基于物联网技术的剧场设备安全状态实时监测方案的设计

陈 林，李 茜，沙 狄，霍冬冬

（1.中国艺术科技研究所，北京 100007；2.中国科学院信息工程研究所 网络与系统安全实验室，北京 100193）

1 引言

近年来，随着中国经济的迅速发展，大众在文化领域的消费需求也不断提升，全国各地陆续兴建各种不同规模的剧场，推动中国舞台艺术的发展。同时，随着观众文化素养、审美水平的提升，各种类型的演出所呈现的舞台效果及支撑舞台呈现的设备数量和技术含量实现跨越式发展。为了追求更为震撼、高超的演绎效果，剧场设备所承载的功能不断增多、数量不断加大、设计愈加复杂，随之而来的安全问题不断凸显，剧场演出所面临的安全风险系数也随之相应提高。仅2018年就发生了中资在柬的大型文娱项目《吴哥王朝》火灾事件、李玉刚成都演唱会的升降台异常升降事故以及河南许昌的舞台灯架倾倒事故等，2020年更是发生了汉秀剧场观众席旋转座椅挤压致人死亡的惨痛事故。再往前追溯，还有诸如2016年的江苏大剧院火灾事故、2015年的毕节大剧院舞台坍塌事故、2014年的曹禺剧院坍塌事故以及1994年的新疆克拉玛依大火事故等。这些剧场事故无一不造成重大财产损失或人员伤亡，对推动和传播舞台艺术产生了消极影响。

降低甚至清零剧场安全隐患，杜绝安全事故的发生，一直是演艺行业从业者努力和研究的方向。然而，现今剧场中的设备具有种类多、数量大、结构庞大复杂、易受外部环境影响等特点，使得事故发生的原因越发复杂多变，且模糊不可控。因此，进行剧场安全状态监测和安全预警难度很大。目前，大部分剧场的安全监控仍然采用人力手段，即定期定量的人员巡检和演出前后的检查维修。事实上，这样的方式难以感知剧场设备的实时状态，对演出过程中剧场环境和设备状态不断变化所造成的突发事故无能为力。虽然部分厂商提供与设备匹配的监测系统，在演出过程中可以对设备起到一定的监控作用，但对于设备与设备间、设备与环境间的互动造成的安全隐患的统一感知监测却始终缺位。

事实上，剧场设备安全信息的表征形式，不仅仅局限于设备内部所产生的异常数据信息。在演出过程中，剧场所包含的机械、灯光、音响、视频、通信系统等关键设备会产生大量能够体现自身安全状况和健康状况的客观数据（如温度、湿度、加速度等）。但这些数据转瞬即逝，目前尚未被有效记录和利用，如果能够对这些数据进行有效采集和处理，就可以实现对剧场设备实时状态的观察和监测。这不仅能更高效合理地保障剧场设备的正常运行，还能对一些环境和设备的突发异常状态给出实时预警，从而实现对剧场设备在演出过程中不间断实时的监测。

为了实现剧场设备健康状况的有效感知，利用日益成熟的物联网技术[1]及传感器等设备可以实现对剧场设备状态数据的采集、以及大量数据的高速传输。本文从增强剧场设备安全状态灵活监测的角度，设计基于物联网技术的剧场设备安全状态实时监测方案，利用灵活可插拔的环境感知模块、远程传输技术，适配剧场多类型设备实现实时监测、预警、管控，提升设备安全状态感知的时效性和灵活性，为剧场演出提供全方位、全品类和高时效的安全保障。

2 剧场设备状态监测的相关技术研究

随着中国现代化剧场建设的繁荣发展，剧场管理和舞台技术取得了长足进步。但从整体看，数字技术、网络技术、信息技术和智能技术等高新技术在剧场还处于初级的浅层的应用阶段，还没有将高新技术与舞台艺术、剧场文化、剧场管理、剧场安全保障等相融合。

