基于LabVIEW的局域网灯光控制系统

第35卷第1期2017年1月
佛山科学技术学院学报（自然科学版）
Journal of Foshan University (Natural Sciences Edition)
Vol.35 No. 1
Jan. 2017
文章编号：1008-0171(2017)01-0006-08
基于LabVIEW的局域网灯光控制系统
曹辉，陈培宏％梁佩莹，叶嘉权，梁泽汇，钟土基
(佛山科学技术学院光信息工程系，广东佛山528000)
摘要:基于LabVIEW平台开发出的局域网灯光控制系统，包括灯光控制服务端和灯光控制客户端。

灯光控制客户 端通过TCP/IP协议向灯光控制服务端发送灯光控制命令，灯光控制服务端接收到灯光控制命令后对系统的灯 光进行开关、亮度和使用时间的调节，并对灯光使用过程中的用电量进行实时记录.通过设置不同的数据传输端 口，实现灯光控制客户端和灯光控制服务端之间一对多的控制，实现远程控制端同时对多个区域进行灯光控制。

该系统可以广泛运用于家庭、学校、工厂、企业的灯光控制中，系统运行过程无需任何数据传输费用，系统运行稳 定高效，性价比高。

关键词：LabVIEW；灯光控制;局域网
中图分类号:TM921.5 文献标志码:A
随着社会的高速发展，灯光控制已经成为社会发展必不可少的一个方面，目前市场上的灯光控制 主要采用手动控制的方式，不仅不能进行灯光的亮度调节，而且灯光运行时间也无法进行控制。

近年 来，网络技术走进千家万户，将网络技术运用到灯光控制领域，将是一个重要的发展趋势[1]。

通过 LabVIEW编程软件将灯光控制连接到局域网中，通过局域网的数据传输，实现了远程灯光的开关、灯光 亮度调节、灯光使用时间控制、灯光用电量计算等功能，能够有效地对多个区域同时进行远程灯光控 制，减少了灯光控制所带来的人工成本，从而避免了灯光过度使用所带来的能源浪费。

因此，建立一个 灯光控制系统，会使灯光的控制效率更高。

LabVIEW是一款图形化编程软件，具有强大的数据传输处理能力，拥有清晰简洁的操作界面，能够 给系统的开发带来便利，保证数据传输控制的稳定高效，降低系统的开发成本[2-3]。

本系统是基于局域网 的灯光控制系统，能够在局域网范围内实现远程灯光控制，避免由于广域网监控所带来的高昂数据传 输费用和较低的数据传输速度[4]，从而满足家庭、学校、工厂、企业等不需要通过广域网来进行灯光控制 的场所。

该系统搭建方便，造价便宜，操作简单，性价比高。

1局域网灯光控制系统总体设计
局域网灯光控制系统是通过TCP/IP协议进行数据传输来实现其灯光控制功能的，主要分为5大功 能模块，分别是局域网灯光开关控制模块、局域网灯光亮度控制模块、局域网灯光使用时间控制模块、用电量计算模块、多区域灯光实时控制模块[M]。

局域网灯光控制系统由灯光控制服务端和灯光控制客 户端来实现系统功能。

局域网灯光控制服务端利用负责响应局域网灯光控制客户端发送过来的灯光控 *
收稿日期：2015-10-13
基金项目：2015年度广东省大学生科技创新培育专项资金资助项目；佛山市科技发展专项基金资助项目（2012AA100361)作者简介:曹辉（1973-)，男，湖南岳阳人，佛山科学技术学院副教授。

*通信作者:陈培宏（1993-)，男，广东潮洲人，佛山科学技术学院学生。

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制请求，实现灯光的开关、亮度、运行时间的控制并计算灯光使用过程中的用电量，同时将用电量信息 实时传输到局域网灯光控制客户端；局域网灯光控制客户端根据需要对控制区域的灯光发出控制指 令，并对灯光控制服务端发送过来的用电量信息进行实时接收，从而实现远程灯光控制功能M]。

整体功 能模块划分如图1所示，局域网灯光控制系统结构如图2所示。

图1整体功能模块划分 图2局域网灯光控制系统结构
2系统硬件设计
2.1灯光电源模块
灯光控制电路中所需的电源是12 V直流电源，将220 V的交流电转换成灯光控制电路所需的稳 定12 V直流电是本系统的一个重要环节。

