S vývojom elektroniky smerom k internetu vecí, komunikácii medzi strojmi a pripojeným zariadeniam sú dizajnéri neustále v hľadaní vznešeného spôsobu komunikačnej techniky na výmenu informácií medzi dvoma elektronickými zariadeniami. Aj keď už existuje veľa možností na výber ako BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox atď., Spoločnosť s názvom Chirp vyvinula SDK, ktorá umožňuje výmenu dát cez zvuk jednoduchým použitím reproduktora a mikrofónu zariadenia bez potreby párenie. SDK je navyše nezávislá na platforme a podporuje aj dátovú komunikáciu s nízkou spotrebou.
Sada SDK kóduje údaje do jedinečného zvukového toku a prehráva ich cez reproduktor zariadenia. Tento zvukový prúd potom môže zachytiť akékoľvek zariadenie pomocou mikrofónu a dekódovať ich, čím získa skutočnú správu. Sada SDK má viac platforiem a už podporuje okrem iného systémy Android, iOS, Windows a python. Môže byť tiež použitý na platformách mikrokontrolérov, ako je ARM, a podporuje vývojovú platformu ako ESP32 a Raspberry Pi. Ak sa chcete dozvedieť viac informácií o aplikácii Chirp a jej možných aplikáciách, Circuit Digest oslovil Dr. Daniel Jones - CTO spoločnosti Chirp, aby prediskutoval niekoľko otázok. Odpovede sú zhrnuté nižšie
1. Aká je technológia chirp a ako funguje?
Chirp je spôsob prenosu informácií pomocou zvukových vĺn. Na rozdiel od Wi-Fi alebo Bluetooth, ktoré využívajú rádiové frekvencie, Chirp kóduje dáta v tónoch, ktoré je možné prehrávať (prenášať) pomocou ľubovoľného počítačového reproduktora a prijímať ich cez akýkoľvek mikrofón počítača bez potreby ďalšieho hardvéru, ako sú RF čipy. To umožňuje použitie Chirpu na akomkoľvek spotrebiteľskom zariadení, ktoré má v sebe reproduktor a mikrofón, ako sú mobilné telefóny, notebooky, PA systémy atď., A môže prenášať informácie dokonca aj cez stream YoutTube alebo televízne vysielanie.
Zakódované zvukové tóny prehrávané reproduktorom sú citlivé na človeka a znejú ako malý kúsok digitálnej vtáčej piesne, odtiaľ pochádza aj názov „cvrlikání“. Ale môžeme tiež využiť skutočnosť, že počítačový reproduktor a mikrofón môžu skutočne pracovať aj s ultrazvukovými frekvenciami, ktoré sú pre ľudské uši nepočuteľné, takto môžeme prenášať informácie aj cez zvuk, ktorý nepočujeme.
2. S toľkými protokolmi bezdrôtovej komunikácie ako BLE, NFC, RFID, LoRa atď. Prečo stále potrebujeme cvrlikání? Čo je na ňom jedinečné?
Jedným z dôvodov bude Chirpovo extrémne nízke trenie. Na rozdiel od Bluetooth alebo Wi-Fi môžem pomocou Chirpu okamžite nadviazať komunikáciu s mnohými ľuďmi, aby som mohol zdieľať správu so všetkými v mojom okolí bez toho, aby som ich musel párovať. Oveľa jednoduchšie je zdieľať niečo rýchlo a ľahko so všetkými v miestnosti alebo okolo stola. Je to veľmi užitočné pre spojenie s ľuďmi, s ktorými som sa ešte nestretol, alebo pre interakciu so strojom, s ktorým som sa možno ešte nestretol. Napríklad otvorenie inteligentnej skrinky alebo zdieľanie vizitky atď.
Okrem toho často vidíme, že sa Chirp používa aj v komunikácii peer to peer. Napríklad spoločnosť Shuttl, indická autobusová spoločnosť, používa Chirpa medzi vodičom autobusu a cestujúcim, aby skontrolovala, či osoba nastúpila do autobusu a či bol jeho lístok uplatnený.
