因應(yīng)現(xiàn)代科技的快速進(jìn)步，幾乎人手都有一樣科技產(chǎn)品，生活中更是越來越多事物都與科技有所關(guān)連，如何讓科技可以更加融入生活正是此時此刻非常重要的議題。為了能夠在生活中實現(xiàn)，本作品以居家安全與居家防盜為設(shè)計出發(fā)點，使用盛群HT32F1765晶片與創(chuàng)新設(shè)計手機APP，並結(jié)合數(shù)位化混沌系統(tǒng)同步技術(shù)，提出高安全性的電子防盜鎖具，讓宵小無法輕而易舉的就破解門鎖，同時設(shè)計可監(jiān)測屋內(nèi)外之IP CAMERA結(jié)構(gòu)，讓就算在外的屋主也可隨時選擇觀看家中屋內(nèi)或屋外的情況，而即時拍攝入侵者的畫面也會立即儲存在IP CAMERA的記憶卡中，以便日後的報案處理。
創(chuàng)新的設(shè)計讓民眾家中的門鎖達(dá)到高安全的防盜功能。此次研究設(shè)計，將以數(shù)位化的方式實現(xiàn)混沌系統(tǒng)及同步控制設(shè)計，不同於以往使用類比式元件設(shè)計之混沌鎖具，可達(dá)到體積小、穩(wěn)定性高、維修容易的好處。
本作品計畫目標(biāo)在於：將傳統(tǒng)運算放大器及被動元件所組成的混沌電路數(shù)位化，並利用HT32F1765控制器高速的計算能力，以程式演算法的方式實現(xiàn)混沌系統(tǒng)。除了可以大幅提升混沌系統(tǒng)的穩(wěn)定性及調(diào)變性外，更可降低成本及體積；在晶片內(nèi)離散化混沌訊號，也能加快訊號加密的速度及穩(wěn)定性，以達(dá)到本作品所求之目標(biāo)－門鎖密碼的高度保密性與安全性。
創(chuàng)作動機
在臺灣有許多宵小經(jīng)常使用一些簡單之工具便可以輕輕鬆鬆的撬開而破解傳統(tǒng)式的居家門鎖，導(dǎo)致屋主回家後才發(fā)現(xiàn)遭闖空門，也只能調(diào)出監(jiān)視錄影器或者是報警追查是何人，這樣的情形層出不窮，就算更換了一般的電子鎖也不見得可以與一般的監(jiān)視錄影器做結(jié)合。
依內(nèi)政部警政署統(tǒng)計，住宅竊盜仍然佔民生竊盜的第一名，由此可見居家防盜仍然是相當(dāng)重要的一環(huán)，其中鎖具的改變從傳統(tǒng)簡易型的機械式門鎖，到現(xiàn)今家中的門鎖都增加了許多不同的安全功能；例如:進(jìn)家門提醒、改善門鎖結(jié)構(gòu)、改善門鎖材質(zhì)。
而與現(xiàn)代科技做到結(jié)合的就是電子式鎖具，如今新建設(shè)好的廣泛大樓幾乎都是使用電子式門鎖，主要是節(jié)省掉用鑰匙開門，而其中以防他人破解門鎖的安全程度則有待觀察，此作品創(chuàng)新數(shù)位化電子鎖考慮到的就是以遭破解安全性為主要重點，我們改良了以往的電子鎖單純輸入密碼即能解鎖的單調(diào)功能，創(chuàng)新設(shè)計門鎖需與主人手機端做連結(jié)，當(dāng)門鎖開門時無法偵測到手機的存在，則將認(rèn)定開門的並非為屋主，手機APP端會即刻通知屋主，創(chuàng)新開發(fā)數(shù)位化同步系統(tǒng)之電子鎖具設(shè)計，並配合IP CAMERA即時拍攝入侵者之畫面，讓整體電子鎖的安全性提升許多。
| 圖一 : 臺北市住宅失竊率(資料來源:臺北市政府、實價網(wǎng)、優(yōu)美地產(chǎn)/聯(lián)合晚報) |
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創(chuàng)作目的與創(chuàng)作緣由
此創(chuàng)新之電子鎖係將連續(xù)混沌系統(tǒng)將以離散化後，加上創(chuàng)新同步技術(shù)，使主僕系統(tǒng)同步，並在同步的前提下，產(chǎn)生混沌系統(tǒng)類隨機的狀態(tài)響應(yīng)，並利用混沌系統(tǒng)對起始值相當(dāng)敏感，不可預(yù)測之特性（蝴蝶效應(yīng)），有效解決傳統(tǒng)電子鎖被暴力破解的可能性。此發(fā)明設(shè)計中使用到的混沌技術(shù)，與過往技術(shù)不同且進(jìn)步重點之一是將原先的類比訊號技術(shù)轉(zhuǎn)移成數(shù)位訊號技術(shù)。
