Hur man använder Matter för att koppla samman automatiseringsöar i smarta hem

Konstruktörer av trådlösa automationsenheter i smarta hem utmanas av bristen på bred interoperabilitet som begränsar tillväxten av trådlösa ekosystem i smarta hem. Enheterna Amazon Alexa, Apple HomeKit och Google Assistent arbetar exempelvis i sina egna automatiseringsöar för närvarande. Detsamma gäller i varierande grad för Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave och andra trådlösa IoT-protokoll (Internet of Things).

Att konstruera enheter med flera protokoll är en möjlig lösning, men det kräver komplicerade konstruktioner och förlänger utvecklingsprocessen med ökade kostnader för enheten som följd. Dessutom kan enheter med flera protokoll endast delvis koppla samman automatiseringsöarna i smarta hem eftersom de olika protokollen har olika metoder för att implementera säkerhet och integritet för användarna, vilket ytterligare försvårar dess utformning och genomförande.

För att lösa dessa problem kan konstruktörer använda sig av specifikationen Matter 1.0 från Connectivity Standards Alliance för att koppla ihop automatiseringsöarna och öka nyttan av IoT-nätverk i smarta hem. Programsviten Matter är även konstruerad för att förenkla driftsättningen av nya enheter och tillhandahålla omfattande säkerhet och integritet.

Artikeln inleds med en kort översikt av Matter som ett CHIP-projekt (Connected Home over IP) inom Zigbee Alliance och dess utveckling till dess nuvarande position inom Connectivity Standards Alliance (CSA). Därefter granskas Matters programvarustack på applikationsnivå som ligger ovanpå protokoll som Ethernet, WiFi, Bluetooth och Thread. Den undersöker även Matters verktyg för säkerhet och integritet. Avslutningsvis presenteras flera utvärderingssatser och utvecklingskort från NXP Semiconductors, tillsammans med tillhörande microcontrollers (MCU:er) som kan påskynda konstruktionen av interoperabla trådlösa enheter för smarta hem med hjälp av Matter.

Matter uppstår ur CHIP

Ett typiskt smart hem kan ha över 100 IoT-enheter som använder över 20 protokoll, vilket skapar ett nätverkens Babels torn där de olika automatiseringsöarna arbetar isolerat (figur 1). Projektet CHIP lanserades i december 2019 av Zigbee Alliance för att utveckla en gemensam programsvit och ansluta dessa öar. CHIP blev ett viktigt fokus för alliansen, som bytte namn till CSA, och projektet CHIP bytte namn till Matter. Matter bygger på Internetprotokollet (IP) och erbjuds som en programspecifikation med öppen källkod som är fri från royalty. Medlemskap i arbetsgruppen för CSA och Matter krävs för att erhålla de immateriella rättigheterna att använda Matter. Projektet Matter har även definierat certifieringskrav och upprättat en rad oberoende testlaboratorier så att man kan verifiera att enheter uppfyller kraven.

Figur 1: Ett typiskt smart hem kan ha över 100 IoT-enheter som använder över 20 olika protokoll, vilket skapar många automatiseringsöar. (Bildkälla: NXP)

Var passar Matter in?

Matter bygger på IP-lagret och använder det som ett gemensamt språk för att kommunicera med IP-baserade nätverk som Ethernet, Thread och WiFi. Genom att använda IPv6 kan Matter kommunicera med enheter utan att behöva en översättare. Matter ligger under enhetens applikationslager och ovanpå TCP-lagret (Transmission Control Protocol), via vilket det är kopplat till kommunikationsstackens IP-lager. Matter är en interoperabel lösning på applikationslagernivå som är uppbyggd med sex funktionslager under applikationslagret, inklusive datamodellen, interaktionsmodellen, åtgärdsramar, säkerhet, meddelanderamar och routning samt IP-ramar och transporthantering. Lagret för transporthantering hanterar länkarna för enskilda protokoll. I sin första version har Matter stöd för Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) och WiFi. Arbete pågår redan för att utöka anslutningsmöjligheterna i nätverket (figur 2).

Figur 2: Matter använder IPv6 för att kommunicera med WiFi-, Thread-, BLE- och Ethernet-enheter, vilket eliminerar behovet av dedikerade översättare. (Bildkälla: NXP)

Att garantera säker drift är en viktig del i installationer med Matter. Matter kombinerar en autentiseringskod och kryptering för att upprätthålla meddelandets konfidentialitet och noggrannhet och för att autentisera datakällan. Den använder AES 128 cipher block chaining message authentication code (CCM)-kryptering med 128-bitars AES cipher block chaining (CBC) för säkerheten. Dessutom används en princip om djupliggande försvar för att tillhandahålla de lämpligaste säkerhets- och integritetsnivåerna för enskilda enheter. Tillvägagångssättet med lager optimerar resursutnyttjandet och säkerställer kommunikationens tillgänglighet, integritet och konfidentialitet.

