مقدمه
آبنمای موزیکال به عنوان ترکیبی از فناوری، هنر و مهندسی، در سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از فضاهای شهری، تفریحی و تجاری قرار گرفته است. شرکت نوراب از سال ۱۳۸۷ در این حوزه فعالیت داشته و طی این سالها، مسیر تحقیق و توسعه ی پر فراز و نشیبی را پشت سر گذاشته است. در این مسیر، با طراحی و ساخت چندین نسل از کنترلرهای آبنمای موزیکال، به بهبود کیفیت، کارایی و امکانات این سیستم ها پرداخته ایم.
توسعه این فناوری، مستلزم به کارگیری روشهای نوین در طراحی سخت افزار، نرم افزار و الگوریتم های کنترلی بوده است. اکنون، پس از سالها تجربه و تلاش، به راهکارهایی بهینه و موثر در این حوزه دست یافته ایم. در این مقاله روند تحقیق و توسعه پکیج آبنمای موزیکال، چالشها و پیشرفت های حاصل شده را بررسی خواهیم کرد.
کنترلر آبنمای موزیکال ورژن اول
فعالیت شرکت در حوزه آبنما در سال ۱۳۸۷ با راه اندازی آبنمای موزیکال ده کانال با استفاده از سیستم کامپیوتر و نرم افزار کارگردانی موزیک، با همکاری شرکت فوران بوده است. این سیستم کنترلی با چالشها و مشکلات زیادی همراه بود. از جمله اینکه برای روشن و خاموش کردن آبنما نیازمند حضور کاربر در محل آبنما بود. در سال ۱۳۹۲ آبنمای موزیکال شش کانال در چابهار با ارتقا برنامه کارگردانی و ارسال دیتا اجرا گردید، از آنجا که این آبنما در یکی از هتل های آن شهر اجرا شده بود، مشکل کاربر برای این پروژه وجود نداشت، اما این مساله همچنان به عنوان یک معضل برای سیستم کنترلی آبنمای موزیکال شهری مطرح بود. از سوی دیگر، این شیوه ی کنترلی آبنمای موزیکال، بسیار پرهزینه، و چالش برانگیز بود و سرویس نگهداری آن در طول زمان سخت و نیازمند نیروی متخصص بود. به همین دلیل، ایده اولیه کنترلر آبنمای موزیکال، با استفاده از میکروکنترلر شکل گرفت.
در سال ۱۳۹۳ آبنمای موزیکال در زاهدان با کنترلر موزیکال ورژن اول، طراحی و اجرا شد. این کنترلر فاقد نرم افزار کارگردانی بود. این کنترلر موزیک را به سیگنال آنالوگ تبدیل کرده و سیگنال آنالوگ را به اینورترها ارسال میکند. این کنترلر نیز دارای نقاط ضعف بسیار بود. از جمله:
– عدم هماهنگی میان حرکت آب در فوراه و موسیقی
– ارتباط یک طرفه با اینورترها
– عدم امکان کارگردانی بر روی موزیک
– و…
عدم هماهنگی میان حرکت آب در فوراه و موسیقی، ناشی از لختی آب و سیستم مکانیکی می باشد. به همین دلیل برای هماهنگی کامل میان آب و موسیقی، ارسال دیتا و پخش موسیقی باید با یک تاخیر زمانی صورت گیرد.
در ادامه روند تکمیل همین کنترلر، دو پروژه در سالهای ۱۳۹۴ و ۱۳۹۵ اجرا شده است که در این پروژه ها یک تاخیر زمانی ۳۰۰ میلی ثانیه بین ارسال دیتا و پخش موزیک اعمال شد. با توجه به محدودیت های سخت افزاری این کنترلر امکان ایجاد تاخیر زمانی بیشتر وجود نداشت. هرچند این تاخیر زمانی سبب بهبود عملکرد و هماهنگی بهتر آبنما شده اما همچنان راضی کننده نبود.
عکس از کنترلر موزیکال ورژن اول
کنترلر آبنمای موزیکال ورژن دوم
در سال ۱۳۹۶ پروژه آبنمای موزیکال یک کانال در شهر طبس با کنترل آبنمای موزیکال ورژن دوم طراحی و اجرا شده. این کنترلر ریل مونت بوده و قابلیت ایجاد تاخیر زمانی ۳۰۰ میلی ثانیه را دارا بود. همچنین دو مدکاری موزیکال و ثابت را پشتیبانی میکرد. ارسال دیتا به اینورتر در این کنترلر از طریق ارتباط RS485 و پروتکل مدباس ASCII بوده است. در این کنترلر، رنگ چراغ های آبنما با اوج گرفتن ارتفاع فواره به صورت خودکار تغییر میکند. این کنترلر دارای پخش کننده موزیک بازاری است. بر روی این کنترلر چند LED به منظور نمایش حرکت فواره ها طراحی شده است. در طراحی این کنترلر از میکروکنترلر ATMEGA8 استفاده شده است. اگر چه این کنترلر برخی از نقاط ضعف را برطرف کرده، اما همچنان با چالشهای مواجه است. در این کنترلر بسته به مقدار دامنه ی صدای ورودی ضریبی متغیر برای مقدار خوانده شده از ADC در نظر گرفته شده بود که میتوانست برای آهنگ های با کیفیت و بی کیفیت اجرای تقریبا ثابتی را داشته باشد.
