一种基于多参数五维超混沌系统的动态密码电子锁
阅读说明：本技术 一种基于多参数五维超混沌系统的动态密码电子锁 (Dynamic password electronic lock based on multi-parameter five-dimensional hyper-chaotic system ) 是由 于文新 王晶 王俊年 钟国亮 周躜波 蒋丹 李瑞奇 陆洋 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本文发明了一种基于多参数五维超混沌系统的动态密码电子锁,包括以下步骤：构建多参数五维超混沌系统；采用四阶龙格-库塔求解算法对多参数五维超混沌系统进行离散化处理；将离散化的超混沌系统通过编程语言实现；一种基于多参数五维超混沌系统的锁端和手持设备端的电路设计,本文设计了一种多控制参数的新型五维超混沌系统,采用四阶龙格-库塔求解算法对其进行离散化处并用编程语言实现,多参数五维超混沌系统不仅复杂度比寻常混沌系统高,而且具有多个可调的系统控制参数,四阶龙格-库塔算法是一种高精度单步算法,算法精度高,能很好的保留混沌系统的特性。(The invention discloses a dynamic password electronic lock based on a multi-parameter five-dimensional hyper-chaotic system, which comprises the following steps: constructing a multi-parameter five-dimensional hyper-chaotic system; carrying out discretization processing on the multi-parameter five-dimensional hyper-chaotic system by adopting a four-order Runge-Kutta solving algorithm; realizing the discrete hyper-chaotic system through a programming language; a novel multi-control-parameter five-dimensional hyper-chaotic system is designed, discretization is carried out on the novel multi-control-parameter five-dimensional hyper-chaotic system by adopting a four-order Runge-Kutta solving algorithm and a programming language is used for realizing the discretization, the multi-parameter five-dimensional hyper-chaotic system is higher in complexity than an ordinary chaotic system and is provided with a plurality of adjustable system control parameters, and the four-order Runge-Kutta algorithm is a high-precision single-step algorithm, is high in algorithm precision and can well keep the characteristics of the chaotic system.)
技术领域
本发明涉及混沌理论的动态密码研究，特别涉及一种基于多参数五维超混沌系统的动态密码电子锁研究。
背景技术
