低壓電力載波通信實驗教學平臺的構(gòu)建

向敏 王平 呂霞付 王時賀

［摘要］ 隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，低壓電力線載波通信憑借其固有的優(yōu)勢，得到廣泛的應用。為培養(yǎng)學生對電力載波通信的興趣和應用能力，將低壓電力線載波通信引入到實驗教學環(huán)節(jié)中。以基于低壓載波通信技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)為實驗教學平臺，詳細介紹了低壓載波通信實驗教學平臺的構(gòu)建內(nèi)容和教學的實施方案。

［關(guān)鍵詞］低壓載波通信實驗教學路燈控制系統(tǒng)

［中圖分類號］G642.423［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）10-0054-02引言

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，電子與控制類大學工科專業(yè)課知識交叉更為廣泛。如何使學生在學科內(nèi)容多、課程內(nèi)容廣而深的條件下獲取更多知識并具有較好的實踐與動手能力是目前多數(shù)高校亟待解決的問題。開放式的綜合實驗平臺通常涉及多門專業(yè)課知識，能夠使學生將所學知識在實驗平臺中進行驗證性學習和研究。

電力線載波（PLC）是電力系統(tǒng)特有的通信方式，低壓電力線載波通信是指利用現(xiàn)有低壓配電線380V/220V用戶線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行傳輸?shù)募夹g(shù)。

一、低壓電力載波通信實驗教學內(nèi)容設計

電力線載波通信不同于無線通信和以太網(wǎng)通信，具有通信距離短、時變性大、非對稱性和半雙工通信的特點。由于電力線是以傳輸電能為主要目的，在作為通信傳輸媒介時，低壓電力線具有負載多、噪聲干擾強、信道衰減大、信道延時長、通信環(huán)境惡劣等特點，這些都制約了電力線信道傳輸距離和通信的可靠性。因此，在實際的低壓電力載波通信網(wǎng)絡應用中，需要使用信息中繼、網(wǎng)絡拓撲控制和路由管理等技術(shù)來延長通信距離并提高通信的可靠性。為此，低壓電力載波通信的綜合實驗平臺將涉及多門專業(yè)課程，實驗目標要求學生能夠自己設計不同控制方案，實現(xiàn)載波通信可靠組網(wǎng)與通信，從而引導和促使學生從多方面、多角度、系統(tǒng)的、綜合性地應用理論知識解決實際問題。

為了使低壓電力載波通信過程及組網(wǎng)的結(jié)果容易觀察，我校工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡化控制教育部重點實驗室的研究人員選擇以基于載波通信技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)為實驗背景。學生首先初步了解低壓電力載波通信技術(shù)的基本原理，通過實驗平臺實現(xiàn)對路燈的點對點控制，最后通過組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對多個路燈的組網(wǎng)控制。在整個實驗環(huán)節(jié)中，學生首先通過平臺對低壓電力載波通信技術(shù)的工作原理進行直觀了解，使學生回顧已學的基礎課程所涉及的基礎知識。通過實驗平臺實現(xiàn)對路燈組網(wǎng)控制，使學生深入理解和掌握網(wǎng)絡控制技術(shù)所涉及的網(wǎng)絡拓撲與路由控制技術(shù)。最后，由學生自己設計相應控制方案實現(xiàn)對路燈不同控制，一方面引導學生對低壓電力載波通信技術(shù)的深入理解，同時也培養(yǎng)和提高學生嵌入式軟件編程的能力。

該實驗教學以基于載波通信技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)為實踐載體。此路燈控制系統(tǒng)由PC機、集中器和路燈控制終端三部分組成。PC機模擬控制中心，用于發(fā)送控制指令和顯示控制結(jié)果；集中器是作為PC機與路燈控制終端通信的紐帶，一方面與PC機進行信息交互，接收PC機的控制指令并反饋控制結(jié)果，另一方面接收來自路燈控制終端運行狀況信息并實現(xiàn)對其直接控制；路燈控制終端接收集中器發(fā)送來的控制信息，進行路燈開關(guān)操作。整個教學實驗以最終穩(wěn)定控制路燈為目的，通過學習現(xiàn)有技術(shù)方案，設計改進技術(shù)方案，編程實現(xiàn)整個過程培養(yǎng)學生動手操作能力，發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，讓學生在理論知識的引導下，通過理論指導實踐，通過實踐加深對理論知識的學習與思考。這種實踐教學模式與創(chuàng)新型教育CDIO的理念不謀而合。低壓載波通信路燈控制系統(tǒng)教學平臺示意圖如圖1所示。

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圖1低壓載波通信路燈控制系統(tǒng)實驗教學平臺示意圖

