CN106610815B - 一种基于摩擦发电机的随机数产生器及随机数产生方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于摩擦发电机的随机数产生器及随机数产生方法，该随机数产生器包括：摩擦发电机，用于采集周围环境中具有随机特性的能量，产生具有随机特征的第一电信号，以及运算模块，用于基于所述第一电信号获得随机数，该随机数产生器结构简单，成本低廉，产生真正的随机数。

Description

一种基于摩擦发电机的随机数产生器及随机数产生方法
技术领域
本发明涉及一种随机数产生器，尤其涉及一种基于摩擦发电机的随机数产生器及随机数产生方法。
背景技术
随着现代社会对信息安全的要求越来越高,对密码术的保密性,提出了更高的要求.而密码术的基础是随机数。传统的随机数是基于计算机软件产生的，由计算机生成一个种子，再由程序进行计算，算出一系列随机数。但这种随机数是伪随机的，因为产生随机数的程序是固定的。随着计算机计算能力的增强，以这类随机数为基础产生的密钥就会很容易被破译，被加密的信息就很容易被泄漏，所以，高的信息安全性要求随机数具有高的可靠性。迄今为止，可靠性高的随机数一般是通过基于热噪声或者基于量子效应的随机数产生器产生的，这类随机数产生器结构复杂，并且成本高昂。面对现代信息安全的强烈需求，探索简单、有效和实用的方法来产生真随机数就显得非常迫切。
发明内容
鉴于现有方案存在的问题，为了克服上述现有技术方案的不足，本发明提出了一种基于摩擦发电机的随机数产生器及随机数产生方法。
根据本发明的一个方面，提供一种基于摩擦发电机的随机数产生器包括：摩擦发电机，用于采集周围环境中具有随机特性的能量，产生随机特征的第一电信号，以及运算模块，用于基于所述第一电信号获得随机数。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于摩擦发电机的随机数产生方法，包括：摩擦发电机收集周围环境中具有随机特性的能量，产生随机特征的第一电信号；以及基于所述第一电信号获得随机数。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)采用摩擦发电机实现的新型自供能随机数产生器，在结构简单，成本低廉的前提下，产生真正的随机数；
(2)采用栅格自由站立结构式摩擦发电机通过雨滴低落在其上获取不可预测的电学信号；
(3)采用非线性器件对栅格自由站立结构式摩擦发电机获得的电学信号进行处理去除无用信号；
(4)非线性器件选用LED和光敏电阻的组合可以获取较好的信号。
附图说明
图1为本发明实施例基于摩擦发电机技术的随机数产生器的结构示意图；
图2为图1中随机数产生器采用摩擦发电机的结构示意图；
图3为图2中摩擦发电机的截面图；
图4为图1中随机数产生器的工作原理图；
图5为图4中(d)的随机数产生器的工作100s产生的结果图；
图6为图4中(d)的随机数产生器验证随机性结果图。
具体实施方式
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
摩擦发电机(TENG)是一种基于摩擦起电和静电的能量收集技术，它不但能够把环境的各种机械能转换为电能，为微纳系统供电，而且还可以用做一个自供能的传感器，通过把外界对其的静态和动态的触发，譬如振幅、频率、速度、位移和质量等等，转换成电学信号，从而实现对触发源的监测。正如Bruce Schneier所说：采集大量随机数的最好方法是选取真实世界的自然随机性。基于一些自然现象的随机特征刚好满足香农提出来的安全通信和密码学的基本原则，本发明设计了一种简单有效低成本的产生真随机数的基于摩擦发电机技术的随机数产生器及随机数产生方法。
