基于ZIGBEE和MIDI技术混合的舞台控制网络系统

张伍军 柴大明 吕建华 杨燕罡

【摘 要】 提出一种基于ZIGBEE和MIDI技术混合的舞台控制网络系统，将传统的舞台灯光网络控制技术与ZIGBEE无线 网络技术融合，使用MIDI键盘发送指令，经过MIDI的转换单元将控制命令发送到ZIGBEE网络，实现舞台控制。

【关键词】 ZIGBEE；MIDI技术；舞台控制；灯光控制；Z-M舞台控制网络

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.02.007

【Abstract】The author puts forward a stage control network system based on the ZIGBEE and MIDI technology， with the integration of the traditional stage lighting network control technology and ZIGBEE wireless network technology， using the MIDI keyboard to send instructions. Through the MIDI conversion unit， the control commands are sent to the ZIGBEE network， to realize the stage control.

【Key Words】ZIGBEE； MIDI technology； stage control； lighting control； Z-M stage control network

随着舞台技术的发展，一些大型实景舞台剧，如《印象·刘三姐》、《长恨歌》、《12·12西安事变》、《四季周庄》等，受到了人民群众的欢迎。实景演出的舞台经常结合灯光、音响、机械、特效等多种设备、多种通信协议、多种控制方式，结构复杂，布置与维护成本高昂，给演出组织者和执行者带来了很大的不确定性。很多演出场所配备了一些工控网络和联动，但是由于各个设备的协议不统一，使得布线工作量大、通信可靠性差，导致舞台实景演出需要大量的控制人员来实现。

因此，研究一套适用于中国舞台实景剧演出的网络控制系统，是目前舞台演艺领域的紧迫需求。笔者提出一套基于ZIGBEE网络和传统MIDI（Musical Instrument Digital Interface）输出的组合网络（Z-M舞台控制网络）系统，可以实现舞台实景演出的一键式智能控制。

1 ZIGBEE技术和MIDI技术特点

在进行舞台网络控制上，国内外很多学者进行了相关研究，沈阳大学信息科学与工程学院的申晗等人提出了基于ZIGBEE的无线MIDI双向接口设计[1]；天津工业大学王巍教授等在舞台安全网络上采用ZIGBEE结合图像传输进行了一系列研究[2]；天津舞台所在长恨歌等实景演出中进行了ZIGBEE网络的使用。在这些研究和应用中，都进行了相关的原理性探索和设计，在《长恨歌》的舞台呈现中已经初步实现ZIGBEE的应用，但是他们只是单纯地应用ZIGBEE网络，并没有和MIDI技术混合。ZIGBEE网络的特点是低功耗、低成本、设计简单，但是存在的最大缺点就是低速率。另外，ZIGBEE模块输出点较少，对于一部大型的舞台实景剧，演出道具不能实现一键式控制。在《康熙大典》舞台剧演出时，需要几位工作者同时配合，完成演出。

MIDI，即乐器数字接口[3]，是电子乐器之间接口标准和音乐网络中各设备间的通信协议。它用音符数字控制信号记录音乐，一首完整的MIDI音乐只有几十KB，包含几十条音乐轨道，目前现代音乐普遍基于MIDI并结合音色库制作合成[4]。MIDI控制是目前演艺设备中比较普遍的接口，调音台、灯光台都含有MIDI输入，而MIDI输入的响应时间一般在20 ms左右，将两者结合的Z-M网络就可以涵盖大多数的舞台控制设备。

2 Z-M舞台控制网络系统的构成与实现

笔者以实景演出《鼎盛王朝》為例，分析Z-M舞台控制网络系统的构成及实现。其主控系统中的GRANDMA-3D灯光台就带有MIDI接口，可以进行MIDI输入和控制指令编辑，如图1所示。 图1（a）是GRANDMA灯光控制台，控制命令就是通过该按键发送；图1（b）是GRANDMA灯光控制台的控制接口，通过该接口可以和MIDI键连接起来。