本系统采用开关电源来实现电能转换，开关电源又称为交换 式电源、开关变换器，能够通过不同形式的架构转换成所需要的电压或电流[9]。

2.2灯光驱动模块
本系统采用L E D灯作为被控制的光源，并通过L E D驱动中的P W M调光口来调节灯光的亮度，P W M调光称为脉冲宽度调制，是通过数字脉冲，在单位时间内反复开关L E D驱动器来调节灯光亮度的 调光技术，只需要输人不同占空比的脉冲信号到P W M调光口中，就可以控制输出的电流大小，从而控 制L E D灯的亮度[1°]。

使用型号为X D-93A的L E D驱动，P W M信号的极限频率为20 Hz~20 kHz，设置 输出的P W M信号的频率为1kHz。

通过在P W M调光口输人不同占空比的脉冲信号，可以实现灯光亮 度的调节，灯光的亮度与P W M调光信号的占空比成比例关系，即
I O_s e t =~T I O_n o rm，^ 1^
其中，I〇_set为实际输出的电流值，单位为m A;D为P W M调光信号的占空，单位为％;T为P W M调光信号 的周期，单位为s;/〇_m m为驱动器的额定输出电流，单位为m A[1]。

2.3继电器模块
继电器是常用的电子控制器件，具有输人回路和输出回路，常用于控制电路中实现自动控制功能，是一种用较小的电流来对较大电流进行控制的自动开关[12]。

继电器分成电磁继电器、固体继电器及温 度继电器等，本系统采用的是电磁继电器。

电磁继电器由铁芯、线圈、衔铁、触电簧片组成，通过向继电 器输人不同的电平信号来实现对继电器的通断控制，从而实现对灯光控制电路的通断控制。

本系统采 用的继电器型号为SRD-05V D C-SL-C，该继电器为低电平触发，当向继电器输人低电平信号时，继电器 闭合，从而使灯光控制电路闭合，L E D灯亮起;当向继电器输人高电平信号时，继电器断开，从而使灯光 控制电路断开，L E D灯关闭[13]。

2.4灯光用电量测量模块
通过数据采集卡对L E D灯两端的工作电压进行实时采集，并通过数据采集卡测量串联在灯光控制 电路中的5.6 n限流电阻的工作电压，并利用部分电路欧姆定律公式得到该电阻的工作电流，即
’=R。

⑵由于L E D灯和限流电阻都串联在灯光控制电路中，而串联电路中电流处处相等，即
I总=I1=I2=I=...=I n，⑶
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则L E D灯的工作电流就是限流电阻的工作电流，L E D灯的用电量为
L E D灯的用电量=U ledx/丨EDXt，(4)
其中，U ed为L E D灯的工作电压，“为L E D灯的工作电流，t为L E D灯的使用时间。

3系统软件设计
本系统使用LabVIEW编程软件进行系统软件设计，凭借LabVIEW高效的数据传输和处理能力，实现系统功能。

系统分成局域网灯光开关控制模块、局域网灯光亮度控制模块、局域网灯光使用时间控 制模块、用电量计算模块、多区域灯光控制模块。

局域网灯光控制系统服务端的运行流程如图3所示，局域网灯光控制系统客户端的运行流程如图4所示。

图3局域网灯光控制系统服务端的运行流程 图4局域网灯光控制系统客户端的运行流程
3.1局域网灯光开关控制模块
在灯光控制电路中，可以在电路中串联一个开关来实现灯光控制电路的通断控制，从而实现灯光 的开关操作，而继电器就充当这个开关的作用。

通过LabVIEW程序，在灯光控制客户端通过TCP/IP传输协议，发送一个灯光开关控制命令给灯 光控制现场的灯光控制服务端，设置1为灯光打开命令，0为灯光关闭命令，灯光控制服务端接收到灯 光控制命令后，通过数据采集卡向串联在灯光控制电路中的继电器发送电平信号，当服务端接收到1的开灯命令后，向继电器输人低电平信号，从而使继电器闭合，灯光就亮起;当服务端接收到0的关灯 命令后，向继电器输人高电平信号，从而使继电器断开，灯光就关闭。

局域网灯光开关控制服务端、客户 端的程序框图分别如图5、6所示。

图5局域网灯光开关控制服务端程序框图
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图6局域网灯光开关控制客户端程序框图
3.2局域网灯光亮度控制模块
灯光亮度控制有多种不同的方法，选择P W M调光的方法来进行调光，P W M调光称为脉冲宽度调 制，通过向灯光驱动电路的P W M调光口输人不同占空比的脉冲信号来实现灯光的亮度调节，灯光的亮 度与输人信号的占空比成比例关系。

