Поширюючи електроніку в напрямку IoT, Machine to Machine Communication та підключених пристроїв, інженери-конструктори постійно шукають, щоб знайти піднесений режим техніки зв'язку для обміну інформацією між двома електронними пристроями. Хоча вже існує безліч варіантів для вибору, таких як BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox тощо, компанія під назвою Chirp розробила SDK, що дозволяє обмінюватися даними через звук, просто використовуючи динамік пристрою та мікрофон без необхідності паріння. Крім того, SDK не залежить від платформи, а також підтримує обмін даними низької потужності.
SDK кодує дані в унікальний аудіопотік і відтворює їх через динамік пристрою; цей аудіопотік потім може бути підхоплений будь-яким пристроєм за допомогою мікрофона та декодований для отримання фактичного повідомлення. SDK є крос-платформним і вже підтримує Android, iOS, Windows та python, серед інших. Він також може використовуватися на мікроконтролерних платформах, таких як ARM, і підтримує платформу розробки, як ESP32 та Raspberry Pi. Щоб дізнатись більше про Chirp та його можливі програми, Circuit Digest звернувся до доктора Даніеля Джонса - технічного директора Chirp, щоб обговорити декілька питань. Відповіді на них подано нижче
1. Що таке технологія, що стоїть за чірінгом, і як вона працює?
Цвірінькання - це спосіб передачі інформації за допомогою звукових хвиль. На відміну від Wi-Fi або Bluetooth, які використовують радіочастоти, Chirp кодує дані в тонах, які можна відтворювати (передавати) за допомогою будь-якого комп'ютерного динаміка та приймати через будь-який комп'ютерний мікрофон без необхідності наявності будь-якого додаткового обладнання, такого як RF-чіпи. Це дозволяє використовувати Chirp на будь-якому споживчому пристрої, в якому є динамік та мікрофон, наприклад, мобільні телефони, ноутбуки, система PA і т.д., і може передавати інформацію навіть через потік YoutTube або телевізійну трансляцію.
Кодовані звукові тони, що відтворюються через динамік, сприйнятливі для людей, і це звучить як крихітний шматочок цифрової пташиної пісні, звідси і назва “щебетання”. Але ми також можемо використати той факт, що комп'ютерна колонка та мікрофон насправді також можуть працювати з ультразвуковими частотами, які не чутні для людських вух, таким чином ми також можемо передавати інформацію через звук, який ми не чуємо.
2. Оскільки так багато протоколів бездротового зв'язку навколо нас, як BLE, NFC, RFID, LoRa тощо. Чому нам все ще потрібен щебетати? Що з ним унікального?
Однією з причин буде надзвичайно низьке тертя Чірпа. На відміну від Bluetooth або Wi-Fi, я можу використовувати Chirp, щоб негайно ініціювати спілкування з одним до багатьох, щоб поділитися повідомленням з усіма навколо мене, не маючи пари з ними. Це набагато легше ділитися чимось швидко і легко всім, хто в кімнаті чи за столом. Це дуже зручно для спілкування з людьми, яких я раніше не зустрічав, або для взаємодії з машиною, з якою я, можливо, раніше не зустрічався. Наприклад, відкриття розумного шафки або спільне використання візитної картки тощо.
Окрім цього, багато часу ми також бачимо, як Chirp використовується в Peer to Peer Communication. Наприклад, Shuttl, індійська автобусна компанія, використовує Chirp між водієм автобуса та пасажиром, щоб перевірити, чи сідала людина в автобус і чи викуплено його квиток.
3. Чи можна встановити мережевий зв'язок з Chirp? Чи можу я спілкуватися з кількома пристроями?
Так, одна з ключових речей, про яку слід пам’ятати, це те, що це занадто багато типів зв'язку, тобто все, що знаходиться поблизу, що знаходиться в звуковому діапазоні нашого передавача, почує звук і отримає дані. Це має як переваги, так і обмеження. Перевага полягає в тому, що це дуже легко для спільного використання багатоадресної передачі. Для таких речей, як мережеві мережі, це могло б спрацювати, але вам знадобиться послідовність приймачів в межах слухового діапазону один одного. Отже, зазвичай ми, як правило, використовуємо щебетання більше для одного-багатьох сценаріїв трансляції.
4. Як Chirp може працювати без будь-якого розбору? Чи це призводить до проблем із захистом даних?
У нас є дуже маленька демонстраційна програма під назвою “Chirp Messenger” (доступна в магазинах Android та iOS), яка показує, як працює наш SDK. Щоб надіслати повідомлення, користувач може ввести це повідомлення та натиснути посилання, яке вбудує повідомлення в звуковий сигнал і відтворить його через динамік мого телефону. Отже, будь-який пристрій поблизу, на якому встановлений наш комплект для розробників, може отримувати ці звукові сигнали через мікрофон. Ці звукові тони декодуються до складової частоти, а корекція помилок застосовується для протидії ефектам шуму та спотворень для отримання фактичного повідомлення. Таким чином Chirp повністю розбирається, все, що потрібно, це почути тони і декодувати їх.
Існують деякі наслідки для безпеки, які можна використовувати під час надсилання конфіденційних даних за допомогою Chirp, наприклад, нанесення деяких функцій безпеки на існуючий протокол. Оскільки Chirp - це просто передавальний носій, ви можете вкласти що завгодно в ці тони. Наприклад, ви можете використовувати RSA або AES-шифрування, щоб зробити ваші дані зашифрованими, перш ніж відправити їх по чіпу, а потім розшифрувати за допомогою криптографії відкритого ключа.
