Med elektroniken som surrar mot IoT, Machine to Machine Communication och Connected-enheter är designingenjörer på jakt efter att hitta ett sublimt sätt för kommunikationsteknik för att utbyta information mellan två elektroniska enheter. Även om det redan finns många alternativ att välja på som BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox etc, har ett företag som heter Chirp utvecklat en SDK som möjliggör utbyte av data över ljud genom att helt enkelt använda enhetshögtalaren och mikrofonen utan behov av paring. Dessutom är SDK plattformsoberoende och stöder också datakommunikation med låg effekt.
SDK kodar data till en unik ljudström och spelar upp den genom enhetshögtalaren, den här ljudströmmen kan sedan plockas upp av vilken enhet som helst med en mikrofon och avkoda den för att få det faktiska meddelandet. SDK är plattformsoberoende och stöder redan bland annat Android, iOS, Windows och python. Det kan också användas i mikrokontrollerplattformar som ARM och stöder utvecklingsplattform som ESP32 och Raspberry Pi. För att veta mer om Chirp och dess möjliga tillämpningar kontaktade Circuit Digest Dr. Daniel Jones - CTO för Chirp, för att diskutera några frågor. Svaren för vilka är inkapslade nedan
1. Vad är tekniken bakom kvittrande och hur fungerar det?
Chirp är ett sätt att överföra information med hjälp av ljudvågor. I motsats till Wi-Fi eller Bluetooth som använder radiofrekvenser kodar Chirp data i toner som kan spelas (sändas) med vilken datorhögtalare som helst och tas emot via vilken datormikrofon som helst utan behov av ytterligare hårdvara som RF-chips. Detta gör att Chirp kan användas på alla konsumentenheter som har en högtalare och mikrofon, som mobiltelefoner, bärbara datorer, PA-system etc. och kan överföra information även via YoutTube-ström eller TV-sändning.
De kodade hörbara tonerna som spelas genom högtalaren är mottagliga för människor och det låter som en liten bit digital fågelsång, därav namnet "kvittra". Men vi kan också utnyttja det faktum att datorhögtalare och mikrofon faktiskt också kan arbeta med ultraljudfrekvenser som är ohörliga för mänskliga öron, så kan vi också överföra information över ljud som vi inte kan höra.
2. Med så många trådlösa kommunikationsprotokoll runt omkring oss som BLE, NFC, RFID, LoRa osv. Varför behöver vi fortfarande kvitra? Vad är unikt med det?
En anledning kommer att vara Chirps extremt låga friktion. Till skillnad från Bluetooth eller Wi-Fi kan jag använda Chirp för att omedelbart initiera en till många kommunikation för att dela ett meddelande med alla omkring mig utan att behöva para ihop dem. Det gör det mycket lättare att dela något snabbt och enkelt till alla runt rummet eller runt bordet. Det är mycket praktiskt för att få kontakt med människor jag inte har träffat tidigare eller för att interagera med maskin som jag kanske inte har träffat tidigare. Till exempel att öppna ett smart skåp eller dela ett visitkort etc.
Bortsett från det ser vi mycket tid också att Chirp används i Peer to Peer-kommunikation. Till exempel använder Shuttl ett indiskt bussföretag Chirp mellan bussföraren och passageraren för att kontrollera om personen har gått ombord på bussen och om hans biljett har lösts in.
3. Är det möjligt att skapa en nätkommunikation med Chirp? Kan jag kommunicera med flera enheter?
Ja, en av de viktigaste sakerna att komma ihåg med ljud är att det är en för många typer av kommunikation, vilket betyder att allt i närheten som ligger inom hörbarhetsområdet för vår sändare kommer att höra ljudet och ta emot data. Detta har både fördelar och begränsningar. Fördelen är att det är mycket enkelt för multicast-delning. För saker som nätverksnätverk skulle det möjligen fungera, men du behöver en sekvens av mottagare inom hörselområdet för varandra. Så, vi brukar bruka kvittera mer för en till många sändningsscenarier.
4. Hur kan Chirp fungera utan paring? Leder detta till datasäkerhetsproblem?
Vi har en mycket liten Demo-app som heter "Chirp Messenger" (tillgänglig på Android och iOS-butik) som visar hur vår SDK fungerar. För att skicka ett meddelande kan användaren skriva in meddelandet och trycka på skicka som kommer att bädda in meddelandet i en hörbar ton och spela upp det genom min telefonhögtalare. Så alla enheter i närheten som kör vårt utvecklarpaket kan ta emot dessa ljudsignaler via mikrofonen. Dessa ljudsignaler avkodas till den ingående frekvensen och felkorrigering tillämpas för att motverka effekterna av brus och distorsion för att få det faktiska meddelandet. På det här sättet är Chirp helt paringsfritt, allt som behövs är att höra tonerna och avkoda dem.
Det finns vissa säkerhetsimplikationer som kan användas när du skickar känsliga data genom Chirp, som att lägga vissa säkerhetsfunktioner på det befintliga protokollet. Eftersom Chirp bara är ett överföringsmedium kan du bädda in allt i dessa toner. Du kan till exempel använda RSA- eller AES-kryptering för att göra dina data krypterade innan du skickar dem över ett chip och därefter dekryptera dem med kryptering av public key.
