В связи со стремлением электроники к Интернету вещей, межмашинному взаимодействию и подключенным устройствам инженеры-конструкторы постоянно ищут идеальный способ связи для обмена информацией между двумя электронными устройствами. Хотя уже есть много вариантов на выбор, например BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox и т. Д., Компания Chirp разработала SDK, который позволяет обмениваться данными по звуку, просто используя динамик устройства и микрофон без необходимости чистка. Кроме того, SDK не зависит от платформы и поддерживает передачу данных с низким энергопотреблением.
SDK кодирует данные в уникальный аудиопоток и воспроизводит его через динамик устройства, затем этот аудиопоток может быть захвачен любым устройством, использующим микрофон, и декодирован для получения фактического сообщения. SDK является кроссплатформенным и уже поддерживает Android, iOS, Windows и python. Он также может использоваться в платформах микроконтроллеров, таких как ARM, и поддерживает платформы разработки, такие как ESP32 и Raspberry Pi. Чтобы узнать больше о Chirp и его возможных приложениях, Circuit Digest обратилась к доктору Дэниелу Джонсу, техническому директору Chirp, чтобы обсудить несколько вопросов. Ответы на которые приведены ниже
1. Какая технология стоит в основе chirp и как она работает?
Chirp - это способ передачи информации с помощью звуковых волн. В отличие от Wi-Fi или Bluetooth, которые используют радиочастоты, Chirp кодирует данные в тонах, которые можно воспроизводить (передавать) с помощью любого компьютерного динамика и получать через любой компьютерный микрофон без необходимости наличия какого-либо дополнительного оборудования, такого как RF-чипы. Это позволяет использовать Chirp на любом потребительском устройстве, в котором есть динамик и микрофон, например, в мобильных телефонах, ноутбуках, звуковой системе и т. Д., И может передавать информацию даже через поток YoutTube или телетрансляцию.
Закодированные звуковые сигналы, воспроизводимые через динамик, воспринимаются людьми, и они звучат как крошечный фрагмент цифрового пения птиц, отсюда и название «чириканье». Но мы также можем использовать тот факт, что компьютерный динамик и микрофон на самом деле также могут работать с ультразвуковыми частотами, которые не слышны человеческим ушам, таким образом мы также можем передавать информацию через звук, который мы не слышим.
2. Вокруг нас так много протоколов беспроводной связи, как BLE, NFC, RFID, LoRa и т. Д. Зачем нам все еще нужен чирп? Что в нем уникального?
Одна из причин - крайне низкое трение Chirp. В отличие от Bluetooth или Wi-Fi, я могу использовать Chirp, чтобы немедленно инициировать общение между многими, чтобы поделиться сообщением со всеми вокруг меня, без необходимости связываться с ними. Это позволяет быстро и легко поделиться чем-то со всеми в комнате или за столом. Это очень удобно для общения с людьми, которых я раньше не встречал, или для взаимодействия с машиной, которую я, возможно, не встречал раньше. Например, открыть смарт-шкафчик или поделиться визиткой и т. Д.
Кроме того, мы часто видим, что Chirp также используется в одноранговой коммуникации. Например, индийская автобусная компания Shuttl использует щебетание между водителем автобуса и пассажиром, чтобы проверить, сел ли человек в автобус и был ли выкуплен его билет.
3. Можно ли настроить сетевое взаимодействие с Chirp? Могу ли я общаться с несколькими устройствами?
Да, одна из ключевых вещей, которые нужно помнить о звуке, это то, что это слишком много типов связи, а это означает, что все, что находится поблизости, что находится в слышимом диапазоне нашего передатчика, услышит звук и получит данные. У этого есть как преимущества, так и ограничения. Преимущество в том, что это очень просто для многоадресного обмена. Для таких вещей, как ячеистая сеть, это, возможно, сработает, но вам понадобится последовательность приемников в пределах слышимости друг друга. Итак, обычно мы склонны использовать щебетание чаще для одного или нескольких сценариев вещания.
4. Как Chirp может работать без паринга? Приводит ли это к проблемам с безопасностью данных?
У нас есть очень маленькое демонстрационное приложение под названием «Chirp Messenger» (доступно в магазине Android и iOS), которое показывает, как работает наш SDK. Чтобы отправить сообщение, пользователь может ввести сообщение и нажать кнопку «Отправить», что включит сообщение в звуковой сигнал и воспроизведет его через динамик моего телефона. Таким образом, любое устройство поблизости, на котором работает наш комплект разработчика, может принимать эти звуковые сигналы через микрофон. Эти звуковые тона декодируются до составляющей частоты, и применяется исправление ошибок, чтобы противостоять эффектам шума и искажения, чтобы получить фактическое сообщение. Таким образом, Chirp полностью освобождает от необходимости все, что нужно, - это слышать тоны и декодировать их.
При отправке конфиденциальных данных через Chirp можно использовать некоторые аспекты безопасности, например, наложение некоторых функций безопасности на существующий протокол. Поскольку Chirp - это просто средство передачи, вы можете встроить в эти тона все, что угодно. Например, вы можете использовать шифрование RSA или AES, чтобы зашифровать ваши данные перед их отправкой через чип, а затем расшифровать их с помощью криптографии с открытым ключом.
