CN109905869A - 一种充电设备与智能设备间数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种充电设备与智能设备间的数据传输方法，其基于低功耗蓝牙传输加密的充电设备充电数据及相关信息，充电设备作为从设备周期性的向周围广播信息，智能设备作为主设备需要连接充电设备时开启其蓝牙功能，具备充电设备正确连接密码的智能设备会使用安全且唯一的密码建立与充电设备的配对。配对会通过配对请求及配对响应进行配对信息交换；接下来进行链路认证从而生成短期秘钥用于加密链路；然后在加密链路上进行长期秘钥的分发及存储，从而实现设备间的绑定；最后通过长期秘钥进行安全高效的信息通信。通过这一系列的加密处理，实现充电设备与智能设备之间信息安全的通信。

Description

一种充电设备与智能设备间数据传输方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电领域，具体的涉及一种充电设备与智能设备间数据传输方法。

背景技术

随着新能源电动汽车的发展，个人充电设备也会迅速安装于家庭和小区停车场。对于安装于私人车库的充电设备由于有车库门保护不会被其他人使用。而安装于公共的小区停车场的充电设备，有被别人偷用的风险。于是市面上存在一些充电设备保管箱，在不使用时将充电设备锁于保管箱内，使用时再打开保管箱进行充电。这种方法可以解决充电设备被人偷用的问题，但是安装保管箱，使用充电设备时的开箱锁箱环节都是相对耗时且古老的保管方式，浪费了车主宝贵时间，不符合现代社会便捷化的需求。也有些使用刷卡的方式，这种方式虽然看似简单，但如果卡不经意丢失或损坏，有可能导致不能及时使用充电设备充电，从而耽误出行。使用现代的蓝牙设备也可以防止别人偷用充电设备，但是在做信息交互时如果信息不做加密，不仅充电功率、电压电流等有可能会被截取，当前充电量、总充电量等信息也有可能会被截取，最重要的设备密码等关键信息也有可能被截取。这样便有可能导致本来可以保护设备的密码被别人识别，充电设备被别人偷用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种新的充电设备来解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供一种充电设备与智能设备间数据交换方法，所述充电设备包含控制模块，其具有蓝牙模块，电性连接至控制模块中的处理器单元，用以接收并传输所述处理器单元的指令，所述蓝牙模块，包含加密单元，其接收所述处理器单元传输的指令并加密，将加密后的指令通过所述蓝牙模块周期性的向周围广播信息，所述智能设备处于第一工作模式时，其开启蓝牙功能匹配的连接所述蓝牙模块。

优选的，该智能设备处于第二工作模式时，其不连接所述蓝牙模块。

优选的，该加密单元包括两个输入端和一个输出端，所述两个输入端分别为128位的秘钥值，128位的纯文本数据块，输出端包含128位的加密数据块。

优选的，该蓝牙模块与智能设备进行信息交互之前，需要通过密码验证和配对绑定，确认之后才会进行数据传输。

优选的，该蓝牙模块与智能设备之间配对包含S1进行配对信息交换，所述蓝牙模块将至少包含充电设备的输入/输出能力的信息作为配对请求传输至智能设备，所述配对请求包含请求的秘钥列表，所述智能设备接收并响应配对请求向所述蓝牙模块发送包含智能设备的输入/输出信息。

优选的，该蓝牙模块与智能设备之间配对包含S2，进行链路认证，所述蓝牙模块和智能设备会各自产生一个随机数，通过AES执行算法确认信息是否一致，若信息确认一致，在认证中交互的随机数用来计算短期秘钥，该短期秘钥在链路层加密规程中用于加密链路。

优选的，该蓝牙模块与智能设备之间配对包含S3进行秘钥分发，所述秘钥分发基于使用短期秘钥进行链路加密，其中分发的秘钥包含多种用途的秘钥，用于加密后持续链接的长期秘钥、用于解析私有地址的身份解析秘钥、用于检查执行属性协议中签名写命令的连接签名解析秘钥。

优选的，该智能设备再次连接到之前配对并绑定过的充电设备充电时，无需再进行配对，主设备向从设备分配LTK来解密连接。

有益效果

具备与充电设备正确连接密码的智能设备会使用安全且唯一的密码建立与充电设备的配对。通过这一系列的加密处理，实现充电设备与智能设备之间信息安全的通信。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一实施例的控制模块与智能设备的连接示意图；

图2是根据本发明一实施例的控制模块与智能设备间信息的格式的示意图；

图3是根据本发明一实施例的控制模块与智能设备间信息传输的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

