1）故障监测系统设计要求
目前高压故障输电线故障指示器需悬挂在输电线上，安装拆卸不便，这就对指示器的设计提出了更高的要求。所以设计故障监测结点和网关结点的时候要遵循下列原则：
（1）可靠性。故障指示器悬挂在高压输电线上，输电线电压很高，通过的电流很大。这就对指示器内部设备的抗干扰能力提出了很高的要求，尤其要保证无线数据传输的正确性，控制其出错率。
（2）稳定性。因为故障指示器长期悬挂在户外，有时候天气条件恶劣，必须保证其在一定的温度湿度范围内正常工作，还要具备防水防潮性能，防止长期工作可能带来的器件和电路性能下降。
（3）经济性。故障指示器可以帮助电力工作者及时找到故障，缩短修复故障所需时间，这在很大程度上减少了因停电时间过长导致的经济损失和人生安全隐患。但由于输电线路过长，所需指示器结点较多，所以需控制其成本，采用高性价比的故障监测系统方案。
2）故障监测系统整体架构设计
图8－59 无线远距离高压输电线故障监测系统的架构
基于ZigBee和GPRS技术的高压输电线故障监测系统主要采用三个层次两个网络，三个层次分别为监控中心、网关结点、故障监测结点，两个网络分别为ZigBee短距离无线通信网络、GPRS远距离通信网络。ZigBee网络将故障监测结点和网关结点联系起来，故障监测结点可以将线路故障信息和线路电流数据传输到网关结点；网关结点将接收到的故障信息和电流数据通过GPRS通信网络发送到监控中心的主机，工作人员可以据此定位故障地点。整个系统的架构如图8－59所示。
3）故障监测系统ZigBee网络设计
（1）无线传感网络协议
目前，无线传感网络使用的国际通信协议标准主要有IEEE 802.15.4和ZigBee两种。这两个标准规定了协议的不同层：IEEE 802.15.4定义了物理层和媒体访问控制（MAC）层规范，ZigBee则定义了网络层和应用层规范。二者结合起来可以支持低速率、低功耗的短距离无线网络。本设计中仅使用了IEEE 802.15.4协议标准，自定义的网络层并没有使用ZigBee标准。
IEEE 802.15.4标准的物理层规定了无线信道和MAC层之间的接口，向MAC层提供物理层管理服务和数据服务，并且实现信道检测与评估、信道频率的选择、数据的发送和接收等功能。IEEE 802.15.4标准的MAC层负责处理所有对物理层的访问，为上层提供数据服务和管理服务，实现MAC层数据包在物理层上的发送和接收、通信同步和基本的安全机制等。
MAC层定义了两种结点类型：简单功能设备（Reduced Function Devices，RFD）和全功能设备（Full Function Devices，FFD）。RFD是具有简单处理、存储和通信能力的终端设备，能够实现MAC层的部分功能。RFD只能与已存在的网络相连，并依赖于全功能设备通信。FFD能够实现所有MAC层功能，可以作为整个网络的协调器，建立管理网络，也可以作为路由器和RFD使用。
IEEE 802.15.4标准提供了MAC层数据服务和管理服务，这组服务可以用一组原语来描述，这也是MAC层软件基础架构。这组原语通常可分为4种类型：请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）和确认（Confirm），如图8－60所示，每种服务可以根据需要使用全部或部分原语。4种原语的功能描述如下：
图8－60 MAC层服务原语框架
①请求：由上层产生，向MAC层请求特定的服务。
②指示：由MAC层产生，通知上层与特定服务相关联的事件发生。
③响应：由上层产生，通知MAC层先前请求的服务。
④确认：由MAC层产生，向上层通告先前服务请求的结果。(www.xing528.com)
以数据传输服务为例，其使用了请求、确认和指示原语。由上层产生DATA.request原语并传送至MAC层，请求向另一个设备发送数据信息。MAC层使用DATA.confirm原语向上层通告数据传输结果（成功或失败）。DATA.indication原语表示另一个设备接收到了数据信息并由MAC层传递给上层。图8－61描述了两个设备结点传输数据消息的原语过程。
图8－61 两个设备结点传输数据消息的原语过程
（2）ZigBee网络功耗研究
本应用设计的故障指示器悬挂在高压输电线上，所需能量来自硅钢片的电磁互感，硅钢片铁芯大小受限，得到的能量就十分有限了，尤其在线上电流较低的夜间或短时断电等情况下，取得的能量不足或无法取得，可能就需要依靠电池或超级电容等备用电源。那么在设计指示器时必须尽可能考虑降低其功耗，满足低功耗要求。
从ZigBee网络单结点方面考虑，无效多余功耗主要来自以下几个方面：
①采用竞争方式接入共享信道，在发送数据的过程中可能引起多结点之间发送的数据碰撞，这需要重新传输数据，使结点消耗更多的能量。
②结点在不需要发送数据时一直开启无线收发模块，保持对无线信道的空闲侦听，以便接受其他结点可能发送过来的数据。尤其在数据量较小的无线网络中，结点无线收发模块绝大部分时间处于空闲侦听中，这造成了大量的能量消耗。
③结点可能接收或处理不相关的数据，这就可能造成结点无线收发模块和处理器模块消耗更多的能量。
从ZigBee网络整体网络层次考虑，整个网络主要的无效功耗来自以下几个方面：
①无线网络结点之间存在路由寻址的功能，结点发送的数据到达目的地的可能路径不同，这就造成了不同的路径选择导致了传输该数据到目的结点所需的能量的不同，转发次数越多则消耗能量越多。所以选择合适的最短路径可以降低所需能量。
②无线网络结点之间的距离不同也会对整个网络的功耗产生影响，ZigBee网络中结点的最大发送距离可以达到2km左右，所以当结点之间距离较短时，用较小的功率发送数据即可。如果采用最大发送功率，虽然数据可以正常传输，但消耗了多余的能量，同时其可传输范围增大，会影响其他结点的数据传输，增大数据碰撞的可能性，导致多余的能量消耗。
（3）ZigBee网络组网拓扑结构设计
由于本设计仅使用的是IEEE 802.15.4标准规范，它并不包含网络层，所以需自主设计网络层路由协议。根据高压输电线直线分布且结点分别悬挂于三相输电线的特点，该Zig－Bee网络采用对等型单向传递式网络，即远离网关结点的指示器结点通过中间指示器结点的一级级传递，将指示器结点数据信息发送到网关结点汇总，其网络拓扑结构如图8－62所示。
图8－62 对等型单向传递式网络的拓扑结构
该ZigBee网络有其自身的特点：
①网关结点作为网络协调者，而其他的故障监测结点则既作为普通终端同时也是路由器。
②每一个结点都有其固定的地址标识，网关结点作为协调者的地址标识始终为0x00，离网关结点越近的故障监测结点的地址越小。
③故障监测结点向网关发送数据信息时，路由选择依据为随机向邻近低地址结点逐级转发，直到数据信息传输至网关结点。由于每个故障监测结点的地址预设好了，所以其相邻结点的地址可以计算出来，且相邻低地址结点有三个，当其中部分结点发生问题时，依然可以有其他的路由选择保证数据传输到网关结点。
④每个ZigBee网络都有自己的网络ID，不同网络中的结点即使实际地理位置相近也不会相互进行通信，故障监测结点只能加入预设的网络当中。
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