Hur ser ett Matter-nätverk ut?

Matter förvaltas av CSA och är licensierat enligt Apache 2.0. CSA upprätthåller även ett bibliotek med standardimplementationer och program som medlemmarna kan använda för att stödja utvecklingen av egna enheter som är kompatibla med Matter. Säkerheten och användarnas integritet är en viktig fråga för Matter, och biblioteket garanterar att säkerheten implementeras på ett enhetligt sätt i hela systemet med Matter-enheter. När det gäller hårdvara omfattar Matter slutnoder, kantnoder, gateways (även kallade styrenheter), bryggor och gränsroutrar. Det kan uppstå förvirring eftersom både gateways och gränsroutrar ibland kallas för "hubbar" (figur 3). När du är osäker på en enhet är det bästa sättet att förtydliga den specifika funktionen hos en "hubb".

Figur 3: Matter-nätverk innehåller gateways, bryggor och gränsroutrar för att tillhandahålla anslutningar mellan olika lokala nätverk och Internet. (Bildkälla: NXP)

• Gateways - En Matter-gateway har stöd för fjärråtkomst till Matter-enheter genom att tillhandahålla en anslutning till internet. Vissa redan befintliga enheter som hubbar för smarta hem från SmartThings, Amazon och Google kan få programuppdateringar som gör dem till Matter-gateways. Matter är specificerat så att det kan existera med tillverkarens kommunikationsfunktioner, som t.ex. molnanslutningar eller fjärrkontroller, så att dessa enheter fortfarande kan använda sina befintliga kommunikationsfunktioner även när de fungerar som en del av ett Matter-nätverk.
• Bryggor - Matter-bryggor används för att ansluta Matter-nätverk till närliggande trådlösa nätverk. Enheter som inte är Matter-kompatibla kan arbeta via en brygga och fungera sömlöst i ett Matter-nätverk. Bryggor förväntas även påskynda införandet av Matter genom att göra det möjligt att enkelt integrera noder och nätverk som inte är kompatibla med Matter i en större Matter-nätverksstruktur. Vissa befintliga enheter kan uppdateras och bli Matter-kompatibla, vilket gör det möjligt att integrera dem direkt i ett Matter-nätverk utan att ansluta dem via en brygga.
• Gränsroutrar - Gränsroutrar är särskilt utformade för att integrera Thread-nätverk och enheter som rörelse-, dörr- och fönstersensorer i ett Matter-nätverk. Thread är ett energisnålt trådlöst IP-protokoll som körs på det fysiska lagret i IEEE 802.15.4 (PHY). Eftersom 802.15.4 inte är kompatibelt med WiFi är det mer komplicerat att uppdatera en enhet så att den blir en gränsrouter. Detta kommer att förändras. Tillverkare som NXP har lanserat enheter som kombinerar stöd för Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 och 802.15.4, vilket förenklar utformningen av gränsroutrar och andra Matter-enheter. Förutom att koppla ihop nätverk har vissa gränsroutrar ett gränssnitt för styrning av smarta hem.

Konstruktion av element i Matter-nätverk

För att bygga ett Matter-nätverk krävs flera olika typer av enheter, inklusive slutnoder som sensorer och ställdon, kantnoder som smart belysning, smarta lås och styrningar för luftbehandling (HVAC) samt en rad gateways, gränsroutrar och bryggor för att knyta ihop allt. NXP erbjuder ett komplett utbud av utvecklingshårdvara för alla typer av element i Matter-nätverket, tillsammans med omfattande material på GitHub, inklusive stöd för Matter-plattformen och tillämpningsexempel för att påskynda utvecklingsprocessen (tabell 1).

Tabell 1: Utvalda utvecklingsmiljöer för Matter-plattformar som erbjuds av NXP. (tabellkälla: NXP, ändrad av författaren)

Slutnod

Utvecklare av Matter-plattformar för slutnoder kan dra nytta av utvecklingsmiljön IOTZTB-DK06 och en K32W0x MCU-plattform, som t.ex. K32W041AZ (figur 4). Miljön omfattar den hård- och mjukvara som krävs för att skapa fristående slutnoder och ett demonstrationsnätverk med tre enheter - inklusive en styrbrygga, en switchnod och en belysnings-/sensornod.

