Με το ηλεκτρονικό θόρυβο προς το IoT, την επικοινωνία μεταξύ μηχανών και συσκευών, οι μηχανικοί σχεδίασης αναζητούν συνεχώς ένα βολικό τρόπο τεχνικής επικοινωνίας για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ δύο ηλεκτρονικών συσκευών. Ενώ υπάρχουν ήδη πολλές επιλογές για να διαλέξετε όπως BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox κ.λπ., μια εταιρεία που ονομάζεται Chirp έχει αναπτύξει ένα SDK που επιτρέπει την ανταλλαγή δεδομένων μέσω ήχου χρησιμοποιώντας απλά το ηχείο της συσκευής και το μικρόφωνο χωρίς την ανάγκη φλούδι. Επιπλέον, το SDK είναι ανεξάρτητο από την πλατφόρμα και υποστηρίζει επίσης επικοινωνία δεδομένων χαμηλής ισχύος.
Το SDK κωδικοποιεί τα δεδομένα σε μια μοναδική ροή ήχου και τα αναπαράγει μέσω του ηχείου της συσκευής, στη συνέχεια αυτή η ροή ήχου μπορεί να ληφθεί από οποιαδήποτε συσκευή χρησιμοποιώντας ένα μικρόφωνο και να την αποκωδικοποιήσει, για να λάβει το πραγματικό μήνυμα. Το SDK είναι πλατφόρμα και υποστηρίζει ήδη Android, iOS, Windows και python. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε πλατφόρμες μικροελεγκτών όπως το ARM και υποστηρίζει πλατφόρμα ανάπτυξης όπως ESP32 και Raspberry Pi. Για να μάθετε περισσότερα για το Chirp και τις πιθανές εφαρμογές του, το Circuit Digest προσέγγισε τον Δρ. Daniel Jones - CTO του Chirp, για να συζητήσει μερικές ερωτήσεις. Οι απαντήσεις για τις οποίες περιλαμβάνονται παρακάτω
1. Ποια είναι η τεχνολογία πίσω από το chirp και πώς λειτουργεί;
Το Chirp είναι ένας τρόπος μετάδοσης πληροφοριών χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα. Σε αντίθεση με το Wi-Fi ή το Bluetooth που χρησιμοποιεί ραδιοσυχνότητες, το Chirp κωδικοποιεί δεδομένα σε τόνους που μπορούν να αναπαραχθούν (μεταδοθούν) χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε ηχείο υπολογιστή και να ληφθούν μέσω οποιουδήποτε μικροφώνου υπολογιστή χωρίς να απαιτείται πρόσθετο υλικό όπως τα τσιπ RF. Αυτό επιτρέπει στο Chirp να χρησιμοποιείται σε οποιαδήποτε συσκευή καταναλωτή που διαθέτει ηχείο και μικρόφωνο, όπως κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, σύστημα PA κ.λπ. και μπορεί να μεταδίδει πληροφορίες ακόμη και μέσω της ροής YoutTube ή της τηλεοπτικής μετάδοσης.
Οι κωδικοποιημένοι ηχητικοί ήχοι που παίζονται μέσω του ηχείου είναι ευαίσθητοι στον άνθρωπο και ακούγεται σαν ένα μικρό κομμάτι ψηφιακού τραγουδιού πουλιών, εξ ου και το όνομα "chirp". Αλλά μπορούμε επίσης να εκμεταλλευτούμε το γεγονός ότι το ηχείο του υπολογιστή και το μικρόφωνο μπορούν επίσης να λειτουργήσουν με συχνότητες υπερήχων που δεν ακούγονται στα ανθρώπινα αυτιά, με αυτόν τον τρόπο μπορούμε επίσης να μεταδώσουμε πληροφορίες μέσω ήχου που δεν μπορούμε να ακούσουμε.
2. Με τόσα πολλά πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας γύρω μας, όπως BLE, NFC, RFID, LoRa κ.λπ.. Γιατί χρειαζόμαστε ακόμα chirp; Τι είναι μοναδικό με αυτό;
Ένας λόγος θα είναι η εξαιρετικά χαμηλή τριβή του Chirp. Σε αντίθεση με το Bluetooth ή το Wi-Fi, μπορώ να χρησιμοποιήσω το Chirp για να ξεκινήσω αμέσως μια έως πολλές επικοινωνίες για να μοιραστώ ένα μήνυμα με όλους γύρω μου χωρίς να χρειαστεί να τα συνδυάσω μαζί τους. Είναι πολύ πιο εύκολο να μοιράζεστε κάτι γρήγορα και εύκολα σε όλους γύρω από το δωμάτιο ή γύρω από το τραπέζι. Είναι πολύ βολικό για τη σύνδεση με άτομα που δεν έχω συναντήσει πριν ή για την αλληλεπίδραση με μηχανή που ίσως δεν είχα συναντήσει πριν. Για παράδειγμα, άνοιγμα ενός έξυπνου ντουλαπιού ή κοινή χρήση επαγγελματικής κάρτας κ.λπ.
