CN111756519B - 一种基于stc15f2k60s2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法 - Google Patents

一种基于stc15f2k60s2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法 Download PDF

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Abstract

本文发明了一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统，包括以下步骤：构建新型五维超混沌系统；采用欧拉求解算法对五维超混沌系统进行离散化处理；利用C语言实现离散化的混沌系统；一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统。本文设计了一种新型五维超混沌系统，五维超混沌系统比一般混沌系统有更复杂的动力学行为，采用欧拉算法对其进行离散化处理并利用C语言实现，欧拉算法能降低单片机产生混沌时所消耗的硬件资源，使单片机内实现混沌具有现实价值。

Description

一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系 统的设计方法
技术领域
本发明涉及通讯领域，特别涉及一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法。
背景技术
远程摄像头在当今社会运用广泛，尤其家庭、企业、学校使用较多，存在摄像头的场景时常涉及到隐私内容，如果远程摄像头控制信号不经加密或者加密算法易于被破解，则摄像头的控制权很容易被不法分子获得，造成隐私的泄露，严重时将造成巨大的经济财产损失和法律纠纷，因此采取一种难以被破解，加密成本低的远程摄像头加密通信系统是非常有必要的，信息加密的好处不止信息加密防泄漏还能防止一些外来信号波的干扰。
现如今，数据通信在迅速发展的同时也带来了一些数据失密的问题，信息被非法截取以及数据库资料被窃的事件经常会发生，传统的现代的保密通信存在软件上有着漏洞，即使是再大的随机数也会有周期性且有时会十分费时，需要较高的成本，在某些重要领域的电子信息是至关重要的，这些电子信息的泄露可能会导致很多非常严重的后果，所以需要将这些信息进行加密，以确保信息不被窃取。
由于混沌对初始条件具有敏感依懒性，即使是两个完全一样的混沌系统而且从相差不多的初始条件开始演化，经过一段时间其轨道也会很快变得互不相关，这使得混沌信号具有长期的不可预测性以及抗截获的能力，通常由于普通单片机的精度有限且实现高精度运算花销过大使得其使用价值极小，因此普通单片机无法实现或者较难实现四阶龙格-库塔求解算法，使得混沌运用于实际的成本较高，而欧拉算法能极低地减少单片机产生混沌时的硬件开销，这使得在单片机中产生混沌并且运用于实际生产生活成为可能，因此基于单片机的五维超混沌保密通信方法在利用单片机降低信号加密成本方面具有较高的研究价值。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硬件成本低、保密效果好、易于实现的基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统，本发明通过欧拉算法对所构建的五维超混沌系统进行离散化，然后利用C语言在单片机内对离散化后的系统进行编程，最后对远程摄像头控制或反馈信号加密解密电路进行硬件电路设计。
本发明一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法主要包括如下步骤：
步骤一：构建五维超混沌系统；
步骤二：采用欧拉算法对五维超混沌系统进行离散化处理；
步骤三：利用C语言实现五维超混沌系统的离散化软件程序设计；
步骤四：基于步骤三设计出的五维超混沌系统离散化软件程序，实现一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的加密模块和解密模块硬件电路设计；
所述步骤四的具体步骤为：
1-1）加密模块设计：当加密模块正常工作时，处理器STC15F2K60S2-1基于所述离散化软件程序运算产生混沌序列CHAOS，远程摄像头控制或反馈信号CT经第一个反向加法电路被单片机产生的混沌序列CHAOS遮掩，产生得到第一个加密后的信号EN；
1-2）解密模块设计：当加密后的信号EN传输至解密模块时，处理器STC15F2K60S2-2基于所述离散化软件程序运算产生将产生同步混沌序列，经过第二个反向加法电路中进行解密得到解密后的信号DS。
上述基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，所述步骤一中构建五维超混沌系统的无量纲表达式为：
Figure 393789DEST_PATH_IMAGE001
其中x,y,z,w,u为系统状态变量，a,b,c,i,f,g,m,l为系统的控制参数。其中通常取a=-25,b=25,c=1.3,d=35,i=2,f=4,g=-8,m=-0.8,l=5；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在0至0.65之间变化时，系统运动处于周期状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在0.65至6之间变化时，系统运动处于超混沌状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在6至7.6之间变化时，系统运动状态为混沌状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在7.6至8.5之间变化时，系统运动状态为周期状态；
所述一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，在加密时选取SE复杂度处于五维超混沌系统最高值的Y维时间序列；所述SE复杂度的具体算法为：
2-1）对构建的五维超混沌伪随机序列去掉直流部分，使得频谱能更有效地体现信号能量信息；
2-2）对去掉直流部分的序列进行离散化傅里叶变换；
2-3）通过香农熵计算变换域能量分布均衡性，归一化后即可求出所构建的五维超混沌伪随机序列的SE复杂度。
