Cum să utilizați Matter pentru a conecta insulele pentru automatizarea caselor inteligente

Proiectanții de dispozitive wireless de automatizare a caselor inteligente se confruntă cu o lipsă de interoperabilitate la scară largă, ce limitează creșterea ecosistemelor wireless pentru casele inteligente. Dispozitivele Amazon Alexa, Apple HomeKit și Google Assistant, de exemplu, funcționează în prezent în propriile insule de automatizare. Același lucru este valabil, în diferite grade, pentru Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave și alte protocoale wireless pentru Internetul lucrurilor (IoT).

Proiectarea dispozitivelor multiprotocol este o soluție potențială, dar necesită proiecte complexe care prelungesc procesul de dezvoltare și cresc costul dispozitivului. În plus, dispozitivele multiprotocol pot conecta doar parțial insulele de automatizare a caselor inteligente, deoarece diferitele protocoale au abordări diferite în ceea ce privește implementarea securității și confidențialității pentru utilizatori, ceea ce complică și mai mult proiectarea și implementarea acestora.

Pentru a rezolva aceste probleme, proiectanții pot folosi specificația Matter 1.0 de la Connectivity Standards Alliance pentru a conecta insulele de automatizare și pentru a spori utilitatea rețelelor IoT pentru case inteligente. De asemenea, suita de software Matter este concepută pentru a simplifica punerea în funcțiune a noilor dispozitive și pentru a oferi securitate și confidențialitate complete.

Acest articol începe cu o scurtă prezentare generală a originilor Matter ca proiect Connected Home over IP (CHIP) al Alianței Zigbee și a evoluției sale până la poziția sa actuală în cadrul Connectivity Standards Alliance (CSA). Apoi, analizează stiva de software Matter pe nivel de aplicații, care se află deasupra unor protocoale precum Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth și Thread. De asemenea, analizează instrumentele de securitate și confidențialitate de la Matter. Articolul se încheie cu o prezentare a mai multor kituri de evaluare și plăci de dezvoltare de la NXP Semiconductors, împreună cu microcontrolerele (MCU) asociate, care pot accelera proiectarea dispozitivelor interoperabile wireless pentru case inteligente, care utilizează Matter.

Matter este creat pe bază de CHIP

O casă inteligentă tipică poate avea peste 100 de dispozitive IoT care utilizează peste 20 de protocoale, creând un turn de rețea gigant în care diferitele insule de automatizare funcționează izolat (Figura 1). Proiectul CHIP a fost lansat în decembrie 2019 de Alianța Zigbee pentru a dezvolta o suită software comună și a conecta insulele. CHIP a devenit un obiectiv major al Alianței, care și-a schimbat numele în CSA, iar proiectul CHIP a fost redenumit Matter. Matter se bazează pe protocolul de internet (IP) și este oferit ca o specificație software open-source, ce nu conține drepturi de autor. Pentru a obține drepturile de proprietate intelectuală pentru utilizarea Matter este necesară apartenența la CSA și la grupul de lucru Matter. De asemenea, proiectul Matter a definit cerințele de certificare și a stabilit o serie de laboratoare de testare independente, astfel ca dispozitivele să poată fi verificate ca fiind conforme.

Figura 1: o casă inteligentă tipică poate avea peste 100 de dispozitive IoT care utilizează peste 20 de protocoale diferite, creând numeroase insule de automatizare. (Sursă imagine: NXP)

Unde se încadrează Matter?

Matter este construit pe stratul IP și îl folosește ca limbaj comun pentru a comunica cu rețelele bazate pe IP, cum ar fi Ethernet, Thread și Wi-Fi. Prin utilizarea IPv6, Matter poate comunica cu dispozitivele fără a avea nevoie de un traducător. Matter se află sub stratul de aplicație al dispozitivului și deasupra stratului protocolului de control al transmisiei (TCP), prin intermediul căruia face legătura cu stratul IP din stiva de comunicații. Matter este o soluție interoperabilă pentru stratul de aplicație, construită cu șase straturi funcționale sub stratul de aplicație, inclusiv cu modelul de date, modelul de interacțiune, încadrarea acțiunilor, securitatea, încadrarea și direcționarea mesajelor, precum și încadrarea IP și gestionarea transportului. Stratul de gestionare a transportului se ocupă de legăturile cu protocoalele individuale. În versiunea sa inițială, Matter acceptă Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) și Wi-Fi. Se lucrează deja la extinderea conectivității rețelei sale (Figura 2).

Figura 2: Matter utilizează IPv6 pentru a comunica cu dispozitivele Wi-Fi, Thread, BLE și Ethernet, eliminând necesitatea unor traducători dedicați. (Sursă imagine: NXP)

Garantarea unei funcționări sigure este un element-cheie în cadrul implementărilor Matter. Matter combină un cod de autentificare și criptarea pentru a menține confidențialitatea și acuratețea mesajelor și pentru a autentifica sursa de date. Acesta utilizează standardul de criptare avansată (AES) 128 pentru criptarea cu cod de autentificare a mesajelor (CCM) în lanț de blocuri de cifru AES pe 128 de biți (CBC) pentru securitate. În plus, utilizează un principiu de apărare în profunzime pentru a oferi cele mai adecvate niveluri de securitate și confidențialitate pentru dispozitivele individuale. Abordarea stratificată optimizează utilizarea resurselor și asigură disponibilitatea, integritatea și confidențialitatea comunicațiilor.