具体的本发明实施例提供的一种基于摩擦发电机的随机数产生器，如图1所示，随机数产生器包括，摩擦发电机1，非线性电光器件2，非线性光电器件3以及运算模块4。摩擦发电机1收集周围环境中能量和随机信号，产生相应的电学输出响应，即产生随机特征的电信号e，非线性电光器件2接收该电信号e，产生光信号L，非线性光电器件3接收该光信号L，产生电信号e’，经非线性电光器件2和非线性光电器件3转换，可以去除电信号e中的可预测的，有规律的信号，获得随机性更好的电信号e’。运算模块4接收电信号e’，对其采用常用的算法进行运算，即可获得随机性高的随机数。
本实施例中，非线性电光器件2优选发光波长550nm的LED灯，非线性光电器件3优选可见光波长光敏电阻。
非线性电光器件2和非线性光电器件3构成了本发明实施例中的非线性转换器件，用于去除电信号e中的可预测的，有规律的信号，获得随机性更好的电信号e’。本领域技术人员可以理解，非线性转换器件并非限定本实施例中的非线性电光器件2和非线性光电器件3，还可以采用其他的非线性转换器件，该非线性转换器件，为可以把电信号作非线性变换，再转为电学信号的器件。该非线性转换器件还可以是单个的非线性器件，例如：二极管、变容二极管、三极管等，优选二极管。也可以是多个器件的组合，如电光和光电器件的组合，例如电光器件LED，LCD、LD等和光电器件光敏电阻、光电二极管和光电三极管等之间的组合。此外，该非线性转换器件还可以是电声器件和声电器件的组合，例如电声器件扬声器，耳机等和声电器件摩擦发电机等之间的组合；还可以是电力器件和力电器件的组合，例如电力器件电致伸缩器等和力电器件摩擦发电机和压电式发电机等的组合。
在另一实施例中，非线性转换器件可以被省略，直接将摩擦发电机1产生的电信号e输入至运算模块4进行运算，也能产生随机数，适用于对随机数的随机性要求不高的情况。
本发明中采用的摩擦发电机可以采用各种摩擦发电机，只需能对周围随机信号的触发能有响应即可。举例而言，当环境能为风能时，可以使用接触分离式的摩擦发电机，风能使所述接触分离式摩擦发电机中的第一接触部和第二接触部接触和分离；当环境能为雨滴能时，可以使用栅格自由站立模式摩擦发电机等等。本发明实施例中优选接触栅格自由站立模式摩擦发电机。
接触栅格自由站立模式摩擦发电机的结构如图2，3所示，图3为图2中接触栅格自由站立模式摩擦发电机的截面图，接触栅格自由站立模式摩擦发电机包括基底11及依次设置于其上的电极12、摩擦层13。基底11为绝缘硬质、表面光滑材料制成，可以是塑料，也可是硅片，或者木质的材料，优选为亚克力材料。基底11可以根据实际情形设定，尺寸可以从从厘米到米量级。本实施例中基底11优选长度为10cm，宽度为5cm，厚度为2豪米。电极12为在基底11上磁控溅射的5nm～20nm/50nm～200nm的铬/金膜双层膜，优选为5nm/100nm的铬/金膜双层膜，也可是其他导电薄膜，用作电极，电极12包括设置于同层的两组电极121，122，两组电极均为梳形，如图2所示，其中两组梳形电极121，122的梳齿部相互交错平行排列。栅格电极之间的距离d范围为1mm<d<5cm。优选电极间的间距是不规则的，相邻两两电极间间距值不规则，以增加随机性。摩擦层13为纳米结构化后能够表面疏水的有机膜，覆盖设置有电极12的基底11，优选FEP薄膜，还可以为FTFE，PVDF等疏水性好的材料，雨滴滴落至所述摩擦层13上，并沿倾斜的摩擦层13表面滑落，经过多个所述相互交错排列梳齿部区域，所述两梳状电极121，122之间产生电势差。