5. Är Chirp tillräckligt liten för att användas med inbyggda regulatorer med låg effekt? Hur mycket ström förbrukar den?
Vi strävar efter att optimera vår SDK så mycket som möjligt. Vi har ett fantastiskt inbäddat DSP-team som skär bort onödiga bitar och byte från koden för att minska CPU-cykeln. Anledningen till det är att ett av de stora områdena där vi ser upptagning är med det inbäddade fältchipet. Speciellt om du vill kommunicera med IoT-enhet med låg effekt och låg specifikation. Vår SDK kan till och med köras på en ARM Cortex M4-processor som körs med en frekvens på 90 MHz med mindre än 100 kB RAM.
Effektmätningarna på Cortex-M4-styrenheter, mätt på våra utvecklingskort var cirka 20 mA när man lyssnade aktivt och mindre än 10uA i wake-on-sound-läge med 90 M cykler per sekund. Wake-on-sound-läget använder supermikrofoner med låg effekt från en tillverkare som heter Vesper som alltid gör noll ström på mikrofonen. På det här sättet kommer mikrofonen att aktivt lista för ljud och när den hör ett kryp, kommer den att väcka Cortex-styrenheten från viloläge för att avkoda data.
6. Vad skulle kommunikationsområdet och nyttolasten för Chirp Communication vara?
När det gäller räckvidd beror allt på hur hög signal sänds av högtalaren. Ju högre sändningsvolymen desto längre räckvidd beror det på att för att få den information som mikrofonerna måste höra först. Vi kan styra räckvidden helt enkelt genom att kontrollera ljudtrycksnivån på den emitterande enheten. I den bortre änden kan du sända en kvittrande till en hel stadion som överför dina data hundratals meter bort eller så kan du sänka vår högtalarvolym överföra dina data i ett rum.
När det gäller datahastigheten är den akustiska kanalen bullrig och därför är det inte en hastighet som kan användas för att konkurrera med Bluetooth eller Wi-Fi. Vi pratar om hundratals bitar per sekund och inte i megabit. Vilket innebär att Chirp rekommenderas för att användas för att skicka små data som tokenvärden etc. Våra snabbaste protokoll körs med 2,5 kb / sek, men dessa är för korta räckviddsscenarier i NFC. Under ett mycket långt intervall skulle datahastigheten vara 10 bitar per sekund.
7. Hur kommer det att vara immun mot miljöbuller eftersom data utbyts med hjälp av ljudvågor?
Självklart är miljön runt oss otroligt bullriga, från restauranger till industriella scenarier är bakgrundsljud alltid närvarande. Vi kom ursprungligen från en forskningsuniversitet College London, datavetenskapslaboratorium som främst tittade på problemet med hur man kommunicerar akustiskt i en bullrig miljö. Och vi har flera doktorer och professorer som försöker knäcka detta problem. Det är här många utforskningar fokuserar och vi har flera patent inom detta område.
Som ett bevis på detta har vi arbetat framgångsrikt i ett kärnkraftverk här i Storbritannien. Vi väcktes av ett företag som heter EDF energy för att skicka ultraljud nyttolaster över 80 meters räckvidd i de otroligt dövande bakgrundsmiljöerna upp till 100 decibel som vi måste bära försvarare. Ändå kunde vi uppnå 100% dataintegritet under ett 18-timmars test av utrustningen.
8. Vilka är de andra hårdvaruplattformarna med låg effekt som kommer att stödjas av Chirp?
Vi har redan en stabil SDK för ARM Cortex M4 och M7 och nästa gång arbetar vi med att skicka endast SDK för ARM Cortex M0, som är en fastpunktsprocessor som inte har någon flytande punktarkitektur. Vi stöder också ESP32 via Arduino-plattformen och har också börjat undersöka FPGA-stöd för extremt effektiva processer.
9. Var används chirp för närvarande, kan du ge oss några exempel på användningsfall?
Närhetsdetektering är en riktigt bra applikation. Eftersom bara människor nära dig kan höra dina kvittrar kan det användas som en heuristik för att veta vem som finns omkring dig. Chirp används av en enorm social spelplattform som heter Roblox som ett sätt för de unga spelarna att upptäcka andra människor i närheten av dem, med hjälp av ultraljud. På det här sättet kan jag dra ut min mobil och den fungerar som ett ultraljud för att upptäckas av andra spelare i rummet för att starta en spelsession.
Vi håller också på att inleda ett partnerskap med ett stort mötesrumföretag för att hjälpa dem med inomhusnavigering med Chirp. När du går från rum till rum i en byggnad är det ganska viktigt för din enhet att veta vilket rum du befinner dig i. Med den här organisationen använder vi kvittra som ett sätt för din bärbara dator eller mobil att berätta vilket rum du befinner dig för närvarande och gör det möjligt för dig att ansluta till ett mötesrum.
10. Vilka är licensvillkoren för Chirps SDK? Vilken typ av lojalitet handlar det om?
För mindre företag är hobbyister och DIY-tillverkare Chirp helt gratis upp till 10 000 aktiva användare varje månad. Detta beror på att vi verkligen vill se människor som använder vår teknik och utvecklargemenskapen experimenterar med den. Bortsett från det vill vi också stödja småföretag. För större företag och kunder tenderar vi att debitera dem en årsavgift