蔡孟超

（上海大恒光學(xué)精密機械有限公司，上海，200000）

1 城市亮化在城市發(fā)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(dāng)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(shè)

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(xiàn)城市環(huán)境文化信息及其建筑美學(xué)。

1.3 城市亮化工程帶動城市經(jīng)濟發(fā)展

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

2 激光在城市亮化中的作用

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

激光的種類（1）地標(biāo)激光：經(jīng)過光束整值過得激光器射出得激光光束具有射程遠(yuǎn)，亮度強得特點，并可以實現(xiàn)任意方向的定點照射，也可以實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)發(fā)出的激光射向水幕、建筑物或墻體等，激光在掃描系統(tǒng)的電腦的控制下快速移動，目標(biāo)面上形成已經(jīng)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(lián)動穿插表演，使得整個表演環(huán)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(nèi)。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(jié)拍進行激光表演。

3 全自動激光表演系統(tǒng)研制

系統(tǒng)功能及其構(gòu)成：整個系統(tǒng)分為四大部分：系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)控制模塊。

系統(tǒng)總體控制模塊主要通過網(wǎng)絡(luò)對各個單元進行控制和狀態(tài)監(jiān)控，并將各個單元的當(dāng)前狀態(tài)實時顯示在總控端，操控人員可隨時查看并調(diào)整各單元的參數(shù)，以便系統(tǒng)能運行在最佳狀態(tài)下。

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

單元硬件控制模塊主要對單元內(nèi)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(wǎng)絡(luò)控制模塊主要控制整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，采用的方式包括有線網(wǎng)絡(luò)（含雙絞線和光纖）、無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口等[2]。

網(wǎng)絡(luò)通信采用TCP/IP協(xié)議或者UDP協(xié)議，在采用UDP協(xié)議時，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性及有效性，且防止數(shù)據(jù)丟失引起控制失效或不同步，實行了每一條數(shù)據(jù)同時向各個客戶端發(fā)送三遍，同時客戶端在收到數(shù)據(jù)以后，向主控端應(yīng)答三次且客戶端的標(biāo)志位值1，主控端在接收到客戶端反饋的數(shù)據(jù)及標(biāo)志位數(shù)值以后，開始下次控制命令的執(zhí)行；同時，為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，采用了客戶端收到命令后，不止向主機端發(fā)送應(yīng)答命令，且同時和其他客戶端轉(zhuǎn)發(fā)主控端的命令，這樣即使一臺主控端出現(xiàn)故障，系統(tǒng)照樣能正常運轉(zhuǎn)，如圖1-2所示。

圖1 系統(tǒng)控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)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(shè)備組，對不同設(shè)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(dāng)結(jié)束后自動轉(zhuǎn)回自動控制模式。

（2）自動模式：根據(jù)設(shè)定的日期，時段進行全自動表演，自動開機，自動關(guān)機，無需要人工參與。

3.3 控制模式

通過無線網(wǎng)橋或者光纖，網(wǎng)線，所有客戶端及主控端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置進入總控局域網(wǎng)，總控室主控電腦通過研發(fā)的控制系統(tǒng)對整個系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程控制。

4 全自動表演中的故障處理

運行狀態(tài)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(nèi)的溫濕度態(tài)進行實時監(jiān)測[3]，由總控點監(jiān)測軟件對所有回路采集的數(shù)據(jù)進行分析，為每一回路運行狀態(tài)做出判斷，對非正常狀態(tài)的變化(即故障狀態(tài))進行預(yù)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(tǒng)及節(jié)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(wù)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(shè)置在國際港務(wù)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(tǒng)構(gòu)成

（1）激光主控系統(tǒng)

①研華工控機一套

②激光設(shè)備內(nèi)部局域網(wǎng)

③激光表演系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程控制

5）全自動表演控制

6）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

7）溫度濕度監(jiān)控

8）設(shè)備錯誤報警

（2）無線通信系統(tǒng)

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

2）防水膠套裝（3泥1帶）

（3）激光器系統(tǒng)

1）激光器及激光電源

2）激光高速掃描振鏡

3）帶恒溫系統(tǒng)的全天候戶外機柜

5.2 激光表演系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)前期設(shè)置好的時間自動啟動激光系統(tǒng)，并啟動激光總控軟件，通過無線系統(tǒng)發(fā)命令控制各個終端。

b.MOXA-E1214網(wǎng)絡(luò)繼電器控制各終端設(shè)備的電源，并接入各點MOXA205A工業(yè)非網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機組成終端局域網(wǎng)。

c.MOXA-NPort5130網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口通信讀取機柜內(nèi)部溫濕度，并控制機柜的溫濕度系統(tǒng)，使設(shè)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(tǒng)進行光束的輸出驅(qū)動節(jié)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(jù)設(shè)置的時間自動開啟激光系統(tǒng)。

b.根據(jù)設(shè)定好的時段及節(jié)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(shè)置主控端通訊協(xié)議及本地IP地址及端口

b．設(shè)置主控端發(fā)送命令的次數(shù)。

c.設(shè)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(shè)置界面，如下圖11。

圖11 主控端控制軟件外控設(shè)置界面

a.設(shè)置各外控終端的通訊協(xié)議。

b.設(shè)置本機IP地址端口并設(shè)置受那臺控制。

c.設(shè)置需要受控終端的串口協(xié)議以控制機柜的溫濕度系統(tǒng)，并讀取各機柜的溫濕度，以采取相應(yīng)措施。

（4）主控端控制軟件表演設(shè)置界面，如下圖12。

圖12 主控端控制軟件表演設(shè)置界面

a.設(shè)置各受控終端激光系統(tǒng)的表演方式是自動還是手動。

b.設(shè)置受控終端的激光系統(tǒng)的表演日期及表演場次。

c.在已經(jīng)設(shè)定好的日期，場次的情況設(shè)置各表演場次時長，及表演開始結(jié)束時間及表演的節(jié)目號，不表演時自動關(guān)機，等待下一時段再運行系統(tǒng)。達(dá)到節(jié)能降耗的作用。

5.6 光路效果及實際場景圖

激光器根據(jù)激光表演軟件發(fā)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(tǒng)開始高透射率涂膜玻璃表演編輯的好的激光節(jié)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(xiàn)場激光演示效果

6 結(jié)論

通過前期的技術(shù)研究攻關(guān)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(wù)，為上海黃浦江兩岸的亮化工程貢獻了綿薄之力，并為國內(nèi)激光表演系統(tǒng)的全自動無人值守和節(jié)能降耗提供可行之路。

圖15 現(xiàn)場激光演示效果