5. Достаточно ли мал Chirp для использования со встроенными контроллерами малой мощности? Сколько энергии он потребляет?
Мы стремимся максимально оптимизировать наш SDK. У нас есть замечательная команда разработчиков встроенного DSP, которая вырезает из кода все ненужные биты и байты, чтобы сократить цикл процессора. Причина этого в том, что одна из самых больших областей, в которых мы наблюдаем распространение, - это встроенные полевые микросхемы. В частности, если вы хотите общаться с устройством IoT с низким энергопотреблением и низкими характеристиками. Наш SDK может работать даже на процессоре ARM Cortex M4, работающем на частоте 90 МГц, с менее чем 100 КБ ОЗУ.
Измерения мощности на контроллерах Cortex-M4, измеренные на наших платах для разработки, составили около 20 мА при активном прослушивании и менее 10 мкА в режиме пробуждения по звуку с 90 млн циклов в секунду. В режиме пробуждения по звуку используются микрофоны с очень низким энергопотреблением от производителя Vesper, который всегда обеспечивает нулевое энергопотребление микрофона. Таким образом, микрофон будет активно записывать звук, и когда он слышит чип, он выводит контроллер Cortex из спящего режима для декодирования данных.
6. Какова дальность связи и полезная нагрузка для связи Chirp?
С точки зрения дальности все зависит от того, насколько громко сигнал передает динамик. Чем выше громкость трансляции, тем дальше диапазон, потому что для получения информации микрофоны должны сначала ее услышать. Мы можем довольно просто контролировать диапазон, контролируя уровень звукового давления излучающего устройства. На дальнем конце вы можете транслировать щебетание на весь стадион, передавая ваши данные на сотни метров, или вы можете уменьшить громкость нашего динамика, передавая ваши данные в пределах комнаты.
Что касается скорости передачи данных, акустический канал является шумным и, следовательно, не может использоваться для конкуренции с Bluetooth или Wi-Fi. Речь идет о сотнях бит в секунду, а не о мегабитах. Это означает, что Chirp рекомендуется использовать для отправки небольших данных, таких как значения токенов и т. Д. Наши самые быстрые протоколы работают со скоростью 2,5 кбит / с, но они предназначены для сценариев в стиле NFC на короткие расстояния. В очень большом диапазоне скорость передачи данных будет 10 бит в секунду.
7. Поскольку обмен данными осуществляется с помощью звуковых волн, как они будут защищены от шума окружающей среды?
Очевидно, что среда вокруг нас невероятно шумная, от ресторанов до промышленных предприятий всегда присутствует фоновый шум. Изначально мы вышли из лаборатории компьютерных наук исследовательского колледжа Лондона, которая занималась в первую очередь проблемой акустического общения в шумной среде. И у нас есть несколько докторов наук и профессоров, пытающихся решить эту проблему. Именно здесь сосредоточено множество наших исследований, и у нас есть несколько патентов в этой области.
Подтверждением этому является то, что мы успешно работали на атомной электростанции здесь, в Великобритании. Компания EDF energy привлекла нас к отправке ультразвуковой нагрузки на расстояние более 80 метров в невероятно оглушающей фоновой среде до 100 децибел, которую мы должны носить с защитой. Тем не менее, мы смогли достичь 100% целостности данных за 18 часов тестирования оборудования.
8. Какие еще аппаратные платформы с низким энергопотреблением будут поддерживаться Chirp?
У нас уже есть стабильный SDK для ARM Cortex M4 и M7, и далее мы работаем над отправкой только SDK для ARM Cortex M0, который представляет собой процессор с фиксированной точкой, не имеющий архитектуры с плавающей запятой. Мы также поддерживаем ESP32 через платформу Arduino, а также начали изучать поддержку FPGA для чрезвычайно эффективных процессов.
9. Где сейчас используется chirp, не могли бы вы привести нам несколько примеров использования?
Обнаружение приближения - действительно хорошее приложение. Поскольку только люди рядом с вами могут слышать ваше щебетание, это можно использовать как эвристику, чтобы узнать, кто находится вокруг вас. Chirp используется огромной социальной игровой платформой под названием Roblox как способ для юных геймеров обнаруживать других людей поблизости, эффективно используя ультразвуковое чириканье. Таким образом, я могу вытащить свой мобильный телефон, и он будет действовать как ультразвуковой маяк, который будут обнаружены другими игроками в комнате, чтобы начать игровой сеанс.
Мы также собираемся начать партнерство с крупной компанией по организации конференц-залов, чтобы помочь им с навигацией внутри помещений с помощью Chirp. Когда вы ходите из комнаты в комнату в здании, для вашего устройства очень важно знать, в какой комнате вы находитесь. В этой организации мы используем щебетание как способ для вашего ноутбука или мобильного телефона, чтобы узнать, в какой комнате вы сейчас находитесь, и позволяют подключиться к конференц-залу.
10. Каковы условия лицензирования Chirps SDK? Какая здесь преданность?
Для малого бизнеса, любителей и домашних мастеров Chirp полностью бесплатен до 10 000 активных пользователей в месяц. Это потому, что мы действительно хотим, чтобы люди использовали нашу технологию, а сообщество разработчиков экспериментировало с ней. Кроме того, мы хотим поддержать малый бизнес. Для более крупных предприятий и клиентов мы обычно взимаем с них ежегодную плату.