电子密码锁是一种通过电子系统输入密码并与设置的密码比对，由机电执行机构控制柜门（锁舌）启闭的锁具，随着物质财富的日益增长，人们对电子密码锁的安全性要求越来越高，红外线遥控电子密码锁、基于无线电遥控电子密码锁、基于远程控制和三维运动的密码锁，这些密码锁都在一定程度上提高了安全性，但大多是采用静态密码的方式，其开锁密码在一定周期内保持不变，这种方式存在较大的安全隐患：一是密码强度不够，密码锁用户一般采用位数较短的密码，如果采用过长的密码对用户来说记忆有难度，二是静态密码容易被盗用，因为为了方便使用，大部分的静态密码均采用生日日期等特征显著的密码，非常容易被猜测并破解，解决这一问题的主要方法就是采用动态密码，其特征是：密码依据安全算法自动生成，一次一个密码，使用者无法预知，每次使用的密码均不相同，避免了他人的盗窃和猜测，但国内现有的动态密码锁，大多也只是名义上的动态密码，主要原因有两点:一其动态密码的本质是单钥加密。二是其算法是完全固定的，所产生的密码是有迹可行的，综上述两点，其动态只是名义上的动态，就其安全性而言，并没有做到真正的动态，而多参数五维超混沌系统拥有不可预测性、对初值敏感性、非周期性，而以多参数五维混沌系统为核心设计的动态密码锁，算法上能够在一定意义上产生动态密码，并且混沌系统与动态密码的特点，即“一次一密”，不可预测，十分契合，因此，动态密码和混沌系统之间具有与生俱来的联系，利用混沌系统和动态密码相结合所具有的特性，可以生成具有良好随机性的数字序列，一般来说，动态密码是一个动态随机密钥串，而混沌系统的混沌序列本身就是一种安全性能极佳的伪随机数列，这使得利用混沌系统构建动态密码成为可能，因此，基于多参数五维超混沌系统的动态密码电子锁具有极强的保密性与一定的实用价值和科研价值。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明通过将所构建的多参数五维超混沌系统经过四阶龙格-库塔离散化处理，然后根据所得的离散化后的混沌系统公式进行程序编程，紧接着对基于多参数五维超混沌系统的锁端和手持设备端进行电路设计，包括以下步骤：
步骤一：构建多参数五维超混沌系统；
步骤二：采用四阶龙格-库塔求解算法对多参数五维超混沌系统进行离散化处理；
步骤三：将离散化的混沌系统通过编程语言实现；
步骤四：一种基于多参数五位混沌系统的锁端和手持设备端的电路设计。
1.上述基于多参数五维超混沌动态密码电子锁，所属步骤一中构建多参数五维超混沌系统的无量纲表达式为：
其中
2.上述基于多参数五维超混沌系统的动态密码锁，所述步骤二中采用四阶龙格-库塔求解算法对多参数五维超混沌系统进行离散化处理的具体步骤为：
2-1）确定的混沌系统方程为：
2-2）根据四阶龙格-库塔求解上述混沌系统方程，求得如下解的形式：
2-3）求得各递归参数的表示形式：
式中T是迭代步长，迭代步长T取0.011，根据上述四阶龙格-库塔求解混沌系统的离散化方程式以及各个参数的表达式，根据所得方程及表达式将离散后的混沌系统用编程语言实现。
3.上述基于多参数五维超混沌系统的动态密码锁，所述步骤四具体步骤为。
3-1）利用IAR标准函数库中的rand函数产生混沌系统的系统参数的初值。
3-2）锁端设计为：锁端开机启动后，按下固定功能键G1，等待处理器1调用混沌议程子程序，产生混沌密码生成密钥后（混沌密钥专属手持设备端，用于手持设备端生成锁端开锁需要的混沌密码），方能解除对解锁操作的限制，混沌密码生成密钥会在锁端液晶显示屏LCD1上显示，需要将两个混沌序列初始值输入到手持设备端中，等待处理器2调用混沌议程子程序，产生混沌密码生成密码并显示在手持设备端液晶显示屏LCD2上。
3-3）手持设备端设计：将混沌密码生成密钥通过矩阵键盘输入模块2输入手持设备端，按下矩阵键盘输入模块2中的固定功能键G2，处理器2会调用混沌议程子程序，通过运算得出锁端解锁需要的混沌动态密码，并会在液晶显示器LCD2上显示。
3-4）解锁操作过程:将手持设备端产生的混沌动态密码通过矩阵键盘输入模块1输入到锁端，按下固定功能键G3后，处理器1会对输入密码正确与否加以判断，正确则成功开锁，不正确，则赋值给a（a作为出错次数记录）加1，并重新进入数字输入模式，当a的值大于2时，锁端锁死，并且蜂鸣器报警，不管成功解锁还是密码错误次数超过2，锁端解锁密码都会更新，之后手持设备端也需要重新输入新的混沌密码生成密钥才能得到新的混沌动态密码。
混沌系统的系统参数利用IAR标准函数库中的rand函数随机产生，处理器1调用混动议程子程序产生混沌密钥，手持设备端通过输入混沌密钥，处理器2调用混沌议程子程序产生混沌密码，将所产生的混沌密码输入锁端才能打开动态密码锁，这样不仅大大提高了混沌系统的随机性，而且极大的增加了动态密码锁的安全性。
本发明的有益效果在于。
