基于单片机的灰度图像混沌保密通信

所谓保密通信，就是为了防止通信秘密被窃取，在通信的过程中对秘密信息及其传输方式采取隐蔽的手段，从而达到保密的目的。混沌是非线性动力学系统所特有的一种运动形式。自从1990年提出混沌同步的原理并在电路中得以实现以来，混沌控制与同步及其应用迅速成为非线性研究领域的研究热点。同时，混沌现象具有遍历性、非周期性、连续宽带频谱、类噪声等特性，特别适用于保密通信及图像加密领域。现在混沌保密通信大致分为3类：第1类是直接利用混沌进行保密通信，如基于单片机利用LogisTIc映射对语音信号进行加解密实验[1]、基于PC机利用LogisTIc映射和Henon映射对图像信号进行加解密实验[2]；第2类是利用混沌同步进行保密通信[3-4]；第3类是混沌数字编码的异步通信。其中，第2类混沌同步保密通信是当前国际上研究的一大热点。
　　本文根据细胞神经网络(CNN)混沌同步的原理，基于单片机进行灰度图像的保密通信实验。通过无噪声、不同程度噪声干扰及同步性能的比较验证了该方案的可行性。
1 CNN混沌模型
　　4元CNNs混沌同步保密通信如图1所示[4]。

　　发射系统：
　   

    　传输信号：
　　s(t)=KX+200y4+i(t)　

　　通过同一个驱动变量s(t)，实现同步误差e=x-x′，当e=0时候，也就是平衡状态稳定时，构建的接收方程如下：
　　接收系统：
　　   

式中，取K=[80.190 0、20.154 6、11.936 3、-89.800 0]。
2 系统设计
2.1 单片机及开发工具
　　本文使用的单片机为AT89S52，在此基础上实现灰度图像混沌保密通信。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS集成电路芯片8位微控制器，具有8 KB系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51单片机指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52可为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
    　本文使用的单片机开发工具为Keil C51，版本为808A。此开发工具支持汇编/C语言编程。并且提供各种模拟芯片供软件仿真使用。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编语言相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，易学易用。
2.2 设计流程
    　灰度图像为二维信号，而本次设计所需的信号为一维信号，因此，实验前必须如图2所示将灰度图像的二维点阵数组(m×n)转换为一维数组，作为输入信号i(t)。

    　整个实验流程如图3所示。需要说明的是，由于单片机存储单元有限，混沌算法经过多次乘加，中间参量生成较多，为了获得完整的数据结果以及单片机的运转正常，特设定了5个数据为1次算法循环。一旦结束1次算法循环，便将结果数据发送至计算机，下次循环结果覆盖保存在相同的存储单元。这样，保证了数据的完整性以及实验的流畅性。

3 实验结果
    　实验界面如图4所示，功能如下：
    　噪声参数：通信噪声，模拟实际环境外界干扰下实验结果。
    　同步参数X：4元CNN混沌算法，X初始值，表示通信的同步性，X为0时，表示同步；大于零时表示欠同步，X值越大，同步性能越差。

    通行测试：测试单片机是否连接正确。
    运行：在通行测试正常情况下，点击运行，显示如图4所示。
    输入不同的噪声参数以及同步参数获得的结果如图5所示。

    　本文基于CNN混沌同步原理，在单片机上实现了灰度图像的保密通信。在噪声系数和同步系数不同的情形下分别对实验结果进行了对比，实验结果如图5所示。在理想情况下(即噪声为0，完全同步情况下)，验证了在单片机上混沌保密的可行性。而在噪声逐渐增大的情况下，图像的失真度越来越高，这符合实际情况。在同步参数改变的情况下，图像出现欠同步现象，印证了在单片机上同步算法的运行正确性。单片机作为小型芯片设备，可嵌入在各种电子产品中，应用领域、成本低、效益高，并且保密通信效果稳定。