如图1所示，为一种充电设备的控制模块与智能设备连接的示意图，控制模块100包含，蓝牙模块101，该蓝牙模块101电性连接至控制模块中的处理器单元(图未示)，接收并传输所述处理器单元的指令，该蓝牙模块，包含加密单元，用以对所传输的指令加密，蓝牙模块连接至智能设备与智能设备进行信息交互。

上述的实施方式中，蓝牙模块采用低功耗模块其通过有线方式电性连接至控制模块。蓝牙模块与智能设备间依据无线方式进行数据通信。该方式中基于加密单元保证蓝牙模块与智能设备间传输的信息不被其他人员破解，蓝牙模块侧和智能设备侧都需先将要传输的信息进行加密之后进行传输。较佳的，加密单元使用的加密引擎为高级加密标准(Advanced Encryption Standard，简称AES)，包括两个输入和一个输出。两个输入分别为128位的秘钥值和128位的纯文本数据块，输出是128位的加密数据块。AES执行算法(E)并利用秘钥(key)对明文(plaintext)加密以产生密文(ciphertext)的过程可通过以下函数表示：ciphertext＝Ekey(plaintext)。

在一实施方式中，蓝牙模块与智能设备进行通信之前，需要通过密码验证和配对绑定，确认智能设备持有人的身份之后才会进行数据传输。其中每个充电设备(充电设备的控制模块)都有唯一的密码，以保证充电设备不会被其他人员随意使用。智能设备与蓝牙模块的配对和绑定共有三个阶段如图3所示。

蓝牙模块与智能设备之间配对的第一阶段会进行配对信息交换，此时充电设备侧的蓝牙模块会将充电设备的输入输出能力作为配对请求的一部分传输至智能设备，配对请求还包含请求的秘钥列表及其他配对信息。智能设备接到配对请求后会对其发送配对响应，其中包含智能设备的输入输出等信息。

蓝牙模块与智能设备之间配对第二个阶段会进行链路认证，此时会确定一个临时秘钥(Temporary Key，简称TK)。为了保证通信的安全性，充电设备的蓝牙模块和智能设备都会各自产生一个随机数，通过AES执行算法确认信息是否一致。如信息确认无误，在认证中交互的随机数用来计算短期秘钥(Short Term Key，简称STK)，该值在链路层加密规程中用于加密链路。

蓝牙模块与智能设备之间配对第三个阶段会进行秘钥分发。秘钥分发建立在使用短期秘钥进行链路加密的基础上，这样可以保证秘钥传输的过程本身就是加密的，防止攻击者通过明文数据传输获取用来给数据加密的秘钥。此处分发的秘钥主要包括多种用途的秘钥：用于加密后持续链接的长期秘钥(Long Term Key，简称LTK)，用于解析私有地址的身份解析秘钥(Identity Resolving Key，简称IRK)，用于检查执行属性协议中签名写命令的连接签名解析秘钥(Connection Signature Resolving Key，简称CSRK)。

在重新连接到之前配对并绑定过的设备时，不需要再进行复杂的三个阶段的配对过程，而是允许主设备向从设备分配LTK来解密连接，这样可以快速实现重连。

如图2所示，为传输的数据格式，为了保证数据在传输过程中外部环境或攻击者导致信息出现错误，在链路层传输的数据包括3个字节的循环冗余校验码(CyclicRedundancy Check，简称CRC)以及4个字节的消息完整性校验码(Message IntegrityCheck，简称MIC)。这样的设计保证，CRC和MIC保证数据传输过程中的错误，且攻击者修改的数据可以及时被检查出来。

在数据报文中，3个字节的CRC对报头、长度以及净荷都进行计算。24位的CRC可以检测所有的1比特、2比特、3比特、4比特、5比特、7比特、9比特等错误。

在数据报文中，4个字节的MIC用于验证数据包的发送者，MIC的计算也是用到AES加密引擎。其中每个块的输出将作为下一个块的输入，各个块串联起来，确保原始信息中的每一位都被用于MIC的计算。MIC只会用到最终加密数据的32位最高有效位。

如果MIC校验失败存在两种可能，一种可能是由于攻击者试图攻击连接，另外一种可能是一些位错误但是CRC没有检测出来。MIC检验失败后将断开连接、停止通信。从而保证连接的正确性和安全性。