通过灯光亮度控制客户端向灯光亮度控制服务端发送灯光亮度控制命令，并将该命令转换成与灯 光亮度相对应的脉冲信号占空比，并将该占空比数值发送到灯光亮度控制服务端，灯光亮度控制服务 端接收到控制命令后，将接收到的脉冲信号占空比输人到脉冲信号输出设置端口，并通过数据采集卡 将该脉冲信号输人到灯光驱动电路的P W M调光口上，从而起到调节灯光亮度的作用局域网灯光亮度控制服务端、客户端程序框图分别如图7、8所示。

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图8局域网灯光亮度控制客户端
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3.3局域网灯光使用时间控制模块
通过控制灯光的开关时间可以实现灯光的使用时间控制，即通过控制继电器的通断时间，来控制 灯光的使用时间。

当继电器闭合时，灯光控制电路接通，灯光亮起，LabVIEW程序通过控制继电器的闭 合时间，当到达指定的灯光关闭时间的时候，LabVIEW程序向继电器发送高电平信号，从而使继电器断 开，并使灯光控制电路断开，灯光也随之关闭[16]。

灯光使用时间控制服务端程序框图与图3相同，灯光使用时间控制客户端程序框图如图9所示。

3.4用电量计算模块
通过灯光工作时的电压和电流来计算出灯光使用的功率，并通过灯光使用的时间计算出灯光的用 电量。

在局域网范围内，将全部灯光控制服务端所控制的灯光的用电量进行累加，即得到整个局域网范 围内的所有灯光的用电量。

并对所有区域的用电量进行数据记录，使监控人员对各个区域的用电量有 初步的了解[17]。

用电量计算模块程序框图如图10所示。

3.5多区域灯光控制模块
在学校、企业、工厂的灯光控制中，经常需要对多个区域的灯光进行远程控制，通过在不同的灯光 控制现场设置不同的灯光控制服务端的数据传输接口，并在远程控制客户端设置与各个控制服务端相 同的数据传输端口，将各个服务端和客户端接人到同一个局域网后就能够在一个控制服务端同时对多 个监控现场进行实时控制[18]。

3.6系统各功能模块的整合
将局域网灯光开关控制模块、局域网灯光亮度控制模块、局域网灯光使用时间控制模块、用电量计 算模块、多区域灯光控制模块整合到系统中，实现局域网远程灯光控制功能。

局域网灯光控制系统服务 端、客户端的程序界面分别如图11、12所示。

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图11局域网灯光控制系统服务端程序界面
图12局域网灯光控制系统客户端程序界面
4系统整合调试
系统各功能模块完成程序编写好后，首先对每个模块的功能进行调试与优化，再对所有功能模块 进行整合，最后进行整体功能调试。

各功能模块在调试前，需在灯光控制现场的灯光控制服务端中设置 数据传输的端口、在远程灯光控制端设置与服务端相同的数据传输端口，并将服务端和客户端接人相 同的局域网，同时将服务端和客户端的IP地址输人到相应的传输控件中。

在启动程序前，先将灯光控 制电路连接好，将数据采集卡的电平输出端口接人到继电器模块中，并将数据采集卡的脉冲信号输出 端口连接到灯光驱动模块中的P W M调光口，同时将数据采集卡的数据采集端口接入到L E D灯和限流
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电阻的两端。

4.1远程灯光开关调试
启动灯光控制服务端和客户端，系统连接后，客户端根据控制人员的控制意愿，将灯光的开关信号 发送到服务端，服务端接收到控制命令后，通过数据采集卡，向串联在灯光控制电路中的继电器发送电 平信号。

通过反复测试，在客户端发送开灯命令后，控制现场的灯光马上打开，在服务端发送关灯命令 后，灯光马上关闭。

该功能模块运行稳定，延时较小，效果较好。

4.2远程灯光亮度调节调试
灯光亮度控制服务端和灯光亮度控制客户端连接后，客户端根据控制人员的意愿，给服务端发送 灯光亮度控制命令，服务端接收到灯光亮度控制命令后，对控制区域灯光的亮度进行调节。