Εκτός από αυτό, πολλές φορές βλέπουμε επίσης το Chirp να χρησιμοποιείται στην επικοινωνία Peer to Peer. Για παράδειγμα, ο Shuttl μια ινδική εταιρεία λεωφορείων χρησιμοποιεί το Chirp μεταξύ του οδηγού και του επιβάτη για να ελέγξει εάν το άτομο έχει επιβιβαστεί στο λεωφορείο και αν το εισιτήριο του έχει εξαργυρωθεί.
3. Είναι δυνατόν να δημιουργηθεί μια επικοινωνία πλέγματος με το Chirp; Μπορώ να επικοινωνήσω με πολλές συσκευές;
Ναι, ένα από τα βασικά πράγματα που πρέπει να θυμάστε σχετικά με τον ήχο είναι ότι είναι ένας πάρα πολύς τύπος επικοινωνίας, που σημαίνει ότι οτιδήποτε βρίσκεται κοντά στο ακουστικό εύρος του πομπού μας θα ακούσει τον ήχο και θα λάβει τα δεδομένα. Αυτό έχει τόσο πλεονεκτήματα όσο και περιορισμούς. Το πλεονέκτημα είναι ότι είναι πολύ εύκολο για κοινή χρήση πολλαπλών διανομέων. Για πράγματα όπως η δικτύωση πλέγματος θα μπορούσε πιθανότατα να λειτουργήσει, αλλά θα χρειαστείτε μια ακολουθία δεκτών εντός του εύρους ακρόασης του άλλου. Έτσι, συνήθως τείνουμε να χρησιμοποιούμε chirp περισσότερο για ένα έως πολλά σενάρια μετάδοσης.
4. Πώς μπορεί το Chirp να δουλεύει χωρίς καμία παρέμβαση; Αυτό οδηγεί σε προβλήματα ασφάλειας δεδομένων;
Έχουμε μια πολύ μικρή εφαρμογή επίδειξης που ονομάζεται "Chirp Messenger" (διατίθεται σε κατάστημα Android και iOS) που δείχνει πώς λειτουργεί το SDK μας. Για να στείλετε ένα μήνυμα ο χρήστης μπορεί να πληκτρολογήσει το μήνυμα και να πατήσει αποστολή που θα ενσωματώσει το μήνυμα σε έναν ηχητικό τόνο και θα το παίξει μέσω του ηχείου του τηλεφώνου μου. Έτσι, οποιαδήποτε κοντινή συσκευή, η οποία εκτελεί το κιτ προγραμματιστή μας, μπορεί να λάβει αυτούς τους ήχους μέσω μικροφώνου. Αυτοί οι ήχοι ήχου αποκωδικοποιούνται σε συχνότητα συστατικών και η διόρθωση σφαλμάτων εφαρμόζεται για την αντιμετώπιση των επιπτώσεων του θορύβου και της παραμόρφωσης για να ληφθεί το πραγματικό μήνυμα. Με αυτόν τον τρόπο το Chirp είναι εντελώς δωρεάν, το μόνο που χρειάζεται είναι να ακούσετε τους τόνους και να τους αποκωδικοποιήσετε.
Υπάρχουν κάποιες επιπτώσεις στην ασφάλεια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά την αποστολή ευαίσθητων δεδομένων μέσω του Chirp, όπως η τοποθέτηση ορισμένων λειτουργιών ασφαλείας στο υπάρχον πρωτόκολλο. Δεδομένου ότι το Chirp είναι απλώς ένα μέσο μεταφοράς, μπορείτε να ενσωματώσετε οτιδήποτε σε αυτούς τους τόνους. Για παράδειγμα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε κρυπτογράφηση RSA ή AES για να κάνετε τα δεδομένα σας κρυπτογραφημένα πριν τα στείλετε μέσω ενός chip και στη συνέχεια να το αποκρυπτογραφήσετε χρησιμοποιώντας κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού.