1.本发明构造了多参数五维超混沌系统，超混沌具有更加复杂的动力学性质，其参数带来误差的敏感性更大，辨识、估计或预测所造成的误差的发散速率更快，其局部还具有更加混乱的结构，相较于寻常混沌系统，所构建的多参数五维超混沌系统拥有更高的维度和更多的可控参数。
2.本发明在采用四阶龙格-库塔算法将超混沌系统离散化，并将其用编程语言实现的过程中，在实现离散化的混沌系统的程序中，采用离散点数据格式并在保持安全性的前提下减少了迭代次数，这样不仅减少了其运行时间，也大大提高了其精确度，利用IAR标准函数库中的rand函数产生混沌系统的系统参数的初值，采用浮点数据并对数据进行移相，且根据所需密钥密码的位数进行适当程度的放大，这两个步骤更好的兼容保持了混沌系统的特征与程序运算时间，都极大的提高了基于多参数五维混沌系统动态密码锁的精确度和安全性。
3.本发明基于多参数五维混沌系统对锁端和手持设备端进行电路设计，基于多参数五维混沌系统的动态密码锁相比于寻常动态密码锁具有多参数的好处，即增加了算法的多样性，提高了密码锁的安全性，它通过将混沌系统和动态密码“一次一密”的特点相结合，拥有不确定的且随机生成的密码密钥，这样极大的提高了动态密码锁的安全性。
附图说明。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的系统总体硬件框图。
图3为本发明基于多参数五维超混沌系统的锁端部分的电路图。
图4为本发明基于多参数五维超混沌系统的手执端部分的电路图。
图5为图3中MSP430F249-1最小系统电路的电路图。
图6为图4中MSP430F249-2最小系统电路的电路图。
图7为图3中液晶显示模块LCD1的电路图。
图8为图4中液晶显示模块LCD2的电路图。
图9为图3中矩阵键盘输入模块1的电路图。
图10为图4中矩阵键盘输入模块2的电路图。
图11为图3中报警模块的电路图。
图12为图3中锁驱动模块的电路图。
具体实施方式
。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于多参数五维超混沌系统的动态密码锁，包括以下步骤。
步骤一：构建多参数五维超混沌系统。
步骤二：采用四阶龙格-库塔求解算法对多参数五维超混沌系统进行离散化处理。
步骤三：将离散化的混沌系统通过编程语言实现。
步骤四：一种基于多参数五维超混沌系统的锁端和手持设备端的电路设计。
1.上述基于多参数五维超混沌动态密码电子锁，所属步骤一中构建多参数五维超混沌系统的无量纲表达式为：
其中
其系统控制参数取，控制参数a由0增加到14时，系统运动状态变化的过程为：周期→拟周期→混沌→超混沌→混沌。控制参数b由1增加到40时，系统运动状态变化过程为：混沌→超混沌→混沌→拟周期→周期，控制参数
此混沌系统拥有五个可控制的参数，任一控制参数在一定范围内改变时，系统仍会处于混沌状态或者超混沌状态，可以生成安全性极高的混沌动态密码，而基于本专利设计的动态密码电子锁的个体特性就在于制参数的不同，只有手持设备端拥有锁的所有控制参数具体数值时才能对该锁进行解锁操作，所以拥有多个可控制参数不仅让系统拥有更大范围的混沌状态，而且进一步提升了动态密码电子锁的破解难度，这极大的提高了基于多参数五维混沌系统的动态密码电子锁的安全性。
2.上述基于多参数五维超混沌系统的动态密码锁，所述步骤二中采用四阶龙格-库塔求解算法对多参数五维超混沌系统进行离散化处理的具体步骤为。
2-1）确定的混沌系统方程为：
。
2-2）根据四阶龙格-库塔求解上述混沌系统方程。求得如下解的形式：
2-3）求得各递归参数的表示形式：
式中T是迭代步长，迭代步长T取0.011，根据上述四阶龙格-库塔求解混沌系统的离散化方程式以及各个参数的表达式，根据所得方程及表达式将离散后的混沌系统用编程语言实现。
3.上述基于多参数五维超混沌系统的动态密码锁。所述步骤四具体步骤为。
3-1）利用IAR标准函数库中的rand函数产生混沌系统的系统参数的初值。
3-2）锁端设计为：锁端开机启动后，在矩阵键盘输入模块1中按下固定功能键G1，等待处理器1调用混沌议程子程序，产生混沌密码生成密钥后（混沌密钥专属手持设备端。用于手持设备端生成锁端开锁需要的混沌密码），方能解除对解锁操作的限制，混沌密码生成密钥会在锁端液晶显示屏LCD1上显示，需要将两个混沌序列初始值输入到手持设备端中，等待处理器2调用混沌议程子程序，产生混沌密码生成密码并显示在手持设备端液晶显示屏LCD2上。
