LED控制系统

1.一种LED控制系统，其特征在于，其包括一服务器端、多个LED主控制器以及连接上述二者的网络系统，该服务器端包括通过交换机相互连接的实时控制服务器群和一灯光场景数据库服务器，该实时控制服务器群通过该网络系统与所有该LED主控制器连接；
该网络系统包括一核心层、一汇聚层和一接入层，该实时控制服务器群与该核心层的交换机连接，该核心层交换机与该汇聚层的交换机连接，该汇聚层交换机与该接入层的交换机连接，该接入层交换机与该LED主控制器连接；
该实时控制服务器上运行有一灯光场景实时控制服务装置，该装置包括由一实时控制服务主模块控制的以下模块：
一效果文件解析模块，用于读取、解压和分析效果文件；
一数据运算模块，用于计算LED的发光颜色；
一数据发送模块，用于将LED应发光的色彩值发送到相应的该LED主控制器以控制LED的发光色彩；
一参数设置模块，用于读取、修改、保存和恢复系统参数；
一定时模块，用于产生时钟促发信号以通知该主模块执行当前时间的相应动作；
一控制器设置模块，用于设置每个该LED主控制器的属性，并将效果文件下载至每个该LED主控制器。
2.如权利要求1所述的LED控制系统，其特征在于，该服务器端还包括一场景编辑工作站，该场景编辑工作站上运行有一场景编辑装置，该装置包括由一场景编辑主模块控制的以下模块：
一场景编辑模块，用于编辑场景素材；
一媒体文件播放模块，用于播放媒体文件；
一采样模块，用于对播放时的媒体文件进行色彩数据的采样；
一效果文件生成模块，用于压缩采样数据并保存为效果文件；
一预览模块，用于对效果文件进行二维和三维的预览；
一参数设置模块，用于读取、修改和保存系统参数。
3.如权利要求1所述的LED控制系统，其特征在于，该核心层交换机通过多芯铠装光缆与该汇聚层交换机连接，该汇聚层交换机与接入层交换机之间以及该接入层交换机与LED主控制器之间通过超五类屏蔽线连接。
4.如权利要求1所述的LED控制系统，其特征在于，每个该LED主控制器均分配有一IP地址。
5.如权利要求1所述的LED控制系统，其特征在于，该实时控制服务器的网卡支持虚拟局域网，并虚拟出多个网段IP。
6.如权利要求1所述的LED控制系统，其特征在于，每台该实时控制服务器均与该核心层交换机组成环网冗余结构。
7.如权利要求1所述的LED控制系统，其特征在于，每台该核心层交换机均与该汇聚层交换机组成冗余备份结构。

LED控制系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种LED控制系统，特别是涉及一种应用于艺术灯光景观照明领域的大规模分布式全彩LED实时控制系统。\n背景技术\n[0002] 目前，进行全彩LED的控制应用已经相当普遍，大规模的应用控制主要集中在矩阵式的LED大屏幕上。对于大规模分布式LED艺术灯光景观照明的控制方法目前还处在研究阶段。\n发明内容\n[0003] 本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术无法对大规模分布式LED进行控制的缺陷，提供一种大规模分布式全彩LED实时控制系统。\n[0004] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种LED控制系统，其特点在于，其包括一服务器端、多个LED主控制器以及连接上述二者的网络系统，该服务器端包括通过交换机相互连接的实时控制服务器群和一灯光场景数据库服务器，该实时控制服务器群通过该网络系统与所有该LED主控制器连接。\n[0005] 其中，该网络系统包括一核心层、一汇聚层和一接入层，该实时控制服务器群与该核心层的交换机连接，该核心层交换机与该汇聚层的交换机连接，该汇聚层交换机与该接入层的交换机连接，该接入层交换机与该LED主控制器连接。\n[0006] 其中，该实时控制服务器上运行有一灯光场景实时控制服务装置，该装置包括由一实时控制服务主模块控制的以下模块：一效果文件解析模块，用于读取、解压和分析效果文件；一数据运算模块，用于计算LED的发光颜色；一数据发送模块，用于将LED应发光的色彩值发送到相应的该LED主控制器以控制LED的发光色彩；一参数设置模块，用于读取、修改、保存和恢复系统参数；一定时模块，用于产生时钟促发信号以通知该主模块执行当前时间的相应动作；一控制器设置模块，用于设置每个该LED主控制器的属性，并将效果文件下载至每个该LED主控制器。