کنترلر موزیکال ورژن دوم
کنترلر آبنمای موزیکال با PLC ورژن سوم
در سال ۱۳۹۷ آبنمای موزیکال شش کانال با کنترلر موزیکال ورژن سوم طراحی و اجرا گردید. در این آبنما به منظور ارسال دیتا به اینورترها از طریق RS485 از PLC استفاده شده است. و کنترلر موزیکال وظیفه پخش موزیک (پخش کننده موزیک بازاری) و ایجاد تاخیر زمان ۵۰۰ میلی ثانیه ( با استفاده از مدار اکوی بازاری) بر عهده داشت است. این کنترلر نیز به دلیل غیر مجتمع بودن مدار فرمان علاوه بر چالشهای قبلی، مشکلات تازه ی به دنبال داشت. اما از مزیت های اصلی این سیستم کنترلری، کنترل شش عدد اینورتر با سرعت رفرش بالای دیتای در هر اینورتر می باشد، که با توجه به ایجاد تاخیر زمانی ۵۰۰ میلی ثانیه، هماهنگی میان پخش موزیک و اجرای آب در فواره ها بسیار نمایان است. این کنترلر بصورت استریو (دو کانال) و با میکروکنترلر ATMEGA32 ساخته شده است.
کنترلر آبنمای موزیکال یک کانال ورژن چهار
در سال ۱۳۹۸ کنترلر آبنمای موزیکال یک کانال طراحی، توسعه و در پروژه بوستان نشاط بیرجند، مورد بهره برداری قرار گرفت. این کنترلر بسیاری از معایب کنترلرهای قبلی را بر طرف کرده است. هسته اصلی پردازنده یک کنترلر میکروکنترلر Stm32F103c8T6 بوده است. این کنترلر داری یک برد تاخیر صدا (۰-۱۰۰۰ Ms) می باشد که این برد تاخیر صدا نیز توسط شرکت طراحی و توسعه داده شده است و هسته مرکزی آن میکروکنترلر Stm32F103Ret6 میباشد. علت استفاده از این میکرو در برد صدا، دارای بودن پریفرال ADC و DAC به منظور دریافت و پخش موزیک می باشد.
ارسال دیتا در این کنترلر با استفاده از RS485 و پروتکل مدباس RTU بوده و همین طور ارسال دیتا به کنترلر چراغ (ورژن اول- طراحی و توسعه داده شده توسط شرکت) نیز در همین بستر سخت افزاری بوده است. این کنترلر دارای یک نمایشگر گرافیکی ۶۴*۱۲۸ و هشت کلید به منظور انجام تنظیمات، و همین طور تغییر موزیک، افزایش ولوم و … می باشد. بر روی برد تاخیر صدا یک سون سگمنت به منظور نمایش میزان تاخیر صدا و همچنین دو کلید برای تنظیم وجود دارد.
در این کنترلر، موزیک از روی SDCard خوانده میشود، بدین صورت که با استفاده از ماژول DFPlayer متصل به میکروکنترلر موزیک پخش شده و توسط ADC ، با حداکثر سرعت نمونه گیری میشود، پس از آن با ایجاد تاخیر زمانی موزیک توسط DAC کارت صدا پخش میشود. از سوی دیگر موزیک توسط ADC برد اصلی کنترلر نمونه گیری میشود، و با ایجاد معدل گیری و سایر الگوریتم های بهینه سازی، دیتا مورد نیاز برای ارسال به اینورتر فراهم میشود. همین طور دیتای رنگ آبنما نیز از طریق شدت دامنه سیگنال صدا تغییرات دارد.
این سیستم کنترلی بسیار از مسائل و چالش ها را رفع کرده است. همین طور امکانات مختلفی به آن اضافه شده است. از جمله:
– سه مد کاری ثابت- موزیکال- هارمونیک
– امکان اضافه کردن در مد ثابت بین دو موزیک با زمان دلخواه
– امکان انتخاب دامنه تغییر رنگ چراغ ها توسط کاربر (به طور مثال کاربر انتخاب میکند در ارتفاع ۳۰ رنگ چراغ ها تغییر کند یعنی، هر زمانی که ارتفاع فوراه به ۳۰ می رسد، رنگ چراغ ها تغییر میکند)
یکی از ویژگی های این کنترلر، محاسبه CRC به منظور ارسال دیتا در بستر سخت افزاری RS485 و پروتکل مدباس می باشد.
