CN117294536B - 一种基于knx的楼宇管理安全通信方法 - Google Patents

一种基于knx的楼宇管理安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，属于KNX技术领域，包括以下步骤：获取功能对象的组地址：KNX设备通过接收上位机分配的身份标识ID生成目标功能对象的组地址；向KNX设备发送控制信号；KNX总线监测：通过KNX总线监测KNX设备在接收控制信号之后向总线发送的反馈信号，通过记录反馈信号的反馈时长，依据功能对象组地址中的稳态时长对反馈信号的安全性进行判定；传输故障判定：当判定反馈信号异常时，向KNX设备发送测试信号，获取通过KNX总线监测的反馈信号判定传输故障的结果；传输安全报警；修正阈值区间。本发明通过KNX总线监测反馈信号实现线路传输安全的检测，保障了数据传输安全。

Description

一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法
技术领域
本发明属于KNX技术领域，具体涉及一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法。
背景技术
KNX标准是唯一全球性的、开放型住宅和楼宇控制标准，已经被批准为欧洲、国际、中国、美国标准，标准包括TCP/IP、TP（双绞线电缆）、RF（射频）等介质的通讯协议技术，其中，应用较为广泛的是基于TP1的KNX系统。KNX智能控制系统通过一条总线将所有的元器件连接起来，可使每个元器件既能独立工作、又可通过中控电脑进行集中监视和控制。通过电脑编程的各元件即可完成如开关、调光、场景、控制等工作，又可根据要求进行不同组合，实现不增加元件数量而功能灵活改变的效果，可广泛应用于机场、高铁、大剧院和综合办公楼等项目中。
目前，在大型楼宇控制应用中，由于现场总线报文过多，总线长期被占用，部分模块不能正确将报文即时发送到总线上而导致通信报文丢包，从而导致出现控制失败、状态指示错误、操作响应等待时间长等问题，或者由于线路老化、破损等物理损坏引起的数据泄露，从而导致楼宇管理的信息安全问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，通过KNX总线监测反馈信号实现线路传输安全的检测，保障了数据传输安全。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，包括以下步骤：
S1、获取功能对象的组地址：将KNX设备通过开关执行模块连接支线，支线直接连接到主线，主线通过线路耦合器连接到KNX总线，KNX总线连接有上位机，KNX设备通过接收上位机分配的身份标识ID生成目标功能对象的组地址；
S2、发送控制信号：上位机通过组播的方式向KNX设备发送控制信号， KNX设备根据控制信号确定目标功能对象并对目标功能对象执行控制指令，其中控制信号包括控制指令和目标功能对象的组地址；
S3、KNX总线监测：开启开关执行模块的电流检测功能并设置反馈信号的触发机制，通过KNX总线监测KNX设备在接收控制信号之后向总线发送的反馈信号，通过记录反馈信号的反馈时长，依据功能对象组地址中的稳态时长对反馈信号的安全性进行判定，若反馈时长处于稳态时长的阈值区间，则反馈信号安全，否则，反馈信号异常；
S4、传输故障判定：当判定反馈信号异常时，向KNX设备发送测试信号，获取通过KNX总线监测的反馈信号，根据反馈信号是否满足线路传输安全检测规则的结果获取传输故障判定的结果；
S5、传输安全报警：当故障判定结果为线路传输网络存在区域未隔离或存在非法KNX设备连接或异常功能对象的线路传输故障或功能对象异常时，上位机根据故障判定类型发出传输安全报警，当故障判定结果为线路传输正常，则保持数据正常传输；
S6、修正阈值区间：记录所有反馈信号的反馈时长和反馈值，通过分析记录修正稳态时长的阈值区间和参数预设区间。
进一步地，所述步骤S1中，所述KNX设备包括若干条通道，每一条所述通道上设置有若干个功能对象，目标功能对象的组地址生成包括以下步骤：
S11、上位机通过KNX总线进行媒体访问控制MAC地址广播搜索查找KNX设备并与KNX设备建立通信连接；
S12、KNX设备向上位机发送MAC消息，其中MAC消息携带KNX设备的MAC地址、设备类型、每一个功能对象所在通道的通道编号及其功能对象的稳态时长；
S13、KNX设备接收上位机分配的身份标识ID和MAC地址；
S14、KNX设备根据目标功能对象的通道编号、稳态时长以及身份标识ID，生成目标功能对象的组地址，其中组地址的组成包括通道编号、稳态时长和KNX设备的ID。
进一步地，所述步骤S1中，稳态时长配置为功能对象在其自身电流发生变化到稳态的时长，通过稳态时长定义功能对象的功能类型。
