CN103369795B - 一种互动型灯光智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种互动型灯光智能控制系统，包括灯效控制器、传感器节点控制器及对应每个灯具的传感器节点，传感器节点与灯具构成阵列均匀布设在天花板上。其中灯效控制器含有微处理器模块a、现场通信总线接口模块a、RS485总线接口模块、存储卡模块、触控显示模块；传感器节点控制器含有微处理器模块b、现场通信总线接口模块b、电源转换模块b；传感器节点含有人体检测传感器模块、微控制器模块、现场通信总线接口模块c、电源转换模块c。每个传感器节点内有人体检测传感器，可以有效完成人体定位及动作的检测，实现人与灯光阵列的互动。本发明采用大规模集成电路，具有体积小响应速度快，设计新颖功耗低，适应面广的优点，便于推广使用。

Description

一种互动型灯光智能控制系统

技术领域

本发明涉及智能照明及人机互动技术，具体的说涉及一种互动型灯光智能控制系统。

背景技术

随着科技的发展、社会的进步，灯具已不再是单纯的照明工具，各行各业对灯光展示的效果、展示的方式要求越来越高，传统简单的灯光互动已慢慢失去了对观众的吸引力。基于人体检测的互动型灯光智能控制系统，能使观众真正地参与其中，其参与性、观赏性及娱乐性都得到了极大的提升。

现有的灯光交互控制方式主要包括开关控制方式、控制台控制方式和控制器程序控制方式三种，其中开关控制通过一定形式的开关控制灯具电源的通断，如2012年底公开的一种灯光球场智能控制器，通过微波探测器检测人体信号，由单片机判断后，控制接通或断开LED电源。采用控制台控制方式需要事先安排控制策略和方案，一般采用计算机进行控制和管理，功耗高，不适合长时间连续工作，如2008年公开的分布式场景灯光控制系统，采用计算机设置和维护该系统；还有2012年公开的舞台灯光控制器，也采用ARM作为灯具和电机执行装置的控制器，计算机为主控制台。而采用控制器程序控制方式，是由控制器接收主控制台的命令执行相应的程序，控制器程序控制方式解决了专业控制台是固定的，解决了便捷控制的问题，如2013年初一种智能灯光控制系统，采用wifi控制终端可以实现现场的即时控制，可以编辑存储自己喜欢的程序随时控制，只有控制终端的持有者拥有控制权限。以上三种灯光交互控制方式均存在交互体验较差，交互灵活性欠佳的问题。

为了实现人体与灯光系统的互动，2012年公开的具有重力感应功能的LED灯光互动系统，该系统将人体体重与LED灯光互动，该系统安装在地面上，安放需要较宽的区域，互动效果的变化仅仅与脚下用力的大小有关，互动区域局限于灯光矩阵模块区域，不能实现灯光矩阵全范围内的灯光互动，效果较差。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的不足，而提供一种所有的观众都可以参与其中，观众的位置和动作成为灯具阵列工作方式“控制器”的互动型灯光智能控制系统，且该系统设计新颖，智能化程度高，适应面广，具有体积小、响应速度快、功耗低、操作方便的优点。

为了实现上述功能，本发明所采取的技术方案是：提供一种互动型灯光智能控制系统，含有灯效控制器、传感器节点控制器及对应于每个灯具的传感器节点，所述的对应于每个灯具的传感器节点与每个灯具构成阵列均匀布设在天花板上，每个灯具采用DMX512通信的LED小射灯；

所述的灯效控制器与每个灯具电连接，灯效控制器还与传感器节点控制器双向电连接，传感器节点控制器与对应于每个灯具的传感器节点双向电连接；

所述的灯效控制器由微处理器模块a、现场通信总线接口模块a，RS485总线接口模块、TF存储卡模块、触控显示屏、电源转换模块a构成，所述的微处理器模块a为灯效控制器的核心，用于实现返回数据的处理分析，根据设置完成灯具阵列灯光效果的控制，及对存储卡模块与触控显示屏模块的控制；所述的现场通信总线接口模块a为灯效控制器与传感器节点控制器的数据传输通道，保证系统在较强电磁干扰环境下正常的通信，提高数据传输的距离；所述的RS485总线接口模块的构成基于DMX512灯具阵列控制协议的物理层；所述的TF存储卡模块采用便携式大容量存储卡，灯具阵列灯光效果以文件的形式存储在存储卡中，通过计算机软件的方式修改、增加、删除存储卡的文件以达到改变灯效的目的；所述的触控显示屏提供系统人机界面，用户通过显示屏了解系统的工作状态、设置系统的工作模式、完成系统的更新；电源转换模块a将输入的电源转换为系统工作所需要的稳定的电源电压；