自從氣象學(xué)家Lorenz提出蝴蝶效應(yīng)(Butterfly Effect)，論述某系統(tǒng)如果初期條件僅有微小差距，卻造成未來巨大的變化，混沌系統(tǒng)因具有寬廣的傅利葉(Fourier)頻譜與在相位空間不可預(yù)測的特性，以及對初始條件高度敏感的特性，直觀上像是雜訊，因此近年來，在通訊安全的應(yīng)用上，受到廣大學(xué)者的注意及研究。
有鑒於以往的電路製作技術(shù)，混沌系統(tǒng)的實現(xiàn)是以固定類比元件組成之多迴路的回授電路，製作複雜、體積龐大、系統(tǒng)會有飽和的疑慮。本作品改以程式演算法加以數(shù)位離散化，相較於傳統(tǒng)硬體電路所實現(xiàn)的混沌電路更大幅提升資料的安全性及可靠度；而本作品將著重於離散化混沌系統(tǒng)加解密原理的實現(xiàn)，將會使用HT32F1765微控制器於傳送端及接收端，主要工作在於處理混沌系統(tǒng)離散化加解密時，所需要的大量數(shù)學(xué)運算，所以HT32F1765微控制器在這裡所扮演極重要的角色。圖二為利用手機與電子鎖同步解鎖之架構(gòu)圖
本次作品主要完成以離散化混沌系統(tǒng)為基礎(chǔ)之電子鎖加密系統(tǒng)之設(shè)計，內(nèi)容我們將分下四點來做研究:
* 離散化混沌系統(tǒng)建立
* 主僕系統(tǒng)同步處理設(shè)計
* 系統(tǒng)功能整合實現(xiàn)
* 系統(tǒng)成品實現(xiàn)
此系統(tǒng)不僅有完整之語音加密系統(tǒng)，可達(dá)到即時和穩(wěn)定的語音加密及傳送功能，為通訊安全提供良好的保障以及安全性。
工作原理
本作品基於數(shù)位化同步系統(tǒng)之電子鎖具設(shè)計，係以連績混沌系統(tǒng)原有之特性將以離散化後與之應(yīng)用在電子鎖上，其系統(tǒng)原理如下所述:
此電子鎖的居家防盜功能設(shè)計如下：當(dāng)屋主進(jìn)入屋內(nèi)必須先透過創(chuàng)新設(shè)計的手機APP程式來辨識屋主身份，當(dāng)手機端收到APP執(zhí)行之指令時，主系統(tǒng)端將傳遞同步訊號至僕系統(tǒng)端，透過同步控制器來做訊號是否同步的確認(rèn)，當(dāng)主系統(tǒng)確認(rèn)主僕兩端有達(dá)到訊號同步處理時，便開始進(jìn)行智慧門鎖端隨機密碼之確認(rèn)，確認(rèn)成功後即可開鎖。若同步處理或隨機密碼確認(rèn)失敗皆視為無法解鎖，則配合IP CAMERA即時拍攝入侵者之畫面，以便日後的報案處理外，另外同時設(shè)計兩臺IP CAMERA之結(jié)構(gòu)，方便在屋內(nèi)與屋外皆可監(jiān)控，屋主則可隨時觀看家中屋內(nèi)外情況，此創(chuàng)新的設(shè)計讓民眾家中的門鎖達(dá)到高安全的防盜功能。
離散化混沌系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)
本次作品創(chuàng)新數(shù)位化電子鎖具與家庭防盜系統(tǒng)設(shè)計，係以連續(xù)混沌系統(tǒng)原有之特性將以離散化後與之應(yīng)用，以下將條列介紹連續(xù)混沌系統(tǒng)之特性:非線性：有別於線性系統(tǒng)會收斂、發(fā)散之特性。這是混沌系統(tǒng)存在特有的行為，即奇異吸子，雖然其不穩(wěn)定，但仍然存在一定的區(qū)域來限制其系統(tǒng)之狀態(tài)，使其系統(tǒng)不至於發(fā)散。
* 變幻莫測：類隨機的狀態(tài)響應(yīng)，不可預(yù)測之特性。
* 蝴蝶效應(yīng)：對起始值具有相當(dāng)敏感的特性，即使同一系統(tǒng)，只要起始值不同，最後的狀態(tài)響應(yīng)將截然不同。
* 寬闊的傅立葉頻譜：表示其訊號組成，是複雜的。
為充分應(yīng)用以上特性，以下說明混沌系統(tǒng)的離散化方法，同時離散系統(tǒng)亦保有連續(xù)混沌系統(tǒng)的特性。連續(xù)混沌系統(tǒng)之動態(tài)方程可描述如式(1)。
其中包括非線性向量，以及可控的數(shù)值。則此型式之混沌系統(tǒng)(1)之離散時間系統(tǒng)可表示如式(2a)與式(2b)。