进一步地，所述步骤S2中，发送控制信号还包括对控制信号进行加密，采用AES加密算法，包括以下步骤：
S21：选择密钥长度，将初始密钥扩展成多个子密钥；
S22、对明文进行填充，使其长度满足AES加密算法的要求；
S23、将填充后的明文分成若干块，每个块长度为128位，然后依次进行加密；
S24、将所有加密后的块拼接起来，获得最终的密文。
进一步地，所述步骤S3中，稳态时长的阈值区间依据功能对象的稳态时长设定，区间大小依据实际的KNX系统的信号传输速率设定。
进一步地，所述步骤S3中，反馈信号的触发机制包括：
当功能对象接收到控制信号之后运行参数发生突变时开始计时，当计时时长达到功能对象的组地址中包含的稳态时长时，向KNX总线发送当前功能对象的运行参数，即反馈信号；
其中，组地址中包含的稳态时长设置依据为：通过测试功能对象运行参数变化过程达到稳态的所需时长进行设置。
进一步地，所述步骤S4中，线路传输安全检测规则包括：
若反馈信号为不同区域的KNX设备反馈的信号，则判定线路传输网络存在区域未隔离；若反馈信号为未认证的KNX设备，则判定线路传输网络存在非法KNX设备连接；若反馈信号为KNX总线监测获取的异常功能对象的反馈信号，则获取反馈信号的时长和反馈值；
当KNX总线在异常功能对象的组地址对应的稳态时长的阈值区间内未接收到反馈信号时，判定异常功能对象的线路传输故障；当KNX总线在异常功能对象的组地址对应的稳态时长的阈值区间内接收到反馈信号且反馈值与参数预设区间一致，则判定异常功能对象的线路传输正常，否则功能对象异常。
进一步地，所述步骤S4中，参数预设区间配置为功能对象在正常运行状态下的稳态电流参数的浮动区间。
进一步地，所述步骤S4中，所述测试信号的生成方法包括：依据KNX系统的网络类型、KNX总线监测的异常功能对象的组地址以及线路传输安全检测规则生成。
本发明的有益效果为：
本发明通过设备ID、通道编号以及功能对象的稳态时长生成功能对象的组地址，然后KNX总线依据该组地址实时监测发送控制信号后的反馈信号实现线路传输安全的判定，当发现存在线路传输故障时，发送生成的测试信号而不是数据重传对该组地址的数据传输安全进行验证以提高信息安全。
本发明中在生成组地址时，依据功能对象的功能类型设定稳态时长，依据稳态时长实现不同功能类型的功能对象区分，便于总线监测反馈数据，同时以该时长进行故障判定，避免了欺骗验证的方式获取系统信任的问题；同时按照设备类型的属性，设置稳态时长，通过反馈信号的触发机制向总线发送反馈信号，保证了反馈数据的准确性，同时也降低了非必要数据的发送频率，有效减少堵塞的发生，保障数据传输安全。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例提供的基于KNX的楼宇管理安全通信方法的步骤示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
请参阅图1，一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，包括以下步骤：
S1、获取功能对象的组地址：将KNX设备通过开关执行模块连接支线，支线直接连接到主线，主线通过线路耦合器连接到KNX总线，KNX总线连接有上位机，完成KNX设备通过KNX总线与上位机的连接，KNX设备通过接收上位机分配的身份标识ID生成目标功能对象的组地址。
所述KNX设备包括若干条通道，每一条所述通道上设置有若干个功能对象，具体的，目标功能对象的组地址生成包括以下步骤：
S11、上位机通过KNX总线进行媒体访问控制MAC地址广播搜索查找KNX设备并与KNX设备建立通信连接；
S12、KNX设备向上位机发送MAC消息，其中MAC消息携带KNX设备的MAC地址、设备类型、每一个功能对象所在通道的通道编号及其功能对象的稳态时长；
S13、KNX设备接收上位机分配的身份标识ID和MAC地址；
S14、KNX设备根据目标功能对象的通道编号、稳态时长以及身份标识ID，生成目标功能对象的组地址，其中组地址的组成包括通道编号、稳态时长和KNX设备的ID。
具体的，稳态时长是指功能对象在其自身电流发生变化到稳态的时长，通过稳态时长定义功能对象的功能类型。需说明的是，将稳态时长作为功能对象的类型标记，不同功能对象的稳态时长由于其自身元件的不同稳态时长不同，而稳态时长相同的功能对象，则可通过在自身稳态时长的基础上增加某一定值实现区分。由此生成的组地址携带了功能对象的稳态时长，用于后期监测反馈的判定。
S2、发送控制信号：上位机通过组播的方式向KNX设备发送控制信号， KNX设备根据控制信号确定目标功能对象并对目标功能对象执行控制指令，其中控制信号包括控制指令和目标功能对象的组地址；
所述发送控制信号还包括对控制信号进行加密，采用AES加密算法，包括以下步骤：