\n[0007] 其中，该场景编辑工作站上运行有一场景编辑装置，该装置包括由一场景编辑主模块控制的以下模块：一场景编辑模块，用于编辑场景素材；一媒体文件播放模块，用于播放媒体文件；一采样模块，用于对播放时的媒体文件进行色彩数据的采样；一效果文件生成模块，用于压缩采样数据并保存为效果文件；一预览模块，用于对效果文件进行二维和三维的预览；一参数设置模块，用于读取、修改和保存系统参数。\n[0008] 其中，该核心层交换机通过多芯铠装光缆与该汇聚层交换机连接，该汇聚层交换机与接入层交换机之间以及该接入层交换机与LED主控制器之间通过超五类屏蔽线连接。\n[0009] 其中，每个该LED主控制器均分配有一IP地址。\n[0010] 其中，该实时控制服务器的网卡支持虚拟局域网，并虚拟出多个网段IP。\n[0011] 其中，每台该实时控制服务器均与该核心层交换机组成环网冗余结构。\n[0012] 其中，每台该核心层交换机均与该汇聚层交换机组成冗余备份结构。\n[0013] 本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种基于PC平台控制的大规模分布式LED的控制系统，本系统至少可以控制五万个LED像素结点，播放速率至少能达到每秒钟\n25帧，且同步延时小于25ms，实时性很高，同时系统结构有很强的冗余备份性。该控制系统还具有很好的系统扩展功能，可以与其他控制系统保持联动，以实现更加震撼人心的灯光景观效果。且该控制系统还具有一定的通讯自诊断功能。\n附图说明\n[0014] 图1为本发明的LED控制系统的结构框图。\n[0015] 图2为本发明的服务器端的结构框图。\n[0016] 图3为本发明的网络系统的结构框图。\n[0017] 图4为本发明的系统部署结构框图。\n[0018] 图5为本发明的灯光场景实时控制服务装置的结构框图。\n[0019] 图6为本发明的场景编辑装置的结构框图。\n具体实施方式\n[0020] 下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。\n[0021] 1、整体架构\n[0022] 本发明的LED控制系统采用以太高速网络通讯加现场总线通讯的方式，组成分布式、冗余的LED灯光场景景观照明控制系统。该控制系统包括一服务器端、多个用于控制LED灯具的LED主控制器以及连接上述二者的网络系统。其中，该实时控制服务器群通过该网络系统与所有该LED主控制器连接。\n[0023] 本发明的控制系统的整体结构如图1所示，本发明按照客户机/服务器模型，将整个控制系统划分成两个相互独立的Intranet局域网络：\n[0024] 1)以灯光场景实时控制服务器群和LED主控制器组成的局域网络A，用于实现灯光场景效果的实时控制。\n[0025] 2)以数据库服务器、场景编辑工作站和灯光场景实时控制服务器群构成的局域网络B，用于实现控制机房内几个主要服务器之间的相互通信。\n[0026] 该两个局域网络之间不能直接相互通讯，以保证局域网络之间的独立性，同时，由于灯光场景实时控制服务器群通过多个网卡实现与不同局域网络的连接，因此其可以充当系统网关的作用，通过运行服务器装置，实现该两个独立的局域网络之间的通讯，这可以为以后系统功能的扩展提供基础。\n[0027] 每个LED主控制器都分配有一个IP地址，通过基于IP的通讯，使得整个系统拓展方便。另外，如果LED主控制器结点众多，为了方便控制和维护，可将它们划分为多个网段，每个网段之间的LED主控制器可以相互通讯，而不同网段之间的LED主控制器则不能相互通讯。\n[0028] 本控制系统至少能控制50000个LED结点。每个LED专用灯具独立可控，通过LED主控制器、交换机和灯光场景实时控制服务器的实时协同运行，可以实现LED专用灯具的同步运行，同步延时小于25ms，变化速度不小于25帧/秒。\n[0029] 同时，该景观照明控制系统还可以与其他控制系统保持联动，以实现更加震撼人心的灯光景观效果。另外，效果服务装置可以全年设定开关灯时间，以及当天运行的灯光场景表演列表等。\n[0030] 以下将以设置有2台实时控制服务器的LED控制系统为例对本发明做详细说明。\n[0031] 2、服务器端\n[0032] 图2所示为本发明的服务器端的结构框图。该服务器端包括：一台SQL(结构化查询语言)数据库服务器1、两台灯光场景实时控制服务器2和一个场景编辑工作站3，它们都通过联网的交换机4进行连接通信。同时，该交换机4还可以连接有其它联动的控制系统服务器5。而两台实时控制服务器2又与下文中将做描述的核心层交换机6相连。\n[0033] 其中，SQL数据库服务器主要存储如下数据：\n[0034] 1)整个系统的布灯坐标信息、每个LED主控制器的IP信息及其所控范围；\n[0035] 2)场景编辑装置和灯光场景实时控制服务装置的配置信息，如播放列表、定时设置等；\n[0036] 3)场景编辑装置制作出的效果文件；\n[0037] 4)灯光场景实时控制服务装置的实时运行信息。