所述的传感器节点控制器由微处理器模块b、现场通信总线接口模块b、电源转换块b构成，所述的传感器节点控制器通过微处理器模块b用于完成对灯具矩阵中每个传感器节点的控制，获取每个传感器节点返回的数据信息，并进行初步的分析，打包后发送给灯效控制器；现场通信总线接口模块b完成与每个传感器节点及灯效控制器的双向通信；

所述的传感器节点由人体检测传感器模块、微控制器模块、现场通信总线接口模块c、电源转换模块c构成，每个灯具对应一个传感器节点，微控制器模块与人体检测传感器模块双向电连接，人体检测传感器模块检测是否有人存在和人体的动作，微控制器模块与现场通信总线接口模块c双向电连接，实现传感器节点与传感器节点控制器的双向通信，电源转换模块c将输入的电源电压转换为系统工作所需要的稳定的电源电压。

传感器节点通过人体检测传感器模块实现探测区域内人体的动作检测及定位，如：检测人体身高，跳跃，招手，走动及人站立在灯具阵列中的位置等。人体检测传感器采用微波及超声波传感器相融合，使其既具有微波传感器探测距离远、响应速度快、抗干扰能力强的特性，又具备超声波测量精度较高、角度范围小的优势。该人体检测传感器既可以实现人体运动检测，同时能实现人体静止站立状态的检测，响应速度快，测量准确。为降低系统功耗，传感器节点只有在人体检测传感器检测到人员进入检测区域后才被唤醒进入工作状态，未检测到人员时处于低功耗睡眠状态。

所述的现场通信总线接口模块采用基于RS485总线技术或采用基于CAN现场总线技术。这两种接口技术都可以实现较远距离的通信，能够支持较多的网络节点，且这两种接口技术方案成熟，抗干扰能力较强。

所述的灯效控制器与传感器节点控制器之间，传感器节点与传感器节点控制器之间，传感器节点与传感器节点之间，均采用RJ45网口作为接线接口，仅通过一根网线即能实现相互间的通信和供电。

所述的灯效控制器及传感器节点控制器的处理器模块采用32位微处理器，所述的传感器节点的微控制器模块采用低功耗控制器。灯效控制器及传感器节点控制器的处理器模块采用32位微处理器是因其性能较强，可以提高系统的响应速度，且32位微处理器具有比较丰富的外设资源，以满足其对多种外围电路控制的需要。而传感器节点的微控制器模块采用低功耗控制器可以降低每个节点的功耗，进而降低整个系统的功耗，低功耗控制器可以采用如MSP430单片机或STM8单片机之类的低功耗单片机。

本发明适应智能灯光控制系统发展的趋势，采用大规模集成电路设计，具有硬件电路模块化、抗干扰能力强的特点。灯效控制器和传感器节点控制器采用性能强的32位处理器，提高系统的响应速度，传感器节点采用低功耗单片机，在保证系统的性能和控制需要的前提下降低系统功耗。

本发明传感器节点控制器与传感器节点之间采用现场总线通信，便于适应不同数量的受控灯具，增加信号的传输距离和抗干扰性能。在具体的应用场景中则可以根据场地和安装需求扩展、改变灯具和节点的数量和放置方式，以适应更多应用场景的需要，便于推广使用。

本发明一种互动型灯光智能控制系统与现有技术相比具有以下优点：

⑴、本发明设计的一种互动型灯光智能控制系统不同于以往的交互方式，所有的观众都可以参与与灯具阵列的互动，观众站立在灯具阵列中的位置和动作成为灯具阵列工作方式的“控制器”，观众的一举一动能以灯具阵列的明暗、颜色、图案的改变来展现，灯具阵列不再是固定的、冷冰冰的演示，人与灯具融合在一起，让所有参与其中的观众都体验到互动的快乐。

⑵、本发明抛弃以往采用计算机设置维护灯控系统，改变灯光效果的方法，各种灯效采用便携式存储卡以文件方式存储，更新和修改都极为方便，互动模式可以通过灯效控制器来设置。

⑶、本发明传感器节点通过人体检测传感器可以实现人体的定位、检测人体的动作，如：人站立在灯具阵列中的位置，人体身高，跳跃，招手，走动等，设计新颖，互动效果好，智能化程度高，使用操作简单。