S21：选择密钥长度，将初始密钥扩展成多个子密钥；
S22、对明文进行填充，使其长度满足AES加密算法的要求；
S23、将填充后的明文分成若干块，每个块长度为128位，然后依次进行加密；
S24、将所有加密后的块拼接起来，获得最终的密文。
S3、KNX总线监测：开启开关执行模块的电流检测功能并设置反馈信号的触发机制，通过KNX总线监测KNX设备在接收控制信号之后向总线发送的反馈信号，通过记录反馈信号的反馈时长，依据功能对象组地址中的稳态时长对反馈信号的安全性进行判定，若反馈时长处于稳态时长的阈值区间，则反馈信号安全，否则，反馈信号异常。
可理解的是，稳态时长的阈值区间依据功能对象的稳态时长设定，具体的区间大小依据实际的KNX系统的信号传输速率设定，如总线质量、电缆长度、设备数量以及环境对传输引起的时延。
需说明的是，为保障控制信号的安全传输，避免非必要反馈信号的高频率发送引起总线堵塞丢包的现象，因此需要对反馈信号的发送设置触发机制，所述触发机制包括：
当功能对象接收到控制信号之后运行参数发生突变时开始计时，当计时时长达到功能对象的组地址中包含的稳态时长时，向KNX总线发送此刻功能对象的运行参数，即反馈信号。
其中，组地址中包含的稳态时长的设置依据为：通过测试功能对象运行参数变化过程达到稳态的所需时长进行设置，如采集功能对象的电流值，如果连续多次采集的电流值的相对变化值比较大，说明电流还未稳定，当连续多次采集的电流值的相对变化值比较小，则电流值趋向稳定，将记录的功能对象的电流变化趋于稳定的时长作为稳态时长。
可理解的是，通过采用触发机制向KNX总线发送反馈信号，减少了功能对象在执行控制指令时向总线上发送的报文数量，有效减少堵塞的发生；同时通过以稳态时长作为反馈信号的触发机制，进一步保证了KNX总线故障监测的准确性以及反馈值的可参考性。
S4、传输故障判定：当判定反馈信号异常时，向KNX设备发送测试信号，获取通过KNX总线监测的反馈信号，根据反馈信号是否满足线路传输安全检测规则的结果获取传输故障判定的结果；
若反馈信号为不同区域的KNX设备反馈的信号，则判定线路传输网络存在区域未隔离；若反馈信号为未认证的KNX设备，则判定线路传输网络存在非法KNX设备连接；若反馈信号为KNX总线监测获取的异常功能对象的反馈信号，则获取反馈信号的时长和反馈值；
当KNX总线在异常功能对象的组地址对应的稳态时长的阈值区间内未接收到反馈信号时，判定异常功能对象的线路传输故障；当KNX总线在异常功能对象的组地址对应的稳态时长的阈值区间内接收到反馈信号且反馈值与参数预设区间一致，则判定异常功能对象的线路传输正常，否则功能对象异常。
其中，参数预设区间配置为功能对象在正常运行状态下的稳态电流参数的浮动区间。可理解的是，为保障数据安全避免数据泄露，传输故障的判定使用过发送生成的测试信号而并非是控制信号。
所述测试信号的生成方法包括：依据KNX系统的网络类型、KNX总线监测的异常功能对象的组地址以及线路传输安全检测规则生成。
S5、传输安全报警：当故障判定结果为线路传输网络存在区域未隔离或存在非法KNX设备连接或异常功能对象的线路传输故障或功能对象异常时，上位机根据故障判定类型发出传输安全报警，当故障判定结果为线路传输正常，则保持数据正常传输。
S6、修正阈值区间：记录所有反馈信号的反馈时长和反馈值，通过分析记录修正稳态时长的阈值区间和参数预设区间，以提高KNX总线故障监测的准确性。
本发明通过设备ID、通道编号以及功能对象的稳态时长生成功能对象的组地址，然后KNX总线依据该组地址实时监测发送控制信号后的反馈信号实现线路传输安全的判定，当发现存在线路传输故障时，发送生成的测试信号而不是数据重传对该组地址的数据传输安全进行验证以提高信息安全。
本发明中在生成组地址时，依据功能对象的功能类型设定稳态时长，依据稳态时长实现不同功能类型的功能对象区分，便于总线监测反馈数据，同时以该时长进行故障判定，避免了欺骗验证的方式获取系统信任的问题；同时按照设备类型的属性，设置稳态时长，通过反馈信号的触发机制向总线发送反馈信号，保证了反馈数据的准确性，同时也降低了非必要数据的发送频率，有效减少堵塞的发生，保障数据传输安全。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、获取功能对象的组地址：将KNX设备通过开关执行模块连接支线，支线直接连接到主线，主线通过线路耦合器连接到KNX总线，KNX总线连接有上位机，KNX设备通过接收上位机分配的身份标识ID生成目标功能对象的组地址；
S2、发送控制信号：上位机通过组播的方式向KNX设备发送控制信号， KNX设备根据控制信号确定目标功能对象并对目标功能对象执行控制指令，其中控制信号包括控制指令和目标功能对象的组地址；
