèi)容。
同時(shí)針對(duì)將來的互聯(lián)網(wǎng)的”云控制“技術(shù)的智慧城市等控制系統(tǒng)預(yù)留通訊接口。
互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)為戶外景觀亮化控制系統(tǒng)中的集大成者，目前國內(nèi)項(xiàng)目中已經(jīng)有一些項(xiàng)目上的成功案例。如讀者中有對(duì)此感興趣的同仁，可與筆者聯(lián)系，筆者可以提供軟件DEMO進(jìn)行技術(shù)上交流，以期共同不斷完善互聯(lián)網(wǎng)集控技術(shù)。
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