0 引言
平交道口是铁路与公路的平面交叉，是铁路安全运营的重要设施。据统计，目前全国共有2 万多道口，铁路部门由于人力和物力的限制加上许多无人看守道口事实上车流和人流密度不大，其防护条件极其简陋甚至没有任何防护条件，使得此类道口处时有交通事故发生。虽然铁路与公路的立交化是解决这一问题的根本措施，但是由于受到资金、效益、环境、生活不便利等问题的影响，铁路与公路交叉完全立交化在短期内是难以实现的，铁路道口将在一定范围内长期存在。
我国目前采取的是客货混合运输模式，再加上近年来的铁路几次提速以后客车和货车的速度有了明显的差异，为了解决客车的高速而延长报警接近距离，使客车满足安全要求，但是货车关闭道口的时机就提前。这会造成公路的堵车局面甚至部分行人和车辆由于等待时间过长而无视报警违规通过道口。另外，现有的预警系统存在有线系统不便于施工而无线系统成本较高的问题。本文提出了一种基于ZigBee 和GPRS 技术的铁路无人看守道口无线预警系统可以成功解决上述问题，并且可以提供传统道口报警系统不具有的但是却很实用的功能。
1 ZigBee 简介
1.1 ZigBee 技术特点
ZigBee 是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术。主要适用于数据吞吐量小、网络建设投资小、网络安全要求高、低耗电的场合。
ZigBee 作为一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球通用)、868MHz 和915MHz(欧美)3 个频段上，分别具有250kbit/s、20kbit/s、40kbit/s 的传输速率。网络节点间的距离可以从标准的75m，到扩展后的几百米，甚至几公里。
ZigBee 技术的优点主要有：
① 安全,可靠。ZigBee 技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128。采用碰撞避免机制并为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避免了数据发送时的竞争和冲突，而且MAC 层采用确认机制，从根本上保证了数据传输的可靠性。ZigBee 的抗同频干扰的能力也非常出色。
② 时延短。ZigBee 技术的典型设备搜索时延30ms，休眠激活15ms，活动设备信道接入时延15ms，保证了ZigBee 技术可以用在对实时性要求高的场合。
③ 组网性能高。ZigBee 设备可以构造为星形网络或者点对点网络，在ZigBee 无线网络内，连接地址码分为16bit 短地址或者64bit 长地址，具有较大的网络容量。
④ 网络的自组织、自愈能力强。无需人工干预，网络节点能感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。ZigBee 网络能够增加、删除或移动节点，节点发生故障时网络能够自我修复无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
⑤ 低功耗。ZigBee 网络节点设备工作周期短，具有能量检测和链路质量指示能力，在保证通信链路质量的条件下可以自动调整设备的发射功率，最少地消耗设备能量。并且可以依据应用而采用休眠模式，所以ZigBee 技术特别省电，这就为本预警系统采用太阳能电供电提供了技术保障。
⑥ 低成本。由于ZigBee 协议栈设计简练，因此研发和生产成本相对较低。1.2 ZigBee 协议栈及网络拓扑结构
完整的ZigBee 协议栈自下而上由物理层、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)、应用支持子层(APS)和应用层(APL)组成。ZigBee 技术中，PHY 层和MAC 层采用IEEE802.15.4协议标准。
ZigBee 标准基于802.15.4 协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持3 种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。
MESH 网状网络结构特点：系统采用多跳式路由通信;网络容量很大;可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构，该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络;除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。
图1 为ZigBee 的网状网络结构图。
2 道口无线预警系统的整体架构
2.1 系统基本组成
基于ZigBee 和GPRS 技术的铁路无人看守道口预警系统主要包括接近信息采集系统、中继路由系统、道口报警系统。系统的基本结构如图2 所示。
图2 系统基本结构图
涉及的关键技术包括ZigBee、GPRS 通信、传感器技术和嵌入式系统控制技术。其中核心芯片采用JENNIC 公司的ZigBee 无线微控制器JN5121，该微控制器方块图如图3 所示。
图3 JN5121 ZigBee 无线微控制器
JN5121 无线微控制器为使用2.4GHz ISM 频率波段的IEEE802.15.4 标准的应用(包括ZigBee 应用)提供了一个完全的集成解决方案。该微控制器包含了符合IEEE802.15.4 标准的所有功能，而且还有(额外)强大的处理器能力可以用来运行诸如远程控制、智能家居和楼宇自动化以及玩具和游戏领域与其他领域的广泛的应用程序。该微控制器包含一个无线收发器、RISC 中央处理器、芯片内部存储器和非常丰富的外设。
2.2 系统工作原理
接近信息采集系统由一前一后依次铺设在钢轨腰部的两个传感器构成的传感器电路的两组输出和JN5121 的DIO 口相连。
当有列车通过时，JN5121 通过检测两个DIO 口的信号将发生变化。按照信号变化的先后顺序、信号发生变化的时间差、两个传感器之间的间距和传感器距离道口的距离，JN5121经过分析和计算可以得到列车的当前运行信息，包括列车的运行方向、列车的运行速度以及列车到达道口预计所用时间。接近信息采集系统将得到的列车运行信息通过中继路由系统发送到道口报警系统，道口系统根据接收到的信息做出相应的动作。
当没有列车通过的时候，接近信息采集系统、中继路由系统和道口报警系统构成的ZigBee 网络将进行网络的管理与维护等活动。
2.3 系统相关参数
① 按照列车接近通知时间不得少于40s、不得超过90s 的规定，确定本预警系统的列车接近通知时间为50s。
② 目前客车速度最高一般180km/h，按照列车接近通知时间和列车速度可以计算出客车的接近区段长度为1500m，所以可以在距离道口2000m 的位置设置列车接近信息采集系统。JENNIC 公司的模块JN5121-xxx-M02/04 传输距离可以达到4km。采用该模块构成预警网络系统可以在道口一侧接近区段内部署大概3-5 个路由节点。
③ 安装在铁轨腰身处的一前一后两个传感器之间的间距为300mm，这样利用两个传感器信号之间的时间差可以测出列车经过采集传感器时的运行速度，再结合采集传感器到道口的距离就可以得到列车预计到达时间。
④ JN5121-xxx-M02/04 模块的发送电流 < 120mA，接收电流 < 55mA，所以无论是中继路由系统，还是接近信息采集系统使用太阳能电池完全能够维持系统全天候稳定工作。道口报警系统可以采用铁路专用电网供电。