S3、KNX总线监测：开启开关执行模块的电流检测功能并设置反馈信号的触发机制，通过KNX总线监测KNX设备在接收控制信号之后向总线发送的反馈信号，通过记录反馈信号的反馈时长，依据功能对象组地址中的稳态时长对反馈信号的安全性进行判定，若反馈时长处于稳态时长的阈值区间，则反馈信号安全，否则，反馈信号异常；
S4、传输故障判定：当判定反馈信号异常时，向KNX设备发送测试信号，获取通过KNX总线监测的反馈信号，根据反馈信号是否满足线路传输安全检测规则的结果获取传输故障判定的结果；
S5、传输安全报警：当故障判定结果为线路传输网络存在区域未隔离或存在非法KNX设备连接或异常功能对象的线路传输故障或功能对象异常时，上位机根据故障判定类型发出传输安全报警，当故障判定结果为线路传输正常，则保持数据正常传输；
S6、修正阈值区间：记录所有反馈信号的反馈时长和反馈值，通过分析记录修正稳态时长的阈值区间和参数预设区间。
2.根据权利要求1所述的一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述KNX设备包括若干条通道，每一条所述通道上设置有若干个功能对象，目标功能对象的组地址生成包括以下步骤：
S11、上位机通过KNX总线进行媒体访问控制MAC地址广播搜索查找KNX设备并与KNX设备建立通信连接；
S12、KNX设备向上位机发送MAC消息，其中MAC消息携带KNX设备的MAC地址、设备类型、每一个功能对象所在通道的通道编号及其功能对象的稳态时长；
S13、KNX设备接收上位机分配的身份标识ID和MAC地址；
S14、KNX设备根据目标功能对象的通道编号、稳态时长以及身份标识ID，生成目标功能对象的组地址，其中组地址的组成包括通道编号、稳态时长和KNX设备的ID。
3.根据权利要求2所述的一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：所述步骤S1中，稳态时长配置为功能对象在其自身电流发生变化到稳态的时长，通过稳态时长定义功能对象的功能类型。
4.根据权利要求1所述的一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：所述步骤S2中，发送控制信号还包括对控制信号进行加密，采用AES加密算法，包括以下步骤：
S21：选择密钥长度，将初始密钥扩展成多个子密钥；
S22、对明文进行填充，使其长度满足AES加密算法的要求；
S23、将填充后的明文分成若干块，每个块长度为128位，然后依次进行加密；
S24、将所有加密后的块拼接起来，获得最终的密文。
5.根据权利要求1所述的一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：所述步骤S3中，稳态时长的阈值区间依据功能对象的稳态时长设定，区间大小依据实际的KNX系统的信号传输速率设定。
6.根据权利要求5所述的一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：所述步骤S3中，反馈信号的触发机制包括：
当功能对象接收到控制信号之后运行参数发生突变时开始计时，当计时时长达到功能对象的组地址中包含的稳态时长时，向KNX总线发送当前功能对象的运行参数，即反馈信号；
其中，组地址中包含的稳态时长设置依据为：通过测试功能对象运行参数变化过程达到稳态的所需时长进行设置。
7.根据权利要求1所述的一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：所述步骤S4中，线路传输安全检测规则包括：
若反馈信号为不同区域的KNX设备反馈的信号，则判定线路传输网络存在区域未隔离；若反馈信号为未认证的KNX设备，则判定线路传输网络存在非法KNX设备连接；若反馈信号为KNX总线监测获取的异常功能对象的反馈信号，则获取反馈信号的时长和反馈值；
当KNX总线在异常功能对象的组地址对应的稳态时长的阈值区间内未接收到反馈信号时，判定异常功能对象的线路传输故障；当KNX总线在异常功能对象的组地址对应的稳态时长的阈值区间内接收到反馈信号且反馈值与参数预设区间一致，则判定异常功能对象的线路传输正常，否则功能对象异常。
8.根据权利要求7所述的一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：所述步骤S4中，参数预设区间配置为功能对象在正常运行状态下的稳态电流参数的浮动区间。
9.根据权利要求8所述的一种基于KNX的楼宇管理安全通信方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述测试信号的生成方法包括：依据KNX系统的网络类型、KNX总线监测的异常功能对象的组地址以及线路传输安全检测规则生成。
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