Angesichts der Tatsache, dass die Elektronik auf IoT, Machine-to-Machine-Kommunikation und verbundene Geräte ausgerichtet ist, sind Konstrukteure ständig auf der Suche nach einem großartigen Kommunikationsmodus für den Informationsaustausch zwischen zwei elektronischen Geräten. Während es bereits viele Optionen zur Auswahl gibt, wie BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox usw., hat ein Unternehmen namens Chirp ein SDK entwickelt, das den Austausch von Daten über Ton ermöglicht, indem einfach der Gerätelautsprecher und das Mikrofon verwendet werden, ohne dass dies erforderlich ist Schälchen. Darüber hinaus ist das SDK plattformunabhängig und unterstützt auch die Datenkommunikation mit geringem Stromverbrauch.
Das SDK codiert die Daten in einen eindeutigen Audiostream und spielt sie über den Gerätelautsprecher ab. Dieser Audiostream kann dann von jedem Gerät mit einem Mikrofon aufgenommen und decodiert werden, um die eigentliche Nachricht zu erhalten. Das SDK ist plattformübergreifend und unterstützt unter anderem bereits Android, iOS, Windows und Python. Es kann auch in Mikrocontroller-Plattformen wie ARM verwendet werden und unterstützt Entwicklungsplattformen wie ESP32 und Raspberry Pi. Um mehr über Chirp und seine möglichen Anwendungen zu erfahren, wandte sich Circuit Digest an Dr. Daniel Jones - CTO von Chirp, um einige Fragen zu besprechen. Die Antworten, für die unten gekapselt ist
1. Was ist die Technologie hinter Chirp und wie funktioniert es?
Zwitschern ist eine Möglichkeit, Informationen mithilfe von Schallwellen zu übertragen. Im Gegensatz zu Wi-Fi oder Bluetooth, das Radiofrequenzen verwendet, codiert Chirp Daten in Tönen, die mit jedem Computerlautsprecher abgespielt (gesendet) und über jedes Computermikrofon empfangen werden können, ohne dass zusätzliche Hardware wie RF-Chips erforderlich ist. Auf diese Weise kann Chirp auf jedem Consumer-Gerät verwendet werden, auf dem sich ein Lautsprecher und ein Mikrofon befinden, z. B. Mobiltelefone, Laptops, PA-Systeme usw., und Informationen können sogar über YoutTube-Streams oder TV-Sendungen übertragen werden.
Die codierten hörbaren Töne, die über den Lautsprecher abgespielt werden, sind für Menschen anfällig und es klingt wie ein kleines Stück digitales Vogellied, daher der Name „Zwitschern“. Wir können aber auch die Tatsache ausnutzen, dass Computerlautsprecher und Mikrofon tatsächlich auch mit Ultraschallfrequenzen arbeiten können, die für menschliche Ohren nicht hörbar sind. Auf diese Weise können wir auch Informationen über Geräusche übertragen, die wir nicht hören können.
2. Bei so vielen drahtlosen Kommunikationsprotokollen wie BLE, NFC, RFID, LoRa usw. Warum brauchen wir immer noch Zwitschern? Was ist daran einzigartig?
Ein Grund wird die extrem geringe Reibung von Chirp sein. Im Gegensatz zu Bluetooth oder Wi-Fi kann ich mit Chirp sofort eine bis mehrere Kommunikationen initiieren, um eine Nachricht mit allen um mich herum zu teilen, ohne mich mit ihnen koppeln zu müssen. Es macht es viel einfacher, schnell und einfach etwas an alle im Raum oder am Tisch weiterzugeben. Es ist sehr praktisch, um mit Leuten in Kontakt zu treten, die ich vorher noch nicht getroffen habe, oder um mit Maschinen zu interagieren, die ich vorher vielleicht noch nicht getroffen habe. Zum Beispiel ein Smart Locker öffnen oder eine Visitenkarte teilen usw.
Abgesehen davon wird Chirp häufig auch in der Peer-to-Peer-Kommunikation eingesetzt. Zum Beispiel verwendet Shuttl, ein indisches Busunternehmen, Chirp zwischen Busfahrer und Beifahrer, um zu überprüfen, ob die Person in den Bus eingestiegen ist und ob ihr Ticket eingelöst wurde.
