Wykorzystanie standardu Matter do łączenia wysp inteligentnej automatyki domowej

Projektanci bezprzewodowych urządzeń automatyki do domów inteligentnych stoją przed wyzwaniem, jakim jest brak szerokiej interoperacyjności, co ogranicza rozwój bezprzewodowych ekosystemów domów inteligentnych. Na przykład urządzenia Amazon Alexa, Apple HomeKit i Google Assistant działają obecnie na własnych wyspach automatyki. To samo dotyczy w różnym stopniu protokołów Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave i innych bezprzewodowych protokołów Internetu rzeczy (IoT).

Projektowanie urządzeń wieloprotokołowych jest potencjalnym rozwiązaniem, ale wymaga skomplikowanych projektów, co wydłuża proces rozwoju i zwiększa koszt urządzenia. Ponadto urządzenia wieloprotokołowe mogą tylko częściowo łączyć wyspy inteligentnej automatyki domowej, ponieważ różne protokoły mają różne podejścia do wdrażania zabezpieczeń i prywatności użytkowników, co dodatkowo komplikuje ich projektowanie i wdrażanie.

Aby rozwiązać te problemy, projektanci mogą skorzystać ze specyfikacji Matter 1.0 opracowanej przez Connectivity Standards Alliance, aby połączyć wyspy automatyki i zwiększyć użyteczność inteligentnych domowych sieci Internetu rzeczy (IoT). Pakiet oprogramowania Matter ma również za zadanie uprościć przekazywanie do użytkowania nowych urządzeń oraz zapewnić kompleksowe zabezpieczenia i prywatność.

Artykuł rozpoczyna się od krótkiego omówienia początków standardu Matter jako projektu Connected Home over IP (CHIP) organizacji Zigbee Alliance oraz jego ewolucji do obecnego stanu w ramach Connectivity Standards Alliance (CSA). Następnie przechodzi on do omówienia stosu oprogramowania warstwy aplikacji Matter, która leży nad protokołami takimi jak Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth i Thread. Artykuł zwraca również uwagę na narzędzia standardu Matter związane z zabezpieczeniami i ochroną prywatności. Na zakończenie przedstawiono kilka zestawów ewaluacyjnych i płytek rozwojowych firmy NXP Semiconductors wraz z powiązanymi mikrokontrolerami (MCU), które mogą przyspieszyć projektowanie interoperacyjnych bezprzewodowych urządzeń domów inteligentnych wykorzystujących standard Matter.

Źródłem standardu Matter jest projekt CHIP

Typowy dom inteligentny może zawierać ponad 100 urządzeń Internetu rzeczy (IoT) wykorzystujących ponad 20 protokołów, co tworzy sieciową wieżę Babel, w której różne wyspy automatyki działają w izolacji (ilustracja 1). Projekt CHIP został uruchomiony w grudniu 2019 roku przez Zigbee Alliance w celu opracowania wspólnego pakietu oprogramowania i łączenia wysp. Projekt CHIP stał się głównym przedmiotem zainteresowania porozumienia Alliance, które zmieniło nazwę na CSA, a projekt CHIP został przemianowany na Matter. Standard Matter opiera się na protokole internetowym (IP) i jest oferowany jako specyfikacja oprogramowania otwartoźródłowego, które jest wolne od opłat licencyjnych. Członkostwo w CSA i grupie roboczej Matter jest wymagane do uzyskania praw własności intelektualnej do korzystania ze standardu Matter. W ramach projektu Matter zdefiniowano również wymagania certyfikacyjne i ustanowiono szereg niezależnych laboratoriów badawczych, dzięki czemu można weryfikować zgodność urządzeń z wymogami.

Ilustracja 1: w typowym domu inteligentnym może znajdować się ponad 100 urządzeń Internetu rzeczy (IoT) wykorzystujących ponad 20 różnych protokołów, którą tworzą liczne wyspy automatyki. (Źródło ilustracji: NXP)

Jaka jest rola standardu Matter?

