本發(fā)明涉及一種隨機數(shù)產(chǎn)生器，尤其涉及一種基于摩擦發(fā)電機的隨機數(shù)產(chǎn)生器及隨機數(shù)產(chǎn)生方法。
背景技術(shù)：
：隨著現(xiàn)代社會對信息安全的要求越來越高,對密碼術(shù)的保密性,提出了更高的要求.而密碼術(shù)的基礎(chǔ)是隨機數(shù)。傳統(tǒng)的隨機數(shù)是基于計算機軟件產(chǎn)生的，由計算機生成一個種子，再由程序進行計算，算出一系列隨機數(shù)。但這種隨機數(shù)是偽隨機的，因為產(chǎn)生隨機數(shù)的程序是固定的。隨著計算機計算能力的增強，以這類隨機數(shù)為基礎(chǔ)產(chǎn)生的密鑰就會很容易被破譯，被加密的信息就很容易被泄漏，所以，高的信息安全性要求隨機數(shù)具有高的可靠性。迄今為止，可靠性高的隨機數(shù)一般是通過基于熱噪聲或者基于量子效應的隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的，這類隨機數(shù)產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)復雜，并且成本高昂。面對現(xiàn)代信息安全的強烈需求，探索簡單、有效和實用的方法來產(chǎn)生真隨機數(shù)就顯得非常迫切。技術(shù)實現(xiàn)要素：鑒于現(xiàn)有方案存在的問題，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)方案的不足，本發(fā)明提出了一種基于摩擦發(fā)電機的隨機數(shù)產(chǎn)生器及隨機數(shù)產(chǎn)生方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種基于摩擦發(fā)電機的隨機數(shù)產(chǎn)生器包括：摩擦發(fā)電機，用于采集周圍環(huán)境中具有隨機特性的能量，產(chǎn)生隨機特征的第一電信號，以及運算模塊，用于基于所述第一電信號獲得隨機數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種基于摩擦發(fā)電機的隨機數(shù)產(chǎn)生方法，包括：摩擦發(fā)電機收集周圍環(huán)境中具有隨機特性的能量，產(chǎn)生隨機特征的第一電信號；以及基于所述第一電信號獲得隨機數(shù)。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：(1)采用摩擦發(fā)電機實現(xiàn)的新型自供能隨機數(shù)產(chǎn)生器，在結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的前提下，產(chǎn)生真正的隨機數(shù)；(2)采用柵格自由站立結(jié)構(gòu)式摩擦發(fā)電機通過雨滴低落在其上獲取不可預測的電學信號；(3)采用非線性器件對柵格自由站立結(jié)構(gòu)式摩擦發(fā)電機獲得的電學信號進行處理去除無用信號；(4)非線性器件選用LED和光敏電阻的組合可以獲取較好的信號。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例基于摩擦發(fā)電機技術(shù)的隨機數(shù)產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中隨機數(shù)產(chǎn)生器采用摩擦發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中摩擦發(fā)電機的截面圖；圖4為圖1中隨機數(shù)產(chǎn)生器的工作原理圖；圖5為圖4中(d)的隨機數(shù)產(chǎn)生器的工作100s產(chǎn)生的結(jié)果圖；圖6為圖4中(d)的隨機數(shù)產(chǎn)生器驗證隨機性結(jié)果圖。具體實施方式本發(fā)明某些實施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實施例將被示出。實際上，本發(fā)明的各種實施例可以許多不同形式實現(xiàn)，而不應被解釋為限于此數(shù)所闡述的實施例；相對地，提供這些實施例使得本發(fā)明滿足適用的法律要求。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。摩擦發(fā)電機(TENG)是一種基于摩擦起電和靜電的能量收集技術(shù)，它不但能夠把環(huán)境的各種機械能轉(zhuǎn)換為電能，為微納系統(tǒng)供電，而且還可以用做一個自供能的傳感器，通過把外界對其的靜態(tài)和動態(tài)的觸發(fā)，譬如振幅、頻率、速度、位移和質(zhì)量等等，轉(zhuǎn)換成電學信號，從而實現(xiàn)對觸發(fā)源的監(jiān)測。正如BruceSchneier所說：采集大量隨機數(shù)的最好方法是選取真實世界的自然隨機性?