\n[0038] 两台实时控制服务器2起到双机热备份功能，即，它们中运行的控制装置可以监控其各自模块的运行状态，一旦发现对方出现问题，则会自动接管对方当前的工作，继续运行，且切换时间小于100ms。\n[0039] 场景编辑工作站负责制作效果文件，并将制作好的效果文件上传到SQL数据库服务器中，使得灯光场景实时控制服务装置能查找到当前所有的效果文件，并能下载播放。\n[0040] 上述服务器端的主要功能为：\n[0041] 1)实时景观照明灯光控制功能\n[0042] 实时控制服务器硬件平台上的灯光场景实时控制服务装置，从SQL数据库中下载场景效果文件进行播放，并通过网络将数据发送到每个相应的LED主控制器上，从而实现景观照明场景的实时播放。\n[0043] 2)各服务器和工作站的互通互联功能\n[0044] 通过联网交换机，灯光场景实时控制服务器可以和场景编辑工作站、开关灯工作站、照明监控工作站以及第三方控制系统服务器通信，从而实现联动控制。\n[0045] 3)播放列表设定功能\n[0046] 效果服务装置可以全年设定开关灯时间，以及当天运行的灯光场景表演列表、循环次数等。\n[0047] 4)灯光场景编辑功能\n[0048] 在场景编辑工作站采用专业的灯光场景编辑装置，可快速编辑生成各种场景效果，生成的灯光场景效果可以供灯光场景实时控制服务装置选用。\n[0049] 3、网络系统\n[0050] 服务器产生的数据通过以太网络系统发给各个LED主控制器，有时候各个主控制器也会将其自身的状态信号反馈回服务器，由于控制点多、数据量大、实时性要求高，这就要求本控制系统的网络具有足够快的通讯速率，同时要求非常可靠，即使一旦出错，也可以通过冗余结构迅速替换掉有问题的通路，使得通讯能够继续。\n[0051] 图3所示为本发明的网络系统的结构框图。整个网络系统分为核心层7、汇聚层8与接入层9，实时控制服务器2与核心层的交换机6连接，核心层交换机6与汇聚层的交换机10连接，汇聚层交换机10与接入层的交换机11连接，接入层交换机11与LED主控制器\n12连接。整个网络系统具有如下配置特点：\n[0052] 1)采用全IP通讯方式，每个LED主控制器都分配有一个IP地址。\n[0053] 2)灯光场景实时控制服务器的网卡支持VLAN(Virtual Local AreaNetwork，虚拟局域网)，可以虚拟出多个网段IP，于是可以和多个网段的LED主控制器通信。\n[0054] 3)每台实时控制服务器安装有两块带VLAN功能的千兆网卡，它们分别与两台核心层交换机组成环网冗余结构，其中核心层交换机为千兆交换机。\n[0055] 4)两台核心层交换机与汇聚层交换机之间也通过类似环网的方式进行连接，构成冗余备份结构，其中汇聚层交换机为百兆交换机。\n[0056] 在整个系统的配置中，将几个核心层交换机放置于中央控制室，而其他的交换机则放置在控制现场的控制柜中。其中核心层交换机到控制现场交换机之间的通讯介质采用多芯铠装光缆，这样可以保证中央控制室服务器到控制现场交换机之间的远距离实时通讯；而现场交换机之间，以及交换机到LED主控制器之间则通过超五类屏蔽线进行通讯，这样可以方便施工。\n[0057] 该网络系统包括以下功能：\n[0058] 1)通讯自诊断功能\n[0059] 核心层和汇聚层采用工业级可网管型交换机，LED主控制器也具有通讯效验功能，使得整个通讯网络系统具有自诊断功能。\n[0060] 2)冗余功能\n[0061] 交换机有冗余，且传输通道有冗余，同时采用多芯光纤以保证主干网络具有冗余性。\n[0062] 3)易于升级功能\n[0063] 采用全部基于IP的网络通讯，可以满足未来更高的功能需求，还可以非常方便地进行升级。\n[0064] 4)通讯实时性\n[0065] 主干网络1000Mbps的通讯速率，完全可以保证通讯的实时性。\n[0066] 4、系统部署\n[0067] 图4为本发明的系统部署结构框图。该系统分为两大块：灯光场景实时控制服务装置和场景编辑装置。灯光场景实时控制服务装置运行在实时控制服务器的硬件系统平台上，而场景编辑装置则运行在场景编辑工作站上。\n[0068] 如图4所示，场景编辑装置负责照明效果文件的制作和预览，并将制作好的效果文件上传到SQL数据库服务器上；灯光场景实时控制服务装置根据预先的设定，或接受远程操作端发回的控制指令，或接受其他控制系统的联动信号，对SQL数据库中的效果文件按一定的规律进行播放，计算每个LED灯具的发光颜色，并向LED主控制器发送该RGB色彩数据，最终达到控制所有灯具的旋律变化的目的。