JP6248886B2 - ランダムデータ生成器及びデータ通信端末 - Google Patents

Description

本発明は、低コストで広い範囲のランダムデータを生成することができるランダムデータ生成器及びそれを使用したデータ通信端末に関する。

センシングデータをセンタに転送するＭ２Ｍセンシングシステムの使用例として太陽光発電遠隔監視システムがある。図７は太陽光発電遠隔監視システムを示す図である。太陽光パネルで発生した直流電流をパワーコンディショナーで交流電流に変換する。これにより発生した電力を電気設備の駆動や売電に使用する。この際に正常に電流を発生しているかを遠隔から監視するためにセンシング端末が用いられる。

センシング端末で検出した電流値は３０分毎にセンタに送信される。一般的には、通信前にセンシング端末がＮＷ側に接続されると、センタとの間で時刻同期が行われる。センシング端末は次の時刻同期が行われるまではその時刻に基づいて自走する。

一般的にはセンシング端末は複数存在する。この時、複数の端末は一定の時刻毎（例えば１０時００分、１０時３０分といった３０分毎）に一斉にセンタにデータを転送する。この時刻は複数の端末でほぼ同時刻になる。従って、センシング端末が無線でデータを送信する場合、限られた無線チャネルに対して、複数の端末が一斉に接続要求をかけ、無線チャネルのトラヒックにおいて輻輳する状態が発生する恐れがある。従って、一部の端末のデータが送信できなかったり、遅れたりする場合がある。

このような場合、ランダムデータにより送信タイミングにオフセットをかけることにより、トラヒックを分散して複数のセンシング端末からのデータを効率良くセンタに転送することができる。例えば、センサ端末の固有の数値を入力してハッシュ関数（疑似乱数生成関数）演算を行って論理的にランダムなデータを生成し、そのデータを遅延時間として送信開始時刻を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、回路上の信号の不確定さをもとに物理的にランダムなデータを生成する方法がある。例えばＰＬＬの制御信号を入力としてランダムデータを生成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１５０８１１号公報 特開２００３−６９５５７号公報

ハッシュ関数を用いる方法では入力値が同一ならば出力値も同一となる。従って、端末毎に入力値としてユニークな値を持つ必要があり、端末にはユニークな値の保持及び設定する手段を備えることが前提となってしまう。このような手段を持たない端末は利用できないという問題がある。

また、ＰＬＬの制御信号を用いる方法では、ＰＬＬがロックされた後に電圧を検出するため、電圧がある程度安定化してしまい、ランダム性が低い。従って、電圧入力をそのままＡ／Ｄ変換した値だけでは一定値近傍のみにしか留まらない可能性があり、ランダムデータとして実用できない場合もある。また、ＰＬＬの制御電圧に他回路を接続することは、本来の制御電圧の動作の安定化に影響を与えかねないという問題がある。

また、ランダムデータ生成用に専用の特殊な回路を用いる方法もあるが、機構が複雑になりコストが増えてしまう。例えば、ハードウェアにより乱数生成器を実現する場合、ＦＰＧＡによる回路で数百〜千スライス数程度を使用する例もある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は低コストで広い範囲のランダムデータを生成することができるランダムデータ生成器及びそれを使用したデータ通信端末を得るものである。

本発明に係るランダムデータ生成器は、起動してから入力電圧が安定化するまでの不安定期間を有するＡ／Ｄ変換器と、前記不安定期間に前記Ａ／Ｄ変換器の出力を複数回取得し、その結果に基づいてランダムデータを生成するランダムデータ生成部とを備え、前記ランダムデータ生成部は、１回目に取得した前記Ａ／Ｄ変換器の出力の一定桁数の下位ビット値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換器の出力を取得する回数を決定することを特徴とする。

本発明により、低コストで広い範囲のランダムデータを生成することができる。

本発明の実施の形態に係るランダムデータ生成器を示す図である。 起動後のＡ／Ｄ変換器の入力電圧の変化を示す図である。 不安定期間におけるＡ／Ｄ変換器の出力の下位ビットのランダム性を示す図である。 本発明の実施の形態に係るランダムデータ生成部によるランダムデータの生成手順を示す図である。 本発明の実施の形態に係るデータ通信端末を示す図である。 本発明の実施の形態に係るデータ通信端末の動作原理を説明する図である。 太陽光発電遠隔監視システムを示す図である。