上述一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，其特征在于，所属步骤二、步骤三采用欧拉算法对五维超混沌系统进行离散化的表达式为：
Figure 740457DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明的有益效果在于。
1.本发明构造了五维超混沌系统。相加于其他低维混沌系统，五维超混沌系统具有更加复杂的混沌动力学以及混沌序列信号频率范围更大的特性。
2.本发明采用欧拉算法将超混沌系统进行离散化并将其用C语言实现，使用欧拉算法在保持数据安全性的同时，减少了单片机产生混沌的硬件开销，使得单片机内产生混沌成为可能，这极大地降低了数据加密的成本。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为本发明基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统远程摄像头控制和反馈信号加密模块电路图。
图3为本发明基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统远程摄像头控制和反馈信号解密模块电路图。
图4为STC15F2K60S2-1单片机最小系统电路图。
图5为STC15F2K60S2-2单片机最小系统电路图。
图6为本发明基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统手机端控制远程摄像头的加密、解密通讯流程图。
图7为本发明基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统远程摄像头反馈信息的加密、解密通讯流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建五维超混沌系统；
步骤二：采用欧拉算法对五维超混沌系统进行离散化处理；
步骤三：利用C语言设计软件程序，实现五维超混沌系统的离散化；
步骤四：基于步骤三设计出的五维超混沌系统离散化软件程序，实现一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的加密模块和解密模块硬件电路设计；
所述步骤四的具体步骤为：
1-1）加密模块设计：当加密模块正常工作时，处理器STC15F2K60S2-1基于所述离散化软件程序运算产生混沌序列CHAOS，远程摄像头控制或反馈信号CT经第一个反向加法电路被单片机产生的混沌序列CHAOS遮掩，产生得到第一个加密后的信号EN；
1-2）解密模块设计：当加密后的信号EN传输至解密模块时，处理器STC15F2K60S2-2基于所述离散化软件程序运算产生将产生同步混沌序列，经过第二个反向加法电路中进行解密得到解密后的信号DS。
上述一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，所述步骤一中构建五维超混沌系统的无量纲表达式为：
Figure 152984DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 243300DEST_PATH_IMAGE004
Figure 424882DEST_PATH_IMAGE004
为系统状态变量，
Figure 676872DEST_PATH_IMAGE005
Figure 576695DEST_PATH_IMAGE005
为系统的控制参数。其中通常取
Figure 205122DEST_PATH_IMAGE006
；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在0至0.65之间变化时，系统运动处于周期状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在0.65至6之间变化时，系统运动处于超混沌状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在6至7.6之间变化时，系统运动状态为混沌状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在7.6至8.5之间变化时，系统运动状态为周期状态；
所述一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，在加密时选取SE复杂度处于五维超混沌系统最高值的Y维时间序列；所述SE复杂度的具体算法为：
2-1）对构建的五维超混沌伪随机序列去掉直流部分，使得频谱能更有效地体现信号能量信息；
2-2）对去掉直流部分的序列进行离散化傅里叶变换；
2-3）通过香农熵计算变换域能量分布均衡性，归一化后即可求出所构建的五维超混沌伪随机序列的SE复杂度。
如图2所示，远程摄像头控制和反馈信号加密模块电路图，包括电源、单片机STC15F2K60S2-1最小系统电路、混沌序列数模转换电路、加密反相加法电路。所述电源与单片机STC15F2K60S2-1最小系统电路、混沌序列数模转换电路、加密反相加法电路相连，为整个电路提供工作电源，TL082-1运算放大器输出端与DAC1208-1数模转化器RFB端口相连，TL082-1运算放大器反相输入端与DAC1208-1数模转化器IOUT2端口相连，IUOT2接地、DAC1208-1的GND、
Figure 569108DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 929682DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 379118DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 748919DEST_PATH_IMAGE010
端口均接地， TL082-1运算放大器同相输入端与DAC1208-1数模转化器IOUT1端口相连，DAC1208-1的DI0、DI1、DI2、DI3、DI4、DI5、DI6、DI7、DI8、DI9、DI10、DI11端口分别与STC15F2K60S2-1单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7、P2.1、P2.2、P2.3端口相连，加密反相加法电路包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、运算放大器UA741-1，运算放大器UA741-1输出端与第四电阻R4相连，反相输入端与第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4相连，运算放大器UA741-1同相输入端与地相连。
