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详解户外景观照明LED控制系统之常规型、小型及集控型的异同点

阿拉丁照明网 2018-05-15 16:39:21

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全日波

北京明瑞之光科技有限公司 技术研发经理


中国的城镇化建设,带动科技的不断进化,同时加速了户外景观照明行业的发展,LED灯光照明基本已完全取代传统照明。因LED照明技术的不断发展,LED控制系统也通过不断的技术突破,形成了完善的控制技术。


户外景观多集中于楼宇、桥梁、公路、河岸等多个方面,并存在有不断融合、交叉的延伸应用。于此同时,越来越多的户外景观项目在不断整个城区,乃至城市景观照明联控的方向发展。


纵观LED控制系统的工作性质,控制系统可划分为三种控制模式:


1、常规控制系统,采用上位机/主控器等主从结构的控制模式;


2、小型控制系统,采用多卡存储,利用同步方式形成的小控模式;


3、集控型控制系统,采用互联网等方式,实现的大型项目的集控类的控制模式;


现在我们针对上述的三种控制模式,来讲述户外景观照明的LED控制系统的类别。


常规控制系统


常规控制系统,采用上位机/主控器等主从结构的控制模式,控制器可形成串行/并行等多种级联方式,采用网络协议进行通讯,通过分控器对LED灯具形成有效的控制。


常规控制系统可分为如下几层


1、上位机/主控器层,进行数据存储;


2、通讯数据层,系统内各控制器之间的通讯数据的传输;


3、驱动数据层,驱动灯具的信号传输,如SPI信号,DMX512信号;


4、驱动数据增强层,采用差分/中继等方式延长、强化驱动数据的传输距离和强度;


上述4部分即是LED控制系统的主干,其控制系统主干框架如下:



围绕控制系统的主干,针对不同的项目的需求,就需要其相应功能的控制器。而往往在常规应用中,特殊功能的控制器都是为围绕上位机/主控器这一部分来进行通讯对接。其架构如下:



那么我们按照其工作性质,来逐一解析控制系统的各个部分。


一、上位机/主控器
上位机/主控器是控制系统的大脑,其基本功能如下

1、支持工程布线的编辑,或导入存储;


2、具备动画数据的存储;


3、具备通讯数据的发送功能。



这3种功能就保证上位机/主控器端的最基本的功能,能够按照相应的工程布线,将动画数据通过通讯信号发送给下一级控制器。


如上位机/主控器端仅支持上述基础功能,即证明了该上位机/主控器端仅是简易类型。



而作为符合现代控制系统应用的上位机/主控器端,应具备更多的功能接口,如:


1、具备内部时钟,能够精确计算时间,进行场景定时切换等一系列功能。


2、具备卫星、无线射频等无线通讯技术,来进行同步联控;


3、具备GSM等无线移动端通讯技术,接收无线控制;


4、具备3G、Wi-Fi等网络通讯技术,实现编播控制;


5、具备RS485/RS232等常规通讯接口,进行第三方设备控制;


6、具备音频等多媒体通讯接口,实现多媒体多样化控制。



上位机/主控器端是LED控制系统的大脑,在承担数据存储、传输的基础功能上,应具备多种通讯接口来实现其针对项目需求的功能。判断一套控制系统的优劣程度,从上位机(软件界面)/主控器层面可以看到该控制系统能够实现的技术能力。

二、通讯数据


在LED控制系统内,控制器之间的通讯多采用标准网络协议中UDP协议来进行数据通讯,集中表现在控制系统传输数据的能力,一般来说控制系统多采用自适应100Mbps网络带宽,而目前市面上也出现了自适应1000Mbps(即1Gbps)网络带宽,如MR-208系列控制系统。


在这一部分中,存在一个常见误区:为什么不是TCP/IP网络协议?


首先我们要了解一下TCP/IP协议与UDP协议的区别。


TCP/IP协议是基于连接的协议,在传输数据之前,首先要建立连接。假设A端向B端发送数据,首先要进行“可不可以发?”“什么时候发?”“现在就发,你接好了”等多次询问后才能进行发送。


UDP协议是基于非连接的协议,在未与对方建立连接的基础上,就直接将数据发出去。


如果用比喻的方式来看两种协议,TCP/IP协议就如同打电话,想说话必须要先拨号,并接通信号后才能通话。而UDP协议就像用对讲机,不同对方在不在,在频道里就可以直接喊一通,充满着蛮横有效的美感。


而LED控制系统中,控制器之间通讯内容是高频的数据信号,一秒钟内至少25帧的数据量,如果采用TCP/IP这种基于连接的协议,即会导致数据延迟、丢失等情况。故在LED控制系统内通讯协议多采用UDP网络协议。