図１は、本発明の実施の形態に係るランダムデータ生成器を示す図である。ランダムデータ生成器１は、Ａ／Ｄ変換器２と、Ａ／Ｄ変換器２の出力に基づいてランダムデータを生成するランダムデータ生成部３とを備える。

図２は、起動後のＡ／Ｄ変換器の入力電圧の変化を示す図である。Ａ／Ｄ変換器２は空き端子を入力とする。一般的に空き端子は電圧が定まっていないため、Ａ／Ｄ変換器２は起動（電源ＯＮ）してから入力電圧が安定化するまでの不安定期間を有する。不安定期間では、入力電圧は停止状態の電圧からある電圧レベルに向かって徐々に変化する。

図３は、不安定期間におけるＡ／Ｄ変換器の出力の下位ビットのランダム性を示す図である。横軸はＡ／Ｄ変換器２の出力を取得した回数、縦軸はＡ／Ｄ変換器２の出力の下位ビットである。０〜１００の間でばらつく様子が分かる。このように不安定期間におけるＡ／Ｄ変換器２の出力の下位ビットは雑音成分により比較的ランダムなデータとなる。また、Ａ／Ｄ変換器２を他のＡ／Ｄ変換器に置き換えて取得した場合のデータも、元のＡ／Ｄ変換器２の場合とは無関係なランダムなデータとなる。

図４は、本発明の実施の形態に係るランダムデータ生成部によるランダムデータの生成手順を示す図である。上記のＡ／Ｄ変換器２の出力の下位ビットは一定値近傍のみにしか留まらない可能性があり、ランダムデータとして実用できない場合もある。そこで、ランダムデータ生成部３は、不安定期間にＡ／Ｄ変換器２の出力を複数回（ここではｍ回）取得し、その結果に基づいて所定の演算によりランダムデータを生成する。これにより、Ａ／Ｄ変換器２の出力の下位ビットよりも広い範囲で予測不可能で再現性のないランダムデータを生成することができる。

マイクロプロセッサの種類によってはＡ／Ｄ変換機能を有するものもある。この場合は新たにＡ／Ｄ変換器を付加することなく、上記機能を達成することができる。従って、ハードウェア回路を製造した後においても、マイコンのプログラムを変更することで、ハードウェア回路を変更することなく、ランダムデータを容易に生成することができる。よって、ランダムデータ生成用に専用の特殊な回路を用いる必要がないため、コストを抑制することができる。

また、ランダムデータ生成部３は、起動してから１回目に取得したＡ／Ｄ変換器２の出力の一定桁数の下位ビットの値に基づいて、Ａ／Ｄ変換器２の出力を取得する回数（ここではｍ回）を決定する。例えば、１回目に取得したＡ／Ｄ変換器２の出力の下位３ビットの値を採用する場合、Ａ／Ｄ変換器２の出力を取得する回数を０〜７回の範囲で決定する。これにより、Ａ／Ｄ変換器２の出力を取得する回数についてもランダムに変化させることができるため、更に予測不可能で再現性のないランダムデータを生成することができる。

また、ランダムデータ生成部３は、最後に取得したＡ／Ｄ変換器２の出力（ここではｍ回目の出力）に基づいてランダムデータを生成する。例えば、最後に取得したＡ／Ｄ変換器２の出力の下位ビットをランダムデータとする。また、最後に取得したＡ／Ｄ変換器２の出力を更に疑似乱数生成関数に入力させ、その出力値からランダムデータを生成してもよい。なお、Ａ／Ｄ変換器２がｍ回のＡ／Ｄ変換を行う代わりに、１回目のＡ／Ｄ変換からｍ回目に相当する時間だけ待ってＡ／Ｄ変換を行うことでもよい。

あるいは、ランダムデータ生成部３は、取得したＡ／Ｄ変換器２の複数回の出力を組み合わせた値に基づいてランダムデータを生成してもよい。例えば、複数回の出力を組み合わせた値について加減算、論理和、論理積等の論理演算を行った結果を、疑似乱数を算出する疑似乱数生成関数に入力させ、その出力値を用いてランダムデータを生成する。