اما برخی از محدودیت های این کنترلر، عدم امکان ارسال دیتا به چندین اینورتر، عدم امکان کارگردانی موزیک و رنگ چراغها به دلخواه کاربر می باشد.
کنترلر آبنمای موزیکال چند کانال ورژن پنج
در ادامه روند تحقیق و توسعه و رفع ایرادات مربوط به کنترلر موزیکال یک کانال در ورژن قبلی، در سال ۱۳۹۹ با طراحی یک کنترلر جدید، سیستم آبنمای موزیکال ده کانال بوستان توحید که در سال ۱۳۸۷ اجرا شده بود، ارتقا یافت. این کنترلر نیز مشابه کنترلر ورژن قبلی، از دو برد اصلی یکی به منظور ارسال دیتا به اینورتر ها و دیگری به منظور به ایجاد تاخیر زمانی در پخش صدا استفاده شده است. هسته مرکزی هر دو برد میکروکنترلر STM32F103Vet6 میباشد. به دلیل مجتمع بودن، و طراحی بهینه، مین برد هر دو یکسان بوده و برد الحاقی آنها متفاوت طراحی شده است. این کنترلر با استفاده از سخت افزار طراحی شده و برنامه نویسی انجام شده، قابلیت ارسال دیتا به ۱۰ اینورتر در بستر RS485 به سرعت بالا را دار می باشد.
همچنین این سیستم دارای سه رله بوده که به منظور روشن و خاموش کردن آبنما از آن استفاده شده است. از سوی دیگر، کارگردانی موزیک، در این کنترلر با استفاده از خود کنترلر و ۴ میکروسویچ متصل به آن امکان پذیر بوده است. بطوریکه در حالت کارگردانی، موزیک توسط کنترلر پخش میشود، و کاربر با فشردن هر کلید، فعال و غیر فعال شدن هر فواره را مشخص میکند. این دیتای کارگردانی بر روی حافظه ذخیره میشود.
این سیستم با توجه به عملکرد عالی در هماهنگی موزیک و حرکت فواره، امکانات و قابلیتهای بسیار و کاربری آسان، به دلیل سیستم کارگردانی آن، راضی کننده نبود.
کنترلر موزیکال پکیج آبنمای موزیکال نوراب
در سال ۱۴۰۰ ورژن نهایی کنترلر موزیکال، با طراحی خاص و ویژگی های منحصر به فرد طراحی و توسعه داده شد و در چندین پروژه اجرا گردید. این کنترلر به صورت مجتمع هم برای آبنماهای یک کانال، و هم آبنماهای چند کانال مورد استفاده قرار گرفت. در این کنترلر برد تاخیر صدا حذف شده است و کنترلر به صورت یک محصول مجتمع طراحی و اجرا شده است. از جمله ویژگی های این محصول عبارت است از:
– ارسال دیتا به چندین اینورتر در بستر سخت افزار Rs485 و پروتکل استاندارد مدباس RTU، با سرعت به روز رسانی ۵۰ میلی ثانیه
– امکان ایجاد تاخیر زمانی میان ارسال دیتا و پخش موزیک به منظور هماهنگی کامل بین موسیقی و حرکت آب
– امکان پخش موزیک دلخواه از روی Micro SD Card
– دارای نرم افزار کارگردانی تحت ویندوز به منظور آنالیز موزیک، گرفتن FFT از موزیک، قابلیت اعمال رنگ دلخواه در هر بازه زمانی
– امکان کار در چند مد کاری ثابت- موزیکال-هارمونیک- MP3 Player
– طراحی پنل مونت به منظور نصب آسان بر روی تابلو برق
– سیستم تشخیص خطای خودکار داخل سیستم
– نمایشگر LCD رنگی
– قابلیت تنظیم حداکثر و حداقل ارتفاع فواره
– امکان تغییر IP اینورترها و کنترلر چراغ، امکان تست دستی اینورترها (ارسال دیتای فرکانس، RUUN و …) و کنترلر چراغ
در این کنترلر از ۴ برد استفاده شده است که هر کدام وظیفه ی مخصوص به خود را بر عهده دارند.