如图3所示，远程摄像头控制和反馈信号解密模块电路图，包括电源、单片机STC15F2K60S2-2最小系统电路、同步混沌序列数模转换电路、解密反相加法电路，所述电源与单片机STC15F2K60S2-2最小系统电路、混沌序列数模转换电路、加密反相加法电路相连，为整个电路提供工作电源，TL082-2运算放大器输出端与DAC1208-2数模转化器RFB端口相连，TL082-2运算放大器反相输入端与DAC1208-2数模转化器IOUT2端口相连，IUOT2接地，DAC1208-2的GND、
Figure 704761DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 501816DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 110652DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 346461DEST_PATH_IMAGE010
端口均接地，TL082-2运算放大器同相输入端与DAC1208-2数模转化器IOUT1端口相连，DAC1208-2的DI0、DI1、DI2、DI3、DI4、DI5、DI6、DI7、DI8、DI9、DI10、DI11端口分别与STC15F2K60S2-2单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7、P2.1、P2.2、P2.3端口相连，解密反相加法电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、运算放大器UA741-2，运算放大器UA741-2输出端与第八电阻R8相连，反相输入端与第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8相连，运算放大器UA741-2同相输入端与地相连。
如图4所示STC15F2K60S2-1单片机最小系统，包括STC15F2K60S2-1单片机、时钟源电路、复位电路，时钟源电路包括第一电容C1和第二电容C2、第一振荡器Y1，第一电容C1引脚与STC15F2K60S2-1单片机P1.6端口相连，另一端接地，第二电容C2引脚与STC15F2K60S2-1单片机P1.7端口相连，另一端接地，振荡器跨接在第一电容C1与第二电容C2之间，第一振荡器Y1两端引脚分别与STC15F2K60S2-1单片机P1.6、P1.7端口相连，复位电路包括第三电容C3、第一电阻R1、复位按键S1，复位按键S1一端与STC15F2K60S2-1单片机P5.4端口相连，另一端接地，第三电容C3一端与STC15F2K60S2-1单片机P5.4端口相连，另一端接地。
如图5所示STC15F2K60S2-2单片机最小系统，包括STC15F2K60S2-2单片机、时钟源电路、复位电路，时钟源电路包括第四电容C4和第五电容C5、第一振荡器Y2，第四电容C4引脚与STC15F2K60S2-1单片机P1.6端口相连，另一端接地，第五电容C5引脚与STC15F2K60S2-2单片机P1.7端口相连，另一端接地，振荡器Y2跨接在第四电容C4与第五电容C5之间，第二振荡器Y2两端引脚分别与STC15F2K60S2-2单片机P1.6、P1.7端口相连，复位电路包括第六电容C6、第五电阻R5、复位按键S2，复位按键S2一端与STC15F2K60S2-2单片机P5.4端口相连，另一端接地，第六电容C6一端与STC15F2K60S2-2单片机P5.4端口相连，另一端接地。
如图6所示基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统手机端控制远程摄像头的加密、解密通讯流程图，从手机用户端发送信息到中央控制电脑的CPU进行处理产生相应的控制信号，再经判断是否为控制远程摄像头微机系统的控制信号：判断为否则不继续进行下一步，判断为是则进行下一步，下一步将控制信号分别激活两个部分：超混沌系统和控制信号系统。在控制信号系统中产生相应的控制信号，在超混沌系统中产生超混沌系统的混沌序列，然后将两者通过驱动-响应的同步方法进行加密得到加密后的信号，在下一步，对加密后的信号传输到相关芯片中进行芯片处理，以方便于将电脑数字信号转化为适合远程传输的数字信号或者模拟信号，在远程传输的作用下将信号传输到远程摄像头微机系统处，由数字信号和模拟信号接收模块接收信号，然后传输到远程摄像头微机系统的CPU中进行分析是否为有效的输入信号，第一次排除外部的干扰信号，加强系统信号的有效性。为有效信号时，会激活超混沌系统通过驱动-响应的同步方法产生超混沌系统的混沌序列。下一步，将输入的有效信号与超混沌系统产生的混沌序列进行解密操作，产生一段解密后的信号。在远程摄像头微机系统的最后一步，对解密后信号进行阀值检测，第二次对干扰信号进行排除，对有效的信号再转化为控制信号传输到远程摄像头进行控制。
如图7所示基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统远程摄像头反馈信息的加密、解密通讯流程图，从远程摄像头端发送信息到远程摄像头微机系统的CPU进行处理产生相应的控制信号，再经判断远程摄像头是否正常控制：判断为否则不继续进行下一步，判断为是则进行下一步，下一步将控制信号分别激活两个部分：超混沌系统和控制信号系统，在控制信号系统中产生相应的控制信号，在超混沌系统中产生超混沌系统的混沌序列，然后将两者通过驱动-响应的同步方法进行加密得到加密后的信号，在下一步，对加密后的信号传输到相关芯片中进行芯片处理，以方便于将电脑数字信号转化为适合远程传输的数字信号或者模拟信号，在远程传输的作用下将信号传输到中央控制电脑处，由数字信号和模拟信号接收模块接收信号，然后传输到中央控制电脑系统的CPU中进行分析是否为有效的输入信号，第一次排除外部的干扰信号，加强系统信号的有效性，为有效信号时，会激活超混沌系统通过驱动-响应的同步方法产生超混沌系统的混沌序列，下一步，将输入的有效信号与超混沌系统产生的混沌序列进行解密操作，产生一段解密后的信号。在中央控制电脑的最后一步，对解密后信号进行阀值检测，第二次对干扰信号进行排除，对有效的信号再转化为控制信号传输到手机用户端，通知其控制结果。