3. Ist es möglich, eine Netzkommunikation mit Chirp einzurichten? Kann ich mit mehreren Geräten kommunizieren?
Ja, eines der wichtigsten Dinge, an die Sie sich beim Ton erinnern sollten, ist, dass es sich um eine zu viele Art von Kommunikation handelt. Das bedeutet, dass alles in der Nähe, was sich im hörbaren Bereich unseres Senders befindet, den Ton hört und die Daten empfängt. Dies hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Der Vorteil ist, dass es für die Multicast-Freigabe sehr einfach ist. Für Dinge wie Mesh-Networking würde es möglicherweise funktionieren, aber Sie würden eine Folge von Empfängern innerhalb des Hörbereichs voneinander benötigen. Normalerweise tendieren wir dazu, Chirp für ein bis viele Broadcast-Szenarien häufiger zu verwenden.
4. Wie kann Chirp ohne Schälung arbeiten? Führt dies zu Datensicherheitsproblemen?
Wir haben eine sehr kleine Demo-App namens "Chirp Messenger" (erhältlich im Android- und iOS-Store), die zeigt, wie unser SDK funktioniert. Um eine Nachricht zu senden, kann der Benutzer die Nachricht eingeben und auf Senden drücken, wodurch die Nachricht in einen hörbaren Ton eingebettet und über meinen Telefonlautsprecher abgespielt wird. Jedes Gerät in der Nähe, auf dem unser Entwickler-Kit ausgeführt wird, kann diese Audiotöne über ein Mikrofon empfangen. Diese Audiotöne werden auf die konstituierende Frequenz decodiert und eine Fehlerkorrektur wird angewendet, um den Auswirkungen von Rauschen und Verzerrungen entgegenzuwirken und die tatsächliche Nachricht zu erhalten. Auf diese Weise ist Chirp völlig frei von Paring. Alles, was benötigt wird, ist, die Töne zu hören und sie zu dekodieren.
Es gibt einige Sicherheitsaspekte, die beim Senden vertraulicher Daten über Chirp verwendet werden können, z. B. das Überlagern einiger Sicherheitsfunktionen auf das vorhandene Protokoll. Da Chirp nur ein Übertragungsmedium ist, können Sie alles in diese Töne einbetten. Beispielsweise können Sie Ihre Daten mithilfe der RSA- oder AES-Verschlüsselung verschlüsseln, bevor Sie sie über einen Chip senden und anschließend mithilfe der Kryptografie mit öffentlichem Schlüssel entschlüsseln.
5. Ist Chirp klein genug, um mit eingebetteten Controllern mit geringem Stromverbrauch verwendet zu werden? Wie viel Strom verbraucht es?
Wir bemühen uns, unser SDK so weit wie möglich zu optimieren. Wir haben ein erstaunliches eingebettetes DSP-Team, das alle unnötigen Bits und Bytes aus dem Code herausschneidet, um den CPU-Zyklus zu verkürzen. Der Grund dafür ist, dass einer der großen Bereiche, in denen wir eine Aufnahme sehen, der eingebettete Feldchip ist. Insbesondere, wenn Sie mit einem IoT-Gerät mit geringem Stromverbrauch und geringer Spezifikation kommunizieren möchten. Unser SDK kann sogar auf einem ARM Cortex M4-Prozessor mit einer Frequenz von 90 MHz und weniger als 100 KB RAM ausgeführt werden.
Die Leistungsmessungen an Cortex-M4-Controllern, die auf unseren Entwicklungsplatinen gemessen wurden, betrugen beim aktiven Hören etwa 20 mA und im Wake-on-Sound-Modus mit 90 M Zyklen pro Sekunde weniger als 10 uA. Der Wake-on-Sound-Modus verwendet Mikrofone mit sehr geringem Stromverbrauch von einem Hersteller namens Vesper, der das Mikrofon immer mit null Strom versorgt. Auf diese Weise listet das Mikrofon aktiv nach Ton auf und wenn es ein Chrip hört, weckt es den Cortex-Controller aus dem Ruhemodus, um die Daten zu dekodieren.
6. Wie groß wären die Kommunikationsreichweite und die Nutzlast für Chirp Communication?
In Bezug auf die Reichweite hängt alles davon ab, wie laut das Signal vom Lautsprecher übertragen wird. Je höher die Lautstärke der Sendung, desto weiter die Reichweite. Dies liegt daran, dass die Mikrofone zuerst die Informationen hören müssen, um sie zu empfangen. Wir können den Bereich ganz einfach steuern, indem wir den Schalldruckpegel des emittierenden Geräts steuern. Am anderen Ende können Sie ein Zwitschern an ein ganzes Stadion senden und Ihre Daten in Hunderten von Metern Entfernung übertragen, oder Sie können die Lautstärke unserer Lautsprecher verringern, um Ihre Daten in einem Raum zu übertragen.