3-3）手持设备端设计：将混沌密码生成密钥通过矩阵键盘模块输入2输入手持设备端，在矩阵键盘输入模块2中固定功能键G2，处理器2会调用混沌议程子程序，通过运算得出锁端解锁需要的混沌动态密码，并会在液晶显示器LCD2上显示。
3-4）解锁操作过程: 将手持设备端产生的混沌动态密码通过矩阵键盘输入模块1输入到锁端，按下固定功能键G3后，处理器1会对输入密码正确与否加以判断，正确则成功开锁，不正确，则赋值给a（a作为出错次数记录）加1。并重新进入数字输入模式，当a的值大于2时，锁端被锁死，并且蜂鸣器报警，不管成功解锁还是密码错误次数超过2，锁端的解锁密码都会更新，之后手持设备端也需要重新输入新的混沌密码生成密钥才能得到新的混沌动态密码。
混沌系统的系统参数利用IAR标准函数库中的rand函数随机产生，处理器1调用混动议程子程序产生混沌密钥，手持设备端通过输入混沌密钥，处理器调用混沌议程子程序产生混沌密码，将所产生的混沌密码输入锁端才能打开动态密码锁，这样不仅大大提高了混沌系统的随机性，而且极大的增加了动态密码锁的安全性。
如图2所示，一种基于多参数五维混沌系统的动态密码电子锁电路，包括电源、MSP430F249-1最小系统、MSP430F249-2最小系统、矩阵键盘输入电路1、矩阵键盘输入电路2、报警电路、液晶显示电路LCD1、液晶显示电路LCD2、锁驱动电路，所述电源与MSP430F249-1最小系统、MSP430F249-2最小系统键盘、矩阵键盘输入模块1、矩阵键盘输入模块2、液晶显示模块LCD1、液晶显示电路LCD2、锁驱动模块、报警模块相连，为整个电路提供工作电源，矩阵键盘输入电路1的第1、2、3、4输出端分别与MSP430F249-1最小系统的第J1、J2、J3、J4输入端相连，矩阵键盘输入电路1的第5、6、7、8输入端分别于MSP430F249-1最小系统的第J5、J6、J7、J8输出端相连，液晶显示电路LCD1的第A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11输入端分别与MSP430F249-1最小系统的第J9、J10、J11、J12、J13、J14、J15、J16输出端相连，液晶显示电路LCD1的第A1、A2、A3输入端分别与MSP430F249-1的第J17、J18、J19输出端相连，报警电路的第Z1输入端与MSP430F249-1最小系统的第J20输出端相连，MSP430F2491-1单片机的第J26、J27、J28、J29输出端与锁驱动电路第D1、D2、D3、D4端相连，矩阵键盘输入电路2的第F1、F2、F3、F4输入端分别与MSP430F249-2最小系统的第K1、K2、K3、K4输入端相连，矩阵键盘输入电路2的第F5、F6、F7、F8输入端分别于MSP430F249-2最小系统的第K5、K6、K7、K8输出端相连，液晶显示电路LCD2的第E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10、E11输入端分别与MSP430F249-2最小系统的第K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15、K16输出端相连，液晶显示电路LCD2的第E1、E2、E3输入端分别于MSP430F249-2的第K17、K18、K19输出端相连，锁端开机启动，按下固定功能键G1，等待锁端电路调用MSP430F249-1最小系统，产生混沌密码生成的密钥并在液晶显示电路LCD1上显示，将混沌密码生成的密钥通过矩阵键盘输入电路2输入到液晶显示电路LCD2中，按下键盘输入电路2中的固定功能键G2，运行MSP430F249-2最小系统，得到锁端解锁需要的混沌动态密码，并在液晶显示电路LCD2上显示，将混沌动态密码通过矩阵键盘输入电路1输入到液晶显示电路LCD1中，按下固定功能键G3，对输入密码正确与否加以判断，正确则锁驱动电路驱动，不正确，则赋值给a（a作为出错次数纪录）加1，并重新进入数字输入模式，当a的值大于2时，锁端锁死，并且报警电路报警，不管成功解锁还是密码错误次数超过2，锁端解锁密码都会更新，之后手持设备端也需要重新输入新的混沌密码生成密钥才能得到新的混沌动态密码。