Claims (2)

1.一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建五维超混沌系统；
步骤二：采用欧拉算法对五维超混沌系统进行离散化处理；
步骤三：利用C语言实现五维超混沌系统的离散化软件程序设计；
步骤四：基于步骤三设计出的五维超混沌系统离散化软件程序，实现一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的加密模块和解密模块硬件电路设计；
所述步骤四的具体步骤为：
1-1）加密模块设计：当加密模块正常工作时，处理器STC15F2K60S2-1基于所述离散化软件程序运算产生混沌序列CHAOS，远程摄像头控制或反馈信号CT经第一个反向加法电路被单片机产生的混沌序列CHAOS遮掩，产生得到第一个加密后的信号EN；
1-2）解密模块设计：当加密后的信号EN传输至解密模块时，处理器STC15F2K60S2-2基于所述离散化软件程序运算产生将产生同步混沌序列，经过第二个反向加法电路中进行解密得到解密后的信号DS。
2.根据权利要求1所述的一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，其特征在于，所述步骤一中构建高超混沌系统的无量纲表达式为：
Figure 276775DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 244731DEST_PATH_IMAGE002
为系统状态变量，
Figure 403179DEST_PATH_IMAGE003
为系统的控制参数，其中通常取
Figure 114784DEST_PATH_IMAGE004
；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在0至0.65之间变化时，系统运动处于周期状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在0.65至6之间变化时，系统运动处于超混沌状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在6至7.6之间变化时，系统运动状态为混沌状态；
在其他的系统控制参数取通常值时，只有参数f在7.6至8.5之间变化时，系统运动状态为周期状态；
所述一种基于STC15F2K60S2单片机的远程摄像头混沌加密通信系统的设计方法，在加密时选取SE复杂度处于五维超混沌系统最高值的Y维时间序列；所述SE复杂度的具体算法为：
2-1）对构建的五维超混沌伪随机序列去掉直流部分，使得频谱能更有效地体现信号能量信息；
2-2）对去掉直流部分的序列进行离散化傅里叶变换；
2-3）通过香农熵计算变换域能量分布均衡性，归一化后即可求出所构建的五维超混沌伪随机序列的SE复杂度。
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