而TCP/IP协议在LED控制系统中并不是无用武之地,其实该协议同样具备重要的作用。在集控型控制系统中TCP/IP协议将大放异彩。

三、驱动数据层

在LED控制系统中,最基础的工作即是驱动灯具进行调光显示其效果。最基础的作用,同样代表着最重要。这部分功能集中体现在控制系统中分控器上面。


在控制系统驱动信号方面,目前户外景观照明领域常见方式为2种:


1、SPI驱动方式


首先我们来了解SPI驱动方式,该类方式的LED灯具采用串行级联驱动方式(手拉手方式),常见SPI驱动芯片有3、9、12、16等不同数量驱动通道,其中3通道对应单组RGB,而9、12、16通道对应多组RGB,故3通道的SPI驱动芯片多应用于串行点光源,多通道芯片多应用于LED线条灯等多段数灯具。


SPI驱动方式的特点:应用简单,现场调试较为容易。但级联串中某个灯具损坏易导致后序灯具不受控。


2、DMX512驱动方式


DMX512协议是传统的舞台灯光控制协议,我们来了解一下DMX512协议的特点:


1、DMX512协议基于EIA-485标准;


2、通讯传输波特率=250k;


3、标准通道数=512通道(512通道/3(RGB三基色)=170像素点);


4、DMX512信号,采用总线制(并联)传输方式,DMX512灯具需要固定其所占用的DMX通道数;


5、DMX512协议是一种基于主从式的协议,能够适应一对多的灯光控制系统。该协议虽然能把不同厂家产品连接起来并实施控制,但由于只能单向传输,控制系统与被控设备之间无法实现真正的信息交互。


由于DMX512协议在户外景观亮化工程中得到越来越多的追捧,DMX512协议在标准的协议应用中不断发展,并出现的拓展协议,


1、针对户外景观亮化项目采用灯具越来越多的情况,DMX512协议出现波特率与通道数拓展的功能,目前如联芯科、明微、天微、明瑞等公司都具备其拓展协议的芯片产品;


2、因DMX512灯具固定DMX通道数较为复杂的情况,出现了采用编址线、继电器等多种自动排序编址的方式,如UCS512、SM512AP、TM512具备编址线功能,MR-DMX05/06系列产品具备编址线/继电器等功能;


3、因DMX512协议的主从式单向传输的限制,出现DMX512-RDM协议,实现控制系统端与DMX512灯具端的双向通讯(采用波特率=250K,通道数=512标准协议较为稳定),如MR-RDM06芯片支持RMD协议。


而上述拓展协议及RMD协议需配合具备其相应功能的控制系统来实现,如MR-208DW/DC等控制系统。


DMX512驱动方式虽目前从项目应用上DMX512得到了越来越多的认可,但其中存在一定的误区。


误区:单个DMX512灯具损坏,并不影响信号总线上其他DMX512灯具的工作状态。


解答:首先这个观点,在一定程度上正确的,但是存在值得商榷的地方。我们从一张示意图上在解释一下该问题,如下:



在图中可见,如果B区DMX512芯片驱动LED灯珠的部分出现了故障,那么该故障点不会影响总线上其他灯具的工作情况。


但是如果A区出现了故障,如A或B对GND短路,A对B短路等情况时,该故障会影响整个总线的信号传输质量,那么总线上其他灯具必然会出现工作异常的问题。


在SPI驱动方式与DMX512方式上的选择,一般要按照实际项目需求而定。两种方式各有其特点,并不能一概而论,断定其优劣。


四、驱动信号增强层


在控制器驱动LED灯具的应用过程中,因安装位置的原因造成控制器距离LED灯具较远,导致驱动信号线距过长,信号衰减严重,而造成LED灯具无法正常工作的情况。


为解决上述情况,往往需加设驱动信号的增强设备。因驱动数据类型的不同,信号增强的方式已有不同,如下:


1、差分板:


针对SPI驱动方式,在控制系统中多采用差分板来延长距离。


其原理是将传输距离较短的SPI驱动信号转化为传输距离较长的差分信号来延长传输距离,然后再将信号转换为原SPI驱动信号来带载LED灯具。


故差分板在应用中,多采用一对(一发一收)来使用,而市面上功能较为完善的SPI控制系统皆具备兼容输出SPI信号与差分信号,故在此情况下,差分板即可选用一个接收端即可。


2、中继器


针对DMX512驱动方式,在控制系统中多采用DMX512中继器来延长信号传输距离。


DMX512协议基于EIA-485标准,在信号传输上多采用485芯片来驱动,中继器即可采用了此原理,当DMX512信号在传输总线上出现衰减情况时,采用485芯片对DMX512信号进行重新驱动,即延长了DMX512信号的传输距离。


