С бръмчането на електрониката към IoT, Machine to Machine Communication и свързаните устройства, дизайнерските инженери непрекъснато търсят, за да намерят възвишен режим на комуникационна техника за обмен на информация между две електронни устройства. Въпреки че вече има много опции, от които можете да избирате като BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox и т.н., компания, наречена Chirp, е разработила SDK, която позволява обмен на данни върху звук чрез просто използване на високоговорителя на устройството и микрофона, без да е необходимо раздяла. На всичкото отгоре SDK е независим от платформата и също така поддържа комуникация с данни с ниска мощност.
SDK кодира данните в уникален аудио поток и ги възпроизвежда през високоговорителя на устройството, след което този аудио поток може да бъде прибран от всяко устройство с помощта на микрофон и да го декодира, за да получи действителното съобщение. SDK е междуплатформен и вече поддържа Android, iOS, Windows и python, наред с други. Може да се използва и в микроконтролерни платформи като ARM и поддържа платформа за разработка като ESP32 и Raspberry Pi. За да научи повече за Chirp и възможните му приложения, Circuit Digest се обърна към д-р Даниел Джоунс - технически директор на Chirp, за да обсъди няколко въпроса. Отговорите за това са капсулирани по-долу
1. Каква е технологията, която стои зад чуруликането и как работи?
Чуруликането е начин за предаване на информация чрез звукови вълни. За разлика от Wi-Fi или Bluetooth, които използват радиочестоти, Chirp кодира данни в тонове, които могат да се възпроизвеждат (предават) с помощта на всеки компютърен високоговорител и да се приемат чрез всеки компютърен микрофон, без да е необходим допълнителен хардуер като RF чипове. Това позволява Chirp да се използва на всяко потребителско устройство, в което има високоговорител и микрофон, като мобилни телефони, лаптопи, PA система и т.н., и може да предава информация дори чрез YoutTube поток или телевизионно излъчване.
Кодираните звукови тонове, възпроизведени през високоговорителя, са податливи на хората и звучи като малко парче дигитална песен на птици, откъдето идва и името „цвърчене“. Но можем също така да използваме факта, че компютърните високоговорители и микрофонът всъщност могат да работят и с ултразвукови честоти, които не се чуват за човешките уши, като по този начин можем да предаваме и информация чрез звук, който не можем да чуем.
2. С толкова много безжични комуникационни протоколи около нас като BLE, NFC, RFID, LoRa и др. Защо все още се нуждаем от чуруликане? Какво е уникалното с него?
Една от причините ще бъде изключително ниското триене на Chirp. За разлика от Bluetooth или Wi-Fi, мога да използвам Chirp, за да инициирам незабавно комуникация от един до много, за да споделя съобщение с всички около мен, без да се налага да се сдвоявам с тях. Улеснява много бързото и лесно споделяне на нещо с всички около стаята или около масата. Това е много удобно за свързване с хора, които не съм срещал преди, или за взаимодействие с машина, която може би не съм срещал преди. Например отваряне на интелигентно шкафче или споделяне на визитка и т.н.
Отделно от това, много време виждаме и Chirp, използван в Peer to Peer Communication. Например Shuttl, индийска автобусна компания, използва Chirp между водача на автобуса и пътника, за да провери дали лицето се е качило на автобуса и дали билетът му е изкупен.
3. Възможно ли е да настроите мрежова комуникация с Chirp? Мога ли да общувам с множество устройства?
Да, едно от ключовите неща, които трябва да запомните за звука, е, че това е твърде много тип комуникация, което означава, че всичко наблизо, което е в звуковия обхват на нашия предавател, ще чуе звука и ще получи данните. Това има както предимства, така и ограничения. Предимството е, че е много лесно за мултикаст споделяне. За неща като мрежова мрежа би могло да работи, но ще ви е необходима последователност от приемници в обхвата на слуха един от друг. Така че, обикновено сме склонни да използваме чуруликане повече за един до много сценарии на излъчване.
4. Как може Chirp да работи без никакви раздяла? Това води ли до проблеми със сигурността на данните?
Имаме много малко демонстрационно приложение, наречено „Chirp Messenger“ (налично в магазините за Android и iOS), което показва как работи нашият SDK. За да изпратите съобщение, потребителят може да напише съобщението и да натисне изпрати, което ще вгради съобщението в звуков тон и ще го пусне през високоговорителя на телефона ми. Така че всяко устройство наблизо, което изпълнява нашия комплект за разработчици, може да приема тези аудио тонове чрез микрофон. Тези аудио тонове се декодират до съставна честота и се прилага корекция на грешки за противодействие на ефектите от шума и изкривяванията, за да се получи действителното съобщение. По този начин Chirp напълно се освобождава, всичко, което е необходимо, е да чуете тоновете и да ги декодирате.
Има някои последици за сигурността, които могат да се използват при изпращане на чувствителни данни чрез Chirp, като наслояване на някои функции за сигурност върху съществуващия протокол. Тъй като Chirp е само преносна среда, можете да вградите всичко в тези тонове. Например можете да използвате RSA или AES криптиране, за да направите данните си криптирани, преди да ги изпратите през чип и след това да ги дешифрирате с помощта на криптография с публичен ключ.
