陳宏

摘 要 電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信手段，為了使學(xué)生掌握電力線載波通信技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用LonWorks技術(shù)和窄帶電力線載波通信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，將計(jì)算機(jī)通信理論知識(shí)和電力線載波通信實(shí)踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，主動(dòng)建構(gòu)電力線載波通信知識(shí)點(diǎn)，不僅提高了學(xué)生的分析能力，還提高了學(xué)生在電力線載波通信方面的設(shè)計(jì)技能，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 電力線載波 頻移鍵控 正交頻分復(fù)用 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Abstract The Power Line Carrier Communication is special communication in electrical system. In order to make the undergraduates master this technology， the real time monitoring experimental teaching is set up with LonWorks and Narrow Band Power Line Carrier Communication， which combines the computer communication theory and Power Line Carrier Communication theory to stimulate students enthusiasm and construct the knowledge actively. The Power Line Carrier Communication experimental teaching improves students analysis， enhances students design capability on Power Line Carrier Communication， and cultivates students creativity.

Keywords Power Line Carrier； frequency shift key； Orthogonal Frequency Division Multiplexing； experimental teaching

0引言

電力線載波（Power Line Carrier，PLC）通信作為電力系統(tǒng)特有通信方式，是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的通信手段。[1]電力線載波通信在現(xiàn)有的電力線上，利用載波方式將模擬或者數(shù)字信號(hào)傳送出去、接收進(jìn)來(lái)，隨著智能城市、智能家居、智能生活的概念進(jìn)入現(xiàn)代化城市發(fā)展的方向，電力線載波通信技術(shù)有了更加廣闊的應(yīng)用前景。廣義的PLC 技術(shù)包含兩個(gè)大的分支，一個(gè)是面向配電網(wǎng)自動(dòng)化的，簡(jiǎn)稱DLC（配電線路載波）；另一個(gè)是面向進(jìn)戶線路和戶內(nèi)線路的，稱為PLC（線路通信）。[2]電力線載波通信技術(shù)利用現(xiàn)有的電源供電線路網(wǎng)絡(luò)傳送信息，利用電力線載波技術(shù)進(jìn)行通信，和無(wú)線通信需要射頻發(fā)射和接收設(shè)備相比，減少了設(shè)備投資，具有便捷、直接接入、低成本、低功耗等的優(yōu)點(diǎn)。電力網(wǎng)絡(luò)分布極其廣泛，電力線載波通信系統(tǒng)可復(fù)用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)而不需額外的布網(wǎng)開(kāi)銷(xiāo)。[3]作為電力網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的一種方式，電力線載波通信的傳輸距離和信號(hào)質(zhì)量一直是最關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題，在傳輸距離上要求越長(zhǎng)越好，在信號(hào)質(zhì)量方面要求誤碼率越低越好。研究電力線載波通信技術(shù)發(fā)現(xiàn)，其最大傳輸距離可達(dá)十幾千米，系統(tǒng)可靠性高，且專(zhuān)有通道可以保證數(shù)據(jù)安全。電力線載波通信中壓、低壓均可覆蓋，適用于用戶信息采集、負(fù)荷管理等業(yè)務(wù)，以及配電自動(dòng)化、智能電動(dòng)車(chē)充電站等擴(kuò)展業(yè)務(wù)。[4]此外，電力線載波通信還適用于智能路燈控制系統(tǒng)、[5]視頻監(jiān)視系統(tǒng)、[6]建筑能源管理[7]的數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)通信。在實(shí)際應(yīng)用中，電力線載波通信包括寬帶電力線載波通信和窄帶電力線載波通信。寬帶電力線載波通信的高頻段實(shí)現(xiàn)在2-30MHz高速傳輸數(shù)據(jù)，高段頻率受到電磁兼容的限制，而窄帶電力線載波通信是低速數(shù)據(jù)通信方式。[8]第一代窄帶電力線載波通信采用相移鍵控或者頻移鍵控的每秒十幾千赫茲的數(shù)據(jù)傳輸方式。[9]