⑷、本发明具备灵活的灯效输入方式，用户根据自己对灯效的要求通过计算机软件设置灯效，并将灯效数据下载至便携式存储卡，系统则根据新的灯效方案工作。

⑸、本发明接线方便简单，节点与节点之间、节点与控制器之间仅通过一根网线即能实现通信和供电，在一定程度是降低了安装成本。

⑹、本发明设计新颖，智能化程度高，适应面广，具有体积小、响应速度快、功耗低、操作方便的优点，互动型灯光智能控制系统的安装基本不受场地的限制，可以安装在商场、展览馆、科技馆、公园、游乐园等场所。

附图说明

图1为本发明互动型灯光智能控制系统的结构示意框图。

图2为本发明互动型灯光智能控制系统灯效控制器的结构框图。

图3为本发明互动型灯光智能控制系统传感器节点控制器的结构框图。

图4为本发明互动型灯光智能控制系统传感器节点的结构框图。

图5为本发明互动型灯光智能控制系统布置结构示意图。

图6为本发明中灯效控制器微处理器模块a与传感器节点控制器微处理器模块b的电气原理图。

图7为本发明中灯效控制器微处理器模块a与传感器节点控制器微处理器模块b的外围电气原理图。

图8为本发明中灯效控制器现场通信总线接口模块a与传感器节点控制器现场通信总线接口模块b和RS485总线接口模块的电气原理图。

图9为本发明中灯效控制器电源转换模块a与传感器节点控制器电源转换模块b的电气原理图。

图10为本发明中灯效控制器存储卡模块和触控显示屏模块接口的电气原理图。

图11为本发明中的传感器节点微控制器模块的电气原理图。

图12为本发明中的传感器节点人体检测传感器模块接口和现场通信总线接口模块c的电气原理图。

图13分别为本发明中的传感器节点电源转换模块c的电气原理图。

上述图中：1-灯具，2-传感器节点，3-传感器节点控制器，4-灯效控制器，5-现场总线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的互动型灯光智能控制系统作详细具体的说明。

实施例1：本发明提供的一种互动型灯光智能控制系统，其结构框图如图1、2、3、4所示，由灯效控制器4、传感器节点控制器3及对应于每个灯具1的传感器节点2构成，每个灯具1与其对应的1个灯具传感器节点2以阵列的方式均匀布设在天花板上，每个灯具1采用带DMX的LED小射灯。灯效控制器4通过建立在RS485总线接口基础上的DMX512协议实现对灯具阵列的控制，灯效控制器4和传感器节点控制器3通过现场通信总线双向电连接，传感器节点控制器3与每个灯具1对应的传感器节点2通过现场通信总线双向电连接。

本实施例中所述的灯效控制器4的结构如图2所示，灯效控制器4由微处理器模块a、现场通信总线接口模块a，RS485总线接口模块、存储卡模块、触控显示屏、电源转换模块a构成。微处理器模块a与现场通信总线接口模块a双向电连接，完成与传感器节点控制器3的通信；微处理器模块a与RS485总线接口模块双向电连接，完成对灯具阵列控制；微处理器模块a与存储卡模块双向电连接，以达到改变灯效的目的；触控显示屏与微处理器模块a双向电连接提供系统人机界面；电源转换模块a将输入的电源转换为系统工作所需要的稳定的电源电压。灯效控制器4对传感器节点控制器3上传的数据进行处理分析后，根据设置的规则完成灯具阵列灯光效果的控制。

本实施例中所述的传感器节点控制器3的结构如图3所示，传感器节点控制器3由微处理器模块b、现场通信总线接口模块b、电源转换块b构成。微处理器模块b与现场通信总线接口模块b双向电连接，完成传感器节点控制器3与灯效控制器4的双向通信，及传感器节点控制器3与每个传感器节点2的双向通信，电源转换模块b将输入的电源电压转换为系统工作所需要的稳定的电源电压。传感器节点控制器3完成对灯具阵列每个传感器节点2的控制，读取每个传感器节点2返回的数据信息，并进行初步的分析，打包后发送至灯效控制器4。

本实施例中所述的传感器节点2的结构如图4所示，传感器节点2由人体检测传感器模块、微控制器模块、现场通信总线接口模块c和电源转换模块c构成。每个灯具1对应一个传感器节点2，微控制器模块与人体检测传感器模块双向电连接，人体检测传感器模块检测是否有人存在和人体动作，微控制器模块与现场通信总线接口模块c双向电连接，实现传感器节点2与传感器节点控制器3的双向通信，电源转换模块c将输入的电源电压转换为系统工作所需要的稳定的电源电压。

以下为本发明中各模块的工作方式：

本实施例中系统的布置，其结构如图5所示。传感器节点2与带DMX的灯具1构成阵列均匀布设在天花板上，采用的是6×6的矩阵，两个传感器节点2之间、两个灯具1之间的间隔为50厘米，传感器节点2紧靠灯具1布置。每个灯具1与传感器节点2分别分别通过现场总线5的RS485总线接口与灯效控制器4、传感器节点控制器3连接。