MCU:erna K32W041AZ specialkonstruerade med en Arm® Cortex®-M4 MCU med 640 Kbytes inbyggt flashminne och 152 Kbyte SRAM för att driva nästa generations trådlösa enheter med extremt låg strömförbrukning, flera protokoll och stöd för BLE 5.0 och Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Förutom den extremt låga strömförbrukningen vid sändning och mottagning kan dessa MCU:er stödja komplicerade tillämpningar och radiobaserade uppdateringar (OTA) utan externt minne.

Figur 4: Plattformen IOTZTB-DK06 omfattar en switchnod (vänster), en styrbrygga (mitten) och en belysnings-/sensornod (höger). (Bildkälla: NXP)

Kantnod

i.MX RT1170 EVK är en integrerad utvecklingsplattform för Matter-kantnoder. Utvärderingssatsen är byggd på ett kretskort med sex lager och genomgående hål för bättre elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), och det innehåller viktiga komponenter och gränssnitt för att påskynda utvecklingsprojekt (figur 5). Den baseras på Crossover MCU-familjen i.MX RT1170, som inkluderar MIMXRT1176CVM8A, och kan kombineras med IOTZTB-DK06 enligt vad som beskrivs ovan. Den dubbelkärniga i.MX RT1170 har en Cortex-M7-kärna på 1 GHz och en Arm Cortex M4-kärna på 400 MHz. Den har stöd för flera avancerade säkerhetsfunktioner, bland annat:

• Säker uppstart
• Inline-krypteringsmotor (IEE)
• Direkt AES-dekryptering (OTFAD)
• Högeffektiv kryptografi
• Aktiv och passiv sabotagedetektering

Figur 5: i.MX RT1170 EVK kan användas för utveckling av kantnodsenheter med Matter. (Bildkälla: NXP)

MIMXRT1170-EVK kan dessutom användas tillsammans med utvecklingssatsen OM-A5000ARD Arduino för implementering av säkerhet. Den här utvecklingssatsen för Arduino är baserad på A5000, en säker IoT-autentiserare som är färdig att använda och som innehåller en förtroenderot på kretsnivå. A5000 kan lagra och tillhandahålla autentiseringsuppgifter och utföra kryptografiska åtgärder för att skydda viktig kommunikation och autentisering. Den är konstruerad för att användas i en rad olika användningsfall för IoT-säkerhet, som t.ex. autentisering mellan enheter, säker anslutning till offentliga/privata moln och skydd mot förfalskningar. För att stödja snabb utveckling av säkerhetslösningar levereras A5000 med förinstallerad programvara för autentisering av program och säkerhet.

Gateways, gränsrouters och bryggor

När det behövs mer komplicerade konstruktioner som gateways, gränsroutrar och bryggor kan konstruktörer använda sig av i.MX 8M Mini EVKB. Utvärderingskortet har stöd för i.MX 8M Mini Applications Processor-familjen, som t.ex. MIMX8MM5CVTKZAA från NXP (figur 6).

Figur 6: i.MX 8M Mini EVKB stöder utvecklingen av Matter-gateways, gränsroutrar och broar. (Bildkälla: NXP)

Mini-applikationsprocessorn i.MX 8M har ett brett utbud av möjligheter när det gäller systemanslutning och flexibilitet för minnesgränssnitt, vilket gör den lämplig både för konsumenttillämpningar och inbäddade industriella tillämpningar som är rika på medier, och för allmänna tillämpningar som inte är rika på medier och kräver energieffektivitet och hög prestanda.

Utvärderingskortet 8MMINILPD4-EVKB kan användas tillsammans med IOTZTB-DK006 och OM-A5000ARD, som beskrivs ovan. Genom att lägga till uppgraderingskorten K32W061 och en USB-dongel kan ett litet trådlöst Matter-nätverk snabbt byggas upp för testning och utveckling av tillämpningar med flera protokoll.

Sammanfattning

Interoperabilitet är avgörande för slutanvändare av IoT-enheter, oavsett leverantör, plattform eller ekosystem. Matter är en programspecifikation med öppen källkod som konstruerats särskilt för att koppla samman de många automatiseringsöarna i smarta hemmiljöer, samtidigt som säkerhet och integritet garanteras. Som visats tidigare, består Matter-nätverk av en mängd olika enheter, bland annat slutnoder, kantnoder, gateways, gränsroutrar och bryggor. För konstruktörer som snabbt vill sätta igång med en konstruktion erbjuder NXP ett omfattande utbud av utvecklingsplattformar för mjuk- och hårdvara för hela sortimentet av Matter-enheter.

Rekommenderad läsning

1. Hur man minskar strömförbrukningen i konstruktioner med röstgränssnitt som alltid är påslagna