3. Je možné nastaviť sieťovú komunikáciu so spoločnosťou Chirp? Môžem komunikovať s viacerými zariadeniami?
Áno, jedna z najdôležitejších vecí, ktoré si treba pamätať pri zvuku, je, že ide o príliš veľa druhov komunikácie, čo znamená, že čokoľvek v blízkosti, ktoré je v počuteľnom dosahu nášho vysielača, bude zvuk počuť a bude prijímať údaje. Má to výhody aj obmedzenia. Výhodou je, že zdieľanie multicast je veľmi jednoduché. Pre veci, ako je sieťové pripojenie do siete, by to možno fungovalo, ale potrebovali by ste postupnosť prijímačov v dosahu jedného druhého. Takže zvyčajne máme tendenciu viac používať chirp pre jeden až veľa vysielacích scenárov.
4. Ako môže Chirp pracovať bez akejkoľvek úpravy? Vedie to k problémom so zabezpečením údajov?
Máme veľmi malú ukážkovú aplikáciu s názvom „Chirp Messenger“ (k dispozícii v obchodoch Android a iOS), ktorá ukazuje, ako funguje naša sada SDK. Ak chcete odoslať správu, používateľ môže správu napísať a stlačiť tlačidlo odoslať, čím sa správa vloží do počuteľného tónu a prehrá sa cez reproduktor telefónu. Takže akékoľvek zariadenie v okolí, ktoré používa našu vývojársku súpravu, môže prijímať tieto zvukové tóny cez mikrofón. Tieto zvukové tóny sa dekódujú na základnú frekvenciu a použije sa korekcia chýb na potlačenie účinkov šumu a skreslenia, aby sa získala skutočná správa. Týmto spôsobom Chirp úplne spáruje všetko, čo je potrebné, je počuť tóny a dekódovať ich.
Existuje niekoľko bezpečnostných dôsledkov, ktoré sa dajú použiť pri odosielaní citlivých údajov cez Chirp, napríklad vrstvenie niektorých bezpečnostných prvkov do existujúceho protokolu. Pretože Chirp je iba prenosové médium, môžete do týchto tónov vložiť čokoľvek. Môžete napríklad použiť šifrovanie RSA alebo AES na šifrovanie údajov pred ich odoslaním cez čip a potom ich dešifrovať pomocou kryptografie verejného kľúča.
5. Je Chirp dostatočne malý na to, aby sa dal používať s vloženými ovládačmi s nízkym výkonom? Koľko energie spotrebuje?
Snažíme sa čo najviac optimalizovať našu súpravu SDK. Máme úžasný vstavaný tím DSP, ktorý oddeľuje všetky nepotrebné bity a bajty kódu, aby znížil cyklus CPU. Dôvodom je to, že jednou z veľkých oblastí, v ktorej vidíme absorpciu, je zabudovaný čip poľa. Najmä ak chcete komunikovať s IoT zariadením s nízkym výkonom a nízkou špecifikáciou. Naša SDK môže dokonca bežať na procesore ARM Cortex M4 bežiacom na frekvencii 90Mhz s menej ako 100kB RAM.
Merania výkonu na ovládačoch Cortex-M4 namerané na našich vývojových doskách boli okolo 20mA pri aktívnom počúvaní a menej ako 10uA v režime zobudenia na zvuk s 90M cyklami za sekundu. Režim prebudenia na zvuk používa mikrofóny s veľmi nízkou spotrebou od výrobcu Vesper, ktorý dodáva mikrofónu vždy nulovú spotrebu. Týmto spôsobom bude mikrofón aktívne zobrazovať zvuk a keď začuje chripnutie, prebudí radič Cortex z režimu spánku na dekódovanie údajov.
6. Aký by bol komunikačný rozsah a užitočné zaťaženie pre komunikáciu Chirp?
Z hľadiska rozsahu všetko závisí od toho, ako hlasno je signál prenášaný reproduktorom. Čím vyššia je hlasitosť vysielania, tým je dosah ďalej, je to preto, že na to, aby dostali informácie, ktoré by ich museli počuť mikrofóny, by to bolo potrebné najskôr. Dosah môžeme ovládať jednoducho ovládaním úrovne akustického tlaku emitujúceho zariadenia. Na opačnom konci môžete vysielať cvrlikání na celý štadión a prenášať vaše údaje stovky metrov odtiaľto, alebo môžete znížiť hlasitosť nášho reproduktora a prenášať vaše údaje v miestnosti.
