Med elektronikken brummer mod IoT, maskine til maskinkommunikation og tilsluttede enheder, er designingeniører konstant på jagt efter at finde en sublim kommunikationsteknik til at udveksle information mellem to elektroniske enheder. Mens der allerede er mange muligheder at vælge imellem som BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox osv., Har et firma kaldet Chirp udviklet en SDK, der muliggør udveksling af data over lyd ved blot at bruge enhedens højttaler og mikrofon uden behov for parring. Desuden er SDK platformuafhængig og understøtter også datakommunikation med lav effekt.
SDK koder dataene i en unik lydstrøm og afspiller dem gennem enhedens højttaler, denne lydstrøm kan derefter hentes af en hvilken som helst enhed ved hjælp af en mikrofon og afkode den for at få den aktuelle meddelelse. SDK er på tværs af platforme og understøtter allerede blandt andet Android, iOS, Windows og python. Det kan også bruges i mikrocontrollerplatforme som ARM og understøtter udviklingsplatform som ESP32 og Raspberry Pi. For at vide mere om Chirp og dets mulige anvendelser henvendte sig Circuit Digest til Dr. Daniel Jones - CTO for Chirp for at diskutere få spørgsmål. Svarene, som er indkapslet nedenfor
1. Hvad er teknologien bag kvidren, og hvordan fungerer den?
Chirp er en måde at overføre information ved hjælp af lydbølger. I modsætning til Wi-Fi eller Bluetooth, der bruger radiofrekvenser, koder Chirp data i toner, der kan afspilles (transmitteres) ved hjælp af en hvilken som helst computerhøjttaler og modtages gennem enhver computermikrofon uden behov for yderligere hardware som RF-chips. Dette gør det muligt for Chirp at blive brugt på enhver forbrugerenhed, der har en højttaler og mikrofon i sig, som mobiltelefoner, bærbare computere, PA-systemer osv. Og kan overføre information selv gennem YoutTube-stream eller tv-udsendelse.
De kodede hørbare toner, der spilles gennem højttaleren, er modtagelige for mennesker, og det lyder som et lille stykke digital fuglesang, deraf navnet "kvidre". Men vi kan også udnytte det faktum, at computerhøjttalere og mikrofon faktisk også kan arbejde med ultralydsfrekvenser, der er uhørlige for menneskelige ører, på denne måde kan vi også overføre information over lyd, som vi ikke kan høre.
2. Med så mange trådløse kommunikationsprotokoller omkring os som BLE, NFC, RFID, LoRa osv. Hvorfor har vi stadig brug for kvidre? Hvad er unikt med det?
En af grundene vil være Chirps ekstremt lave friktion. I modsætning til Bluetooth eller Wi-Fi kan jeg bruge Chirp til straks at starte en til mange kommunikation for at dele en besked med alle omkring mig uden at skulle parre med dem. Det gør det meget nemmere at dele noget hurtigt og nemt til alle rundt i lokalet eller rundt om bordet. Det kommer meget praktisk til at oprette forbindelse til mennesker, jeg ikke har mødt før eller til at interagere med en maskine, som jeg muligvis ikke har mødt før. For eksempel at åbne et smart skab eller dele et visitkort osv.
Bortset fra det, ser vi meget tid også, at Chirp bruges i Peer to Peer-kommunikation. For eksempel bruger Shuttl, et indisk busfirma, Chirp mellem buschaufføren og passageren for at kontrollere, om personen er gået om bord på bussen, og om hans billet er blevet indløst.
3. Er det muligt at oprette en netværkskommunikation med Chirp? Kan jeg kommunikere med flere enheder?
Ja, en af de vigtigste ting, man skal huske ved lyd, er, at det er en for mange typer kommunikation, hvilket betyder, at alt i nærheden, der er inden for det hørbare område på vores sender, vil høre lyden og modtage dataene. Dette har både fordele og begrænsninger. Fordelen er, at det er meget let at dele multicast. For ting som mesh-netværk vil det muligvis fungere, men du har brug for en række modtagere inden for hinandens høreområde. Så normalt har vi en tendens til at bruge kvidre mere for en til mange udsendelsesscenarier.
4. Hvordan kan Chirp arbejde uden parring? Fører dette til datasikkerhedsproblemer?
Vi har en meget lille Demo-app kaldet “Chirp Messenger” (tilgængelig i Android og iOS-butik), der viser, hvordan vores SDK fungerer. For at sende en besked kan brugeren indtaste beskeden og trykke på send, som vil integrere beskeden i en hørbar tone og afspille den gennem min telefonhøjttaler. Så enhver enhed i nærheden, der kører vores udviklersæt, kan modtage disse lydtoner via mikrofon. Disse lydtoner afkodes til den sammensatte frekvens, og der anvendes fejlkorrektion for at imødegå virkningerne af støj og forvrængning for at opnå den aktuelle meddelelse. Denne måde Chirp er paring fri alt, hvad der er brug for er at høre toner og afkode dem.
Der er nogle sikkerhedsimplikationer, der kan bruges, når du sender følsomme data gennem Chirp, som at lægge nogle sikkerhedsfunktioner på den eksisterende protokol. Da Chirp kun er et overførselsmedium, kan du integrere alt i disse toner. For eksempel kan du bruge RSA- eller AES-kryptering til at gøre dine data krypteret, før du sender dem over en chip og derefter dekryptere dem ved hjælp af offentlig nøglekryptografi.