なお、上記の実施の形態ではＡ／Ｄ変換器２は空き端子を入力とするが、これに限らず電池電圧を入力としてもよい。電池による動作を行う端末の場合、電池電圧を監視することはよくある。Ａ／Ｄ変換器２で検出すると、電池電圧の下位ビットは比較的ランダムなデータとなる。これを利用して上記の実施の形態と同様にランダムデータを生成する。

また、Ａ／Ｄ変換器２はオペアンプを入力としてもよい。一般的にオペアンプの入力電圧がローレベル（一般的にはＧＮＤレベル）又はハイレベルになっている場合、Ａ／Ｄ変換しても、その電圧が下限又は上限に固定され、下位ビットにおけるランダム性が小さい。そこで、入力電圧にオフセット電圧を付加してＡ／Ｄ変換の下限又は上限にならないように設定する。これにより、Ａ／Ｄ変換器２の出力の下位ビットは比較的ランダムなデータとなる。オフセット電圧は、Ａ／Ｄ変換器２への入力電圧が下限又は上限にならない範囲であれば任意の電圧でよい。オペアンプの中には、プログラマブルオペアンプと称して、オフセット電圧をマイコンから制御可能なものもある。このプログラマブルオペアンプを使用すれば、特別な回路を付加することなく、上記機能を達成することができる。

また、Ａ／Ｄ変換器２は温度センサを入力としてもよい。一般的に温度検出値の下位ビットは雑音成分によって比較的ランダムなデータとなる。例えば同じような場所にあるセンシング端末同士でも、２５．３２℃、２５．４３℃等のように温度検出値の下位ビットでは誤差が大きくなる。マイクロプロセッサには温度検出機能を有するものもあり、その場合は特別な回路を付加することなく、上記機能を達成することができる。

続いて、上記のランダムデータ生成器を使用したデータ通信端末について説明する。図５は、本発明の実施の形態に係るデータ通信端末を示す図である。このデータ通信端末４は、太陽光発電遠隔監視システム等に用いられるセンシング端末であり、センサ５で検出したセンシングデータを自律的にセンタ６に送信する。

時刻同期部７は、データ通信端末４内部の端末時計８をセンタ６の時計９に同期させる。具体的には、センタ６から送られてきた時刻（ｍ時ｎ分）に端末時計８の時刻を設定し、次の設定までは自走させる。例えば、時刻として午前４時１０分がセンタ６から送られて来たら、時刻同期部７は端末時計８の時刻を午前４時１０分に設定する。

ランダムデータ生成器１は第１及び第２のランダムデータを生成する。第１及び第２のランダムデータは同じでもよい。第１の時刻オフセット部１０は端末時計８の時刻を第１のランダムデータに基づいて分単位でオフセットさせる。例えば端末時計８の時刻を２分進める。第２の時刻オフセット部１１は端末時計８の時刻を第２のランダムデータに基づいて秒単位でオフセットさせる。例えば端末時計８の時刻を１４秒進める。

送信タイミング生成部１２は、オフセットさせた端末時計８の時刻が所定の時刻になった場合に無線通信部１３に送信タイミングを出力する。無線通信部１３は送信タイミングを受け取るとデータをセンタ６へ送信する。

図６は、本発明の実施の形態に係るデータ通信端末の動作原理を説明する図である。まず、センシング端末Ａ及びセンシング端末Ｂの電源をＯＮにする。次に、センシング端末Ａの時計を第１のランダムデータに基づいて秒単位（ここでは１８秒）でオフセットする。例えば１０進数表示で２桁のばらつきｋが得られた場合、ｋ×（６０／１００）で、６０秒内のばらつきに変換できる。具体的な実装では、ＡＤ入力値を乱数生成関数のＳｅｅｄに入力して乱数を生成し、その乱数を６０で割った余りを秒のオフセットとする。

