Với sự bùng nổ của thiết bị điện tử hướng tới IoT, Giao tiếp giữa máy với máy và các thiết bị được kết nối, các kỹ sư thiết kế đang không ngừng săn lùng để tìm ra một phương thức kỹ thuật giao tiếp siêu phàm để trao đổi thông tin giữa hai thiết bị điện tử. Mặc dù đã có rất nhiều tùy chọn để lựa chọn như BLE, NFC, RFID, LoRa, Sigfox, v.v., một công ty có tên Chirp đã phát triển một SDK cho phép trao đổi dữ liệu qua âm thanh bằng cách sử dụng loa và micrô của thiết bị mà không cần gọt giũa. Trên hết, SDK độc lập với nền tảng và cũng hỗ trợ giao tiếp dữ liệu năng lượng thấp.
SDK mã hóa dữ liệu thành một luồng âm thanh duy nhất và phát qua loa của thiết bị, luồng âm thanh này sau đó có thể được bất kỳ thiết bị nào sử dụng micrô thu và giải mã để thu được thông báo thực tế. SDK là nền tảng chéo và đã hỗ trợ Android, iOS, Windows và python trong số những người khác. Nó cũng có thể được sử dụng trong các nền tảng vi điều khiển như ARM và hỗ trợ nền tảng phát triển như ESP32 và Raspberry Pi. Để biết thêm về Chirp và các ứng dụng khả thi của nó, Circuit Digest đã tiếp cận Tiến sĩ Daniel Jones - CTO của Chirp, để thảo luận về một số câu hỏi. Câu trả lời được gói gọn bên dưới
1. Công nghệ đằng sau chirp là gì và nó hoạt động như thế nào?
Chirp là một cách để truyền thông tin bằng cách sử dụng sóng âm thanh. Ngược lại với Wi-Fi hoặc Bluetooth sử dụng tần số Radio, Chirp mã hóa dữ liệu bằng âm có thể được phát (truyền) bằng bất kỳ loa máy tính nào và nhận qua bất kỳ micrô máy tính nào mà không cần phải có bất kỳ phần cứng bổ sung nào như chip RF. Điều này cho phép Chirp được sử dụng trên bất kỳ thiết bị tiêu dùng nào có loa và micrô, như điện thoại di động, Máy tính xách tay, hệ thống PA, v.v. và có thể truyền thông tin ngay cả qua luồng YoutTube hoặc chương trình phát sóng TV.
Âm thanh được mã hóa phát qua loa dễ bị con người tác động và nó giống như một bản nhạc nhỏ của tiếng chim kỹ thuật số, do đó có tên là "chirp". Nhưng chúng ta cũng có thể khai thác thực tế rằng loa máy tính và micrô thực sự cũng có thể hoạt động với tần số siêu âm mà tai người không thể nghe được, bằng cách này chúng ta cũng có thể truyền thông tin qua âm thanh mà chúng ta không thể nghe thấy.
2. Với rất nhiều giao thức truyền thông không dây xung quanh chúng ta như BLE, NFC, RFID, LoRa, vv.. Tại sao chúng ta vẫn cần chirp? Điều gì là độc đáo với nó?
Một lý do sẽ là ma sát cực kỳ thấp của Chirp. Không giống như Bluetooth hoặc Wi-Fi, tôi có thể sử dụng Chirp để bắt đầu ngay lập tức một đến nhiều liên lạc để chia sẻ tin nhắn với mọi người xung quanh mà không cần phải ghép nối với họ. Nó giúp bạn dễ dàng chia sẻ điều gì đó một cách nhanh chóng và dễ dàng với mọi người xung quanh phòng hoặc xung quanh bàn. Nó rất hữu ích để kết nối với những người tôi chưa gặp trước đây hoặc để tương tác với máy mà tôi có thể chưa gặp trước đây. Ví dụ như mở một tủ khóa thông minh hoặc chia sẻ danh thiếp, v.v.
Ngoài ra, rất nhiều thời gian chúng ta cũng thấy Chirp cũng được sử dụng trong Giao tiếp ngang hàng. Ví dụ, Shuttl một công ty xe buýt Ấn Độ đang sử dụng Chirp giữa tài xế xe buýt và hành khách để kiểm tra xem người đó đã lên xe buýt chưa và vé của họ đã được đổi chưa.