Z hľadiska dátového toku je akustický kanál hlučný, a teda nejde o rýchlosť, ktorú by bolo možné použiť na porovnanie s Bluetooth alebo Wi-Fi. Hovoríme o stovkách bitov za sekundu, nie o megabitoch. Čo znamená, že Chirp sa odporúča používať na odosielanie malých údajov, ako sú hodnoty tokenov atď. Naše najrýchlejšie protokoly bežia rýchlosťou 2,5 kb / s, ale sú to scenáre štýlu NFC s krátkym dosahom. Vo veľmi dlhom rozsahu by rýchlosť prenosu bola 10 bitov za sekundu.
7. Pretože sa dáta vymieňajú pomocou zvukových vĺn, aká bude odolnosť voči hluku v prostredí?
Je zrejmé, že prostredie okolo nás je neuveriteľne hlučné, od reštaurácií po priemyselné scenáre je vždy prítomný hluk v pozadí. Vyšli sme pôvodne z výskumu University College London, Computer Science Lab, ktorý sa zameriaval predovšetkým na problém, ako komunikovať akusticky v hlučnom prostredí. A máme niekoľko doktorandov a profesorov, ktorí sa snažia tento problém prelomiť. Na toto sa zameriava veľa externých výskumov a v tejto oblasti máme niekoľko patentov.
Ako dôkaz toho sme úspešne operovali v jadrovej elektrárni tu vo Veľkej Británii. Nás priviedla spoločnosť s názvom EDF energy, aby sme poslali ultrazvukové užitočné zaťaženie v rozmedzí viac ako 80 metrov v neuveriteľne ohlušujúcom prostredí na pozadí až do 100 decibelov, ktoré musíme nosiť ako obrancovia. Stále sme boli schopní dosiahnuť 100% integritu dát počas 18 hodinového testu zariadenia.
8. Aké sú ďalšie hardvérové platformy s nízkou spotrebou energie, ktoré bude Chirp podporovať?
Už máme stabilnú súpravu SDK pre ARM Cortex M4 a M7 a ďalej pracujeme na odosielaní iba súpravy SDK pre ARM Cortex M0, čo je procesor s pevným bodom, ktorý nemá architektúru s pohyblivou rádovou čiarkou. Podporujeme tiež ESP32 prostredníctvom platformy Arduino a taktiež sme začali hľadať podporu FPGA pre extrémne efektívne procesy.
9. Kde sa v súčasnosti používa chirp, môžete nám uviesť niekoľko príkladov použitia?
Detekcia blízkosti je skutočne dobrá aplikácia. Pretože iba ľudia vo vašom okolí môžu počuť vaše cvrlikání, dá sa použiť ako heuristika na zistenie, kto je vo vašom okolí. Chirp využíva obrovská platforma pre spoločenské hry s názvom Roblox ako spôsob, ako mladí hráči detekujú ďalších ľudí v ich blízkosti, efektívne pomocou ultrazvukových cvrlikání. Týmto spôsobom môžem vytiahnuť mobilný telefón a bude fungovať ako ultrazvukový maják, ktorý objavia ostatní hráči v miestnosti na zahájenie hernej relácie.
Chystáme sa tiež nadviazať partnerstvo s významnou spoločnosťou pre konferenčné miestnosti, ktorá im pomôže s navigáciou v interiéroch pomocou aplikácie Chirp. Keď prechádzate z miestnosti do miestnosti v budove, je pre vaše zariadenie dosť dôležité vedieť, v ktorej miestnosti sa nachádzate. S touto organizáciou používame chirp ako spôsob, ako pre váš laptop alebo mobilný telefón zistiť, v ktorej miestnosti sa práve nachádzate a vám umožní nadviazať spojenie s konferenčnou miestnosťou.
10. Aké sú licenčné podmienky pre Chirps SDK? O akú vernosť ide?
Pre menšie podniky, fanúšikov a domácich majstrov je Chirp úplne zadarmo až do 10 000 aktívnych používateľov mesačne. Je to tak preto, lebo skutočne chceme, aby ľudia, ktorí používajú našu technológiu, a komunita vývojárov s nimi experimentovali. Okrem toho chceme podporovať aj malé podnikanie. Pre väčšie podniky a zákazníkov máme tendenciu účtovať im ročný poplatok