5. Дали Chirp е достатъчно малък, за да се използва с вградени контролери с ниска мощност? Колко енергия консумира?
Стремим се да оптимизираме нашия SDK възможно най-много. Имаме невероятен вграден екип за DSP, който отрязва всички ненужни битове и байтове от кода, за да намали цикъла на процесора. Причината за това е, че една от големите области, в които наблюдаваме поглъщане, е с вградения полев чип. Особено ако искате да комуникирате с IoT устройство с ниска мощност и ниски спецификации. Нашият SDK може дори да работи на ARM Cortex M4 процесор, работещ на честота 90Mhz с по-малко от 100kB RAM.
Измерванията на мощността на контролерите Cortex-M4, измерени на нашите платки за разработка, бяха около 20mA при активно слушане и по-малко от 10uA в режим на събуждане при звук с 90M цикъла в секунда. Режимът „събуждане при звук“ използва микрофони със супер ниска мощност от производител, наречен Vesper, който прави нулева мощност винаги включена в микрофона. По този начин микрофонът ще бъде активно включен в списъка за звук и когато чуе разчупване, той ще събуди контролера на Cortex от режим на заспиване, за да декодира данните.
6. Какъв би бил обхватът на комуникация и полезният товар за Chirp Communication?
По отношение на обхвата всичко зависи от това колко силно се предава сигналът от високоговорителя. Колкото по-голям е обемът на излъчването, толкова по-голям е обхватът, това е така, защото за да получат информацията, която първо трябва да чуят микрофоните. Можем да контролираме обхвата съвсем просто, като контролираме нивото на звуковото налягане на излъчващото устройство. В далечния край можете да излъчвате чуруликане на цял стадион, предавайки вашите данни на стотици метри или можете да намалите силата на звука на високоговорителя, да предавате вашите данни в стая.
По отношение на скоростта на предаване на данни, акустичният канал е шумен и следователно не е скорост, която може да се използва, за да се конкурира с Bluetooth или Wi-Fi. Говорим за стотици битове в секунда, а не в мегабити. Което означава, че Chirp се препоръчва да се използва за изпращане на малки данни, като стойности на символи и т.н. В много дълъг диапазон скоростта на предаване на данни ще бъде 10 бита в секунда.
7. Тъй като данните се обменят с помощта на звукови вълни, как ще бъдат защитени от шума в околната среда?
Очевидно средата около нас е невероятно шумна - от ресторанти до индустриални сценарии фоновият шум винаги присъства. Първоначално излязохме от изследователския университетски колеж в Лондон, лаборатория по компютърни науки, който разглеждаше предимно проблема как да общуваме акустично в шумна среда. И имаме множество доктори и професори, които се опитват да разрешат този проблем. Тук се фокусират много изследователски изследвания и имаме множество патенти в тази област.
Като доказателство за това работихме успешно в атомна електроцентрала тук, във Великобритания. Бяхме привлечени от компания, наречена EDF energy, за изпращане на ултразвукови полезни товари над 80 метра в невероятно оглушителна фонова среда до 100 децибела, които трябва да носим защитници. И все пак успяхме да постигнем 100% цялост на данните за 18-часов тест на оборудването.
8. Кои са другите хардуерни платформи с ниска мощност, които ще се поддържат от Chirp?
Вече имаме стабилен SDK за ARM Cortex M4 и M7 и по-нататък работим по изпращане само на SDK за ARM Cortex M0, който е процесор с фиксирана точка, който няма архитектура с плаваща запетая. Ние също така поддържаме ESP32 чрез платформата Arduino и също така започнахме да разглеждаме поддръжката на FPGA, както и изключително ефективни процеси.
9. Къде в момента се използва чуруликането, можете ли да ни дадете няколко примера за използване?
Откриването на близост е наистина добро приложение. Тъй като само хората в близост до вас могат да чуят чуруликането ви, то може да се използва като евристика, за да знаете кой е около вас. Chirp се използва от огромна платформа за социални игри, наречена Roblox, като начин за младите геймъри да откриват други хора наблизо до тях, като ефективно използват ултразвукови чуруликания. По този начин мога да извадя мобилния си телефон и той ще действа като ултразвуков маяк, който ще бъде открит от други играчи в стаята, за да започне игрална сесия.
Предстои ни също така да стартираме партньорство с голяма компания за заседателни зали, за да им помогнем с вътрешната навигация, използвайки Chirp. Докато се разхождате от стая в стая в сграда, за вашето устройство е много важно да знаете в коя стая се намирате. С тази организация ние използваме чуруликане като начин за вашия лаптоп или мобилен телефон да разбере в коя стая се намирате в момента и ви позволяват да осъществите връзка със стаята за срещи.
10. Какви са лицензионните условия за Chirps SDK? За какъв вид лоялност става дума?
За по-малкия бизнес, любителите и създателите на „направи си сам“ Chirp е напълно безплатен до 10 000 активни потребители месечно. Това е така, защото ние наистина искаме да видим хората, използващи нашата технология, и общността на разработчиците да експериментират с нея. Освен това искаме да подкрепим и малкия бизнес. За по-големи предприятия и клиенти сме склонни да им начисляваме годишна такса