；谝恍┳匀滑F(xiàn)象的隨機特征剛好滿足香農(nóng)提出來的安全通信和密碼學的基本原則，本發(fā)明設(shè)計了一種簡單有效低成本的產(chǎn)生真隨機數(shù)的基于摩擦發(fā)電機技術(shù)的隨機數(shù)產(chǎn)生器及隨機數(shù)產(chǎn)生方法。具體的本發(fā)明實施例提供的一種基于摩擦發(fā)電機的隨機數(shù)產(chǎn)生器，如圖1所示，隨機數(shù)產(chǎn)生器包括，摩擦發(fā)電機1，非線性電光器件2，非線性光電器件3以及運算模塊4。摩擦發(fā)電機1收集周圍環(huán)境中能量和隨機信號，產(chǎn)生相應的電學輸出響應，即產(chǎn)生隨機特征的電信號e，非線性電光器件2接收該電信號e，產(chǎn)生光信號L，非線性光電器件3接收該光信號L，產(chǎn)生電信號e’，經(jīng)非線性電光器件2和非線性光電器件3轉(zhuǎn)換，可以去除電信號e中的可預測的，有規(guī)律的信號，獲得隨機性更好的電信號e’。運算模塊4接收電信號e’，對其采用常用的算法進行運算，即可獲得隨機性高的隨機數(shù)。本實施例中，非線性電光器件2優(yōu)選發(fā)光波長550nm的LED燈，非線性光電器件3優(yōu)選可見光波長光敏電阻。非線性電光器件2和非線性光電器件3構(gòu)成了本發(fā)明實施例中的非線性轉(zhuǎn)換器件，用于去除電信號e中的可預測的，有規(guī)律的信號，獲得隨機性更好的電信號e’。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，非線性轉(zhuǎn)換器件并非限定本實施例中的非線性電光器件2和非線性光電器件3，還可以采用其他的非線性轉(zhuǎn)換器件，該非線性轉(zhuǎn)換器件，為可以把電信號作非線性變換，再轉(zhuǎn)為電學信號的器件。該非線性轉(zhuǎn)換器件還可以是單個的非線性器件，例如：二極管、變?nèi)荻O管、三極管等，優(yōu)選二極管。也可以是多個器件的組合，如電光和光電器件的組合，例如電光器件LED，LCD、LD等和光電器件光敏電阻、光電二極管和光電三極管等之間的組合。此外，該非線性轉(zhuǎn)換器件還可以是電聲器件和聲電器件的組合，例如電聲器件揚聲器，耳機等和聲電器件摩擦發(fā)電機等之間的組合；還可以是電力器件和力電器件的組合，例如電力器件電致伸縮器等和力電器件摩擦發(fā)電機和壓電式發(fā)電機等的組合。在另一實施例中，非線性轉(zhuǎn)換器件可以被省略，直接將摩擦發(fā)電機1產(chǎn)生的電信號e輸入至運算模塊4進行運算，也能產(chǎn)生隨機數(shù)，適用于對隨機數(shù)的隨機性要求不高的情況。本發(fā)明中采用的摩擦發(fā)電機可以采用各種摩擦發(fā)電機，只需能對周圍隨機信號的觸發(fā)能有響應即可。舉例而言，當環(huán)境能為風能時，可以使用接觸分離式的摩擦發(fā)電機，風能使所述接觸分離式摩擦發(fā)電機中的第一接觸部和第二接觸部接觸和分離；當環(huán)境能為雨滴能時，可以使用柵格自由站立模式摩擦發(fā)電機等等。本發(fā)明實施例中優(yōu)選接觸柵格自由站立模式摩擦發(fā)電機。接觸柵格自由站立模式摩擦發(fā)電機的結(jié)構(gòu)如圖2，3所示，圖3為圖2中接觸柵格自由站立模式摩擦發(fā)電機的截面圖，接觸柵格自由站立模式摩擦發(fā)電機包括基底11及依次設(shè)置于其上的電極12、摩擦層13?；?1為絕緣硬質(zhì)、表面光滑材料制成，可以是塑料，也可是硅片，或者木質(zhì)的材料，優(yōu)選為亞克力材料。基底11可以根據(jù)實際情形設(shè)定，尺寸可以從從厘米到米量級。本實施例中基底11優(yōu)選長度為10cm，寬度為5cm，厚度為2豪米。電極12為在基底11上磁控濺射的5nm～20nm/50nm～200nm的鉻/金膜雙層膜，優(yōu)選為5nm/100nm的鉻/金膜雙層膜，也可是其他導電薄膜，用作電極，電極12包括設(shè)置于同層的兩組電極121，122，兩組電極均為梳形，如圖2所示，其中兩組梳形電極121，122的梳齒部相互交錯平行排列。柵格電極之間的距離d范圍為1mm<d<5cm。優(yōu)選電極間的間距是不規(guī)則的，相鄰兩兩電極間間距值不規(guī)則，以增加隨機性。摩擦層13為納米結(jié)構(gòu)化后能夠表面疏水的有機膜，覆蓋設(shè)置有電極12的基底11，優(yōu)選FEP薄膜，還可以為FTFE，PVDF等疏水性好的材料，雨滴滴落至所述摩擦層13上，并沿傾斜的摩擦層13表面滑落，經(jīng)過多個所述相互交錯排列梳齒部區(qū)域，所述兩梳狀電極121，122之間產(chǎn)生電勢差。以下結(jié)合圖1、4對本發(fā)明實施例中的基于摩擦發(fā)電機的隨機數(shù)產(chǎn)生器的工作原理進行說明，當摩擦發(fā)電機受到雨滴觸發(fā)時，就會產(chǎn)生相應電學輸出，如圖4所示。從圖4中(a)-(c)可以看出，當精確控制體積的單滴雨滴到摩擦發(fā)電機的相同位置上，由于每一滴雨在產(chǎn)生和降落過程中所帶的電量是不同的，所以產(chǎn)生的電學信號的振幅大小是不同的，這種不同是不可預測的。并且落到不同的位置雨滴離開摩擦發(fā)電機時所經(jīng)歷的這柵格的個數(shù)和距離是不同的，產(chǎn)生的電學信號也不同，這種不同除了振幅大小外，還有電學信號包含的周期不同。