學生在整個實驗教學過程中，在理解和掌握載波通信技術(shù)和現(xiàn)有通信路由知識的基礎上，實現(xiàn)對低壓電力載波通信路由進行優(yōu)化改進，爭取能夠提出自己的想法并進行實現(xiàn)。針對圖1所示的低壓電力載波通信實驗教學平臺，學生可以了解載波信號的耦合機制，學習通信協(xié)議的制定方法和通信路由的控制原理以及學習和提供嵌入式編程技能等，進而可以根據(jù)學生自己的理解和掌握的專業(yè)知識，提出新的控制方案。

二、低壓電力載波實驗教學方法和目標

低壓電力線載波通信實驗教學由于涉及專業(yè)知識面廣，因此實驗教學周期較長。為達到預期教學效果，實驗指導老師在教學實驗過程中，可使學生實施按階段進行學習和實驗，并實時進行階段性控制，以確保每個階段學生能夠達到預期目標。由于是開放性實驗教學，各個小組控制方案不同，指導老師可以根據(jù)不同小組分別進行宏觀指導，及時地組織學生查找問題、分析問題和解決問題。在學生實驗過程中，針對不同階段，其教學方法和教學目標有所不同。首先，通過向?qū)W生介紹電力載波通信基礎知識，通過驗證性實驗，加深學生對理論知識的理解，使其初步掌握低壓電力線載波通信技術(shù)的技術(shù)特點并進行簡單應用。其次，由于整個低壓載波通信過程設計知識點較多，注重培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，進而激發(fā)學生自主學習和勇于創(chuàng)新的能力。最后，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作和協(xié)調(diào)溝通的能力。

三、實驗的組織和實施

低壓電力線載波通信實驗通常采用開放模式。學生在掌握電力線載波通信技術(shù)的基本原理和了解現(xiàn)有通信組網(wǎng)、路由控制技術(shù)后，可以通過PC機、集中器進行簡單的點對點控制進行驗證性實驗。當進行路燈控制終端組網(wǎng)控制時，學生在進行組網(wǎng)驗證實驗或自行設計控制方案時，基本都以小組為單位完成相應任務，因此指導老師需要對學生進行設備連接方式和注意事項的介紹和指導，針對方案的具體實現(xiàn)、運行調(diào)試，由小組自行完成。

由于實驗平臺連接路燈控制終端數(shù)目較多，因此要順利完成整個實驗，學生以小組為單位進行實驗，其小組人數(shù)在3-5人左右比較合理，這樣一方面使學生能夠分工明確，同時也能使大家在實驗過程遇到問題便于討論和解決問題。整個實驗過程歷時3-4周時間，前兩個階段設計為一周時間，組網(wǎng)教學與實驗階段為1-2周時間，最后一周提交實驗總結(jié)報告。

（一）第一階段：初步認識低壓電力線載波通信

此階段學生首先需要在老師的指導下對整個通信平臺有直觀印象，讓學生實際動手操作，通過控制路燈的單點開關(guān)、組網(wǎng)控制來實際體驗載波信號在電力線上的傳輸效果。經(jīng)過此階段實驗，學生將對低壓電力線載波通信技術(shù)有了進一步的認識，并熟悉整個實驗平臺，為下一步實際動手調(diào)試做好基礎準備。

（二）第二階段：實現(xiàn)點對點通信，即實現(xiàn)對單個路燈的穩(wěn)定可靠控制

此階段要求學生在學習現(xiàn)有控制策略后，以小組為單位討論單點控制方案，制定通信協(xié)議，并進行代碼實現(xiàn)和調(diào)試，最終達到對單個路燈的穩(wěn)定控制和實時監(jiān)視。一個典型控制過程為：獲取目的節(jié)點ID→PC機發(fā)出開關(guān)燈指令→集中器根據(jù)通信協(xié)議封裝數(shù)據(jù)幀并發(fā)送→路燈節(jié)點根據(jù)指令進行開關(guān)燈動作→路燈節(jié)點反饋控制狀態(tài)→集中器反饋控制狀態(tài)→PC機顯示控制狀態(tài)。

（三）第三階段：實現(xiàn)對多個路燈的組網(wǎng)控制

實驗平臺提供8個路燈節(jié)點，每個路燈間隔10m，要求學生實現(xiàn)對8個路燈節(jié)點可靠快速的控制?？刂七^程中需要考慮數(shù)據(jù)的中繼、數(shù)據(jù)沖突、實時性等問題。此過程分為三個步驟：學習現(xiàn)有通信路由方式、對現(xiàn)有通信路由方式進行優(yōu)化改進、提出自己的通信路由方式并實現(xiàn)。針對能力較高的小組可以提出實現(xiàn)對三相路燈控制的要求。

四、結(jié)語

通過該實驗教學平臺，學生能夠?qū)Φ蛪弘娏€載波通信技術(shù)進行深入的理解，并能直觀了解到低壓電力線載波通信技術(shù)的優(yōu)勢及面臨的問題，進而培養(yǎng)學生懂得如何將課堂上所學到的專業(yè)知識應用于實踐，并且通過動手實驗培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，為以后的學習和解決實際工程應用問題打下良好的基礎。

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［責任編輯：左蕓］