Standard Matter jest zbudowany na warstwie IP i używa jej jako wspólnego języka do komunikacji z sieciami opartymi na protokole IP, takimi jak Ethernet, Thread i Wi-Fi. Dzięki zastosowaniu protokołu IPv6, standard Matter może komunikować się z urządzeniami bez konieczności korzystania z translatora. Standard Matter jest umiejscowiony poniżej warstwy aplikacji urządzenia, a nad warstwą protokołu kontroli transmisji (TCP), przez którą łączy się z warstwą IP w stosie komunikacyjnym. Standard Matter jest interoperacyjnym rozwiązaniem warstwy aplikacji, które jest zbudowane z sześciu warstw funkcjonalnych poniżej warstwy aplikacji, zawierającym model danych, model interakcji, ramki działań, zabezpieczenia, ramki i routing komunikatów oraz ramki i zarządzanie transportem IP. Warstwa zarządzania transportem obsługuje połączenia z poszczególnymi protokołami. W pierwszej wersji standard Matter obsługuje Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) oraz Wi-Fi. Trwają już prace nad rozszerzeniem jego łączności sieciowej (ilustracja 2).

Ilustracja 2: standard Matter wykorzystuje protokół IPv6 do komunikowania się z urządzeniami obsługującymi Wi-Fi, Thread, BLE i Ethernet, eliminując potrzebę stosowania dedykowanych translatorów. (Źródło ilustracji: NXP)

Zapewnienie bezpieczeństwa działania jest kluczowym elementem wdrożeń standardu Matter. Standard Matter łączy kod uwierzytelniający i szyfrowanie w celu utrzymania poufności i dokładności komunikatów oraz uwierzytelniania źródła danych. Jako zabezpieczenie wykorzystuje on zaawansowany standard szyfrowania AES 128 oparty na kodzie uwierzytelniania komunikatów łańcucha bloków szyfrowania (CCM) ze 128-bitowym łączeniem bloków szyfrowych AES (CBC). Ponadto stosuje zasadę głębokiej obrony, aby zapewnić najbardziej odpowiednie poziomy zabezpieczeń i prywatności dla poszczególnych urządzeń. Podejście warstwowe optymalizuje wykorzystanie zasobów i zapewnia dostępność, integralność i poufność komunikacji.

Jak wygląda sieć oparta na standardzie Matter?

Standard Matter jest zarządzany przez porozumienie CSA i licencjonowany na zasadach Apache 2.0. Porozumienie CSA utrzymuje również bibliotekę standardowych wdrożeń i aplikacji, które członkowie mogą wykorzystywać do wspierania rozwoju własnych urządzeń zgodnych ze standardem Matter. Zabezpieczenia i prywatność użytkowników są głównym przedmiotem zainteresowania standardu Matter, a biblioteka zapewnia jednolitość wdrażania zabezpieczeń w całym uniwersum urządzeń zgodnych ze standardem Matter. Pod względem sprzętowym standard Matter obejmuje węzły końcowe, węzły brzegowe, bramy (zwane również kontrolerami), mostki i routery graniczne. Mogą występować niejasności, ponieważ zarówno bramy, jak i routery graniczne są czasem nazywane „koncentratorami” (ilustracja 3). W przypadku wątpliwości dotyczących urządzenia, najlepszą praktyką jest ustalenie konkretnej funkcji każdego „koncentratora”.

Ilustracja 3: sieci zgodne ze standardem Matter obejmują bramy, mostki i routery graniczne, które zapewniają łączność między różnymi sieciami lokalnymi oraz łączność z Internetem. (Źródło ilustracji: NXP)

• Bramy - brama Matter obsługuje zdalny dostęp do urządzeń zgodnych ze standardem Matter przez zapewnienie połączenia z Internetem. Niektóre istniejące wcześniej urządzenia, takie jak inteligentne koncentratory domowe firm SmartThings, Amazon i Google, mogą otrzymać aktualizacje oprogramowania, które przekształcają je w bramy zgodne ze standardem Matter. Specyfikacje standardu Matter określono w taki sposób, aby mógł istnieć z dostarczoną przez producenta funkcjonalnością komunikacyjną, taką jak połączenia w chmurze lub zdalne sterowanie, pozwalając tym urządzeniom nadal korzystać z istniejących możliwości komunikacyjnych, nawet gdy działają jako część sieci Matter.
• Mostki - mostki Matter służą do łączenia sieci Matter z pobliskimi sieciami bezprzewodowymi. Urządzenia, które nie są kompatybilne ze specyfikacją Matter, mogą działać przez mostek i bezproblemowo współpracować z siecią Matter. Oczekuje się również, że mostki przyspieszą upowszechnienie się standardu Matter przez umożliwienie łatwego włączania węzłów i sieci niekompatybilnych z Matter do większych struktur sieciowych Matter. Niektóre istniejące urządzenia można zaktualizować i uzyskać ich kompatybilność ze standardem Matter, umożliwiając bezpośrednią integrację z siecią Matter bez konieczności łączenia przez mostek.
• Routery graniczne - routery graniczne są specjalnie zaprojektowane do integracji sieci Thread i urządzeń takich jak czujniki ruchu, drzwi i okien z siecią Matter. Thread to bezprzewodowy protokół IP niskiej mocy, działający w warstwie fizycznej (PHY) według normy IEEE 802.15.4. Ponieważ norma 802.15.4 nie jest kompatybilna z Wi-Fi, aktualizacja urządzenia, aby było routerem granicznym, jest bardziej skomplikowana. To ma się jednak zmienić. Producenci tacy jak NXP wprowadzili do oferty urządzenia łączące obsługę Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 i 802.15.4, które upraszczają projektowanie routerów granicznych i innych urządzeń zgodnych ze standardem Matter. Oprócz łączenia sieci, niektóre routery graniczne posiadają interfejsy obsługujące funkcje sterowania domem inteligentnym.

