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ZigBee 传感网络控制冲突检测与解决机制研究

时间:2013-09-10 14:27 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:瞿俊 点击次数:

  1概述
  一个传感网络主要包含传感器(sensor)与致动器(actuator)两种类型的装置,其中,传感器负责检测事件,致动器负责执行动作。为了使传感器检测到预期的事件时令致动器执行指定的任务,所建立的传感器与致动器联系关系称为连结(binding)[1],执行连结的行为称为控制(control)。典型连结的应用包含灯光控制系统、防灾系统及保全系统等。以防灾系统为例,当烟雾检测器与警报器建立连结时,警报器可于烟雾检测器检测到烟雾时发出警报声。
  随着传感网络连结数目增加,连结与连结之间彼此有可能互相影响而产生误动作的情形称为控制冲突(controlconflict)。例如同时有两个连结,分别为当照明度传感器检测到环境亮度高于五百流明时,将灯光关闭;及当使用者按下开关时,将电灯打开。若使用者想通过开关开灯时,却因为照明度大于500流明而被系统自动关闭,这时便发生控制冲突。控制冲突的发生,轻则让使用者感觉不便;重则有可能产生严重的意外。因此如何有效地减少控制冲突发生是很重要的议题。
  过去有许多针对不同应用的控制冲突相关研究。论文[2]为不同使用者及不同服务之间的冲突提出了一个基于权重(weighted)与优先权(prioritize)的解决方法,依照不同使用者及服务给予不同权值,针对保全(security)类服务给予最高优先控制权重。论文[3]提出一个基于语意(semantic)的冲突管理方案,制作一个内容感知与冲突管理的架构,用以服务多位使用者与多重群组,同样针对保全与安全类应用给予较高的优先权。论文[4]提出一个冲突解决架构来处理节能应用与舒适应用之间造成的控制冲突,其具体方法为区隔不同使用者之间优先权(prioritized)与权限均值(privilege-average)来达成冲突的控制。并提出使用射频辨识系统(RFID)来识别不同的使用者,以及存取使用者的偏好(preference)。专利[5]提出一个考虑了:枪先式、非枪先式、角色、优先权、时间切片(timeslice)、民主式、及个人偏好等因素来解决控制冲突。以上研究皆为提出解决控制冲突的方法,主要是依照控制类型或使用者来决定优先权,且以安全性相关的控制给予较高的优先权。虽然大部分情况能自动地解决控制冲突,但对于优先权相同的控制冲突仍需以人工方式解决,这样的方法不一定适用于资源有限的感测网络系统。此外必须检测控制冲突的发生,才能有效地解决控制冲突。但传感网络的装置种类繁多,组合控制行为也各有不同,系统必须能检测如此多样的控制行为的控制冲突。因此一个完整的控制冲突管理系统,除了能自动解决控制冲突之外,也需要自动准确地检测控制冲突的发生。
  本文提出一个于传感网络中的控制冲突管理系统,包含检测控制冲突机制及解决控制冲突机制。面对传感网络中不同类型装置的控制,系统可依据控制时间窗自动地检测控制冲突。当控制冲突发生时,系统的优先权仲裁机制,会依照使用摸式自动调整优先权比较次序,让系统可于不同模式下做出最适合的控制裁决。
  2控制冲突
  在传感网络中,通过连结来建立传感器与致动器的联系关系,当传感器检测到特定事件时,触发致动器执行某动作。而执行连结的行为即为控制。例如有一连结为检测到开关状态为ON时,将电灯开起。所以当按下开关至ON时电灯被开启,就是一个控制。
  控制冲突是指在同一致动器,有两个以上的控制行为同时发生。例如有另一连结为当照明度传感器检测到环境亮度高于五百流明时,将灯光关闭。所以当照明度传感器检测到环境亮度高于五百流明将电灯关闭;且同时,使用者按下开关至ON时电灯被开启。此时电灯需要开启还是关闭,这就是一个典型的控制冲突。
  另一种情况为在同一致动器有两个以上的控制行为发生,其中一控制是具备时效性时,而且时间内另一个控制发生时也会产生控制冲突。例如系统检测到环境温度高于摄氏三十度,将冷气开启并运行两个小时;而经过了一个小时后,使用者通过遥控器将冷气关闭。冷气必须运行两个小时还是要被关闭,因此产生控制冲突。
  本文将控制冲突定义为同一致动器,有两个以上的控制行为发生,且控制的有效期间互相重叠;反之若无重叠则无发生控制冲突。控制冲突图例如图1所示,每笔控制的有效时间会依据装置类型及连结内容其长度有所不同。CaseI中ControlA及ControlB是对同一致动器控制ControlA控制一段时间后ControlB也产生控制,但ControlA在此时仍有效,因此发生控制冲突。CaseII中ControlC及ControlD是对同一致动器控制,ControlC控制结束一段时间后,ControlD才产生控制冲突。
  3控制冲突管理系统
  本文针对传感网络提出一个控制冲突管理系统,系统是以连结机制为基础,扩充检测控制冲突机制及解决控制冲突机制。控制冲突管理系统架构如图2,连结机制可以连结传感器与致动器完成指定的动作。当连结机制收到新的事件时,先通过检测控制冲突机制检查新控制是否与执行中的控制发生冲突。没有控制冲突时,会直接通知连结机制,进行执行控制的指定动作;若发生控制冲突时,则通过解决控制冲突机制解决,并将结果更新至控制列表与通知连结机制执行正确的动作。
  3.1检测控制冲突机制
  控制冲突为同一致动器,有两个以上的控制行为发生,且控制的有效期间互相重叠。因此只要知道控制的有效性就能检测控制冲突于传感网络中的控制主要由传感器与致动器的连结组成,该文依照传感器种类与执行方式整理出四种类型的时间窗来表示控制的有效性。将传感器的事件分为一次性事件及条件性事件。一次性事件是因为传感器于检测到事件变化时,只能发出一次性事件,如电视遥控器、门铃按钮这类型传感器。条件性触发为传感器可检测连续状态,并可指定状态条件成立时触发动作。如温度计、烟雾检测器、开关等类型所产生的事件。
  将致动器的动作分为没有指定执行时间及有指定执行时间。没有指定执行时间为命令致动器持续执行动作,如电灯打开、关闭瓦斯阀等类型的动作;有指定执行时间为致动器在指定时间内执行动作,如冷气开启一个小时、门铃响十秒等类型的动作。
  依照传感器的事件及致动器的动作的组合可以得到表1四种时间窗类型的组合。
  4系统实验与测试

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