3. Có thể thiết lập giao tiếp lưới với Chirp không? Tôi có thể giao tiếp với nhiều thiết bị không?
Vâng, một trong những điều quan trọng cần nhớ về âm thanh đó là nó là một kiểu giao tiếp quá nhiều, có nghĩa là bất cứ thứ gì gần đó nằm trong phạm vi nghe được của máy phát của chúng ta sẽ nghe thấy âm thanh và sẽ nhận được dữ liệu. Điều này có cả ưu điểm và hạn chế. Ưu điểm là rất dễ dàng cho việc chia sẻ đa hướng. Đối với những thứ như kết nối mạng lưới, nó có thể hoạt động, nhưng bạn sẽ cần một chuỗi các bộ thu trong phạm vi thính giác của nhau. Vì vậy, thông thường chúng ta có xu hướng sử dụng chirp nhiều hơn cho một đến nhiều kịch bản phát sóng.
4. Làm thế nào để Chirp có thể hoạt động mà không cần bất kỳ sự phân tách nào? Điều này có dẫn đến các vấn đề bảo mật dữ liệu không?
Chúng tôi có một ứng dụng Demo rất nhỏ gọi là “Chirp Messenger” (có sẵn trên cửa hàng Android và iOS) hiển thị cách SDK của chúng tôi hoạt động. Để gửi tin nhắn, người dùng có thể nhập tin nhắn và nhấn gửi. Thao tác này sẽ nhúng tin nhắn vào một âm có thể nghe được và phát nó qua loa điện thoại của tôi. Vì vậy, bất kỳ thiết bị nào ở gần, đang chạy bộ công cụ dành cho nhà phát triển của chúng tôi, đều có thể nhận các âm thanh này thông qua micrô. Những âm thanh này được giải mã thành tần số cấu thành và việc sửa lỗi được áp dụng để chống lại tác động của tiếng ồn và biến dạng để thu được thông điệp thực tế. Bằng cách này Chirp hoàn toàn miễn phí tất cả những gì cần thiết là nghe các âm và giải mã chúng.
Có một số hàm ý bảo mật có thể được sử dụng khi gửi dữ liệu nhạy cảm thông qua Chirp, như phân lớp một số tính năng bảo mật vào giao thức hiện có. Vì Chirp chỉ là một phương tiện truyền tải, bạn có thể nhúng bất cứ thứ gì vào những âm đó. Ví dụ: bạn có thể sử dụng mã hóa RSA hoặc AES để làm cho dữ liệu của bạn được mã hóa trước khi gửi qua chip và sau đó giải mã bằng mật mã khóa công khai.
5. Chirp có đủ nhỏ để sử dụng với bộ điều khiển nhúng công suất thấp không? Nó tiêu thụ bao nhiêu điện năng?
Chúng tôi cố gắng tối ưu hóa SDK của mình nhiều nhất có thể. Chúng tôi có một nhóm DSP nhúng tuyệt vời, những người đã cắt mọi bit và byte không cần thiết khỏi mã để giảm chu kỳ CPU. Lý do cho điều đó là, một trong những lĩnh vực lớn mà chúng ta đang thấy sự hấp dẫn là với chip trường nhúng. Đặc biệt nếu bạn muốn giao tiếp với thiết bị IoT công suất thấp và thông số kỹ thuật thấp. SDK của chúng tôi thậm chí có thể chạy trên bộ xử lý ARM Cortex M4 chạy ở tần số 90Mhz với RAM dưới 100kB.
Các phép đo công suất trên bộ điều khiển Cortex-M4, như được đo trên bảng phát triển của chúng tôi là khoảng 20mA khi nghe tích cực và dưới 10uA ở chế độ bật âm thanh với 90M chu kỳ mỗi giây. Chế độ bật âm thanh sử dụng micrô công suất siêu thấp của một nhà sản xuất có tên là Vesper, chế độ này luôn bật micrô bằng không. Bằng cách này, micrô sẽ chủ động liệt kê âm thanh và khi nghe thấy tiếng kêu, micrô sẽ đánh thức bộ điều khiển Cortex từ chế độ ngủ để giải mã dữ liệu.
6. Phạm vi giao tiếp và tải trọng cho Truyền thông Chirp là gì?
Về phạm vi, tất cả phụ thuộc vào độ lớn tín hiệu được truyền bởi loa. Âm lượng của chương trình phát sóng càng cao thì phạm vi càng xa, điều này là do để nhận được thông tin, micrô sẽ phải nghe nó trước. Chúng ta có thể kiểm soát phạm vi khá đơn giản bằng cách kiểm soát mức áp suất âm thanh của thiết bị phát ra. Ở đầu xa, bạn có thể phát tiếng kêu vang tới toàn bộ sân vận động truyền dữ liệu của bạn ở cách xa hàng trăm mét hoặc bạn có thể giảm âm lượng loa của chúng tôi để truyền dữ liệu của bạn trong phòng.