کارت تغذیه
کارت Rs485
کارت صدا
کنترلر موزیکال مبتنی بر سخت افزار PLC-HMI
در سال ۱۴۰۱؛ در راستای ادامه روند تحقیق و توسعه، تیم نوراب، به منظور اطمینان از صنعتی بودن سیستم سخت افزار، عدم نویزپذیری در هر شرایطی، قابلیت گسترش امکانات و آپشن های مختلف به آبنما، حتی پس از نصب و بعد از گذشت چند سال، امکان ارتقا سیستم به راحتی با هزینه پایین و در زمان کوتاه؛ گسترش بازه محدودیت دمایی سخت افزار، کنترلر موزیکال مبتنی بر سخت افزار صنعتی PLC-HMI را معرفی کرد.
در این سیستم، با حفظ تمامی قابلیت های قبلی آبنماهای موزیکال، و همچنین اطمینان پذیری بسیار بالاتر سیستم، قابلیتها و امکانات بیشتری به سیستم اضافه شد:
- ارسال دیتا به ۵ اینورتر در بستر سخت افزار Rs485 و پروتکل استاندارد مدباس RTU، با سرعت به روز رسانی ۵۰ میلی ثانیه
- امکان ایجاد تاخیر زمانی میان ارسال دیتا و پخش موزیک به منظور هماهنگی کامل بین موسیقی و حرکت آب بر حسب میلی ثانیه
- امکان پخش موزیک دلخواه از روی فلش
- دارای نرم افزار کارگردانی تحت ویندوز به منظور آنالیز موزیک، گرفتن FFT از موزیک، قابلیت اعمال رنگ دلخواه در هر بازه زمانی
- امکان کار در چند مد کاری ثابت- موزیکال-هارمونیک- MP3 Player
- صفحه نمایش رنگی – لمسی با کاربری آسان
- سیستم تشخیص خطای خودکار داخل سیستم
- قابلیت تنظیم حداکثر و حداقل ارتفاع فواره
- امکان تعیین ارتفاع فواره و رنگ چراغ ها در مد ثابت
- امکان ایجاد تاخیر زمانی بر حسب دقیقه بین دو موزیک و کارکردن آبنما در مد ثابت در این زمان
- نمایش خطاهای سیستم ( خطای اینورترها، عدم RUN اینورتر و… ) ارتباط دو طرفه با اینورترها
- امکان اضافه کردن انواع سنسور ها به سیستم از جمله سنسور سطح آب هیدرواستاتیکی – سنسور سطح آب الکتریکی – سنسور سرعت باد – سنسور دما و رطوبت
- امکان ارتباط از راه دور در بستر اینترنت
- قابلیت امکان اضافه کردن ماژول GSM-RTU به منظور ارتباط از راه دور در بستر پیامک
این سیستم کنترلی، در آبنمای موزیکال فردیس کرج، آبنمای موزیکال برج ماکان، آبنمای موزیکال حافظیه شیراز و …. بکار رفت. پس از انجام چندین پروژه موفق با این سخت افزار، به منظور ارتقا سیستم، عیب یابی راحتر، و همچنین قابلیت اطمینان بیشتر سیستم، ارسال دیتا بین کنترلر و اینورترها از RS485 به آنالوگ تغییر کرد. اما به منظور مشاهده خطاها و وضعیت اینورترها همچنان از این پروتکل استفاده میشود. با انجام این تغییر، امکان اضافه کردن اینورترهای بیشتر به سیستم آبنما قابل امکان شد، بطوریکه حتی پس از اجرای آبنما و بعد از گذشت چند سال، امکان تغییرات حتی در تعداد اینورترهای (کلکتورها و پمپها) وجود دارد.
نتیجه گیری:
با وجود گسترش صنعت در حوزه های مختلف در سطح کشور، حوزه ی آبنمای موزیکال، هنوز نتوانسته در سیر تحقیق و توسعه جایگاه ی خود را پیدا کند، چرا که اهمیت این موضوع هنوز بر افراد مختلف پوشیده بوده، و اندیشه غالب در اجرای آبنماهای موزیکال، پروژه محور است. هرچند که در طول این سالها، مضررات آن بر همه کس هویدا گشته و مستند حاضر آن، بسیار آبنماهای اجرا شده در سطح کشور می باشد، که بعد از گذشت حداکثر یک سال دیگر کار نمیکنند، و نه تنها زیبایی برای شهر ندارند، بلکه چهره شهر را بی روح و پژمرده نشان میدهند. امید است محصولات و تکنولوژی های مشابه بتواند جایگزین وضعیت حاضر گشته و نه فقط در زیبایی شهر در دراز مدت تاثیرگذار باشد، نقش کوچکی در حفظ سرمایه های کشور داشته باشد.
تیم نوراب با تمامی چالش ها، همچنان پیشرو در مسیر تحقیق و توسعه ی صنعت آبنما فعالیت داشته، و در مسیر به روز بودن و رعایت استانداردهای جهانی همچنان به فعالیت خود ادامه میدهد.