5. Чи є Chirp досить малим, щоб його можна було використовувати із вбудованими контролерами низької потужності? Скільки енергії вона споживає?
Ми прагнемо максимально оптимізувати наш SDK. У нас є дивовижна вбудована команда DSP, яка вирізає всі непотрібні біти та байти від коду, щоб зменшити цикл процесора. Причиною цього є одна з найбільших областей, в якій ми спостерігаємо поглинання, - це вбудований польовий чіп. Особливо, якщо ви хочете спілкуватися з пристроєм IoT із низькою потужністю та низькими характеристиками. Наш SDK може працювати навіть на процесорі ARM Cortex M4, що працює на частоті 90 МГц з оперативною пам'яттю менше 100 кБ.
Вимірювання потужності на контролерах Cortex-M4, виміряне на наших платах розробки, становило близько 20 мА при активному прослуховуванні та менше 10 мкА в режимі пробудження при звуці з 90M циклами в секунду. У режимі пробудження звуку використовуються мікрофони наднизької потужності від виробника, який називається Vesper, який робить нульове живлення завжди в мікрофоні. Таким чином, мікрофон буде активно перераховувати звук, і коли він почує звуковий сигнал, він виведе контролер Cortex з режиму сну для декодування даних.
6. Яким буде діапазон зв'язку та корисне навантаження для Chirp Communication?
Що стосується дальності, все залежить від того, наскільки голосно передається сигнал динаміком. Чим більший рівень гучності трансляції, тим дальший діапазон, це тому, що для отримання інформації, яку мікрофони спочатку повинні почути. Ми можемо контролювати діапазон досить просто, контролюючи рівень звукового тиску випромінюючого пристрою. У далекому кінці ви можете передавати щебетання на цілий стадіон, передаючи ваші дані за сотні метрів, або ви можете зменшити гучність гучномовця, передаючи ваші дані всередині кімнати.
Що стосується швидкості передачі даних, акустичний канал є шумним, а отже, це не та швидкість, яка може бути використана для конкуренції з Bluetooth або Wi-Fi. Ми говоримо про сотні бітів в секунду, а не в мегабітах. Це означає, що Chirp рекомендується використовувати для надсилання невеликих даних, таких як значення маркерів і т. Д. Наші найшвидші протоколи працюють зі швидкістю 2,5 кб / с, але це для сценаріїв стилю NFC на короткий діапазон. У дуже великому діапазоні швидкість передачі даних складала б 10 біт в секунду.
7. Оскільки дані обмінюються за допомогою звукових хвиль, як вони будуть захищені від навколишнього шуму?
Очевидно, довкілля навколо нас неймовірно галасливе - від ресторанів до промислових сценаріїв фоновий шум присутній завжди. Спочатку ми вийшли з дослідницького університетського коледжу Лондона, лабораторії комп’ютерних наук, який в першу чергу розглядав проблему, як акустично спілкуватися в галасливих умовах. І у нас є кілька кандидатів наук та професорів, які намагаються вирішити цю проблему. Саме тут зосереджено багато досліджень, і ми маємо кілька патентів у цій галузі.
Як підтвердження цього, ми успішно працювали на атомній електростанції тут, у Великобританії. Нас залучила компанія EDF energy для передачі ультразвукового корисного навантаження на відстань понад 80 метрів у неймовірно глухому фоновому середовищі до 100 децибел, які ми повинні носити захисниками. Проте ми змогли досягти 100% цілісності даних за 18 годин тестування обладнання.
8. Які ще апаратні платформи малої потужності підтримуватиме Chirp?
Ми вже маємо стабільний SDK для ARM Cortex M4 і M7, і далі ми працюємо над надсиланням лише SDK для ARM Cortex M0, який є процесором із фіксованою точкою і не має архітектури з плаваючою точкою. Ми також підтримуємо ESP32 через платформу Arduino, а також почали вивчати підтримку FPGA, а також надзвичайно ефективні процеси.
9. Де зараз використовується chirp, чи можете ви навести кілька прикладів використання?
Виявлення близькості - це дійсно хороший додаток. Оскільки лише люди поруч з вами чують ваші цвірінькання, це може бути використано як евристика, щоб дізнатись, хто навколо вас. Chirp використовується величезною соціальною ігровою платформою під назвою Roblox як спосіб для молодих геймерів виявляти інших людей поблизу, ефективно використовуючи ультразвукові чирики. Таким чином я можу витягнути свій мобільний телефон, і він буде діяти як ультразвуковий маяк, який виявлять інші гравці в кімнаті для ініціювання ігрового сеансу.
Ми також збираємося розпочати співпрацю з великою компанією, що займається конференц-залами, щоб допомогти їм у внутрішній навігації за допомогою Chirp. Коли ви ходите з кімнати в кімнату в будівлі, дуже важливо, щоб ваш пристрій знав, у якій ви кімнаті. З цією організацією ми використовуємо щебетання як спосіб, за допомогою якого ваш ноутбук або мобільний телефон може визначити, в якій кімнаті ви зараз перебуваєте, і дозволяють встановити з'єднання із кімнатою для переговорів.
10. Які умови ліцензування Chirps SDK? Про яку лояльність йдеться?
Для менших підприємств, любителів та виробників «зроби сам» Chirp є абсолютно безкоштовним до 10000 активних користувачів щомісяця. Це тому, що ми дійсно хочемо бачити людей, які використовують нашу технологію, і спільноту розробників, яка експериментує з нею. Окрім цього, ми також хочемо підтримати малий бізнес. Для великих підприємств та клієнтів ми, як правило, беремо з них щорічну плату