以下结合图1、4对本发明实施例中的基于摩擦发电机的随机数产生器的工作原理进行说明，当摩擦发电机受到雨滴触发时，就会产生相应电学输出，如图4所示。从图4中(a)-(c)可以看出，当精确控制体积的单滴雨滴到摩擦发电机的相同位置上，由于每一滴雨在产生和降落过程中所带的电量是不同的，所以产生的电学信号的振幅大小是不同的，这种不同是不可预测的。并且落到不同的位置雨滴离开摩擦发电机时所经历的这栅格的个数和距离是不同的，产生的电学信号也不同，这种不同除了振幅大小外，还有电学信号包含的周期不同。从图4d可以看出当带电量不同，形状不同，降落速度和位置不同的大量雨滴落到摩擦发电机上时，输出的电学信号是这些雨滴产生的电学输出的总和。由于带电量，形状，降落和位置等的不可预测性，导致了图4中(d)得到的电学信号是杂乱无章。这些信号又被LED和光敏电阻进一步转换和处理，最终得到的电学信号也是杂乱无章。随机数就是运用一定的常用算法从光敏电阻最后得到的信号计算出来的。
图5和图6给出了两个典型的随机数产生器产生的随机数的实例。
图5是采用图4中(d)的工作方式，雨滴与摩擦发电机作用100s后，得到的随机数如下：
5AC58B4A A9E7CEAC CE9E3C62 CCB76E66 7BC48908 0E9933E2 AE3870A37879F30F 261F3FB3 6C3B7727 56922552 2863C7AF 978C18D0 A1E4C8BC 207EFDBFF079F21F 634C9939 EE020423 EAF6EC2A 4D8F1F64 C25FBE7B 2B458BA9 0DA54BE463D59B38 E2478E3B C7891270 77912310 E8EAD42E 24B367B6 E25CB83B 207CF9BF90F6ECDE 9D3E7CC5……。
这些随机数是32位的，子数列是16进制数。这些随机数通过常用算法从光敏电阻最后得到的信号(如图5所示)计算出来的。
为了进一步验证此随机数产生器能够产生真随机数，图6给出8次实验后得到的随机数的随机性证明结果。为了更具有代表性和普适性，8次实验的时间长短不同，得到的随机数序列的长度也会不同，8次实验的时间分别选取10s、30s、70s、100s、120s、150s、200s、400s。随机数的长度可以通过摩擦发电机的结构或者雨滴与摩擦发电机的作用时间，或者同时改变两者来改变。图6中给出了八组随机数序列的均匀性结果。可以看出，0在每一位上的分布在0.5上下浮动，这说明数列的均匀性很好。对于整个数列，0和1出现的概率几乎均等。这些表明了此随机数产生器产生的随机数具有好的均匀性。任何人猜中任何一位上数字的几率是均匀的，为50％。相应的，表1中给出了自相关性的结果，
表1
10s 30s 70s 100s 120s 150s 200s 400s
未通过％ 0.60 0.93 1.00 1.00 0.95 1.00 0.85 0.94
可以看出，所有的结果中不能再通过相关性验证的数据少于1％，这就表明，所有的测量通过了自相关检验。这个随机数产生器产生的随机数具有不可预测性，即使知道了所有的参数，任何人也不可能凭借已有的随机数准确预测后面位上的随机数。表2是关于真随机性验证的另一个重要特征，不可重复性。
表2
从表2可以看出，所有的八组数的前100位数是完全不同的，这表明我们不能利用这个随机数发生器达到完全相同的随机数。至此，这些结果表明由此随机数产生器产生的随机数具有分布均匀，不可预测和不可从复的特点，因而这些随机数是真随机的。由此，本发明中的基于摩擦发电机的随机数产生器能够产生真随机数，可以广泛用于秘钥协议，身份认证，数字签名和识别等保密领域中。
本领域技术人员可以理解的是，该电信号e经非线性处理获得随机性更好的电信号e’还可以采用电信号e直接转换为电信号e’的方式，或电信号e先转换为声信号或力信号，再转为电信号e’。
在再一实施例中，该电信号e经分线性处理获得随机性更好的电信号e’的步骤可以被省略，直接将摩擦发电机1产生的电信号e输入至运算模块4进行运算，也可以产生随机数，适用于对随机数的随机性要求不高的情况。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种基于摩擦发电机的随机数产生器，其特征在于，包括：