本实施例中的灯效控制器4中的微处理器模块a与传感器节点控制器3的微处理器模块b的电气连接，如图6、7所示。微处理器模块a其中U301为高性能32位微处理器STM32F103，其内部具有丰富的外设资源，满足了接口的需要。微处理器模块a还包括复位时钟电路、微处理器电源滤波电路及JTAG调试电路，图中电阻R302、复位按键RESET、电容C309组成复位电路；Y1为高速晶振，Y2为低速晶振，二者共同构成微处理器STM32F103的片外晶振电路；磁珠L301、L302，电容C310至C319，电容303、304构成微处理器电源滤波电路；P301与电阻R303至R307构成JTAG调试电路。

本实施例中的灯效控制器4中的现场通信总线接口模块a与传感器节点控制器3的现场通信总线接口模块b和RS485总线接口模块的电气连接，如图8所示。现场通信总线接口模块a与b也采用RS485总线接口方式，为提高通信的稳定性和抗干扰性能，采用高速光耦将微处理器STM32F103与485总线驱动器隔离。其中串行通信接口电路采用U201和U202实现电气隔离，U201与U202为高速光耦6N137，以满足较高的通信速率要求，U203为MAX485总线驱动器，为半双工的电平转换器，完成TTL电平与RS485电平之间的相互转换，实现微处理器STM32F103与外部现场通信总线之间的通信传输。U204为ISL3178，也是485总线驱动器，J301与J302为RJ45网口插座，分别为现场通信总线接口模块与RS485总线接口模块的外接接口。

本实施例中的灯效控制器4中的电源转换模块a与传感器节点控制器3的电源转换模块b的电路，如图9所示。U101为LM1085IT-5.0电源芯片，为系统提供正5伏电源，U102为LM1085IT-3.3电源芯片，为系统提供正3.3伏电源，U103为LM1085IT-5.0电源芯片，为现场通信总线接口模块提供独立的正5伏电源。

本实施例中的灯效控制器中的存储卡模块和触控显示屏模块接口的电气原理如图10所示。存储卡模块与微处理器STM32F103的SD卡接口连接，数据口SDIO_D0、SDIO_D1、SDIO_D2、SDIO_D3及命令口SDIO_CMD分别通过电阻R201、R202、R203、R204和R205上拉，P201为TF卡接插座。触控显示屏模块和微处理器STM32F103采用串行总线接口，P202为触控显示屏接插座，其中第1、2引脚为正5伏电源，第3脚为地，第4脚为触控显示屏背景灯控制线，第5脚和第6脚分别连接微处理器串口1的发送信号线UART1_TX和接收信号线UART1_RX，第7脚为液晶忙状态信号线。D1、D2和D3为系统工作状态的指示灯，分别与微处理器的PD13至PD15连接，KEY1至KEY4为用户按键部分，分别与微处理器的PE8至PE11连接。

本实施例中的传感器节点2中的微控制器模块的电路如图11所示。微控制器采用STM8S103单片机，其内部包含一个串行通信控制器UART，一个SPI接口，一个10位的模数转换器ADC和三个定时器TIMER，芯片的尺寸很小，可以大大减小传感器节点的尺寸。图中电阻R301、复位按键RESET、电容C303组成复位电路；Y1为16M晶振构成单片机的片外晶振电路；电容C304、C305、C306、C307和电阻R302组成单片机电源滤波退耦电路；P301为单片机的SWIM调试接口。

本实施例中，传感器节点2中的人体检测传感器模块接口和现场通信总线接口模块c的电路如图12所示。U201为ISL3178，为半双工的485总线驱动器，完成TTL电平与RS485电平之间的相互转换，实现传感器节点微控制器与外部现场通信总线之间的通信传输。J201为RJ45网口座子，为现场通信总线接口模块c的外接接口。P201为人体检测传感器接口，第1脚和第6脚为电源引脚，第2脚和第3脚与微控制器的AD_IN0和AD_IN1连接，第4脚和第5脚与微控制器的PD3和PD4连接。

本实施例中的传感器节点2的电源转换模块c的电路如图13所示。U101为LM1085IT-5.0电源芯片，为系统提供正5伏电源，U102为LM1117MPX-3.3电源芯片，为系统提供正3.3伏电源，U103为LM1117MPX-2.5电源芯片，为单片机的ADC模块提供参考正2.5伏电源。