5. Είναι το Chirp αρκετά μικρό για χρήση με ενσωματωμένους ελεγκτές χαμηλής ισχύος; Πόση ενέργεια καταναλώνει;
Προσπαθούμε να βελτιστοποιήσουμε το SDK μας όσο το δυνατόν περισσότερο. Έχουμε μια καταπληκτική ενσωματωμένη ομάδα DSP που κόβει κάθε περιττό bits και bytes από τον κώδικα για να μειώσει τον κύκλο της CPU. Ο λόγος για αυτό είναι, ένας από τους μεγάλους τομείς στον οποίο βλέπουμε την πρόσληψη είναι με το ενσωματωμένο τσιπ πεδίου. Ιδιαίτερα αν θέλετε να επικοινωνήσετε με συσκευή IoT χαμηλής ισχύος και χαμηλής προδιαγραφής. Το SDK μας μπορεί ακόμη και να λειτουργεί σε επεξεργαστή ARM Cortex M4 που λειτουργεί με συχνότητα 90Mhz με μνήμη RAM μικρότερη από 100kB.
Οι μετρήσεις ισχύος στους ελεγκτές Cortex-M4, όπως μετρήθηκαν στους πίνακες ανάπτυξης ήταν περίπου 20mA όταν ακούτε ενεργά και λιγότερο από 10uA σε λειτουργία αφύπνισης-ήχου με 90M κύκλους ανά δευτερόλεπτο. Η λειτουργία αφύπνισης ήχου χρησιμοποιεί μικρόφωνα εξαιρετικά χαμηλής ισχύος από έναν κατασκευαστή που ονομάζεται Vesper ο οποίος κάνει μηδενική ισχύ πάντα στο μικρόφωνο. Με αυτόν τον τρόπο το μικρόφωνο θα καταγράφει ενεργά τον ήχο και όταν ακούει ένα chrip θα ξυπνήσει τον ελεγκτή Cortex από τη λειτουργία αναστολής για να αποκωδικοποιήσει τα δεδομένα.
6. Ποιο θα ήταν το εύρος επικοινωνίας και το ωφέλιμο φορτίο για την επικοινωνία Chirp;
Όσον αφορά το εύρος, όλα εξαρτώνται από το πόσο δυνατά μεταδίδεται το σήμα από το ηχείο. Όσο υψηλότερη είναι η ένταση της μετάδοσης τόσο πιο μακριά, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι για να λάβετε τις πληροφορίες που πρέπει να ακούσουν πρώτα τα μικρόφωνα. Μπορούμε να ελέγξουμε το εύρος απλώς ελέγχοντας το επίπεδο ηχητικής πίεσης της συσκευής εκπομπής. Στο βάθος μπορείτε να μεταδώσετε ένα χτύπημα σε ένα ολόκληρο στάδιο που μεταδίδει τα δεδομένα σας εκατοντάδες μέτρα μακριά ή μπορείτε να μειώσετε την ένταση του ηχείου μας να μεταδώσει τα δεδομένα σας σε ένα δωμάτιο.
Όσον αφορά τον ρυθμό δεδομένων, το ακουστικό κανάλι είναι θορυβώδες και ως εκ τούτου δεν είναι ρυθμός που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να ανταγωνιστεί το Bluetooth ή το Wi-Fi. Μιλάμε για εκατοντάδες bit ανά δευτερόλεπτο και όχι σε megabit. Αυτό σημαίνει ότι το Chirp συνιστάται για να χρησιμοποιείται για την αποστολή μικρών δεδομένων, όπως τιμές token κ.λπ. Τα γρηγορότερα πρωτόκολλά μας λειτουργούν με ταχύτητα 2,5kb / sec, αλλά αυτά είναι για σενάρια στυλ NFC μικρής εμβέλειας. Σε πολύ μεγάλο εύρος, ο ρυθμός δεδομένων θα είναι 10 δευτερόλεπτα ανά δευτερόλεπτο.
7. Δεδομένου ότι τα δεδομένα ανταλλάσσονται χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα, πώς θα είναι απρόσβλητο από τον περιβαλλοντικό θόρυβο;
Προφανώς το περιβάλλον γύρω μας είναι απίστευτα θορυβώδες, από τα εστιατόρια έως τα βιομηχανικά σενάρια είναι πάντα ο θόρυβος. Βγήκαμε αρχικά από ένα ερευνητικό University College London, Computer Science Lab το οποίο εξέταζε κυρίως το πρόβλημα του πώς να επικοινωνείτε ακουστικά σε ένα θορυβώδες περιβάλλον. Και έχουμε πολλούς διδακτορικούς και καθηγητές που προσπαθούν να λύσουν αυτό το πρόβλημα. Εδώ επικεντρώνονται πολλές έρευνες και έχουμε πολλά διπλώματα ευρεσιτεχνίας σε αυτόν τον τομέα.
