CN114095147A - 基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，主要包括以下步骤：建立新的五维混沌系统、混沌系统离散化、利用系统混沌序列生成密码、采用混沌移位键控保密通信原理对密钥进行保密传输。本发明提出的混沌系统，能在真分数阶、整数阶及假分数阶出现混沌现象。混沌系统采用Adomian分解算法，其不需要大量的计算内存就能得到精度高、收敛快的近似解，应用在数字电路中能较好地得到离散后的混沌序列值。依据混沌系统特性，用混沌序列值作为密码能达到一次一密的效果。应用混沌移位键控保密原理将密钥映射到混沌序列中，隐藏数据特性。将动态密码与密钥的混沌移位键控保密通信结合起来，提高了电子锁的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及通讯领域，特别涉及基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法。
背景技术
现如今，随着人们对安全防范设施的要求越来越高，传统的机械式密码锁密码量少、安全性较差等缺点已不能满足安全技术防范要求，逐步被电子密码锁替代。且随着集成电路的发展，微处理器在电子锁中的应用也越来越广泛，使得电子锁功耗小、成本低，从而广泛应用于生产生活中。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，包括建立新的五维假分数阶混沌系统、混沌系统的离散化、利用系统混沌序列伪随机性生成密码、采用混沌移位键控保密通信方法对密钥进行保密传输。新型五维假分数阶混沌系统能在真分数阶、整数阶以及假分数阶都出现混沌现象，且假分数阶和真分数阶混沌系统比整数阶混沌系统在适当阶数下混沌范围更大。混沌系统用于数字电路中时，使用性能较好的处理器是关键，而不需要大量的计算内存就能得到精度高、收敛快的近似解的Adomian混沌系统分解算法能减弱系统对处理器的依赖，从而能更好地应用单片机实现混沌系统。由于混沌序列的伪随机性和不可预测性，将其用于生成一次一密的动态密码时有良好的性能；此外，由于混沌对初始条件敏感性，使得混沌系统在不同的初始条件下开始演化，会得到互不相关的混沌序列，这使得基于混沌序列自相关特性以及互相关特性的混沌移位键控保密通信方案得以实现；从而将密钥的数据特性隐藏在混沌序列中，提高了传输过程中抗截获能力。因此基于五维假分数阶及混沌移位键控保密通信方法，在STM32F103单片机中能实现电子锁功能，且具有较高的保密性能、较低的成本。
一种基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，包括以下步骤：
步骤一：构建了五维假分数阶混沌系统；
步骤二：采用Adomian分解算法进行离散化处理；
步骤三：采用混沌序列生成动态密码；
步骤四：对密码进行处理并显示；
步骤五：矩阵键盘输入显示的密码作为密钥，并转换成二进制；
步骤六：采用混沌移位键控保密通信原理对密钥进行保密通信；
步骤七：根据密码与密钥是否相同控制电子锁动作。
所述于基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，所属步骤一中构建的五维假分数阶混沌系统的无量纲表达式为：
其中，D t q 表示分数阶微积分算子， q为正值时表示微分，为负值时表示积分；x 1 , x 2 ,x 3 ,x 4 ,x 5 为系统的维度，a,b,d,e,f,g为系统参数。取假分数阶q=1.005，系统初值[x 1 0 x 2 0 x 3 0 x 4 0 x 5 0 ]=[1 1 1 1 1]；控制假分数阶混沌系统参数a=10,b=8/3,d=36,f=3,g=28不变，当e=[0,3.2]时，数值结果显示系统处于周期状态；当e=[3.3,9.6]时，数值结果显示系统处于拟周期状态；当e=[9.7,12.2]时，系统处于混沌状态。
一种基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，所属步骤二的Adomian分解算法具体步骤为：
在真分数和整数阶情况下，系统初始状态：[c 1 0 c 2 0 c 3 0 c 4 0 c 5 0 ] =[x 1 0 x 2 0 x 3 0 x 4 0 x 5 0 ]，
在假分数阶的情况下，系统初始状态为：
式中，迭代步长h =0.01，根据Adomian分解法可得：
五维假分数阶混沌系统的解为：
式中， t为本次迭代的时间， t 0 为上次迭代的时间，迭代步长h=t-t 0 =0.01。
一种基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，动态密码生成过程为：依据混沌系统序列的伪随机性和不可预测性等特性，将混沌序列作为动态密码能达到一次一密的效果，将所提出的五维混沌系统模型在参数a=10,b=8/3,d=36,e=12,f=3,g=28，系统阶q=1，步长h=t-t 0 =0.01时，系统第三维x 3 的混沌序列值作为密码；该序列值在[25.04,140.89]范围内波动。因实际生活中密码都是整数，本设计将产生的混沌序列进行处理得到符合要求的密码；