目前，国内有部分研究是围绕剧院的舞台机械设备配置、舞台控制系统和客户需求展开的，是基于舞台机械设备配置情况和舞台控制系统控制要求[2]。有的研究选取舞台吊杆设备为诊断对象，分析其远程监测功能要求和设备远程诊断系统要求，采用基于B/S模式的远程诊断框架，利用云数据库的中转功能，成功实现PLC数据远程访问，通过Web Service技术实现对剧场设备的运行数据实时监测。有的研究着重于摄像机云台的控制及功能优化方法，在基于onvif协议[3]的舞台视频监控系统中，通过使用多媒体技术、网络通信技术及计算机控制技术，实现点击屏幕识别摄像头、云台方位调节和焦距变动等功能，提升视频监控系统性能，方便舞台监督对舞台运行进行有效监管。工业界也存在对舞台监控技术进行研发并落地的项目：某舞台设计公司的舞台控制系统以工业以太网协议为前提和基础，通过对剧场设备的组态控制与管理、编组运行管理控制、设备运行状态监控、节目编排管理、故障报警控制等方式，实现对舞台实时、历史数据信息的采集、存储、分析和处理，实现舞台控制系统自动化、智能化。还有的企业采用基于IP技术的多媒体调度系统以及WiFi网络部署调度平台，通过多媒体调度系统实现剧场内调度分机、视频监控之间互联互通，并由调度台实现统一调度，从而全面实现舞台智能化系统控制。

然而，上述研究针对的专业设备，要么具备专用硬件（如搭载可远程传输功能的PLC硬件），要么具备网络协议接口，可以对外发送数据（如onvif）。对于不具备上述软硬件特性的设备而言，其反映设备和环境状态的信息难以采集。

物联网技术的快速发展，为实时监控剧场环境与设备的异常状态，提升剧场设备的安全运行提供了有效的数据采集、传输手段。通过为舞台挂载传感器模块，可以实时采集汇总与剧场设备运行相关的信息，包括温度、湿度、速度、照度、异常气体等，这些数据能够反映引发剧场事故的常见原因，如设备过热、坠落、起火等。当传感器采集到出现异常的数据时，能够通过组网技术实时传输到监控平台的界面上，经过处理后显示并触发预警，引起安全监测人员的警觉，便于及时进行排查处理，从而防患于未然。

3 基于物联网技术的剧场设备状态实时监测系统架构设计

3.1 系统架构概述

系统架构设计方案如图1所示，由基于C/S模式的物联网中控——服务端系统、物联网子节点——客户端系统两大系统组成。对剧场设备进行改造，为其粘附无线感知模块（即物联网子节点），使剧场设备在运行时所产生的近距离环境数据（如温湿度、气体烟雾、火光等）可以被实时记录，并传输到收集单元（即物联网中控）；物联网中控可以对这些大规模数据进行快速获取，得到与剧场设备安全相关的有效数据；有效数据可以被监视者观察。上述功能具体可以分解为三方面的工作。

（1）剧场设备信息感知：对剧场设备的感知，分为对设备工作状态的数据感知和对设备工作环境的感知。由于剧场设备的正常运转高度依赖合适的温湿度环境，因此，可利用温湿度传感器对关键设备的环境状态做实时测量感知，然后通过物联网技术进行数据收集传输。

（2）剧场设备环境感知信息空口传输：设备状态数据需要通过空口传输到中控平台，由于物联网节点通常不具备远程传输功能，为保证数据传输的快速准确且保证低能耗，为各物联网节点搭载与其自身特性相匹配的无线模块，实现物联网子节点的空口传输。

（3）剧场设备数据观测预警：通过对所有物联网节点采集的传感数据进行汇总，使安全人员可以方便观测设备运行时的环境状态信息，并通过预警的形式提示安全人员。同时，该方案支持对安全状态的预警门限值进行修改，以适应地域、季节和环境差异。在此基础上，预警信息还可以回传到物联网节点设备上，对状态异常设备周边人员进行实时提示和预警。

从功能需求可知，本方案是一个软硬件协同的物联网解决方案，旨在解决剧场设备环境感知以及预警问题。以下将对物联网中控和物联网子节点如何实现上述功能进行论述。

图1 系统架构

3.2 物联网子节点——客户端系统

为了实时获取剧场设备安全信息，需要在剧场中每个待监测设备上粘附一个传感器节点，节点上部署定制客户端系统软件。客户端系统由连接协商模块以及数据传输模块组成，分别负责与服务端建立连接，以及将采集到的传感器数据通过组网技术发送给服务端。以下将从硬件选型和具体功能两方面对物联网子节点进行解析。