Cum arată o rețea Matter?

Matter este administrat de CSA și este licențiat sub Apache 2.0. De asemenea, CSA menține o bibliotecă de implementări și aplicații standard pe care membrii o pot utiliza pentru a sprijini dezvoltarea propriilor dispozitive conforme cu Matter. Securitatea și confidențialitatea utilizatorilor reprezintă un obiectiv major al Matter, iar biblioteca asigură uniformitatea implementării securității în tot universul de dispozitive Matter. În ceea ce privește hardware-ul, Matter include noduri terminale, noduri periferice, gateway-uri (denumite și controlere), punți și routere de margine. Pot apărea confuzii, deoarece atât gateway-urile, cât și routerele de margine sunt uneori denumite „hub-uri” (Figura 3). În cazul în care aveți îndoieli cu privire la un dispozitiv, cea mai bună practică este să clarificați funcția specifică a oricărui „hub”.

Figura 3: rețelele Matter includ gateway-uri, punți și routere de margine pentru a asigura conectivitatea între diferite rețele locale și conectivitatea la internet. (Sursă imagine: NXP)

• Gateway-uri – Un gateway Matter susține accesul de la distanță la dispozitivele Matter prin furnizarea unei conexiuni la internet. Unele dispozitive preexistente, cum ar fi hub-urile pentru case inteligente de la SmartThings, Amazon și Google, pot primi actualizări de software care le transformă în gateway-uri Matter. Matter este specificat astfel încât să poată exista cu funcționalitatea de comunicații furnizată de producător, cum ar fi conexiunile cloud sau comenzile de la distanță, permițând acestor dispozitive să își folosească în continuare capacitățile de comunicații existente chiar și atunci când funcționează ca parte a unei rețele Matter.
• Punți – Punțile Matter sunt utilizate pentru a conecta rețelele Matter cu rețelele wireless din apropiere. Dispozitivele care nu sunt compatibile cu Matter pot opera prin intermediul unei punți și pot funcționa fără probleme cu o rețea Matter. De asemenea, se așteaptă ca punțile să accelereze adoptarea Matter, permițând nodurilor și rețelelor care nu sunt compatibile cu Matter să fie integrate cu ușurință într-o structură de rețea Matter mai mare. Unele dispozitive existente pot fi actualizate și pot deveni compatibile cu Matter, permițând integrarea directă într-o rețea Matter fără a fi conectate prin intermediul unei punți.
• Routere de margine – Routerele de margine sunt special concepute pentru a integra într-o rețea Matter rețelele și dispozitivele Thread, cum ar fi senzorii de mișcare, de ușă și de fereastră. Thread este un protocol IP wireless cu consum redus de energie care funcționează pe stratul fizic (PHY) IEEE 802.15.4. Deoarece 802.15.4 nu este compatibil cu Wi-Fi, actualizarea unui dispozitiv pentru a deveni un router de margine este mai complicată. Acest lucru este pe cale să se schimbe. Producători precum NXP au introdus dispozitive care combină suportul pentru Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 și 802.15.4 care simplifică proiectarea routerelor de margine și a altor dispozitive Matter. Pe lângă conectarea rețelelor, unele routere de margine au o interfață pentru comenzile caselor inteligente.

Proiectarea elementelor de rețea Matter

Construirea unei rețele Matter necesită mai multe tipuri de dispozitive, inclusiv noduri terminale, cum ar fi senzorii și dispozitivele de acționare, noduri periferice, cum ar fi iluminatul inteligent, încuietorile inteligente și comenzile de încălzire, ventilare și climatizare (HVAC), precum și o gamă de gateway-uri, routere de margine și punți pentru a le lega pe toate împreună. NXP oferă o gamă completă de hardware de dezvoltare pentru fiecare tip de element de rețea Matter, împreună cu materiale extinse pe GitHub, inclusiv suport pentru platforma Matter și exemple de aplicații pentru a accelera procesul de dezvoltare (Tabelul 1).

Tabelul 1: mediile de dezvoltare selectate pentru platformele Matter oferite de NXP. (Sursa tabelului: NXP, modificat de autor)

Nodul terminal

Dezvoltatorii de platforme Matter pentru nodul terminal pot utiliza mediul de dezvoltare IOTZTB-DK06 folosind o platformă MCU K32W0x, cum ar fi K32W041AZ (Figura 4). Mediul include hardware-ul și software-ul necesare pentru a crea noduri terminale autonome și o rețea demonstrativă cu trei unități – inclusiv o punte de control, un nod de comutare și un nod de lumină/senzor.