在此文中，首要目標(biāo)在於設(shè)計離散混沌系統(tǒng)混沌的設(shè)計，並將之應(yīng)用於即時語音加密系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，因此如何將連續(xù)之混沌系統(tǒng)離散化，並保有原連續(xù)系統(tǒng)之混沌特性，是非常重要的，現(xiàn)利用上述說明的方法，可解決此一問題。現(xiàn)舉一非線性之Lorenz system說明，其連續(xù)系統(tǒng)描述如式(3)。
其中的簡化設(shè)計，我們可將上式寫成滿足（1）式之矩陣形式如式(4a)。
若以取樣間T=0.001秒，則由（2a）式，可以得到其離散系統(tǒng)如(4b)。
本作品首先研究離散混沌系統(tǒng)數(shù)位化，將混沌系統(tǒng)數(shù)位化的目的是可以有效解決傳統(tǒng)式類比混沌系統(tǒng)元件體積過大的問題，再者也比較不會受到雜訊干擾的影響以及元件老化所衍生的問題，並且實現(xiàn)於HT32F1765系統(tǒng)上，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)強大且快速的數(shù)位訊號處理能力，進(jìn)行語音的加解密功能。在電路方面，若系統(tǒng)訊號過大，如:聲音、影像之訊號，常會造成電路飽和或運算數(shù)值解析度不足的問題，因此混沌系統(tǒng)數(shù)位化不僅把體積變小，運算能力也大幅提高了。
主僕系統(tǒng)同步處理設(shè)計
在此作品中，如何將連續(xù)之混沌系統(tǒng)離散化，並保有原連續(xù)系統(tǒng)之混沌特性，是非常重要的，現(xiàn)利用上述說明的方法，可解決此一問題。而在此電子鎖設(shè)計中的同步控制包含主僕2個數(shù)位化混沌系統(tǒng)，及同步控制器的設(shè)計，現(xiàn)舉例說明，但混沌系統(tǒng)不受限於此說明的形式。在上述說明中得知混沌系統(tǒng)擁有許多不穩(wěn)定的特性，使用其特性進(jìn)行加密會擁有非常強大之安全性，但既然其擁有不穩(wěn)定特性，在進(jìn)行解密工作時也會遇上許多困難，所以一個強健的同步控制器顯得至關(guān)重要，本技術(shù)將引用在傳送端及接收端之系統(tǒng)架構(gòu)如圖四所示：
在設(shè)計中，將採用主僕混沌系統(tǒng)同步技術(shù)，在傳送端與接收端分別設(shè)置數(shù)位混沌系統(tǒng)，傳送端傳送部分訊號至接收端的同步控制器，經(jīng)由同步控制器作用，傳送與接收端的主僕混沌系統(tǒng)即可達(dá)到同步，亦即在傳送與接收端可同步取得一組相同的隨機訊號，做為加解密之用，在此研發(fā)技術(shù)中，除要考慮雜訊干擾問題及系統(tǒng)同步的強健性外，實現(xiàn)韌體的設(shè)計亦為技術(shù)開發(fā)重點。
以下就主僕混沌類隨機訊號同步技術(shù)說明：
考慮主僕（master and slave）Lorenz 系統(tǒng)如下：
Master Lorenz system: 見式(5)
Slave Lorenz system: 見式(6)
其中為主僕混沌系統(tǒng)狀態(tài)，a,b及λ為系統(tǒng)參數(shù)，u(t)?R為控制輸入，p(t) ?R為可能的外來擾動。我們將(5)及(6)寫成如式(7-8)的矩陣型式:
在取樣時間T=-0.001 sec.,a=10,b=8/3及λ=28，可得離散系統(tǒng)如式(9)及式(10)，以及定義同?誤差，則誤差動態(tài)方程可描述如式 (11)。
離散化轉(zhuǎn)換面及滑動模式控制器設(shè)計
為使主僕混沌系統(tǒng)同步，可設(shè)計離散化轉(zhuǎn)換面如式(12)，其中s(kT)?R，c>0是待設(shè)計參數(shù)滿足│0.99-0.01c│<1。所以當(dāng)系統(tǒng)可進(jìn)入滑動模式，則由式（13）可得到式 (14)的結(jié)果。
因c滿足│0.99-0.01c│<1，所以e1(kT)收斂到0，同時，e2(kT)也會隨著收斂到0。當(dāng)e1(kT)，e2(kT)均收斂致0，則e3(k+1)T=0.997e3(kT)，也就是e3(kT)亦會收斂到0。由上可知，若可設(shè)計控制器，使得s(kT)=e2(kT)+ce1(kT)=0恆成立，則主僕混沌系統(tǒng)將可達(dá)到同步。以下為抵達(dá)條件（reaching condition）。式(15)其中 q>0;為取樣時間。
定理一
若控制器: u(t) ?R設(shè)計為式(16)所示，其中q>0; >0;1-qT>0;T=0.001>0為取樣時間見式(17)，則可滿足抵達(dá)條件(15)。