3.2.1 硬件选型

物联网子节点需要保证整天的演出过程中可以于剧场设备上进行正常工作，且不能因为传输速率、信息传输间隔等因素过慢或过长造成安全事件的漏报，因此，各节点的硬件选型应对上述需求进行一定的平衡，即在保证较好的传输效率的同时，保证一定的低能源消耗。

针对以上需求，一种可行的方案是采用低功耗Arduino[4]扩展板外接各类型传感器的方式，对剧场设备安全信息的采集进行集中管控，并进行远距离传输。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，它能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、电机和其他装置来反馈、影响环境。基于Arduino出色的扩展能力，可以采用外接不同传感器的方式，实现针对不同剧场设备环境信息的有效感知，大幅降低开发成本。此外，其中央处理器的运算能力可以胜任单个节点上采集数据的不间断发送任务，而较低的能源消耗保证了节点有一定的持续工作能力。

3.2.2 功能实现

（1）连接协商模块

该模块是客户端通过socket连接与服务端取得联系，服务端通过验证配置用户名、密码，确认连接的物联网子节点是否为可信的检测点。

为了实现物联网空口传输，本方案采用ESP8266[5]无线模块实现远程连接的功能。具体而言，通过物联网子节点控制ESP8266工作在Station模式，检测并加入服务器所在网段，与服务器建立TCP连接，实现通信。服务器端（物联网中控）需要设置好Sensor的IP，需要与ESP8266结点的IP一致，从而允许建立连接。

客户端（物联网子节点）发送的用户名、密码是否正确，决定服务端（物联网中控）是否与客户端（物联网子节点）建立连接。如果用户名、密码错误，服务端（物联网中控）会拒绝与检测点的客户端（物联网子节点）连接。

（2）数据传输模块

数据传输模块是检测点读取依附在设备上的各种传感器数据，然后通过网络将数据实时传递给服务端（物联网中控）。

为了实现环境数据的感知，需要对所选用的传感器有所了解。温度与湿度数据采用DHT11传感器，该传感器采用单引脚通信，在保证通信效率与准确率的前提下，节省引脚资源；声音与光敏数据采用处理电路转化为数字开关量，同样通过单个引脚传输数据；烟雾传感器将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据电信号的强弱，可以获得与待测气体在环境中存在情况的有关信息；火焰传感器利用红外线对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接收管检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入中央处理器，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。

传感器的硬件特性决定了它可以对周边环境信息进行快速（实时）的感知，而数据传输模块的作用就在于使用物联网节点上的A/D转换器和对应的转换逻辑，可以将传感器实时感知的模拟/数字阶跃信号转换为本监测系统可以识别语义的字符串。此时，定制物联网子节点实时读取各个传感器数据（表1），并以与服务端（物联网中控）规定的格式相同的数据格式发送。

通过发送传感器数据，可以减少网络的阻塞，能够将数据尽快传输到服务端进行展示。

（3）无线传输模块驱动与设计

为了实现对于剧场设备环境信息弹性插拔感知，服务端系统与传感器节点不宜使用有线连接，采用无线连接的方式。虽然在数据传输模块的驱动下，传感器节点可以迅速感知环境数据，但物联网节点通常驱动的是定制无线模块，需要进行一定的配置处理，使得数据可以按照规定的时间间隔正确无误地发送出去，低延时、低间隔的传输模式在一定的程度上实现“实时”效果。

实际上，物联网子节点发送数据需要经过一定的延时，才能保证数据发送成功。而在这段时间内，物联网中控模块发送过来的UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）数据都会放到接收缓存区内，无线传输模块每次发送数据后都会返回本次发送数据的响应结果，这部分信息也会放到接收缓存区中。发送时接收到的UDP数据就会和发送数据返回的响应信息一起保存在接收缓存区，导致UDP请求失败。如果不对这部分数据进行处理，下次通过接收缓存区获取客户端发送过来的信息也会读取错误。