本发明的互动型灯光智能控制系统具体工作方式如下：

每个灯具1旁对应安装一个传感器节点2，传感器节点2通过人体检测传感器检测是否有人存在和人体的动作，如：人站立在灯具阵列中的位置，人体身高，跳跃，招手，走动等，传感器节点2将动作编码后与该传感器节点地址信息通过现场通信总线接口模块c发送给传感器节点控制器3，传感器节点控制器3按照一定的规则向灯具阵列的每个传感器节点发布控制命令，即轮询传感器节点，并读取每个传感器节点返回的数据信息，进行初步的分析后，打包发送给灯效控制器4。灯效控制器4对传感器节点控制器3上传的数据进行处理分析后，根据用户设置的工作模式读取存储卡中的灯效文件，微处理器STM32F103分析灯效文件同时将灯效控制命令发送至灯具阵列，完成灯具阵列灯光效果的控制。

本实施例中所选芯片仅为1个举例，其中微处理器单元可以采用其他任意高性能、内部资源丰富、处理速度快的32位微处理器；现场通信总线接口模块和RS485总线接口模块可以采用任意能完成TTL电平与RS485电平之间的相互转换的接口芯片；触控液晶显示单元可根据配置需要选用其他类型的显示器。

本发明的互动型灯光智能控制系统具有硬件电路模块化、实时性好，检测准确率高、抗干扰能力强、功耗低和操作方便的特点。在具体的应用场景中则可以根据场地和安装需求扩展、改变灯具和传感器节点的数量和放置方式，不受场地的限制，适应更多应用场景的需要，便于推广使用。

Claims (4)

1.一种互动型灯光智能控制系统，含有灯效控制器、传感器节点控制器及对应于每个灯具的传感器节点，其特征在于：所述的对应于每个灯具的传感器节点与每个灯具构成阵列均匀布设在天花板上，每个灯具采用DMX512通信的LED小射灯；

所述的灯效控制器与每个灯具电连接，灯效控制器还与传感器节点控制器双向电连接，传感器节点控制器与对应于每个灯具的传感器节点双向电连接；

所述的灯效控制器由微处理器模块a、现场通信总线接口模块a，RS485总线接口模块、TF存储卡模块、触控显示屏、电源转换模块a构成，所述的微处理器模块a为灯效控制器的核心，用于实现返回数据的处理分析，根据设置完成灯具阵列灯光效果的控制，及对存储卡模块与触控显示屏模块的控制；所述的现场通信总线接口模块a为灯效控制器与传感器节点控制器的数据传输通道，保证系统在较强电磁干扰环境下正常的通信，提高数据传输的距离；所述的RS485总线接口模块的构成基于DMX512灯具阵列控制协议的物理层；所述的TF存储卡模块采用便携式大容量存储卡，灯具阵列灯光效果以文件的形式存储在存储卡中，通过计算机软件的方式修改、增加、删除存储卡的文件以达到改变灯效的目的；所述的触控显示屏提供系统人机界面，用户通过显示屏了解系统的工作状态、设置系统的工作模式、完成系统的更新；电源转换模块a将输入的电源转换为系统工作所需要的稳定的电源电压；

所述的传感器节点控制器由微处理器模块b、现场通信总线接口模块b、电源转换块b构成，所述的传感器节点控制器通过微处理器模块b用于完成对灯具矩阵中每个传感器节点的控制，获取每个传感器节点返回的数据信息，并进行初步的分析，打包后发送给灯效控制器；现场通信总线接口模块b完成与每个传感器节点及灯效控制器的双向通信；

所述的传感器节点由人体检测传感器模块、微控制器模块、现场通信总线接口模块c、电源转换模块c构成，每个灯具对应一个传感器节点，微控制器模块与人体检测传感器模块双向电连接，人体检测传感器模块检测是否有人存在和人体的动作，微控制器模块与现场通信总线接口模块c双向电连接，实现传感器节点与传感器节点控制器的双向通信，电源转换模块c将输入的电源电压转换为系统工作所需要的稳定的电源电压。

2.根据权利要求1所述的一种互动型灯光智能控制系统，其特征在于：所述的现场通信总线接口模块采用基于RS485总线技术或采用基于CAN现场总线技术。

3.根据权利要求1所述的一种互动型灯光智能控制系统，其特征在于：所述的灯效控制器与传感器节点控制器之间，传感器节点与传感器节点控制器之间，传感器节点与传感器节点之间，均采用RJ45网口作为接线接口，仅通过一根网线即能实现相互间的通信和供电。

4.根据权利要求1所述的一种互动型灯光智能控制系统，其特征在于：所述的灯效控制器及传感器节点控制器的处理器模块采用32位微处理器，所述的传感器节点的微控制器模块采用低功耗控制器。