MCU-urile K32W041AZ sunt proiectate special cu un MCU Arm® Cortex®-M4 cu 640 kiloocteți (Kbytes) de memorie flash integrată și 152 Kbytes de memorie statică cu acces aleatoriu (SRAM) pentru a alimenta următoarea generație de dispozitive fără fir multiprotocol cu curent ultra-redus și acceptă BLE 5.0 și Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Pe lângă consumul de energie de transmisie și recepție ultra-redus, aceste MCU-uri pot accepta aplicații complexe și actualizări over-the-air (OTA) fără memorie externă.

Figura 4: platforma IOTZTB-DK06 include un nod de comutare (stânga), o punte de control (centru) și un nod de lumină/senzor (dreapta). (Sursă imagine: NXP)

Nod periferic

i.MX RT1170 EVK oferă o platformă de dezvoltare integrată pentru nodurile periferice Matter. Acest kit de evaluare este construit pe o placă de circuite imprimate cu șase straturi, cu componente cu orificii de trecere pentru o mai bună performanță în ceea ce privește compatibilitatea electromagnetică (CEM), și include componente și interfețe cheie pentru a accelera proiectele de dezvoltare (Figura 5). Acesta se bazează pe familia de MCU i.MX RT1170 Crossover, care include MIMXRT1176CVM8A, și poate fi combinat cu IOTZTB-DK06 descris mai sus. i.MX RT1170 cu două nuclee funcționează pe baza nucleului Cortex-M7 la 1 gigahertz (GHz) și Arm Cortex-M4 la 400 megahertzi (MHz). Acceptă mai multe caracteristici avansate de securitate, printre care:

• Inițializare securizată
• Motor de criptare în linie (IEE)
• Decriptare AES din mers (OTFAD)
• Criptografie de înaltă performanță
• Detectarea activă și pasivă a manipulării neautorizate

Figura 5: i.MX RT1170 EVK poate fi utilizat pentru dezvoltarea de dispozitive Matter cu nod periferic. (Sursă imagine: NXP)

În plus, MIMXRT1170-EVK poate fi utilizat cu kitul de dezvoltare Arduino OM-A5000ARD pentru implementarea securității. Acest kit de dezvoltare Arduino se bazează pe A5000, un autentificator IoT securizat și gata de utilizare care include un sistem root-of-trust la nivel de circuit integrat. A5000 poate stoca și furniza în siguranță date de conectare și poate efectua operațiuni criptografice pentru securitatea comunicațiilor și autentificării critice. Acesta este conceput pentru a fi utilizat într-o serie de cazuri de utilizare a securității IoT, cum ar fi autentificarea între dispozitive, conectarea securizată la cloud-uri publice/private și protecția împotriva contrafacerilor. Pentru a sprijini dezvoltarea rapidă a soluțiilor de securitate, A5000 vine cu software preinstalat pentru autentificarea și securitatea aplicațiilor.

Gateway-uri, routere de margine și punți

Atunci când este nevoie de proiecte mai complexe, cum ar fi gateway-uri, routere de margine și punți, proiectanții pot utiliza i.MX 8M Mini EVKB. Această placă de evaluare este compatibilă cu familia de mini procesoare de aplicații i.MX 8M, cum ar fi MIMX8MM5CVTKZAA de la NXP (Figura 6).

Figura 6: i.MX 8M Mini EVKB susține dezvoltarea de gateway-uri Matter, routere de margine și punți. (Sursă imagine: NXP)

Mini-procesorul de aplicații i.MX 8M are o gamă largă de capabilități în ceea ce privește conectivitatea sistemului și flexibilitatea interfeței de memorie, ceea ce îl face potrivit atât pentru aplicații industriale integrate și de consum cu cantitate mare de conținut media, cât și pentru aplicații generale care nu au mult conținut media și care necesită eficiență energetică și performanțe ridicate.

Placa de evaluare 8MMINILPD4-EVKB poate fi utilizată împreună cu IOTZTB-DK006 și OM-A5000ARD, descrise mai sus. Adăugarea plăcilor de upgrade K32W061 și a unui dongle USB permite asamblarea rapidă a unei mici rețele Matter wireless pentru testarea și dezvoltarea de aplicații multiprotocol.

Concluzie

Interoperabilitatea este esențială pentru utilizatorii finali ai dispozitivelor IoT, indiferent de furnizor, platformă sau ecosistem. Matter este o specificație software open-source concepută special pentru a conecta numeroasele insule de automatizare din mediile caselor inteligente, asigurând în același timp securitatea și confidențialitatea. După cum s-a arătat, o rețea Matter este formată dintr-o varietate de dispozitive, inclusiv noduri terminale, noduri periferice, gateway-uri, routere de margine și punți. Pentru proiectanții care doresc să demareze rapid un proiect, NXP oferă o gamă extinsă de platforme de dezvoltare software și hardware pentru întreaga gamă de dispozitive Matter.

Lectură recomandată

1. Cum să reduceți consumul de energie în proiectele de interfețe vocale mereu active