混沌移位键控保密通信对密钥进行保密通信的步骤为：将所提出的混沌系统模型在参数a=10,b=8/3,d=36,e1=9.7,f=3,g=28，系统阶q=1.005时，系统第一维x 1 的混沌序列以及混沌系统模型在参数a=10,b=8/3,d=36,e2=12.1,f=3,g=28，系统阶q=1.005时，系统第一维x 1 的混沌序列参与混沌移位键控保密通信；将待加密数据转换成二进制，依据二进制的数值大小分时依次输出不同参数下的混沌序列，从而将原始数据信息隐藏至混沌序列中，完成混沌移位键控加密过程。混沌移位键控解密过程则是依据混沌序列的自相关性与互相关性，将参与保密通信的两个混沌序列分别与加密端传输过来的混沌序列相乘、积分，对积分值进行判别得到一系列0/1序列值，还原0/1序列值可得到原始数据。
一种基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，电子锁固定端电路由STM32F103单片机、LCD1602液晶显示器以及按键构成。按键按下时，STM32F103单片机产生混沌密码值，并显示在LCD1602液晶显示器的第一行；接收手持端传输的待解密序列，通过混沌移位键控解密原理进行解密，还原得到的值与密码值相同值，则在LCD1602液晶显示器第二行显示“Success”标志并开锁，不同则显示“Failure”且不开锁；
电子锁手持端电路由STM32F103单片机、LCD1602液晶显示器及矩阵键盘构成。在矩阵键盘中输入固定端LCD1602液晶显示器显示的密码，STM32F103单片机扫描矩阵键盘，将扫描的值作为密钥进行混沌移位键控加密传输至固定端；LCD1602液晶显示器的第一行实时显示按下的按键值，第二行在数据开始传输时显示“Please wait”。
本发明的有益效果在于：
1.本发明构造了一个新的五维混沌系统，在合适的阶值时，该混沌系统在真分数阶、整数阶以及假分数阶都能处于混沌状态；将混沌系统在整数阶时的混沌序列进行一系列处理后作为动态密码，以及基于假分数阶混沌系统在不同参数条件下产生的混沌序列以及混沌移位键控保密通信原理对密钥进行保密通信，两者相结合实现了电子锁功能；
2.本发明设计的电子锁具备一次一密的动态密码，且通信时密钥隐藏在混沌序列中，使其具有较高的安全性能。电子锁采用STM32F103单片机为主控制器，配有LCD1602液晶显示、矩阵键盘、按键模块；使用C语言对混沌系统的Adiomian分解算法、混沌序列的产生、混沌移位键控保密通信等功能模块进行编程；在保证安全性能的条件下，使用该单片机成本较低、易于实现与推广。
附图说明
图1为基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法固定端流程图；
图2为基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法手持端流程图；
图3为基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法的混沌移位键控加密流程图；
图4为基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法的混沌移位键控解密流程图；
图5于基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法的固定端电路图；
图6为基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法的手持端电路图。
如图1所示，基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法固定端流程图；按键S0按下后，固定端的STM32F103单片机开始以在参数a=10,b=8/3,d=36,e=12,f=3,g=28，系统阶q=1，步长h=t-t 0 =0.01时，系统第三维x 3 的混沌序列值作为密码，生成的密码显示在LCD1602液晶显示器的第一行；等待手持端输入显示的值作为密钥，且对密钥进行混沌移位键控加密输出后，固定端接收加密后的混沌序列，并依据混沌序列自相关与互相关特性对加密后的混沌序列进行解密，得到一系列解密后的值；对数值进行还原，并与第一次生成密码比较判断，结果正确则开锁，结束；若第一次判别结果错误则再次按下按键S0，显示第二个密码，重复以上流程直至数据判断，第二次还原的数据与第二次密码相同时开锁，不同则不开锁并报警，至此结束。