實(shí)驗(yàn)教學(xué)因其自身的特點(diǎn)和作用可以全方位地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力， 是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新教育的重要途徑。[10]為了使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，熟悉信息在電力線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式，了解電力線載波通信技術(shù)的實(shí)踐機(jī)理，培養(yǎng)智能城市、智能家居、智能生活建設(shè)的科研技術(shù)人才，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用LonWorks技術(shù)和窄帶電力線載波通信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，將計(jì)算機(jī)通信理論知識(shí)和電力線載波通信實(shí)踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，主動(dòng)建構(gòu)電力線載波通信知識(shí)點(diǎn)，對(duì)培養(yǎng)設(shè)計(jì)電力線載波通信的技能有很好的指導(dǎo)作用。

1電力線載波通信實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)施

1.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)器材包括計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)板、電力線網(wǎng)絡(luò)。需要完成LonWorks軟件的安裝，控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)置和功能配置，然后完成實(shí)驗(yàn)板與電源線的連接，完成實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)燈泡的安裝。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)。要求學(xué)生仔細(xì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中7層開(kāi)放互聯(lián)層及其訪問(wèn)關(guān)系，預(yù)習(xí)電力線載波通信時(shí)媒介訪問(wèn)的控制處理，了解模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的工作原理和調(diào)制方式，明白實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。

1.2實(shí)驗(yàn)實(shí)施

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成之后，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求完成通信網(wǎng)絡(luò)的建立和控制節(jié)點(diǎn)的選取，用LonWorks軟件的網(wǎng)絡(luò)變量控制電力線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)一步理解理論知識(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)踐操作和理論理解之間的差距，并校正對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。激發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生的積極探索的興趣，培養(yǎng)學(xué)生在電力線載波通信技能中的工作能力。

（2）實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容。國(guó)際上的電力線載波通信采用的調(diào)制技術(shù)有三種：?jiǎn)屋d波類(lèi)、擴(kuò)展頻譜類(lèi)和正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)。[11]分別滿足不同通信質(zhì)量要求的電力線載波通信。endprint

采用單載波、并且用數(shù)字信號(hào)控制高頻率的載波頻率的調(diào)制手段使用2 個(gè)不同頻率的高頻載波傳送“0”、“1”信號(hào)，這樣通信不必過(guò)分依賴于電力線路的質(zhì)量，能較好地適應(yīng)頻繁變化的線路阻抗和噪聲干擾，同時(shí)其所需的頻帶較窄，既兼顧了設(shè)備的抗干擾性能，又不致使系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴。另外，由于頻率調(diào)制技術(shù)相對(duì)成熟而可靠，又有著成本低廉的優(yōu)勢(shì)，所以在當(dāng)前得到了廣泛應(yīng)用。[2]擴(kuò)展頻譜技術(shù)有直擴(kuò)通信，軟擴(kuò)頻通信和并行組合擴(kuò)頻通信幾種。[12]是近年來(lái)發(fā)展迅猛的一門(mén)學(xué)科，擴(kuò)頻技術(shù)在傳輸信息時(shí)，傳輸帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬，信號(hào)功率譜密度很低，接收端通過(guò)相關(guān)接收，將其恢復(fù)到信息帶寬的一種技術(shù)，[2]擴(kuò)頻技術(shù)的理論依據(jù)為香農(nóng)公式，如式（1）所示：

C=Blog（1+S/N） （1）

其中C為信道容量，B為信道帶寬，S/N為信噪比。通過(guò)增加帶寬B，保持C不變，就可以在較低的信噪比的情況下，保持以原來(lái)較大的傳輸速率無(wú)差錯(cuò)的傳輸信息。[13]

正交頻分復(fù)用是一種多載波調(diào)制技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，有效抵抗脈沖干擾噪聲的影響。[2]在電力線載波通信實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)量小，實(shí)驗(yàn)室通信干擾小，采用單載波的頻移鍵控就可以達(dá)到通信質(zhì)量要求。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)的讀取和對(duì)輸出亮燈信號(hào)的寫(xiě)入，采用在電力線上的窄帶電力線載波通信的工作方式。