Ως απόδειξη αυτού, έχουμε λειτουργήσει με επιτυχία σε έναν πυρηνικό σταθμό εδώ στο Ηνωμένο Βασίλειο. Μας ζητήθηκε από μια εταιρεία με την επωνυμία EDF για να στείλουμε υπερηχητικά ωφέλιμα φορτία άνω των 80 μέτρων σε απίστευτα εκκωφαντικά περιβάλλοντα περιβάλλοντος έως και 100 ντεσιμπέλ που πρέπει να φορέσουμε υπερασπιστές. Ακόμα καταφέραμε να επιτύχουμε 100% ακεραιότητα δεδομένων σε μια δοκιμή 18 ωρών του εξοπλισμού.
8. Ποιες είναι οι άλλες πλατφόρμες υλικού χαμηλής κατανάλωσης που θα υποστηρίζονται από το Chirp;
Έχουμε ήδη ένα σταθερό SDK για ARM Cortex M4 και M7 και στη συνέχεια εργαζόμαστε για την αποστολή μόνο SDK για ARM Cortex M0 που είναι επεξεργαστής σταθερού σημείου που δεν έχει αρχιτεκτονική κινητής υποδιαστολής. Υποστηρίζουμε επίσης το ESP32 μέσω της πλατφόρμας Arduino και επίσης έχουμε αρχίσει να εξετάζουμε την υποστήριξη FPGA επίσης για εξαιρετικά αποδοτικές διαδικασίες.
9. Πού χρησιμοποιείται το chirp, μπορείτε να μας δώσετε μερικά παραδείγματα περιπτώσεων χρήσης;
Η ανίχνευση εγγύτητας είναι μια πολύ καλή εφαρμογή. Επειδή μόνο τα άτομα που βρίσκονται κοντά σας μπορούν να ακούσουν τις φωνές σας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ευρετική για να γνωρίζει ποιος είναι γύρω σας. Το Chirp χρησιμοποιείται από μια τεράστια πλατφόρμα κοινωνικών τυχερών παιχνιδιών που ονομάζεται Roblox ως τρόπος για τους νέους παίκτες να εντοπίζουν άλλα άτομα που βρίσκονται κοντά τους, χρησιμοποιώντας αποτελεσματικά φουσκώματα υπερήχων. Με αυτόν τον τρόπο μπορώ να βγάλω το κινητό μου και θα λειτουργήσει ως υπερηχητικός φάρος για να ανακαλυφθεί από άλλους παίκτες στην αίθουσα για να ξεκινήσει μια συνεδρία παιχνιδιού.
Πρόκειται επίσης να ξεκινήσουμε μια συνεργασία με μια μεγάλη εταιρεία αίθουσας συσκέψεων για να τους βοηθήσουμε στην πλοήγηση εσωτερικού χώρου χρησιμοποιώντας το Chirp. Καθώς περπατάτε από δωμάτιο σε δωμάτιο σε ένα κτίριο, είναι πολύ σημαντικό για τη συσκευή σας να γνωρίζει σε ποιο δωμάτιο βρίσκεστε. Με αυτόν τον οργανισμό χρησιμοποιούμε chirp ως τρόπο για το φορητό ή το κινητό σας να πείτε σε ποιο δωμάτιο βρίσκεστε αυτήν τη στιγμή και σας επιτρέπουν να κάνετε σύνδεση σε μια αίθουσα συσκέψεων.
10. Ποιοι είναι οι όροι αδειοδότησης για το Chirps SDK; Τι είδους αφοσίωση εμπλέκεται;
Για μικρότερες επιχειρήσεις, οι χόμπι και οι κατασκευαστές DIY Chirp είναι εντελώς δωρεάν έως 10.000 μηνιαίους ενεργούς χρήστες. Αυτό συμβαίνει επειδή θέλουμε πραγματικά να δούμε άτομα που χρησιμοποιούν την τεχνολογία μας και την κοινότητα προγραμματιστών να πειραματίζονται με αυτήν. Εκτός από αυτό θέλουμε επίσης να υποστηρίξουμε τις μικρές επιχειρήσεις. Για μεγαλύτερες επιχειρήσεις και πελάτες τείνουμε να τους χρεώνουμε ένα ετήσιο τέλος