Về tốc độ dữ liệu, kênh âm thanh bị nhiễu và do đó nó không phải là tốc độ có thể được sử dụng để cạnh tranh với Bluetooth hoặc Wi-Fi. Chúng ta đang nói về hàng trăm bit mỗi giây chứ không phải tính bằng megabit. Điều đó có nghĩa là Chirp được khuyến nghị sử dụng để gửi dữ liệu nhỏ như giá trị mã thông báo, v.v. Các giao thức nhanh nhất của chúng tôi chạy ở tốc độ 2,5kb / giây, nhưng đây là các giao thức kiểu NFC phạm vi ngắn. Trong một phạm vi rất dài, tốc độ dữ liệu sẽ là 10 bit mỗi giây.
7. Vì dữ liệu được trao đổi bằng cách sử dụng sóng âm thanh, nó sẽ miễn nhiễm với tiếng ồn môi trường như thế nào?
Rõ ràng là môi trường xung quanh chúng ta là vô cùng ồn ào, từ nhà hàng đến các kịch bản công nghiệp tiếng ồn xung quanh luôn hiện diện. Ban đầu chúng tôi đến từ Phòng thí nghiệm Khoa học Máy tính thuộc Đại học College London, nơi chủ yếu xem xét vấn đề làm thế nào để giao tiếp âm thanh trong một môi trường ồn ào. Và chúng tôi có nhiều Tiến sĩ và Giáo sư đang cố gắng giải quyết vấn đề này. Đây là nơi tập trung rất nhiều nghiên cứu và chúng tôi đã có nhiều bằng sáng chế trong lĩnh vực này.
Minh chứng cho điều này, chúng tôi đã vận hành thành công một nhà máy điện hạt nhân tại Vương quốc Anh. Chúng tôi đã được một công ty gọi là năng lượng EDF điều hành để gửi các trọng tải siêu âm trên phạm vi 80 mét trong môi trường nền cực kỳ chói tai lên đến 100 decibel mà chúng tôi phải mặc đồ bảo vệ. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn có thể đạt được tính toàn vẹn dữ liệu 100% trong suốt 18 giờ kiểm tra thiết bị.
8. Các nền tảng phần cứng năng lượng thấp khác sẽ được Chirp hỗ trợ là gì?
Chúng tôi đã có SDK ổn định cho ARM Cortex M4 và M7 và tiếp theo, chúng tôi đang làm việc để chỉ gửi SDK cho ARM Cortex M0, một bộ xử lý điểm cố định không có kiến trúc dấu chấm động. Chúng tôi cũng hỗ trợ ESP32 thông qua nền tảng Arduino và cũng đã bắt đầu xem xét hỗ trợ FPGA cho các quy trình cực kỳ hiệu quả.
9. Chirp hiện đang được sử dụng ở đâu, bạn có thể cho chúng tôi một vài trường hợp sử dụng ví dụ không?
Phát hiện khoảng cách là một ứng dụng thực sự tốt. Bởi vì chỉ những người ở gần bạn mới có thể nghe thấy tiếng líu lo của bạn nên nó có thể được sử dụng như một phương pháp khám phá để biết ai đang ở xung quanh bạn. Chirp được một nền tảng trò chơi xã hội khổng lồ có tên Roblox sử dụng như một cách để các game thủ trẻ phát hiện những người khác ở gần họ, sử dụng hiệu quả các tiếng kêu siêu âm. Bằng cách này, tôi có thể rút điện thoại di động của mình ra và nó sẽ hoạt động như một đèn hiệu siêu âm để những người chơi khác trong phòng phát hiện ra để bắt đầu phiên chơi trò chơi.
Chúng tôi cũng sắp bắt đầu hợp tác với một công ty phòng họp lớn để giúp họ điều hướng trong nhà bằng Chirp. Khi bạn đi bộ từ phòng này sang phòng khác trong một tòa nhà, điều khá quan trọng là thiết bị của bạn phải biết bạn đang ở phòng nào. Với tổ chức này, chúng tôi đang sử dụng chirp như một cách để máy tính xách tay hoặc thiết bị di động của bạn biết bạn hiện đang ở phòng nào và cho phép bạn kết nối với phòng họp.
10. Các điều khoản cấp phép cho Chirps SDK là gì? Loại trung thành nào có liên quan?
Đối với doanh nghiệp nhỏ hơn, những người có sở thích và nhà sản xuất DIY Chirp hoàn toàn miễn phí cho tối đa 10.000 người dùng hoạt động hàng tháng. Điều này là do chúng tôi thực sự muốn thấy mọi người sử dụng công nghệ của chúng tôi và cộng đồng nhà phát triển thử nghiệm với nó. Ngoài ra, chúng tôi cũng muốn hỗ trợ doanh nghiệp nhỏ. Đối với các doanh nghiệp và khách hàng lớn hơn, chúng tôi có xu hướng tính phí hàng năm cho họ