\n[0069] 图5所示为灯光场景实时控制服务装置的结构框图。\n[0070] 灯光场景实时控制服务装置可以根据预先设定的播放列表和播放时间，从某个时间开始解析特定的效果文件，在经过解析计算后通过网络系统直接控制每个LED灯具的发光颜色；也可以被远程操作端直接控制并播放效果文件；同时，还可以跟其它控制系统实现联动，播放与之相配的动画效果文件。\n[0071] 灯光场景实时控制服务装置具有定时、安全、可现场动态设定、可远程设定、可与周围设施联动等功能。\n[0072] 灯光场景实时控制服务装置能控制每个灯具按每秒至少25帧的速率进行变化，且同步延时小于25ms。\n[0073] 如图5所示，以实时控制服务主模块为整个装置的核心，负责控制每个模块的状态，协调他们共同工作，同时接受每个模块的反馈数据。\n[0074] 其中效果文件解析模块501对场景编辑装置制作的效果文件进行读取、解压和分析，以便为数据运算模块502提供数据。其中，为了减少存储空间，效果文件是经过压缩的，因此从文件中读出来的数据，首先需要解压缩，然后经过归类优化处理，再将对应的数据分配到相应控制器模块的控制缓冲区中。\n[0075] 其中数据运算模块502根据效果文件解析模块501提供的数据，计算每个LED灯具的发光颜色。\n[0076] 其中数据发送模块503将每个LED灯具应发光的色彩值，通过光纤网络系统发送到相应的LED主控制器，来控制每个灯具的发光颜色。因为每秒的数据量较大，为了减少发送时间，每个控制器模块对应一个SOCKET(套接字)，采用异步方式，利用UDP协议(User Datagram Protocol，用户数据报协议)来进行数据发送。\n[0077] 其中参数设置模块504对系统常用配置文件、播放列表文件及定时文件进行读取、修改、保存和恢复。\n[0078] 其中定时模块505利用系统精确定时，产生时钟促发信号，通知主模块，让主模块根据当前时间执行相应动作。在实际控制中以40ms为一定时单位，误差为±1ms，以保证按照每秒25帧的速率进行效果播放和发送。\n[0079] 其中控制器设置模块506设置每个LED主控制器的属性，并检测返回值，同时可将播放的效果文件下载到每个LED主控制器，以便其能脱机运行。\n[0080] 除此之外，该灯光场景实时控制服务装置还包括以下模块：安全设置模块507、联动响应模块508、远程响应模块509、人机接口模块510、交互模块511。\n[0081] 图6为本发明的场景编辑装置的结构框图。\n[0082] 该装置可进行灯光场景效果的编辑，具体地，可将flash动画、视频文件、文字效果以及音频效果等融入灯光场景中，修改相应的属性，组合出播放序列，通过对动画采样，制作出效果文件，供实时控制服务器使用。同时对制作出来的效果文件，可进行二维平面预览和三维仿真预览。\n[0083] 如图6所示，以场景编辑主模块为整个装置的核心，负责控制每个模块的状态，协调他们共同工作，同时接受每个模块的反馈数据。\n[0084] 其中场景编辑模块601可以选择flash动画、视频及文字效果等素材，设定其播放属性和它们的播放顺序，并保存为XML(Extensible MarkupLanguage，扩展标记语言)格式的文件。该模块具有添加、修改和删除素材的功能。\n[0085] 其中媒体文件播放模块602进行多种媒体文件的播放显示：flash播放、视频音频文件的播放及文字显示等。\n[0086] 其中采样模块603在媒体文件播放时负责采样其显示的RGB色彩值，以便为效果文件的生成提供数据。\n[0087] 其中效果文件生成模块604将采样的数据进行压缩，然后保存为效果文件。\n[0088] 其中预览模块605对制作的效果文件进行二维和三维的效果预览，以判断制作出来的效果是否满足预期的需求。\n[0089] 其中参数设置模块606进行系统常用参数的读取、修改和保存，并负责整个系统的运行参数。\n[0090] 除此之外，该场景编辑装置还包括以下模块：文件解析模块607、安全设置模块\n608、人机接口模块609。\n[0091] 综上所述，该控制系统至少可以控制五万个LED像素结点，播放速率至少能达到每秒钟25帧，且同步延时小于25ms，实时性很高，同时系统结构有很强的冗余备份性。该控制系统还具有很好的系统扩展功能，可以与其他控制系统保持联动，以实现更加震撼人心的灯光景观效果。且该控制系统还具有一定的通讯自诊断功能。\n[0092] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。