为了在不提升发送间隔的情况下解决这一问题，将发送时间尽量缩短，在发送数据之后，先清空一次接收缓存区，然后延时一段时间来提高接收到UDP请求的机率，再获取接收缓存区中的数据。在这段延时时间内，接收到的UDP请求就会被正确处理。物联网中控模块通过多次发送UDP请求的方式，可以提高通信成功率。

表1 传感器数据

3.3 物联网中控——服务端系统

本系统的主要作用在于接收各个传感器节点传递来的传感数据，分析并判断是否在安全阈值范围内。本系统主要分为连接协商模块、数据接收和阈值修改三大模块，分别用于建立物联网子节点与物联网中控的可信通路，服务端从客户端接收相关数据并进行解析、显示，以及依据需求进行安全阈值修改。

3.3.1 硬件选型

与物联网子节点负责自身的传感数据不同，物联网中控需要面对的是来自所有物联网子节点的传感数据。中控部分需要对剧场设备信息进行快速收集、处理，必要时发出预警，这些需求都对中控的硬件能力提出新的挑战。不仅如此，舞台监控室内已经存在相当数量的用于监视、控制的设备、工具。为了不对其他设备的工作、部署产生干扰，不影响操作人员本来的习惯性操作，本方案中提到的监控实际部署中应具备易于移动、方便告警等特点。因此，采用搭载高性能ARM处理器的便携设备会在满足计算能力的前提下，极大地降低操作人员对于舞台监控室环境的重新适应成本。具体而言，ARM便携终端可以使用基于当前计算能力较强的Cortex-A53系列处理器连接各种数据接收设备（如WiFi、蓝牙、ZigBee模块）的方式，对舞台安全数据进行接收处理。Cortex-A53采取ARMv8-A架构，能够支持32位代码的ARMv7和64位代码的AArch64执行状态。Cortex-A53架构特点是功耗低、能效高，具有良好的处理复杂运算逻辑的能力。

3.3.2 功能实现

（1）连接协商模块

该模块是客户端（物联网子节点）通过socket连接与服务端取得联系，服务端初始化一个线程池，循环等待接收客户端传过来的数据。之后，通过验证其配置的用户名、密码，确认连接的物联网子节点是否为可信的检测点。

如果用户名、密码正确，服务端（物联网中控）会继续循环等待客户端（物联网子节点）发送的传感器数据，进而进行下一步的数据逻辑处理。反之，服务端会断开与该客户端的联系，并在日志中显示该错误消息。

（2）数据接收模块

在通过协商模块后，数据接收模块开始从客户端等待接收数据。

服务端获取sensorId之后，取出对应的界面区域，之后解析data字段（该data字段的数据格式已提前约定好）中的字符串内容，判断对应的传感器的数字数据或模拟数据，并更新该区域的显示信息。

（3）阈值修改模块

系统正常启动之后，管理者可以点击界面中的功能按钮，在弹出的修改阈值的窗口中，依据环境、地域、季节等不同需求设定传感器阈值。之后，利用Static类中的静态变量与静态函数，设置与改变全局变量的值，从而在各类之间传递修改的阈值。在众多修改阈值的模块中，温度、光照等模块底层的蜂鸣器的蜂鸣条件会随之进行更改，即实现物联网子节点与物联网中控的交互。

4 总结与展望

近年来，基于物联网技术的日趋成熟，国内外均展开物联网技术与舞台监控设备相结合的研究，建立了不同需求的舞台物联网系统，其结构包括舞台设备层、物联网络层、系统应用层等。舞台物联网系统使得原本割裂的各子系统得到统一管控，通过信息全面感知，能够收集各个层面的信息，方便决策，并实现诸如对设备潜在安全隐患感知预警等功能；通过数据可靠传递，可以避免信息传递过程中的损失与变化；通过业务智能处理，使决策具有更高的合理性与准确性。

基于物联网技术的剧场设备安全状态实时监测方案的设计是在调研剧场环境特点、演出系统设备特点的基础上，深入分析剧场设备安全监测的特定需求，利用物联网技术，完成剧场设备状态实时监测系统的架构设计，为物联网技术在剧场设备安全保障中的应用打下理论基础。未来将基于该架构，展开监测系统的硬件平台和软件平台的研发工作，以期实现剧场设备状态的实时统一监测，以实现剧场安全全方位、实时的保障。