如图5所示所述MSP430F249-1最小系统包括MSP430F249-1单片机、复位电路1、高速外部晶振电路1、低速外部晶振电路1，复位电路1包括第四电容C4、第十一电阻R11、第三二极管D3、复位按键G4，第十一电阻R11一端与第三二极管D3连接，另一端与第四电容C4、复位按键G4连接，第三二极管D3一端与第十一电阻R11连接，另一端与复位按键G4、第四电容C4连接，第四电容C4一端与复位按键G4连接，另一端与第十一电阻R11、第四电容C4连接，复位按键G4一端与第四电容C4连接，另一端与第十一电阻R11、第四电容C4连接，高速外部晶振电路1包括第五电容C5、第六电容C6、第三震荡器X3，第五电容C5的第B2端与MSP430F249-1单片机第J22端连接，另一端接地，第六电容C6的第B1端与MSP430F249-1单片机的第J21端连接，另一端接地，第三震荡器X3跨在第五电容C5与第六电容C6之间，低速外部晶振电路1包括第1震荡器X4，其中低速外部晶振电路的第C1、C2输入端分别与MSP430F249-1单片机第J23、J24输出端相连，MSP430F249-1单片机的第J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8输出端分别与矩阵键盘输入电路1的第1、2、3、4、5、6、7、8输入端相连，MSP430F249-1单片机的第J9、J10、J11、J12、J13、J14、J15、J16输出端分别与液晶显示电路LCD1的第A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11输入端相连，MSP430F249-1单片机的第J17、J18、J19输出端分别与液晶显示电路LCD1的第A1、A2、A3输入端相连，MSP430F249-1单片机的第J20输出端与报警电路的第Z1输入端相连。
如图6所示所述MSP430F249-2最小系统连包括MSP430F249-2单片机、复位电路2、高速外部晶振电路2、低速外部晶振电路2，复位电路2包括第三电容C3、第一电阻R1、第二二极管D2、复位按键G5，第一电阻R1一端与第二二极管D2连接，另一端与第三电容C3、复位按键G5连接，第二二极管D2一端与第一电阻R1连接，另一端与复位按键G5、第三电容C3连接，第三电容C3一端与复位按键G5连接，另一端与第一电阻R1、第三电容C3连接，复位按键G5一端与第三电容C3连接，另一端与第一电阻R1、第三电容C3连接，高速外部晶振电路2包括第一电容C1、第二电容C2、第二震荡器X2，第一电容C1的第H2端与MSP430F249-1单片机第K22端连接，另一端接地，第二电容C2的第H1端与MSP430F249-1单片机的第K21端连接，另一端接地，第二震荡器X2跨在第一电容C1与第二电容C2之间，低速外部晶振电路2包括第1震荡器X1，其中低速外部晶振电路2的第I1、I2输入端分别与MSP430F249-1单片机第K23、K24输出端相连，MSP430F249-1单片机的第K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8输出端分别与矩阵键盘输入电路2的第F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8输入端相连，MSP430F249-2单片机的第K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15、K16输出端分别与液晶显示电路LCD2的第E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10、E11输入端相连，MSP430F249-2单片机的第K17、K18、K19输出端分别与液晶显示电路LCD2的第E1、E2、E3输入端相连。
如图7所示所述液晶显示LCD1的电路包括液晶显示LCD1电路的第A1、A2、A3输入端分别与MSP430F249-1单片机的第J17、J18、J19输出端相连，液晶显示LCD1电路的第A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11输入端分别与MSP430F239-1单片机的第J9、J10、J11、J12、J13、J14、J15、J16输出端相连，液晶显示LCD1电路的第A12、A14输入端接地，第A13输入端接电源。