窄帶電力線通信是指工作在3kHz～500kHz頻率范圍，通過(guò)使用已有的電力線設(shè)施作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)通信的方法，可以代替無(wú)線通信或者其它有線通信標(biāo)準(zhǔn)，從而降低成本。 而可以使用的頻帶范圍由各個(gè)國(guó)家的頻帶管理機(jī)構(gòu)來(lái)指定和劃分，如歐洲由CENELEC（歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）規(guī)定的頻帶為3kHz～148.5kHz，美國(guó)由FCC機(jī)構(gòu)（美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)）規(guī)定的頻帶范圍為9kHz～490kHz， 日本則由ARIB（日本無(wú)線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會(huì)）規(guī)定頻帶范圍為10kHz～450kHz，我國(guó)對(duì)于3kHz～500kHz這段頻率段如何使用并沒(méi)有規(guī)定， 但電科院更傾向于使用3kHz～90kHz頻段。[14]使用的主要有以下幾種技術(shù)規(guī)范： 基于FSK、PSK、S-FSK調(diào)制和單載波、雙載波技術(shù)的低速電力線窄帶規(guī)范（IEC61334-3-1、IEC 61334-5等）和基于OFDM（正交頻分復(fù)用） 的多載波調(diào)制技術(shù)的高速電力線窄帶規(guī)范——包括由PRIME聯(lián)盟提出的PRIME標(biāo)準(zhǔn)及由ERDF（法國(guó)配電網(wǎng)絡(luò)公司）和Maxim（美信公司）聯(lián)合公布的G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)。[3-4][14]

實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置有4個(gè)輸入端口和4個(gè)輸出端口，每臺(tái)電腦可以控制2個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置上的共8個(gè)輸入端口和8個(gè)輸出端口。根據(jù)需要抽取其中的3個(gè)端口，通過(guò)LonMaker編程來(lái)控制輸入輸出信號(hào)，查看結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，既沒(méi)有無(wú)線通信的收發(fā)裝置，也沒(méi)有網(wǎng)線、電話線、數(shù)據(jù)線等可連接的線路，直接在220V供電電源線上，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)控制節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)了智能管理電力線網(wǎng)絡(luò)中的電子設(shè)備的工作狀態(tài)，同學(xué)們覺(jué)得很新奇，積極性都很高，認(rèn)真思考，體會(huì)到智能城市、智能家居、智能生活的技術(shù)理念，進(jìn)一步要求學(xué)生探討在家庭環(huán)境中，為了用計(jì)算機(jī)本地或者遠(yuǎn)程控制家電的工作狀態(tài)，必須在計(jì)算機(jī)和家電之間建立數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線傳輸?shù)膫鬏斮|(zhì)量被每個(gè)單獨(dú)的房間影響，架設(shè)信號(hào)線網(wǎng)路增加成本、而且必須固定家用電器的位置，所以目前電力線載波通信是智能家居的有效方法之一。學(xué)生獲得了在實(shí)驗(yàn)課上理論理解和實(shí)踐探索相結(jié)合的學(xué)習(xí)樂(lè)趣。如圖1所示。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師和學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，探索在計(jì)算機(jī)和電力線網(wǎng)絡(luò)上電子設(shè)備在通信中的數(shù)據(jù)鏈接方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步閱讀文獻(xiàn)和資料，挖掘其中的通信協(xié)議，深入理解電力線載波通信的本質(zhì)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

2電力線載波通信實(shí)驗(yàn)的效果

開(kāi)展電力線載波實(shí)驗(yàn)以來(lái)，結(jié)合當(dāng)前智能城市建設(shè)的需求，使學(xué)生感受到課本知識(shí)和社會(huì)發(fā)展之間的密切關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得較好的教學(xué)效果。

2.1學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性高

電力線載波實(shí)驗(yàn)獲得了熱烈反響，學(xué)生們積極提問(wèn)，深入思考，尤其是當(dāng)前節(jié)能環(huán)保、綠色生活、智能生活的理念深入人心，電力線載波通信也是人們開(kāi)展廣泛探索智能生活、工業(yè)智造的有效技術(shù)手段之一，電力線載波實(shí)驗(yàn)把電力線載波通信的構(gòu)架和實(shí)現(xiàn)手段展現(xiàn)在學(xué)生面前，受到學(xué)生的歡迎。