次に、センシング端末Ａの時計を第２のランダムデータに基づいて分単位（ここでは２分）でオフセットする。例えば１０進数表示で２桁のばらつきｋが得られた場合、ｋ×（３／５０）の四捨五入で、０、＋１、＋２、＋３のばらつきに変換できる。具体的な実装では、上記のＳｅｅｄによる乱数生成関数から乱数を生成し、その乱数をパラメータ（例えば３分）で割った余りを分のオフセットとする。そして、センシング端末Ａは、自分の時計で所定の時刻（ここでは１０時３０分）に無線通信部からセンタにデータを送信する。

同様に、センシング端末Ｂの時計を第３のランダムデータに基づいて秒単位（ここでは３５秒）でオフセットし、第４のランダムデータに基づいて分単位（ここでは１分）でオフセットする。そして、センシング端末Ｂは、自分の時計で所定の時刻（ここでは１０時３０分）に無線通信部からセンタにデータを送信する。なお、上記の動作はマイクロプロセッサのプログラムによって容易に実現できる。

複数の端末が一斉に接続要求をかけると、無線チャネルのトラヒックにおいて輻輳する状態が発生する恐れがある。これに対して、本実施の形態では、センシングデータをランダム化した送信タイミングでセンタ６に送信することができるので、トラヒックが集中することがなく、効率良くセンシングデータをセンタ６に転送できる。

また、送信時刻を分単位でずらすことは有効であるが、送信時刻が決められている場合は多数の端末の送信時刻を個々にずらすことは困難となる。そこで、上記のように送信タイミングを分単位だけでなく秒単位でもランダムとすることで、複数の端末が同時刻に送信する確率が低減される。従って、無線信号が互いに衝突する確率が減るため、再送回数も減り、効率よく接続が確立され安定な通信を行うことができる。

１ ランダムデータ生成器、２ Ａ／Ｄ変換器、３ ランダムデータ生成部、７ 時刻同期部、８ 端末時計、１０ 第１の時刻オフセット部、１１ 第２の時刻オフセット部、１３ 無線通信部

Claims (5)

1. 起動してから入力電圧が安定化するまでの不安定期間を有するＡ／Ｄ変換器と、
   前記不安定期間に前記Ａ／Ｄ変換器の出力を複数回取得し、その結果に基づいてランダムデータを生成するランダムデータ生成部とを備え、
   前記ランダムデータ生成部は、１回目に取得した前記Ａ／Ｄ変換器の出力の一定桁数の下位ビット値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換器の出力を取得する回数を決定することを特徴とするランダムデータ生成器。
2. 起動してから入力電圧が安定化するまでの不安定期間を有するＡ／Ｄ変換器と、
   前記不安定期間に前記Ａ／Ｄ変換器の出力を複数回取得し、その結果に基づいてランダムデータを生成するランダムデータ生成部とを備え、
   前記ランダムデータ生成部は、最後に取得した前記Ａ／Ｄ変換器の出力に基づいて前記ランダムデータを生成することを特徴とするランダムデータ生成器。
3. 前記ランダムデータ生成部は、取得した前記Ａ／Ｄ変換器の複数回の出力を組み合わせた値に基づいて前記ランダムデータを生成することを特徴とする請求項１に記載のランダムデータ生成器。
4. データを自律的にセンタに送信するデータ通信端末であって、
   請求項１〜３の何れか１項に記載のランダムデータ生成器と、
   端末時計と、
   前記端末時計を前記センタの時計に同期させる時刻同期部と、
   前記センタの時計に同期させた前記端末時計の時刻を前記ランダムデータ生成部が生成したランダムデータに基づいてオフセットさせる時刻オフセット部と、
   オフセットさせた前記端末時計の時刻に基づいて前記データを前記センタへ送信する無線通信部とを備えることを特徴とするデータ通信端末。
5. 前記ランダムデータは第１及び第２のランダムデータを有し、
   前記時刻オフセット部は、
   前記端末時計の時刻を前記第１のランダムデータに基づいて分単位でオフセットさせる第１の時刻オフセット部と、
   前記端末時計の時刻を前記第２のランダムデータに基づいて秒単位でオフセットさせる第２の時刻オフセット部とを有することを特徴とする請求項４に記載のデータ通信端末。

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