《鼎盛王朝》的舞台控制系统采用ZIGBEE模块构成的网络构成灯光前端采集和音响效果采集，通过ZIGBEE协调器发出的指令控制远程的带有MIDI接口的控制台，包括中央控制室的灯光台，进而完成对于整个舞台的自动控制，网络接口如图2所示。

在整个舞台控制网络中，通过安全控制服务器带有的ZIGBEE协调器模块，发送到指令到各个ZIGBEE终端路由模块，路由模块可以带动多个终端，采集模拟量数据和数字量数据，并发送串口指令。

音响、灯光控制端通过MIDI键盘发送指令到ZIGBEE网络中，由ZIGBEE网络把命令传输到控制的设备端。其中，音响、灯光的命令通过MIDI的转换单元，把MIDI命令转换成ZIGBEE协议，最终实现舞台自动网络监控。同时，控制人员在控制端把信息通过TCP/IP与远程B/S端服务器平台软件连接，最终通过各个终端实现操作和控制。

为了确保网络的畅通，通过理论分析和实验仿真的方法确定网络拓扑结构和单个子网可以支持的最大结点数。采用OPNET仿真软件，对不同节点数ZIGBEE模块进行不同规模及不同组网方式的组网，组网方式包括星型（Star）、树型（Tree）和网状型（Mesh）[5]，如图3、图4所示。主要针对以下性能指标进行测试：（1）网络延时；（2）网络路径吞吐量 ；（3）网络丢包率。仿真结果如表1所示。

通过实际测试，网络平均延时情况和丢包率如图5、图6所示。

由图5、图6的结果可以看出，蓝线表示星型网络的平均延时，红线和绿线分别表示树型和网状网的平均延时情况。图5前3分钟星型网络的延时始终远远大于树状网及网状网，到第3分钟左右的时候，星型网络不再进行数据传输，网络直接处于瘫痪状态。而树状网和网状网始终有数据传送，网状网的端到端延时明显低于其他两种形式，而且传输稳定。因此，选择网状网络作为《鼎盛王朝》现场的ZIGBEE网络，并进行了现场施工和布置。在现场布置的ZIGBEE网络监控点如图7所示。标注星号的是ZIGBEE网络协调器与灯光控制器的组合，每个监控点的ZIGBEE模块都采用防雷箱设计，放置在室外，通过网状组网绕开山体和树木的阻挡，实现了远程的多点蜂窝式连接。

舞台监控网络设备实现了通过软件平台发送MIDI指令到ZIGBEE模块，再通过ZIGBEE模块发送指令到灯光台，经过测试，ZIGBEE网络在距离达到752 m的最远一处元宝山上，一秒刷新一次，发送数据包长度为50个字节的情况下，能够保证通信质量。图8为在《鼎盛王朝》元宝山进行的现场测试情况。

通过实验发现，网状组网可以最大限度提升ZIGBEE的性能，降低丢包率和延时时间，通过远程控制，基本实现了在线的远程灯光控制台遥控，可以增加510个MIDI按键（16信道），而每一幕演出需要的控制功能键在150个左右，可以达到很好的远程控制效果。

ZigBee与MIDI技术的结合应用到舞台控制系统上，实现了舞台控制的多功能化与便捷性，技术的融合运用为将来舞台演艺发展提供了新的发展方向。

参考文献：

[1]申晗，耿浩，黃平. 基于ZigBee的无线MIDI双向接口设计[J]. 中国新技术新产品，2015，（19）：20-21.

[2]朱亚林. 基于ZIGBEE的演艺控制网络融合技术研究[D]. 天津工业大学，2017.

[3]祝祥迪等. 一种复音MIDI键盘控制器的设计[J]. 电声技术，2008.

[4]赵云娥，黄婕. 基于H6188语音IC的MIDI发声器设计[J]. 电子技术，2016，45（02）：60-61.

[5]钱志鸿，朱爽，王雪. 基于分簇机制的ZigBee混合路由能量优化算法[J]. 计算机学报，2013，36（03）：485-493.