如图2所示，基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法手持端流程图；当固定端LCD1602液晶显示器显示密码时，手持端通过矩阵键盘输入密码值，此时STM32F103单片机通过相关程序扫描矩阵键盘，并将按键值实时显示在LCD1602液晶显示器的第一行，当按下输入完成的按键时，显示器第一行会显示完整的密钥；将密钥转换成二进制或多进制数值，此时，混沌移位键控根据进制数值大小依次输出系统在参数a=10,b=8/3,d=36,e1=9.7,f=3,g=28，系统阶q=1.005时，系统第一维x 1 的混沌序列以及混沌系统模型在参数a=10,b=8/3,d=36,e2=12.1,f=3,g=28，系统阶q=1.005时，系统第一维x 1 的混沌序列值至固定端，同时在LCD1602液晶显示器的第二行显示“Please wait”。
如图3所示，基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法的混沌移位键控加密流程图；图中假分数阶混沌系统为同一混沌系统，在参数a=10,b=8/3,d=36,f=3,g=28固定不变的情况下，参数为e1产生的混沌序列为SA(t)，参数为e2产生的混沌序列为SB(t)。SI_2(t)为待加密数字信号的二进制数值，根据SI_2(t)的值进行混沌移位键控，即当SI_2(t)为高电平时，发送SA(t)；当SI_2(t)为低电平时，发送SB(t)。而实际传输过程中，信道中传输的信号难免会受到噪声的干扰，在此，设信道中的噪声为高斯白噪声，用N(t)表示，则R(t)为：
R(t)为接收端收到的信号。
如图4所示，基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法的混沌移位键控解密流程图；图中假分数阶混沌系统为同一混沌系统，a=10,b=8/3,d=36,f=3,g=28固定不变的情况下，参数为e1产生的混沌序列为SA_s(t)，参数为e2产生的混沌序列为SB_s (t)；采用同步策略，使加密端的混沌序列与解密端同步，即SA(t)= SA_s(t)，SB(t)= SB_s (t)。解密端输出分别为S1和S2，分别表示为：
其中，ρ为混沌信号的相关性系数，当两信号完全正交时，ρ=0；E b 为混沌信号的比特能量；
对相关器输出信号和依据判决规则进行取样判决：
即可恢复出原信号。
如图5所示，基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法的固定端电路图；固定端电路由STM32F103单片机最小系统、LCD1602显示电路及按键构成。STM32F103单片机最小系统由STM32F103C6单片机、时钟源电路、复位电路、启动电路、备用电源电路构成。时钟源电路1包括电容C3、C4和振荡器Y2；时钟源电路2包括电容C1、C2、电阻R2和振荡器Y1；复位电路包括电源VCC、电阻R1、电容C5和地GND；启动电路包括电阻R5及地GND；备用电源电路由电源VCC、电容C6及地GND构成。LCD1602液晶显示器与STM32F103单片机相连，LCD1602的RS、RW、E、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7引脚分别与STM32F103C6单片机的PA13、PA14、PA15、PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7引脚相连。STM32F103C6单片机的PB14引脚与另一个STM32F103C6单片机的PB14引脚相连，STM32F103C6单片机的PB15引脚与另一个STM32F103C6单片机的PB15引脚相连，用于单片机之间通信。按键模块由按键S0、电阻R3、电阻R4以及电容C7构成，用于控制密码的生成以及显示。LCD1602用于显示密码以及电子锁开锁的成功与失败标志；STM32F103单片机用于产生密码，并对接收的加密后序列进行解密、还原、判别，并控制电子锁动作。
如图6所示，基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法的手持端电路图。手持端由STM32F103单片机最小系统、矩阵键盘以及LCD1602显示电路构成。STM32F103单片机最小系统由STM32F103C6单片机、时钟源电路、复位电路、启动电路、备用电源电路构成。时钟源电路1包括电容C12、C13和第四振荡器Y4；时钟源电路2包括电容C8、C9、电阻R5和振荡器Y3。复位电路包括电源VCC、电阻R7、电容C11和地GND；启动电路包括电阻R8以及地GND；备用电源电路由电源VCC、电容C10以及地GND构成。矩阵键盘由电阻以及按键构成，电阻包括电阻R9、R10、R11、R12，按键包括按键S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16；LCD1602液晶显示器与STM32F103单片机相连，LCD1602的RS、RW、E、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7引脚分别与STM32F103C6单片机的PA13、PA14、PA15、PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7引脚相连。矩阵键盘用于输入显示的密码值，以及输出完成、清除、重新输入标志位。LCD1602用于显示密钥以及开始传输的标志。STM32F103单片机用于扫描矩阵键盘的值得到密钥值，并密钥值进行数据处理以及混沌移位键控加密传输，将数据传输至固定端。