2.2實(shí)驗(yàn)效率高

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生能夠在有限的空間和時(shí)間內(nèi)充分了解電力線載波通信的原理和方法，學(xué)生深入研究和理解了電力線載波通信的技術(shù)手段、帶寬要求和通信協(xié)議，在實(shí)踐操作中體會(huì)實(shí)驗(yàn)電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室不需要額外增加信號(hào)線路，在計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)板之間通過(guò)電源線傳輸信號(hào)，信號(hào)直接接入，方便快捷。

學(xué)生感受直觀、生動(dòng)，可以瀏覽計(jì)算機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、檢查實(shí)驗(yàn)板上相應(yīng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化、再分析計(jì)算機(jī)上功能編碼，代碼和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一目了然，快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

2.3激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上深入開(kāi)展功能設(shè)計(jì)，如單個(gè)輸入信號(hào)控制一路節(jié)點(diǎn)，每個(gè)輸入信號(hào)控制多路節(jié)點(diǎn)，多個(gè)實(shí)驗(yàn)板之間相互控制對(duì)方的節(jié)點(diǎn)等等，測(cè)試并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中進(jìn)一步分析和討論，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)踐，學(xué)生提出了智能控制的深度討論和創(chuàng)造性的假設(shè)，為激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3電力線載波通信實(shí)驗(yàn)的總結(jié)

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)電力線載波通信的方式監(jiān)控輸入和輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了用戶靈活定制的監(jiān)控和切換功能。

首先對(duì)于電力線上的燈的“亮”和“滅”可以通過(guò)電腦查看狀態(tài)。其次對(duì)于燈的狀態(tài)可以設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)控制，比如，1個(gè)開(kāi)關(guān)分別控制1盞燈，或者1個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)控制2盞燈，或者1個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)控制1臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置上的2盞燈，等等。第三可以按照需求更改控制端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系。endprint

3.2 存在的問(wèn)題和改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)電力線載波通信，需要配置實(shí)驗(yàn)裝置和軟件、硬件，主要存在的問(wèn)題有：

（1）實(shí)驗(yàn)裝置采用的LonWorks電力線載波軟件，在電腦安裝軟件后，電腦升級(jí)換代都會(huì)影響軟件運(yùn)行，需要重新安裝軟件和申請(qǐng)?jiān)S可密鑰。目前只能先固定電腦，開(kāi)展電力線載波通信實(shí)驗(yàn)，具有局限性，這也是LonWorks軟件本身的局限。

（2）采用220V的低電壓電力線載波通信，電力線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和傳輸節(jié)點(diǎn)阻抗匹配方面都有要求，實(shí)際工作電力線上的干擾和噪聲還是會(huì)影響信號(hào)傳輸質(zhì)量，比如我國(guó)城市用電規(guī)定50Hz、220V的電力線有效傳輸半徑是250m，衰減在4%。[15]由于實(shí)驗(yàn)室電力線環(huán)境簡(jiǎn)單、電子設(shè)備少、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境很好，輸入輸出信號(hào)都是比較簡(jiǎn)單的“開(kāi)通”和“關(guān)斷”信號(hào)，所以從開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以來(lái)，測(cè)試結(jié)果一直都很好，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果令人滿意。

4結(jié)語(yǔ)

布魯納認(rèn)為“教學(xué)過(guò)程是一個(gè)學(xué)生探究和發(fā)現(xiàn)的過(guò)程”。[16]在電力線載波通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊密結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，采用LonWorks技術(shù)和窄帶電力線載波通信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信理論和電力線載波通信技術(shù)在電力線載波通信實(shí)驗(yàn)中有機(jī)融合，采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的思路，建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生建立了探索研究電力線載波通信的平臺(tái)，讓學(xué)生把抽象的理論變成實(shí)踐中的應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)中利用軟件編程和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)電子設(shè)備開(kāi)展智能管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制，不僅提高了學(xué)生在信號(hào)傳輸技術(shù)應(yīng)用方面的視野，開(kāi)拓了電力電子技術(shù)的研究思維，還提供了學(xué)生在電力線載波通信技術(shù)中的實(shí)踐技能，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，收到了良好的教學(xué)效果。

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