Projektowanie elementów sieci Matter

Budowa sieci zgodnej ze standardem Matter wymaga kilku rodzajów urządzeń, w tym węzłów końcowych, takich jak czujniki i aktuatory, węzłów brzegowych, takich jak inteligentne oświetlenie, inteligentne zamki oraz urządzenia sterujące ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją (HVAC), a także szeregu bram, routerów granicznych i mostków łączących wszystko razem. Firma NXP oferuje pełną gamę urządzeń rozwojowych dla każdego typu elementu sieci Matter, wraz z obszernymi materiałami w portalu GitHub, w tym wsparcie dla platformy Matter i przykłady zastosowań przyspieszające proces rozwoju (tabela 1).

Tabela 1: wybrane środowiska rozwojowe do platform Matter oferowane przez firmę NXP. (Źródło tabeli: NXP, zmodyfikowane przez autora)

Węzeł końcowy

Deweloperzy platform Matter dla węzłów końcowych mogą korzystać ze środowiska rozwojowego IOTZTB-DK06 wykorzystującego platformę mikrokontrolera MCU K32W0x, na przykład K32W041AZ (ilustracja 4). Środowisko zawiera sprzęt i oprogramowanie potrzebne do stworzenia autonomicznych węzłów końcowych oraz trzyelementową sieć demonstracyjną, w tym mostek sterujący, węzeł przełączający oraz węzeł oświetleniowy/czujnikowy.

Mikrokontrolery MCU K32W041AZ są specjalnie zaprojektowane z wykorzystaniem jednostki MCU Arm® Cortex®-M4 posiadającej 640kB wewnętrznej pamięci flash i 152kB statycznej pamięci o dostępie swobodnym (SRAM). Umożliwiają one działanie następnej generacji wieloprotokołowych urządzeń bezprzewodowych o ultraniskim poborze prądu i obsługę technologii BLE 5.0 oraz Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Oprócz ultraniskiego poboru mocy przy nadawaniu i odbiorze wspomniane mikrokontrolery MCU mogą obsługiwać złożone zastosowania i aktualizacje bezprzewodowe (OTA) bez zewnętrznej pamięci.

Ilustracja 4: platforma IOTZTB-DK06 zawiera węzeł przełączający (po lewej), mostek sterujący (na środku) oraz węzeł oświetleniowy/czujnikowy (po prawej). (Źródło ilustracji: NXP)

Węzeł brzegowy

Zestaw ewaluacyjny i.MX RT1170 EVK stanowi zintegrowaną platformę rozwojową dla węzłów brzegowych zgodnych ze standardem Matter. Ten zestaw ewaluacyjny jest zbudowany na sześciowarstwowej płytce drukowanej z komponentami przewlekanymi w celu zapewnienia lepszych parametrów kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Zawiera on kluczowe komponenty oraz interfejsy przyspieszające prace rozwojowe nad projektami (ilustracja 5). Opiera się on na grupie mikrokontrolerów MCU typu crossover i.MX RT1170, która obejmuje mikrokontroler MIMXRT1176CVM8A z możliwością połączenia z platformą IOTZTB-DK06 opisaną powyżej. Dwurdzeniowy układ i.MX RT1170 zawiera rdzeń Cortex-M7 pracujący z częstotliwością 1GHz i rdzeń Arm Cortex-M4 o częstotliwości 400MHz. Obsługuje on szereg zaawansowanych funkcji zabezpieczeń, w tym:

