基于DIALux和LabVIEW的照明管理系统的设计

宋秦中

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

随着科技的发展，LED灯具同样的功率下要比传统的灯具光通量高，兼具环保和长寿命等显著优势，在国家政策的支持和引导下，正逐步替换传统的照明灯具，在空间照明领域中已得到较广泛的应用。然而，由于LED灯具具有发光效率高，仅仅是在原来的位置将传统的灯具替换为LED灯具是不科学的，不仅浪费电能，而且过高的亮度还会对工作人员的眼睛带来伤害。因此在改造、替换过程中，除了要考虑灯具的实际发光属性外，更重要的是需要考虑灯具的合理布置[1-3]。另外，LED照明光源还具有反应快、易调光的优良特性，适合结合照明控制系统进行能源管理，重新规划灯具的排布，合理地利用资源[4-5]。基于上述分析，本设计从基于DIALux软件平台实现照明规划方案设计和基于LabVIEW虚拟仪器平台搭建照明控制系统设计两个方面入手，在节能控制方面，可以充分利用灯具的发光强度和发光面积，有效合理地布置灯具；从集中管理的角度来看，可以合理地控制当前工作面的亮度，很好地减少对人眼的刺激，为照明系统的设计、安装、运行提供可靠的解决方案。

1 系统设计方案

采用从模拟到实物控制的设计思路，利用DIALux进行光学灯具布置模拟，充分展示DIALux照明方案模拟方面的强大功能，论证实现了前期模拟的必要性，替用户找到经济、合理的灯具排布解决方案。后期采用虚拟仪器的测量控制手段，对灯具进行驱动功率上的微调，从而达到设计要求，保证照明系统的实时监控和可靠运行。设计以电子产品生产车间为例，其包含的元素有：天花板、墙面、地板工作台、桌子、椅子、窗户、门和必要的承重柱等，根据这些元素搭建一个模拟的电子产品生产车间，空间大小确定为：48 m×20 m×2.4 m(长×宽×高)。设计的系统具有以下特点：①计算模拟空间环境的工作面照度，给出经济、合理的数据参考；②模拟灯具布置后的3D效果图和渲染图，给出直观的设计方案；③照度采集。系统通过光照度传感器将照度转换为可被采集的模拟电压值，再通过系列的换算得到当前采集照度。④显示。通过LabVIEW内置的VI调用实现数据显示功能，包括当前的照度值、近期的照度曲线趋势以及系统运行的状态等信息，同时还可以通过改变其属性达到个性化的定制界面。⑤实时调节与控制。通过调节前面板的输出控制旋钮可以调节灯具的发光强度。因此，该系统是一个闭环的控制系统，它主要由四部分组成，如图1所示。

图1 系统组成框图

2 系统设计与实现

2.1 灯具安装方案设计

由于电子产品生产车间需要生产一些比较精细的零件，所以设计工作面的照度不低于500 lx。灯具选用620的平板灯，发光面积为600 mm×600 mm，灯具的总光通量为3 576.9 lm。根据工作面的平均照度计算公式E=uKnΦ/A计算出所需要的灯具的数量，式中：u为利用系数；K为减光系数，也称维护系数；n为灯具的数量；Φ为每盏灯的光通量；A为受照区域面积。显然，这种方法仅考虑利用系数、维护系数、灯具数量、灯具光通量以及作用面积等5个因素，而对灯具分布、建筑表面反射系数、灯具安装高度等关键因素均视为忽略不计。这样的设计往往不能满足照明设计精确计算的要求[6-10]，所以引入DIALux光学模拟软件来辅助计算灯具的数量以及排列，根据反复的计算以及调整，最终决定使用阵列排布，每横排灯具数量18个，每竖排灯具数量12个，排列位置3D效果如图2所示。观察图3所示的排布后配光曲线分布，配光曲线无交叉，在达到照度要求的情况下，灯具发出的光可以被充分利用。

图2 3D效果图

图3 灯具配光曲线3D图

2.2 控制系统设计

光照采集采用模拟电压输出型可见光光照度传感器模块Po188-c，用NI的数据采集卡采集光照度传感器模块输出的电压，并进行量化，数字处理后通过计算机串口输入，被LabVIEW软件程序调用，进行显示、存储和控制[6-10]，数据处理和显示完全由PC端的LabVIEW软件平台完成，因为采集来的数据只是电压值，要通过程序的换算得到相应的照度。查看可见光光照度传感器模块的用户手册可知，电流-照度近似为y=axb+c的幂函数形式，在LabVIEW通过设计拟合VI(LabVIEW程序)可以很方便地得出电流-照度的换算公式为y=269.447x1.56622。为了方便以后的数据调用和分析，程序中还对实时的数据进行了记录，数据采集卡AO端口同时支持数据的输出，可以直接控制LED灯具的亮度。

3 系统运行

系统基于LabVIEW的开发平台，利用DIALux进行初步的光学仿真后确定灯具排布，通过采集工作面的光照强度来实现对当前环境的照度实时监控，并控制当前的环境照度。

3.1 光学模拟

光学模拟的目的在于当所有的灯具都满功率的运转起来的时候，检验设计是否可以满足工作面的照度要求，如图4所示，可以看出工作面的照度在560 lx时符合设计要求。同时还可以利用DIALux自身所带的使用光线跟踪绘制三维图像的开放源代码免费软件POV-Ray进行效果图渲染，如图4所示。

图4 工作面的等照度图

3.2 控制程序运行

照明控制系统监控界面如图5所示，运行系统前要配置数据的采集通道、控制电流输出通道以及设定照度的上、下限值。实验结果表明：系统可以完成工作面光照数据的采集、显示和控制功能；当照度不足时可以顺时针调节“亮度档调节”旋钮，增加系统输出电流，灯具就会输出更高的亮度；同样当照度过高时可以逆时针调节“亮度档调节”旋钮，降低系统输出电流，灯具会降低输出亮度。另外，考虑到照度在设定值左右晃动的影响，“照度提示灵敏度”旋钮可以设置缓冲数据数量，等待同一个状态连续出现设定次数后才会从现在的状态切换到另一个状态。

图5 照明控制系统监控界面

4 结论

本设计基于DIALux软件平台实现照明规划方案设计和基于LabVIEW虚拟仪器平台搭建照明控制系统设计，完成了空间照明管理系统的设计与实现。以一个电子产品车间为例，设计的系统经测试运行，结果表明：系统符合设计要求，可以充分利用灯具的发光强度和发光面积，有效合理地布置灯具；可以合理地控制当前工作面的亮度，很好地减少对人眼的刺激，能够为照明系统的设计、安装、运行提供可靠的解决方案。