上述实施方式中，蓝牙模块接收控制模块的指令，该指令经蓝牙模块的加密单元加密后传输至与其连接的智能设备。这样智能设备与蓝牙模块连接时，只有验证成功后才能进行信息交互。未经过授权或与蓝牙模块不能匹配连接的智能设备不能与该充电设备进行信息交互。进而不能控制该充电设备，这样，搜索到该充电设备的非授权用户既不能查看到充电设备运行数据，充电设备也不会被解锁，不会对电动汽车充电。从而大大提高了用户体验。充电设备可为交/直流充电设备。只有经过该充电设备授权，或事先知晓该密钥的用户才可能与充电设备连接。而且蓝牙模块发出的指令信息经过加密单元加密，未经过验证的访问，都无法获得有效的信息。

在一种可能的实施方式中，充电设备与智能设备连接时智能设备打开蓝牙功能，与充电设备的蓝牙模块建立连接并成功配对后进行信息交互。

在一种可能的实施方式中，不仅可以从控制模块传送指令信息至蓝牙模块，也可以从蓝牙模块传送指令信息到控制模块。这样可以实现通过智能设备的APP控制充电设备的目的。实现从蓝牙模块传送到控制模块的功能下，智能设备的控制指令先传送至蓝牙模块，蓝牙模块再将控制指令传送到控制模块，控制模块根据此指令要求控制充电设备的运行状态,如断开对电动汽车的充电。

在一种可能的实施方式中，设置在电动汽车上的识别装置与设置在充电设备上的第二识别装置通过有线方式或WiFi、蓝牙或ZIGBEE等无线方式进行验证通讯，从而实现充电设备对电动汽车充电的自动授权。通过本发明的充电设备自动授权方法，用户只需将充电枪正确连接电动汽车的充电接口,使得过程更加简单，用户不需要再进行其他操作，从而大大提高了电动汽车用户的充电体验。

在一种实施方式中，蓝牙模块的加密单元实现的充电设备保护以及对监控数据加密。经过该蓝牙模块传输的指令除了充电设备解锁的指令外，还包含，主控设备监测到充电设备的信息，如运行的电气参数。

在一种实施方式中，智能设备包含控制模块(如，预先安装了对应的充电设备APP)，且在该控制模块中输入与充电设备密码相匹配的充电设备秘钥，如秘钥输入正确，则充电设备解锁进行充电，否则充电设备不启动充电。在实际使用时还可设置为如秘钥输入正确，则充电设备解锁，满足其它充电必要条件，则进入充电。较佳的，每个充电设备都有一个唯一的密钥。一个正确的密钥只可解锁一个充电设备，不会解锁其他充电设备，以此来保护自己的充电设备不被别人乱用。

在一种实施方式中，在智能设备的控制模块中输入密钥之后，连接充电设备的该用户可以查看充电功率，充电电量等信息。

在一种实施方式中，该密钥还可解锁充电设备，从而触发充电设备的充电功能。

在一种实施方式中，充电设备的控制模块具有存储功能，第一次使用时输入密钥，这时选择保存，会保存已输入的密钥信息，这样以后用户打开控制模块(如APP软件)之后不需要再输入密钥。这样，用户将待充电的电动汽车停入约定车位，智能设备打开该控制模块(在智能设备开启蓝牙的模式下)，该控制模块自动与充电设备连接，并在约定的第一连接时间内，该充电设备处于解锁的状态。在确定该充电设备正确连接至待充电的电动汽车后启动充电。

在一种实施方式中，正确输入密钥且充电设备的蓝牙模块与智能设备建立正确连接并且配对之后，充电设备的蓝牙模块会记录智能设备的设备信息。这样，以后若充电设备蓝牙模块与此智能设备通过蓝牙建立连接，即可实现充电设备的解锁，此时将待充电的车辆接口或供电接口正确电性连接即可充电。不需要再打开充电设备APP。如果智能设备蓝牙始终处于打开状态，则只要此智能设备处于充电设备蓝牙模块信号传输范围之内，充电设备蓝牙模块会自动与此智能设备建立连接，在此过程中只需要将充电插头插入充电插座即可，无需其他任何多余操作，是一种简单、安全、便捷的充电方式。

在一种实施方式中，智能设备与充电设备上的蓝牙模块断开连接之后的一段时间内，充电设备仍处于解锁状态。较佳的，该时间的具体数值可通过控制模块(APP软件)设定。在此不作限定。