同时DMX512中继器的应用原则:在DMX512信号传输总线上,每32个DMX512负载加设1个DMX512中继器。简单来讲,一般情况下,每32个DMX512灯具加设1个DMX512中继器。


目前在驱动信号的增强方面,主要为SPI驱动方面的差分板与DMX512驱动方面的中继器。与此同时,驱动信号增强设备具备了更多的功能,如下:


1、信号隔离保护,如磁耦隔离、光耦隔离;


2、信号反馈通道,如具备反馈通道的DMX512中继器;


3、增加编址线,并具备隔离保护功能,如DMX512中继器增加编址线,并支持隔离保护。


五、特殊控制模块

在控制系统中,因项目应用中存在多样化的需求,故针对需求而开发相应的特殊控制的功能模块。目前来说特殊功能,主要体现在如下几个方面:


1、感应功能:温度、光照、音频、红外、超声波雷达、微波雷达等一系列感应模块;


2、通讯转换功能:DMX512、RS485、RS232等协议转换为控制系统的通讯协议,实现第三方设备的控制;


3、无线通讯控制:利用GSM、3G、4G、Wifi等无线通讯方式,实现对控制系统的控制。


4、无线同步:利用GPS、北斗等卫星信号,及无线射频等方式进行无线同步;


特殊控制方式是针对多样化项目需求而定制开发。一般情况来讲,特殊功能的开发能力,是判定一个控制系统的技术极限的因素。这一部分十分强调控制系统厂家的自主研发能力,及针对项目的对接能力。


小型控制系统


在小型控制系统中,每一台控制器都具备存储卡,并能够带载LED灯具。控制器之间可采用多种同步方式来实现整体的联动。其特点如下:


1、单个控制器皆具备SD/CF等存储卡,来存储动画数据,通过设置编号ID的方式读取相应的动画;


2、控制器皆可带载LED,但输出端口较少,常见多为1、2个端口。一般小型控制器皆可兼容输出SPI信号与DMX512信号,如MR-502可做参考;


3、因动画数据已经分置于每个控制器的存储卡中,故多个控制器之间并不会采用网络协议这一类的大数据量的传输方式,而是采用同步控制的方式来实现联动,如交流工频同步、同步线同步等方式。


根据小型控制系统的结构特点,故小型控制系统多应用于桥梁、道路、河岸及湖边等分布较广的亮化项目中。


因小型控制器自身功能较少、端口输出较少等特点,其市场价格一般较低。目前存在一些劣质小型控制系统利用其价格低廉的特点在市面上大行其道。故用户在选用小型控制系统的时候,需选用具备品牌的控制系统,以保证其项目应用。


目前小型控制系统也在不断进步与发展,更多的前沿技术也应用到了小型控制系统之中。如卫星同步、SIM通讯,Wifi通讯等一系列应用技术。


集控型控制系统


集控型控制系统主要是针对城区/城市户外景观亮化等超大型项目,来开发的大型控制系统。前文所述的常规亮化控制系统多为控制一个控制节点,或几个控制节点。而集控型控制系统可控制几十个,甚至几百个控制节点。


因户外景观亮化的不断发展,其规格体量在不断壮大,人们已经不在满足于单个楼体的亮化效果,而逐渐倾向于区域化发展。


常规控制系统的架构已经难以满足区域化发展的需求。在跨区域的信号敷设距离,大数据量的传输质量等因素决定下,互联网技术势必登上集控型控制系统的舞台。


2015年“互联网+”发展战略的提出,是中国互联网历史上的里程碑。


互联网远程集控系统通过互联网通讯技术,利用标准TCP/IP网络协议族,采用“控制端-服务器端-节点端”的三层架构来实现了超大型项目的远程集控。


”节点端“可以理解为常规的上位机控制系统,采用计算机的方式,通过网络协议来实现对系统的控制。同时节点端的上位机能够通过RS485/232等协议来实现与其他控制系统的对接,如音乐喷泉等。


”服务器端“采用高性能数据服务器,能够上一级控制端的指令与数据的传输,并能够将指令与数据下传至各个节点端,并实现对各个节点端的同步联动控制。同时能够监控各个节点端的工作状态。


”控制端“即为集控端,通过控制端可将动画数据等素材下传至服务器或节点端,并可实时控制整体控制系统的播控状态。并可直观监控各个节点端的播放内容。


同时针对将来的互联网的”云控制“技术的智慧城市等控制系统预留通讯接口。


互联网远程集控系统为户外景观亮化控制系统中的集大成者,目前国内项目中已经有一些项目上的成功案例。如读者中有对此感兴趣的同仁,可与笔者联系,笔者可以提供软件DEMO进行技术上交流,以期共同不断完善互联网集控技术。



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