低压电力载波通信实验教学平台的构建

向敏 王平 吕霞付 王时贺

［摘要］ 随着智能电网的发展，低压电力线载波通信凭借其固有的优势，得到广泛的应用。为培养学生对电力载波通信的兴趣和应用能力，将低压电力线载波通信引入到实验教学环节中。以基于低压载波通信技术的路灯控制系统为实验教学平台，详细介绍了低压载波通信实验教学平台的构建内容和教学的实施方案。

［关键词］低压载波通信实验教学路灯控制系统

［中图分类号］G642.423［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）10-0054-02引言

随着电子技术、计算机技术、通信和网络技术的发展，电子与控制类大学工科专业课知识交叉更为广泛。如何使学生在学科内容多、课程内容广而深的条件下获取更多知识并具有较好的实践与动手能力是目前多数高校亟待解决的问题。开放式的综合实验平台通常涉及多门专业课知识，能够使学生将所学知识在实验平台中进行验证性学习和研究。

电力线载波（PLC）是电力系统特有的通信方式，低压电力线载波通信是指利用现有低压配电线380V/220V用户线，通过载波方式将模拟或数字信号进行传输的技术。

一、低压电力载波通信实验教学内容设计

电力线载波通信不同于无线通信和以太网通信，具有通信距离短、时变性大、非对称性和半双工通信的特点。由于电力线是以传输电能为主要目的，在作为通信传输媒介时，低压电力线具有负载多、噪声干扰强、信道衰减大、信道延时长、通信环境恶劣等特点，这些都制约了电力线信道传输距离和通信的可靠性。因此，在实际的低压电力载波通信网络应用中，需要使用信息中继、网络拓扑控制和路由管理等技术来延长通信距离并提高通信的可靠性。为此，低压电力载波通信的综合实验平台将涉及多门专业课程，实验目标要求学生能够自己设计不同控制方案，实现载波通信可靠组网与通信，从而引导和促使学生从多方面、多角度、系统的、综合性地应用理论知识解决实际问题。

为了使低压电力载波通信过程及组网的结果容易观察，我校工业物联网与网络化控制教育部重点实验室的研究人员选择以基于载波通信技术的路灯控制系统为实验背景。学生首先初步了解低压电力载波通信技术的基本原理，通过实验平台实现对路灯的点对点控制，最后通过组网技术实现对多个路灯的组网控制。在整个实验环节中，学生首先通过平台对低压电力载波通信技术的工作原理进行直观了解，使学生回顾已学的基础课程所涉及的基础知识。通过实验平台实现对路灯组网控制，使学生深入理解和掌握网络控制技术所涉及的网络拓扑与路由控制技术。最后，由学生自己设计相应控制方案实现对路灯不同控制，一方面引导学生对低压电力载波通信技术的深入理解，同时也培养和提高学生嵌入式软件编程的能力。

该实验教学以基于载波通信技术的路灯控制系统为实践载体。此路灯控制系统由PC机、集中器和路灯控制终端三部分组成。PC机模拟控制中心，用于发送控制指令和显示控制结果；集中器是作为PC机与路灯控制终端通信的纽带，一方面与PC机进行信息交互，接收PC机的控制指令并反馈控制结果，另一方面接收来自路灯控制终端运行状况信息并实现对其直接控制；路灯控制终端接收集中器发送来的控制信息，进行路灯开关操作。整个教学实验以最终稳定控制路灯为目的，通过学习现有技术方案，设计改进技术方案，编程实现整个过程培养学生动手操作能力，发现问题解决问题的能力，让学生在理论知识的引导下，通过理论指导实践，通过实践加深对理论知识的学习与思考。这种实践教学模式与创新型教育CDIO的理念不谋而合。低压载波通信路灯控制系统教学平台示意图如图1所示。