Claims (4)
1.一种基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建了五维假分数阶混沌系统；
步骤二：采用Adomian分解算法进行离散化处理；
步骤三：采用混沌序列生成动态密码；
步骤四：对密码进行处理并显示；
步骤五：矩阵键盘输入显示的密码作为密钥，并转换成二进制；
步骤六：采用混沌移位键控保密通信原理对密钥进行保密通信；
步骤七：根据密码与密钥是否相同控制电子锁动作。
2.根据权利要求1所述的基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，其特征在于，所属步骤一中构建的五维假分数阶混沌系统的无量纲表达式为：
其中，D t q 表示分数阶微积分算子， q为正值时表示微分，为负值时表示积分；x 1 ,x 2 ,x 3 , x 4 ,x 5 为系统的维度，a,b,d,e,f,g为系统参数；取假分数阶q=1.005，系统初值[x 1 0 x 2 0 x 3 0 x 4 0 x 5 0 ]=[1 1 1 1 1]；控制假分数阶混沌系统参数a=10,b=8/3,d=36,e=12,f=3,g=28不变，当e=[0,3.2]时，数值结果显示系统处于周期状态；当e=[3.3,9.6]时，数值结果显示系统处于拟周期状态；当e=[9.7,12.2]时，系统处于混沌状态。
3.根据权利要求1所述的基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，其特征在于，所属步骤二的Adomian分解算法具体步骤为：
在真分数和整数阶情况下，系统初始状态：[c 1 0 c 2 0 c 3 0 c 4 0 c 5 0 ] =[x 1 0 x 2 0 x 3 0 x 4 0 x 5 0 ]，
在假分数阶的情况下，系统初始状态为：
式中，迭代步长h =0.01，根据Adomian分解法可得：
五维假分数阶混沌系统的解为：
式中， t为本次迭代的时间， t 0 为上次迭代的时间，迭代步长h=t-t 0 =0.01。
4.根据权利要求1所述的基于五维假分数阶及混沌移位键控的电子锁保密通信方法，其特征在于，电子锁固定端、手持端流程为：
固定端：由STM32F103单片机、LCD1602液晶显示器及按键构成；按键按下时，单片机产生混沌密码值，并显示在LCD1602液晶显示器的第一行；单片机接收手持端传输的待解密序列，通过混沌移位键控解密原理进行解密、还原，得到的值与密码值相同时，则在LCD1602液晶显示器第二行显示“Success”标志并开锁，不同则显示“Failure”且不开锁；
手持端：由STM32F103单片机、LCD1602液晶显示器及矩阵键盘构成；通过矩阵键盘输入固定端LCD1602液晶显示器显示的密码，STM32F103单片机扫描矩阵键盘，将扫描的值作为密钥进行混沌移位键控加密，传输至固定端；LCD1602液晶显示器的第一行实时显示按下的按键值，第二行在数据开始传输时显示“Please wait”；
其中，依据混沌序列的伪随机性和不可预测性等特性，将混沌序列作为动态密码能达到一次一密的效果，将所提出的五维混沌系统模型在参数a=10,b=8/3,d=36,e=12,f=3,g=28，系统阶q=1，步长h=t-t 0 =0.01时，系统第三维x 3 的混沌序列值作为密码；该序列值在范围内波动，因实际生活中密码都是整数，将产生的混沌序列进行处理得到符合要求的密码；将所提出的混沌系统模型在参数a=10,b=8/3,d=36,e1=9.7,f=3,g=28，系统阶q=1.005时，系统第一维x 1 的混沌序列以及混沌系统模型在参数a=10,b=8/3,d=36,e2=12.1,f=3,g=28，系统阶q=1.005时，系统第一维x 1 的混沌序列参与混沌移位键控保密通信。
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2021
- 2021-11-29 CN CN202111427313.1A patent/CN114095147B/zh active Active
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| CN117040745B (zh) * | 2023-10-10 | 2023-12-12 | 中国电子科技集团公司第三十研究所 | 基于保守超混沌系统的密钥提取方法、装置、设备及介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114095147B (zh) | 2023-08-18 |
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