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摘要：针对ZigBee传感网络的控制冲突提出检测及解决方法。ZigBee传感网络中，传感器负责检测事件，致动器负责执行动作。建立的传感器与致动器联系关系称为连结，控制为执行传感器与致动器连结行为。当有两个以上的控制同时针对同一致动器作控制，造成控制异常的情形称为控制冲突。为了检测控制冲突，系统会依据控制的传感器与致动器类型，主动地产生代表控制有效性的时间窗，系统判断两控制的时间窗是否重叠来检测控制冲突的发生。当控制冲突发生时，系统通过一个控制优先权仲裁器来裁决适当的控制。并可以动态地调整使用模式，让控制优先权仲裁器可以做出最适合的判断。通过本系统可使传感网络发生控制冲突时，不需要人为介入自动地依照当时情况主动地做出最正确的控制。实验表明除了减少使用者操作的不适感，也增加传感系统控制的可靠度。关键词： ZigBee标准； 控制冲突检测； 控制冲突解决； 最佳化压缩率配置
1009-3044（2013）23-5234-05
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），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（control conflict）。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。论文为不同使用者及不同怎么写作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，依照不同使用者及怎么写作给予不同权值，针对保全（security）类怎么写作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，用以怎么写作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-erage）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：先式、非先式、角色、优先权、时间切片（time slice）、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。Case I中Control A及Control B是对同一致动器控制Control A控制一段时间后Control B也产生控制，但Control A在此时仍有效，因此发生控制冲突。Case II中Control C及Control D是对同一致动器控制，Control C控制结束一段时间后，Control D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
一个具备控制冲突管理机制的传感网络系统，具备一个控制冲突的管理接口如图6，包含以时间轴显示的控制列表、启动控制冲突管理机制功能及模式选择功能。传感网络系统具烟雾检测器、人体移动监测器、插座型电表、遥控器、磁簧开关及警报器。通过连结机制建立以下连结：
事件：遥控器（按下按键1）动作：插座电表（转态toggle）控制属性：人为
事件：人体移动检测器（检测到人）动作：插座电表（开启on）控制属性：舒适
事件：烟雾检测器（检测到烟雾）动作：警报器（火灾警示声）控制属性：安全
事件：磁簧开关（检测到门被开启）动作：警报器（入侵警示声）控制属性：保全
4.1人为与系统的控制冲突
为了测试系统可以自动地检测并解决控制冲突，通过连结（1）与连结（2）来做测试，连结（1）与连结（2）控制同一个致动器。连结（2）先产生控制（2），经过一段时间后，连结（1）也产生控制（1）。由于控制（1）发生时，控制（2）仍为有效，系统检测到控制冲突发生。图7为控制（1）与控制（2）的控制冲突展示。通过管理接口选取，将摸式设定为人为优先摸式。系统自动将控制（1）归类为人为；控制（2）归类为非人为。在人为优先的模式下，系统判定由控制（1）取得控制权。中断控制（2）的时间窗，启动控制（1）的时间窗，并执行控制（1）的动作。画面中呈现控制（2）被中断于控制（1）发生的瞬间。4
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.2 安全性的控制冲突同样地，通过管理接口选取，将模式设定为安全优先模式。安全性的控制冲突展示，如图8所示。通过连结（3）与连结（4）来做测试，连结（3）与连结（4）控制同一个致动器。系统自动将控制（3）归类为安全；控制（4）归类为保全。连结（4）先产生控制（4），经过一段时间后，连结（3）也产生控制（3）。由于控制（3）发生时，控制（4）仍为有效，系统检测到控制冲突发生。系统同样依据当前模式，判断安全性控制优先权高于保全性控制，故系统判定由控制（3）取得控制权。中断控制（4）的时间窗，启动控制（3）的时间窗，并执行控制（3）的动作。
5 结论
传感网络中控制是很基本的行为。随着控制数量变多，控制冲突发生的情形也增加。系统必须能有效地解决控制冲突才会导致操作不便或安全疑虑。考虑传感网络控制方式的复杂程度，以及控制冲突发生时不一定能通过人工方式来解决。所以针对传感网络系统，该文提出一个控制冲突检测及解决机制，通过传感器与致动器类型来决定控制的时间窗，以时间窗重叠的方式来检测控制冲突的发生。当控制冲突发生时，系统可不通过人工方式，优先权仲裁器依照当下模式做出最正确的控制判断，能预防并解决大部分控制冲突的发生。且可依据不同的情境需求，通过变更模式的方式来调整优先权判断的规则，让系统判断更具有弹性。
参考文献：
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