• Bezpieczne uruchamianie
• Liniowy aparat szyfrowania (IEE)
• Deszyfrowanie AES na bieżąco (OTFAD)
• Kryptografia wysokoparametrowa
• Aktywne i pasywne wykrywanie nieautoryzowanej ingerencji

Ilustracja 5: zestaw ewaluacyjny (EVK) i.MX RT1170 firmy NXP można wykorzystać do opracowania urządzeń węzła brzegowego zgodnych ze standardem Matter. (Źródło ilustracji: NXP)

Ponadto zestawu ewaluacyjnego (EVK) MIMXRT1170-EVK można używać z zestawem rozwojowym OM-A5000ARD Arduino w celu wdrożenia zabezpieczeń. Zestaw rozwojowy Arduino opiera się na A5000, gotowym do użycia układzie uwierzytelniania do Internetu rzeczy (IoT), który zawiera system Root of Trust na poziomie układu scalonego (IC). Układ A5000 może bezpiecznie przechowywać i dostarczać dane uwierzytelniające oraz wykonywać operacje kryptograficzne w celu zabezpieczenia krytycznej komunikacji i uwierzytelniania. Jest on przeznaczony do stosowania w wielu przypadkach zabezpieczeń funkcji Internetu rzeczy (IoT), takich jak uwierzytelnianie między urządzeniami, bezpieczne połączenia z chmurami publicznymi i prywatnymi oraz zabezpieczenia przed fałszerstwem. Aby wspierać szybki rozwój rozwiązań zabezpieczeń, układ A5000 jest dostarczany z fabrycznie zainstalowanym oprogramowaniem do uwierzytelniania i zabezpieczania aplikacji.

Bramy, routery graniczne i mostki

Gdy zachodzi potrzeba stworzenia bardziej złożonych projektów, takich jak bramy, routery graniczne i mostki, deweloperzy mogą skorzystać z układu i.MX 8M Mini EVKB. Ta płytka ewaluacyjna obsługuje grupę procesorów aplikacji i.MX 8M Mini, takich jak MIMX8MM5CVTKZAA firmy NXP (ilustracja 6).

Ilustracja 6: płytka zestawu ewaluacyjnego ułatwia opracowanie routerów granicznych, mostków oraz bram zgodnych ze standardem Matter. (Źródło ilustracji: NXP)

Procesor aplikacji i.MX 8M Mini oferuje szeroki zakres możliwości w zakresie łączności systemowej i elastyczności interfejsu pamięci, dzięki czemu nadaje się zarówno do bogatych w multimedia aplikacji konsumenckich i wbudowanych aplikacji przemysłowych, jak i do niewzbogacanych multimediami aplikacji ogólnego przeznaczenia wymagających sprawności energetycznej i wysokich parametrów działania.

Płytka ewaluacyjna 8MMINILPD4-EVKB może być używana razem z opisanymi wcześniej układami IOTZTB-DK006 i OM-A5000ARD. Dodanie płytek ulepszeń K32W061 i klucza sprzętowego USB pozwala na szybkie stworzenie niewielkiej bezprzewodowej sieci Matter do testowania i rozwoju zastosowań wieloprotokołowych.

Podsumowanie

Interoperacyjność ma krytyczne znaczenie dla użytkowników końcowych urządzeń Internetu rzeczy (IoT), niezależnie od dostawcy, platformy czy ekosystemu. Matter jest otwartoźródłową specyfikacją oprogramowania zaprojektowaną specjalnie w celu połączenia wielu wysp automatyki w środowiskach domów inteligentnych, z jednoczesnym zapewnieniem zabezpieczeń i prywatności. Sieć zgodna ze standardem Matter składa się z różnorodnych urządzeń, takich jak węzły końcowe, węzły brzegowe, bramy, routery graniczne i mostki. Deweloperom, którzy chcą szybko rozpocząć pracę nad projektem, firma NXP oferuje bogaty asortyment platform oprogramowania i sprzętu dla całej gamy urządzeń zgodnych ze standardem Matter.

Rekomendowane artykuły

1. Ograniczenie poboru mocy we włączonych na stałe urządzeniach z interfejsem głosowym