通过反复测 试，在客户端连续输人几个亮度调节命令后，灯光控制现场的灯光亮度随着控制指令的变化而变化。

通 过反复测试，该功能模块运行稳定，且亮度调节准确、快速。

4.3远程灯光使用时间控制调试
灯光使用时间服务端和灯光使用时间客户端连接好后，客户端根据控制人员的控制意愿，给服务 端发送灯光使用时间控制命令，服务端接收到灯光使用时间控制命令后，启动倒计时功能，当灯光使用 时间达到设定的使用时间的时候，服务端向灯光控制电路中的继电器发送一个高电平信号，从而使继 电器断开，使灯光关闭。

通过反复测试表明，在客户端输人1、3、5、10 min等多个灯光使用时间，服务端 均马上打开灯光，并在完成指定时间的灯光使用后自动关闭灯光。

通过反复测试，该功能模块运行稳 定，且灯光使用时间控制准确。

4.4多区域实时控制模块调试
分别在各个监控现场的灯光控制服务端设置不同的数据传输端口，在远程灯光控制客户端分别输 人与各个监控现场相对应的数据传输端口和IP地址，并将所有监控现场的控制服务端和控制客户端 连接到同一个局域网中，启动所有控制现场的灯光控制服务端和远程灯光控制客户端，客户端与服务 端连接后即可同时对多个区域的灯光进行控制。

通过反复测试，将一个灯光控制客户端和多个灯光控 制服务端进行连接，灯光控制客户端能够对多个区域的灯光进行稳定高效的控制。

4.5用电量计算模块调试
启动服务端和客户端后，服务端通过数据采集卡，采集灯光控制电路中L E D灯和限流电阻的工作 电压，根据限流电阻的工作电压计算L E D灯的工作电流，结合灯光使用时间，计算出该监控现场的用电 量，并将用电量实时传输到控制客户端，控制客户端实时显示控制区域的用电量，同时对多个控制区域 的用电量进行实时记录，累加得到所有控制现场的用电量。

通过反复测试，在控制客户端能够实时接收 到各个控制现场的灯光用电量的信息，并对所有控制区域的用电量进行累加，从而得到所有控制区域 的总用电量，系统运行稳定高效。

4.6系统整体调试
将系统灯光开关控制模块、灯光亮度控制模块、灯光使用时间控制模块、用电量计算模块、多区域 实时控制模块整合到一起，实现系统功能的整合。

通过反复测试，在控制客户端能够够对各个控制现场 的灯光进行开关、亮度调节、使用时间控制、用电量计算的功能。

通过反复测试，系统运行稳定，延时较 小，数据传输快捷高效。

5小结
本系统是基于LabVIEW的局域网灯光控制系统，通过TCP/IP协议在局域网范围内进行远程灯光 控制，灯光控制的内容包括灯光开关控制、灯光亮度控制、灯光使用时间控制、灯光用电量计算。

实现了 控制客户端与控制现场的控制服务端之间一对多的控制、在远程客户端同时对多个灯光控制区域进行 灯光控制的功能。

本系统可以对局域网范围内的灯光进行远程整体控制，通过LabVIEW程序界面，可
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以清楚地看到整个控制区域的灯光使用情况，方便控制人员进行整体灯光控制。

本系统在运行过程中 无需任何数据传输费用，系统运行稳定高效、灯光控制延时时间短，避免了由于人工灯光控制所带来的 人员浪费及灯光使用时间过长所带来的能源浪费。

本系统性价比较高，灯光控制效率高，可以广泛运用 于学校、工厂、企业、家庭的灯光控制中。

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【责任编辑:任小平 renx p90@】The network lighting control system based
on LabVIEW
CAO Hui, CHEN Pei-hong,LIANG Pei-ying,
YE Jia-quan,LIANG Ze-hui,ZHONG Tu-ji
(Department of Photoelectric Information and Engineering,Foshan University,Foshan528000, China) Abstract：A LabVIEW based network lighting control system consists of a lighting control server and server clients. On the client side it sends lighting control commands to the server side via TCP/IP protocol, and once getting the commands from the client side, the server will start on/off/dimming control with timing constraints on the lighting system. The power consumption during the whole process will be recorded in real time. By using different data ports, we realized one to many control algorithms between lighting control server and several clients. This helps us achieving remote lighting control for multi-zones. The system could be widely adopted for home, school, plant and building lighting control system, without extra cost for data transmissions, very stable with high efficiency.
Key words: LabVIEW; lighting control; lan。