從圖4d可以看出當帶電量不同，形狀不同，降落速度和位置不同的大量雨滴落到摩擦發(fā)電機上時，輸出的電學信號是這些雨滴產(chǎn)生的電學輸出的總和。由于帶電量，形狀，降落和位置等的不可預測性，導致了圖4中(d)得到的電學信號是雜亂無章。這些信號又被LED和光敏電阻進一步轉(zhuǎn)換和處理，最終得到的電學信號也是雜亂無章。隨機數(shù)就是運用一定的常用算法從光敏電阻最后得到的信號計算出來的。圖5和圖6給出了兩個典型的隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)的實例。圖5是采用圖4中(d)的工作方式，雨滴與摩擦發(fā)電機作用100s后，得到的隨機數(shù)如下：5AC58B4AA9E7CEACCE9E3C62CCB76E667BC489080E9933E2AE3870A37879F30F261F3FB36C3B7727569225522863C7AF978C18D0A1E4C8BC207EFDBFF079F21F634C9939EE020423EAF6EC2A4D8F1F64C25FBE7B2B458BA90DA54BE463D59B38E2478E3BC789127077912310E8EAD42E24B367B6E25CB83B207CF9BF90F6ECDE9D3E7CC5……。這些隨機數(shù)是32位的，子數(shù)列是16進制數(shù)。這些隨機數(shù)通過常用算法從光敏電阻最后得到的信號(如圖5所示)計算出來的。為了進一步驗證此隨機數(shù)產(chǎn)生器能夠產(chǎn)生真隨機數(shù)，圖6給出8次實驗后得到的隨機數(shù)的隨機性證明結(jié)果。為了更具有代表性和普適性，8次實驗的時間長短不同，得到的隨機數(shù)序列的長度也會不同，8次實驗的時間分別選取10s、30s、70s、100s、120s、150s、200s、400s。隨機數(shù)的長度可以通過摩擦發(fā)電機的結(jié)構(gòu)或者雨滴與摩擦發(fā)電機的作用時間，或者同時改變兩者來改變。圖6中給出了八組隨機數(shù)序列的均勻性結(jié)果?？梢钥闯觯?在每一位上的分布在0.5上下浮動，這說明數(shù)列的均勻性很好。對于整個數(shù)列，0和1出現(xiàn)的概率幾乎均等。這些表明了此隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)具有好的均勻性。任何人猜中任何一位上數(shù)字的幾率是均勻的，為50％。相應的，表1中給出了自相關(guān)性的結(jié)果，表110s30s70s100s120s150s200s400s未通過％0.600.931.001.000.951.000.850.94可以看出，所有的結(jié)果中不能再通過相關(guān)性驗證的數(shù)據(jù)少于1％，這就表明，所有的測量通過了自相關(guān)檢驗。這個隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)具有不可預測性，即使知道了所有的參數(shù)，任何人也不可能憑借已有的隨機數(shù)準確預測后面位上的隨機數(shù)。表2是關(guān)于真隨機性驗證的另一個重要特征，不可重復性。表2從表2可以看出，所有的八組數(shù)的前100位數(shù)是完全不同的，這表明我們不能利用這個隨機數(shù)發(fā)生器達到完全相同的隨機數(shù)。至此，這些結(jié)果表明由此隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)具有分布均勻，不可預測和不可從復的特點，因而這些隨機數(shù)是真隨機的。由此，本發(fā)明中的基于摩擦發(fā)電機的隨機數(shù)產(chǎn)生器能夠產(chǎn)生真隨機數(shù)，可以廣泛用于秘鑰協(xié)議，身份認證，數(shù)字簽名和識別等保密領(lǐng)域中。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，該電信號e經(jīng)非線性處理獲得隨機性更好的電信號e’還可以采用電信號e直接轉(zhuǎn)換為電信號e’的方式，或電信號e先轉(zhuǎn)換為聲信號或力信號，再轉(zhuǎn)為電信號e’。在再一實施例中，該電信號e經(jīng)分線性處理獲得隨機性更好的電信號e’的步驟可以被省略，直接將摩擦發(fā)電機1產(chǎn)生的電信號e輸入至運算模塊4進行運算，也可以產(chǎn)生隨機數(shù)，適用于對隨機數(shù)的隨機性要求不高的情況。還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應值。需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：除非特別描述或必須依序發(fā)生的步驟，上述步驟的順序并無限制于以上所列，且可根據(jù)所需設(shè)計而變化或重新安排。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3