上述的实施方式中，当充电插头插进电动汽车充电插座，且与电动汽车建立正确的连接确认时，充电设备才会正式启动充电。

在一种实施方式中，对充电设备的解锁可以发生在充电接口或供电接口正确电性连接之前，也可以发生在充电接口或供电接口正确电性连接之后。

在充电设备/智能设备的控制模块的设计中，该控制模块可与其连接的充电设备的运行数据上传至服务器，服务器可以记录历史充电数据，用户可查阅该数据。

在智能设备的设计中，其不限于iOS版本、Android版本的智能设备(如，手机)，还包括含有蓝牙功能的车载智能设备，具备蓝牙传输功能的其他智能设备。

在蓝牙模块的设计中，其采用蓝牙4.0及其以上的蓝牙协议。这样，基于此版本的智能设备蓝牙功耗低，即使始终处于打开状态也不会有很大耗电量，如果此智能设备正确输入过秘钥之后，且此智能设备蓝牙处于始终打开的状态下，只要此智能设备距离充电设备在可连接的范围内，充电设备即可实现解锁，不需要其他多余的动作，从而实现安全、便捷的使用充电设备充电。

本发明提出的实施方式中，在整个信息传输过程中，充电设备和智能设备之间的通信过程采用蓝牙协议中安全管理(Security Manager)进行加密；智能设备与服务器之间的通信通过AES128/256或SSL/TLS加密，从而保证整个通信过程数据和控制信息的安全性。

在一实施方式中，智能设备若成功连接至所述蓝牙模块后，则自动启动所述充电设备的充电模式。

在一实施方式中，智能设备匹配的连接至所述蓝牙模块，所述充电设备自动启动解锁，且在所述智能设备与所述蓝牙模块连接的第一设定时间内，所述充电设备维持解锁状态。

在一实施方式中，智能设备匹配的连接至所述蓝牙模块后，所述智能设备断开与所述充电设备的连接至第二设定时间内，所述充电设备处于解锁状态。

在一实施方式中，智能设备若未能与所述蓝牙模块匹配连接，则所述充电设备处于锁定状态。

上述实施例中充电设备有时也称为充电桩。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种充电设备与智能设备间数据交换方法，所述充电设备包含控制模块，其具有蓝牙模块，电性连接至控制模块中的处理器单元，用以接收并传输所述处理器单元的指令，所述蓝牙模块，包含加密单元，其接收所述处理器单元传输的指令并加密，将加密后的指令通过所述蓝牙模块周期性的向周围广播信息，所述智能设备处于第一工作模式时，其开启蓝牙功能匹配的连接所述蓝牙模块。

2.如权利要求1所述的数据交换方法，其特征在于：所述智能设备处于第二工作模式时，其不连接所述蓝牙模块。

3.如权利要求1所述的数据交换方法，其特征在于：所述加密单元包括两个输入端和一个输出端，所述两个输入端分别为128位的秘钥值，128位的纯文本数据块，输出端包含128位的加密数据块。

4.如权利要求1所述的数据交换方法，其特征在于：所述蓝牙模块与智能设备进行信息交互之前，需要通过密码验证和配对绑定，确认之后才会进行数据传输。

5.如权利要求4所述的数据交换方法，其特征在于：所述蓝牙模块与智能设备之间配对包含S1进行配对信息交换，所述蓝牙模块将至少包含充电设备的输入/输出能力的信息作为配对请求传输至智能设备，所述配对请求包含请求的秘钥列表，所述智能设备接收并响应配对请求向所述蓝牙模块发送包含智能设备的输入/输出信息。

6.如权利要求4所述的数据交换方法，其特征在于：所述蓝牙模块与智能设备之间配对包含S2，进行链路认证，所述蓝牙模块和智能设备会各自产生一个随机数，通过AES执行算法确认信息是否一致，若信息确认一致，在认证中交互的随机数用来计算短期秘钥，所述短期秘钥在链路层加密规程中用于加密链路。

7.如权利要求4所述的数据交换方法，其特征在于：所述蓝牙模块与智能设备之间配对包含S3进行秘钥分发，所述秘钥分发基于使用短期秘钥进行链路加密，其中分发的秘钥包含多种用途的秘钥，用于加密后持续链接的长期秘钥、用于解析私有地址的身份解析秘钥、用于检查执行属性协议中签名写命令的连接签名解析秘钥。

8.如权利要求1所述的数据交换方法，其特征在于：智能设备再次连接到之前配对并绑定过的充电设备充电时，无需再进行配对，主设备向从设备分配LTK来解密连接。