摩擦发电机，用于采集周围环境中具有随机特性的能量，产生具有随机特征的第一电信号(e)；以及
运算模块(4)，用于基于所述第一电信号(e)获得随机数；
其中，所述摩擦发电机为接触栅格自由站立模式摩擦发电机，该接触栅格自由站立模式摩擦发电机包括：
基底(11)；
电极(12)，设置于所述基底(11)上，包括设置于同层的两组梳形电极(121，122)，其梳齿部电极相互交错平行排列；以及
摩擦层(13)，覆盖设置有电极(12)的基底(11)；
其中，所述能量在所述两组梳形电极之间产生电势差，所述接触栅格自由站立模式摩擦发电机产生具有随机特征的第一电信号(e)。
2.根据权利要求1所述的随机数产生器，其特征在于，还包括：
非线性转换装置，用于将所述第一电信号(e)转换为第二电信号(e’)；
所述运算模块(4)，用于基于所述第二电信号(e’)获得随机数。
3.根据权利要求2所述的随机数产生器，其特征在于，所述非线性转换装置包括：
非线性电光器件(2)，用于将所述第一电信号(e)转换为光信号(L)；以及
非线性光电器件(3)，用于将所述光信号(L)转换为所述第二电信号(e’)。
4.根据权利要求3所述的随机数产生器，其特征在于，所述非线性电光器件(2)为LED灯，所述非线性光电器件(3)为光敏电阻。
5.根据权利要求2所述的随机数产生器，其特征在于，所述非线性转换装置包括：
非线性电声器件，用于将所述第一电信号(e)转换为声信号；以及
非线性声电器件，用于将所述声信号转换为所述第二电信号(e’)。
6.根据权利要求2所述的随机数产生器，其特征在于，所述非线性转换装置包括：
非线性电力器件，用于将所述第一电信号(e)转换为力信号；以及
非线性力电器件，用于将所述力信号转换为所述第二电信号(e’)。
7.根据权利要求1所述的随机数产生器，其特征在于，所述能量为雨滴能，电量、速度及大小均具有随机性的雨滴滴落至所述摩擦层(13)的不同位置，并沿倾斜的摩擦层(13)表面滑落，经过多个所述相互交错平行排列梳齿部区域。
8.根据权利要求1所述的随机数产生器，其特征在于，所述相互交错平行排列梳齿部的相邻两电极间距具有随机性。
9.根据权利要求1所述的随机数产生器，其特征在于：
所述基底(11)为绝缘硬质、表面光滑材料制成；和/或
所述摩擦层(13)为纳米结构化后能够表面疏水的有机膜；和/或
所述电极(12)为铬/金膜双层膜，采用磁控溅射形成。
10.根据权利要求9所述的随机数产生器，其特征在于：
所述基底(11)为亚克力材料制成；和/或
所述摩擦层(13)为FEP、FTFE或PVDF薄膜。
11.一种基于摩擦发电机的随机数产生方法，其特征在于，包括：
摩擦发电机收集周围环境中具有随机特性的能量，产生具有随机特征的第一电信号(e)；以及
基于所述第一电信号(e)获得随机数；
其中，所述摩擦发电机为接触栅格自由站立模式摩擦发电机，该接触栅格自由站立模式摩擦发电机包括：
基底(11)；
电极(12)，设置于所述基底(11)上，包括设置于同层的两组梳形电极(121，122)，其梳齿部电极相互交错平行排列；以及
摩擦层(13)，覆盖设置有电极(12)的基底(11)；
其中，所述能量在所述两组梳形电极之间产生电势差，所述接触栅格自由站立模式摩擦发电机产生具有随机特征的第一电信号(e)。
12.根据权利要求11所述的随机数产生方法，其特征在于，还包括非线性转换步骤：将所述第一电信号(e)转换为第二电信号(e’)，基于所述第二电信号(e’)获得随机数。
13.根据权利要求12所述的随机数产生方法，其特征在于，所述非线性转换步骤包括：
将所述第一电信号(e)转换为光信号(L)，将所述光信号(L)转换为所述第二电信号(e’)。
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