5. Er Chirp lille nok til at blive brugt med indlejrede controllere med lav effekt? Hvor meget strøm bruger det?
Vi stræber efter at optimere vores SDK så meget som muligt. Vi har et fantastisk integreret DSP-team, der klipper alle unødvendige bits og bytes fra koden for at reducere CPU-cyklussen. Årsagen til det er, at et af de store områder, hvor vi ser optagelse, er med den indlejrede feltchip. Især hvis du vil kommunikere med IoT-enhed med lav effekt og lav spec. Vores SDK kan endda køre på en ARM Cortex M4-processor, der kører med en frekvens på 90 MHz med mindre end 100 kB RAM.
Effektmålingerne på Cortex-M4-controllere, målt på vores udviklingskort, var omkring 20 mA når man aktivt lyttede og mindre end 10 uA i wake-on-sound-tilstand med 90 M cykler pr. Sekund. Vågn-op-lydtilstanden bruger supermikrofoner med lav effekt fra en producent ved navn Vesper, der altid giver nul strøm på mikrofonen. På denne måde vil mikrofonen aktivt liste for lyd, og når den hører et kryp, vækker den Cortex-controlleren fra dvaletilstand for at afkode dataene.
6. Hvad ville kommunikationsområdet og nyttelasten for Chirp-kommunikation være?
Med hensyn til rækkevidde afhænger det hele af, hvor højt signalet transmitteres af højttaleren. Jo højere lydstyrken på udsendelsen er, jo længere rækkevidde, det er fordi for at modtage de oplysninger, som mikrofonerne først skulle høre til den. Vi kan kontrollere rækkevidden ganske enkelt ved at kontrollere lydtrykniveauet på den udsendende enhed. I den yderste ende kan du udsende en kvidring til et helt stadion, der sender dine data hundreder af meter væk, eller du kan sænke vores højttalervolumen og sende dine data i et rum.
Med hensyn til datahastigheden er den akustiske kanal støjende, og det er derfor ikke en hastighed, der kunne bruges til at konkurrere med Bluetooth eller Wi-Fi. Vi taler om hundredvis af bits i sekundet og ikke i megabit. Hvilket betyder, at Chirp anbefales til at blive brugt til at sende små data som tokenværdier osv. Vores hurtigste protokoller kører med en 2,5 kb / sek, men disse er til NFC-stilscenarier med kort rækkevidde. Over en meget lang rækkevidde vil datahastigheden være 10 bit pr. Sekund.
7. Da data udveksles ved hjælp af lydbølger, hvordan vil det være immun over for miljøstøj?
Naturligvis er miljøet omkring os utrolig støjende, fra restauranter til industrielle scenarier, baggrundsstøj er altid til stede. Vi kom oprindeligt ud af et research University College London, Computer Science Lab, der primært kiggede på problemet med, hvordan man kunne kommunikere akustisk i et støjende miljø. Og vi har flere ph.d.'er og professorer, der prøver at knække dette problem. Det er her, mange udforskninger fokuserer, og vi har flere patenter på dette område.
Som et bevis på dette har vi fungeret med succes i et atomkraftværk her i Storbritannien. Vi blev bragt af et firma kaldet EDF energy til at sende ultralyds nyttelast over 80 meters rækkevidde i de utroligt øredøvende baggrundsmiljøer op til 100 decibel, som vi har til at bære forsvarere. Alligevel var vi i stand til at opnå 100% dataintegritet over en 18 timers test af udstyret.
8. Hvad er de andre laveffektive hardwareplatforme, der understøttes af Chirp?
Vi har allerede en stabil SDK til ARM Cortex M4 og M7, og derefter arbejder vi på kun at sende SDK til ARM Cortex M0, som er en fastpunktsprocessor, der ikke har nogen flydende punktarkitektur. Vi understøtter også ESP32 gennem Arduino-platformen og er også begyndt at undersøge FPGA-support for ekstremt effektive processer.
9. Hvor bruges chirp i øjeblikket, kan du give os nogle få eksempler på brugssager?
Nærhedsregistrering er en rigtig god applikation. Fordi kun mennesker i nærheden af dig kan høre dine kvidre, kan det bruges som en heuristik for at vide, hvem der er omkring dig. Kirp bruges af en kæmpe social spilplatform kaldet Roblox som en måde for de unge spillere at opdage andre mennesker i nærheden af dem ved effektivt at anvende ultralydssirp. På denne måde kan jeg trække min mobil ud, og den fungerer som et ultralydsfyr, der opdages af andre spillere i lokalet for at indlede en spilsession.
Vi er også ved at starte et partnerskab med et større mødelokalefirma for at hjælpe dem med indendørs navigation ved hjælp af Chirp. Når du går fra rum til rum i en bygning, er det meget vigtigt for din enhed at vide, hvilket rum du er i. Med denne organisation bruger vi kvidre som en måde for din bærbare computer eller mobil til at fortælle, hvilket rum du er i øjeblikket og gør det muligt for dig at oprette forbindelse til et mødelokale.
10. Hvad er licensbetingelserne for Chirps SDK? Hvilken loyalitet er der involveret?
For mindre virksomheder er hobbyister og DIY-producenter Chirp helt gratis op til 10.000 aktive brugere hver måned. Dette er fordi vi virkelig ønsker at se folk, der bruger vores teknologi, og udviklerfællesskabet eksperimenterer med det. Bortset fra det ønsker vi også at støtte små virksomheder. For større virksomheder og kunder har vi en tendens til at opkræve et årligt gebyr