證明: 由上，可得式(18)，很明顯地，由式(18-20)，可確認(rèn)滿足抵達(dá)條件(15)。
模擬驗證
在此模擬中，我們令p(t)=0.1sin(π．t)，轉(zhuǎn)換面設(shè)計，選擇c=2，滿足│0.99-0.01c│<1，因此可得穩(wěn)定的滑動模式，轉(zhuǎn)換面如式(21)，再由 (13)，可得控制器如式(22)。
其中模擬的結(jié)果如圖五到七所示，由模擬結(jié)果可知，主僕混沌系統(tǒng)確實可以達(dá)到同步，同時由（16）式可看出，c的選擇可影響誤差收斂速度。
| 圖八 : 主僕混沌系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng) |
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| 圖九 : 同步誤差狀態(tài)誤差響應(yīng) |
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系統(tǒng)功能整合實現(xiàn)
為求改善居家環(huán)境之安全，此專利電子鎖需要開啟時，要經(jīng)過層層的資料比對才能順利開鎖，若開鎖失敗則啟動IP CAMERA讓使用者監(jiān)控環(huán)境。
首先在電子鎖的主系統(tǒng)手機端與僕系統(tǒng)電子鎖端都會產(chǎn)生一組共同密碼，此密碼由主系統(tǒng)端透過離散化後的連續(xù)混沌系統(tǒng)對其產(chǎn)生隨機加密的動作，當(dāng)訊號傳送至接受端僕系統(tǒng)進(jìn)行解密時，會先經(jīng)由同步控制器做訊號同步處理，透過同步處理取得相同的隨機訊號後，再進(jìn)行加解密的機制，下一個驗證動作則是將加解密後得到的密碼與僕系統(tǒng)端原先的共同密碼做核對比較的動作，比對後的密碼若為相同，電子鎖系統(tǒng)則做解鎖之動作，若比對結(jié)果錯誤視同失敗，系統(tǒng)則會做出相對應(yīng)的機制通知主人，整體開鎖準(zhǔn)則如圖八所示。
本作品創(chuàng)新使用數(shù)位化技術(shù)實現(xiàn)，成功取代過去以類比式做為基礎(chǔ)的電子門鎖，設(shè)計過程也說明離散化的混沌系統(tǒng)仍然保有原混沌系統(tǒng)的特性，所以我們將HT32F1765晶片與手機作結(jié)合，並在電子門鎖端加以應(yīng)用並實現(xiàn)，另外，此設(shè)計不同於以往防盜門鎖是使用動態(tài)密碼的機制，這裡則是採用同步控制的機制，讓整個防盜鎖的安全性更加完整且更不容易被破解，並且透過創(chuàng)新手機技術(shù)來即時且遠(yuǎn)端來觀看家中情形，將電子防盜鎖又更提升了一層安全性。
作品結(jié)構(gòu)
電子鎖具加解密設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)
此創(chuàng)新數(shù)位化同步之電子鎖設(shè)計，主要作品架構(gòu)分為下圖九左半邊的主系統(tǒng)手機端與右半邊僕系統(tǒng)電子鎖具端，並將數(shù)位化離散化後的混沌系統(tǒng)設(shè)置於主僕兩端，另將混沌類隨機訊號同步技術(shù)設(shè)在僕系統(tǒng)端，透過系統(tǒng)加解密與同步的過程方可得到加解密的結(jié)果，經(jīng)過加以比對後系統(tǒng)再判斷是否解鎖成功。
| 圖十二 : 電子鎖具加解密設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu) |
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IP CAMERA與手機創(chuàng)新APP
電子鎖的安全應(yīng)用之外，此作品另外設(shè)計兩臺IP CAMERA於門鎖端，利用系統(tǒng)將兩臺鏡頭分別向屋內(nèi)以及屋外做監(jiān)控，由專屬APP操控其動向，可自由切換觀測視角。
(本文作者潘善政1、顏錦柱2、張皓勛3、王亮凱4 、張自行5為樹德科技大學(xué)電腦與通訊系為1-2教授及3-5學(xué)生)
參考文獻(xiàn)
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