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图1低压载波通信路灯控制系统实验教学平台示意图

学生在整个实验教学过程中，在理解和掌握载波通信技术和现有通信路由知识的基础上，实现对低压电力载波通信路由进行优化改进，争取能够提出自己的想法并进行实现。针对图1所示的低压电力载波通信实验教学平台，学生可以了解载波信号的耦合机制，学习通信协议的制定方法和通信路由的控制原理以及学习和提供嵌入式编程技能等，进而可以根据学生自己的理解和掌握的专业知识，提出新的控制方案。

二、低压电力载波实验教学方法和目标

低压电力线载波通信实验教学由于涉及专业知识面广，因此实验教学周期较长。为达到预期教学效果，实验指导老师在教学实验过程中，可使学生实施按阶段进行学习和实验，并实时进行阶段性控制，以确保每个阶段学生能够达到预期目标。由于是开放性实验教学，各个小组控制方案不同，指导老师可以根据不同小组分别进行宏观指导，及时地组织学生查找问题、分析问题和解决问题。在学生实验过程中，针对不同阶段，其教学方法和教学目标有所不同。首先，通过向学生介绍电力载波通信基础知识，通过验证性实验，加深学生对理论知识的理解，使其初步掌握低压电力线载波通信技术的技术特点并进行简单应用。其次，由于整个低压载波通信过程设计知识点较多，注重培养学生发现问题和解决问题的能力，进而激发学生自主学习和勇于创新的能力。最后，培养学生团队协作和协调沟通的能力。

三、实验的组织和实施

低压电力线载波通信实验通常采用开放模式。学生在掌握电力线载波通信技术的基本原理和了解现有通信组网、路由控制技术后，可以通过PC机、集中器进行简单的点对点控制进行验证性实验。当进行路灯控制终端组网控制时，学生在进行组网验证实验或自行设计控制方案时，基本都以小组为单位完成相应任务，因此指导老师需要对学生进行设备连接方式和注意事项的介绍和指导，针对方案的具体实现、运行调试，由小组自行完成。

由于实验平台连接路灯控制终端数目较多，因此要顺利完成整个实验，学生以小组为单位进行实验，其小组人数在3-5人左右比较合理，这样一方面使学生能够分工明确，同时也能使大家在实验过程遇到问题便于讨论和解决问题。整个实验过程历时3-4周时间，前两个阶段设计为一周时间，组网教学与实验阶段为1-2周时间，最后一周提交实验总结报告。

（一）第一阶段：初步认识低压电力线载波通信

此阶段学生首先需要在老师的指导下对整个通信平台有直观印象，让学生实际动手操作，通过控制路灯的单点开关、组网控制来实际体验载波信号在电力线上的传输效果。经过此阶段实验，学生将对低压电力线载波通信技术有了进一步的认识，并熟悉整个实验平台，为下一步实际动手调试做好基础准备。

（二）第二阶段：实现点对点通信，即实现对单个路灯的稳定可靠控制

此阶段要求学生在学习现有控制策略后，以小组为单位讨论单点控制方案，制定通信协议，并进行代码实现和调试，最终达到对单个路灯的稳定控制和实时监视。一个典型控制过程为：获取目的节点ID→PC机发出开关灯指令→集中器根据通信协议封装数据帧并发送→路灯节点根据指令进行开关灯动作→路灯节点反馈控制状态→集中器反馈控制状态→PC机显示控制状态。

（三）第三阶段：实现对多个路灯的组网控制

实验平台提供8个路灯节点，每个路灯间隔10m，要求学生实现对8个路灯节点可靠快速的控制。控制过程中需要考虑数据的中继、数据冲突、实时性等问题。此过程分为三个步骤：学习现有通信路由方式、对现有通信路由方式进行优化改进、提出自己的通信路由方式并实现。针对能力较高的小组可以提出实现对三相路灯控制的要求。

四、结语

通过该实验教学平台，学生能够对低压电力线载波通信技术进行深入的理解，并能直观了解到低压电力线载波通信技术的优势及面临的问题，进而培养学生懂得如何将课堂上所学到的专业知识应用于实践，并且通过动手实验培养学生发现和解决问题的能力，为以后的学习和解决实际工程应用问题打下良好的基础。

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［责任编辑：左芸］