In Bezug auf die Datenrate ist der akustische Kanal verrauscht und daher keine Rate, die verwendet werden könnte, um mit Bluetooth oder Wi-Fi zu konkurrieren. Wir sprechen von Hunderten von Bits pro Sekunde und nicht in Megabit. Dies bedeutet, dass Chirp zum Senden kleiner Daten wie Token-Werte usw. empfohlen wird. Unsere schnellsten Protokolle werden mit 2,5 KBit / s ausgeführt. Dies gilt jedoch für NFC-Szenarien mit kurzer Reichweite. Über einen sehr großen Bereich würde die Datenrate 10 Bit pro Sekunde betragen.
7. Da Daten über Schallwellen ausgetauscht werden, wie sind sie gegen Umgebungsgeräusche immun?
Offensichtlich ist die Umgebung um uns herum unglaublich laut, von Restaurants bis hin zu industriellen Szenarien sind immer Hintergrundgeräusche vorhanden. Wir kamen ursprünglich aus einem Forschungsuniversitätslabor des University College London, Computer Science Lab, das sich hauptsächlich mit dem Problem befasste, wie man in einer lauten Umgebung akustisch kommuniziert. Und wir haben mehrere Doktoranden und Professoren, die versuchen, dieses Problem zu lösen. Hier konzentrieren sich viele unserer Forschungen und wir haben mehrere Patente in diesem Bereich.
Als Beweis dafür haben wir hier in Großbritannien erfolgreich in einem Kernkraftwerk gearbeitet. Wir wurden von einer Firma namens EDF Energy beauftragt, Ultraschall-Nutzlasten über 80 Meter Reichweite in den unglaublich ohrenbetäubenden Hintergrundumgebungen mit bis zu 100 Dezibel zu senden, die wir als Verteidiger tragen müssen. Trotzdem konnten wir über einen 18-stündigen Test der Geräte eine 100% ige Datenintegrität erreichen.
8. Welche anderen Hardwareplattformen mit geringem Stromverbrauch werden von Chirp unterstützt?
Wir haben bereits ein stabiles SDK für ARM Cortex M4 und M7 und als nächstes arbeiten wir daran, nur SDK für ARM Cortex M0 zu senden, einen Festkommaprozessor ohne Gleitkomma-Architektur. Wir unterstützen auch ESP32 über die Arduino-Plattform und haben begonnen, die FPGA-Unterstützung auch für äußerst effiziente Prozesse zu untersuchen.
9. Wo wird derzeit Chirp verwendet? Können Sie uns einige Anwendungsbeispiele nennen?
Die Näherungserkennung ist eine wirklich gute Anwendung. Da nur Menschen in Ihrer Nähe Ihr Zwitschern hören können, kann es als Heuristik verwendet werden, um zu wissen, wer in Ihrer Nähe ist. Chirp wird von einer riesigen Social-Gaming-Plattform namens Roblox verwendet, um jungen Spielern die Möglichkeit zu geben, andere Personen in ihrer Nähe mithilfe von Ultraschall-Chirps zu erkennen. Auf diese Weise kann ich mein Handy herausziehen und es fungiert als Ultraschallbake, die von anderen Spielern im Raum entdeckt wird, um eine Spielesitzung zu starten.
Wir sind auch dabei, eine Partnerschaft mit einem großen Unternehmen für Besprechungsräume einzugehen, um ihnen bei der Navigation in Innenräumen mit Chirp zu helfen. Wenn Sie in einem Gebäude von Raum zu Raum gehen, ist es für Ihr Gerät sehr wichtig zu wissen, in welchem Raum Sie sich befinden. Bei dieser Organisation verwenden wir Chirp, damit Ihr Laptop oder Mobiltelefon erkennen kann, in welchem Raum Sie sich gerade befinden und Damit können Sie eine Verbindung zu einem Besprechungsraum herstellen.
10. Wie lauten die Lizenzbedingungen für das Chirps SDK? Um welche Art von Loyalität handelt es sich?
Für kleinere Unternehmen, Bastler und Heimwerker ist Chirp bis zu 10.000 monatlich aktive Benutzer völlig kostenlos. Dies liegt daran, dass wir wirklich möchten, dass Menschen, die unsere Technologie nutzen, und die Entwicklergemeinde damit experimentieren. Abgesehen davon wollen wir auch kleine Unternehmen unterstützen. Für größere Unternehmen und Kunden berechnen wir in der Regel eine jährliche Gebühr