如图8所示所述液晶显示LCD2的电路包括液晶显示LCD2电路的第E1、E2、E3输入端分别与MSP430F249-2单片机的第K17、K18、K19输出端相连，液晶显示LCD2电路的第E4、E5、A6、E7、E8、E9、E10、E11输入端分别与MSP430F239-2单片机的第K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15、K16输出端相连，液晶显示LCD2电路的第E12、E14输入端接地，第E13输入端接电源。
如图9所示所述矩阵键盘输入电路1包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、G1、G3、L12、L13、L14、L15、L16共一十六个按键，自上往下按键分别对应数字1、2、3、4、5、6、7、8、9、固定功能按键G1、G3，余下按键不起作用，故不作标识，第六电阻R6的一端L1、L5、L9、L13按键的一端连接，另一端与第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9的一端连接，第七电阻R7与L2、L6、L8、L14按键的一端连接，另一端与第六电阻R6、第八电阻R8、第九电阻R9的一端连接，第八电阻R8与L3、L7、L11、L15按键连接，另一端与第六电阻R6、第七电阻R7、第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9与L4、L8、L12、L16按键连接，另一端与第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8的一端连接，矩阵键盘输入电路1的第1、2、3、4、5、6、7、8输入端分别与MSP430F239-1单片机的第J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8输出端相连。
如图10所示所述矩阵键盘输入电路2包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、G2、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16共一十六个按键，自上往下按键分别对应数字1、2、3、4、5、6、7、8、9、固定功能按键G2，，余下按键不起作用，故不作标识，第二电阻R2的一端S1、S5、S9、S13按键的一端连接，另一端与第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5的一端连接，第三电阻R3与S2、S6、S8、S14按键的一端连接，另一端与第二电阻R2、第四电阻R4、第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4与S3、S7、S11、S15按键连接，另一端与第二电阻R2、第三电阻R3、第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5与S4、S8、S12、S16按键连接，另一端与第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4的一端连接，矩阵键盘输入电路2的第F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8输入端分别对应MSP430F239-2单片机的第K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8输出端相连。
如图11所示所述报警模块的电路包括三极管Q1、第十二电阻R12、第十三电阻R13、蜂鸣器，蜂鸣器的一端与三极管Q1一端连接，三极管Q1一端与蜂鸣器一端连接，三极管Q1一端与第十二电阻R12一端连接，第十二电阻R12一端与三极管Q1一端连接，另一端与第十三电阻R13一端连接，第十三电阻R13一端与第十二电阻R12一端连接，报警电路的第Z1输入端与MSP430F249-1单片机的第J20输出端连接。
如图12所示所述锁模块的电路包括L298电机驱动芯片、直流电动机，L298电机驱动芯片的第D1、D2、D3、D4输入端与MSP430F249-1单片机的第J26、J27、J28、J29输出端连接，L298电机驱动芯片的第D5、D6、D7、D8端接电源，第D9、D10、D11端接地，第D12、D13、D14、D15端接直流电动机。