Sådan bruger du Matter til at forbinde øerne i Smart Home Automation

Designere af trådløse smart home automation-enheder er udfordret af mangel på bred interoperabilitet, som begrænser væksten af trådløse smart home-økosystemer. Amazon Alexa, Apple HomeKit og Google Assistant-enheder fungerer f.eks. i øjeblikket i deres egne automatiseringsøer. Det samme gælder i varierende grad for Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave og andre trådløse IoT-protokoller (Internet of Things).

Design af multiprotokol-enheder er en potentiel løsning, men det kræver komplekse designs, der forlænger udviklingsprocessen og øger enhedens omkostninger. Desuden kan multiprotokol-enheder kun delvist forbinde øerne inden for smart home automation, da de forskellige protokoller har forskellige tilgange til implementering af sikkerhed og privatlivets fred for brugerne, hvilket yderligere komplicerer deres design og implementering.

For at løse disse problemer kan designere henvende sig til Matter 1.0-specifikationen fra Connectivity Standards Alliance for at forbinde øerne af automatisering og forbedre nytten af IoT-netværk til intelligente hjem. Matter-softwaresættet er også designet til at forenkle idriftsættelsen af nye enheder og give omfattende sikkerhed og beskyttelse af personlige oplysninger.

Denne artikel begynder med en kort oversigt over Matter's oprindelse som Connected Home over IP (CHIP)-projektet (Connected Home over IP) under Zigbee Alliance og dets udvikling til dets nuværende position inden for Connectivity Standards Alliance (CSA). Derefter gennemgås Matter's softwarestak i applikationslaget, der ligger oven på protokoller som Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth og Thread. Den undersøger også Matter's værktøjer til sikkerhed og beskyttelse af privatlivets fred. Afslutningsvis præsenteres flere evalueringssæt og udviklingskort fra NXP Semiconductors samt tilhørende mikrocontrollere (MCU'er), som kan fremskynde designet af interoperable trådløse smart home-enheder med Matter.

Materie kommer ud af CHIP

Et typisk smart hjem kan have over 100 IoT-enheder, der anvender over 20 protokoller, hvilket skaber et netværkstårn af babel, hvor de forskellige automatiseringsøer fungerer isoleret (figur 1). CHIP-projektet blev lanceret i december 2019 af Zigbee Alliance for at udvikle en fælles softwaresuite og forbinde øerne. CHIP blev et vigtigt fokusområde for alliancen, som ændrede sit navn til CSA, og CHIP-projektet blev omdøbt til Matter. Matter er baseret på internetprotokollen (IP) og tilbydes som en open source-softwarespecifikation, der er fri for licensafgifter. Medlemskab af CSA og Matter-arbejdsgruppen er en forudsætning for at opnå intellektuelle ejendomsrettigheder til at bruge Matter. Matter-projektet har også defineret certificeringskrav og har etableret en række uafhængige testlaboratorier, så det kan kontrolleres, at udstyret er i overensstemmelse med kravene.

Figur 1: Et typisk smart hjem kan have over 100 IoT-enheder, der bruger over 20 forskellige protokoller, hvilket skaber mange automatiseringsøer. (Billedkilde: NXP)

Hvor passer Matter ind?

Matter er bygget oven på IP-laget og bruger det som et fælles sprog til at kommunikere med IP-baserede netværk som Ethernet, Thread og Wi-Fi. Ved at bruge IPv6 kan Matter kommunikere med enheder uden at have brug for en oversætter. Matter ligger under enhedens applikationslag og oven på TCP-laget (Transmission Control Protocol), hvorigennem det er forbundet med IP-laget i kommunikationsstacken. Matter er en interoperabel applikationslagsløsning, der er opbygget med seks funktionelle lag under applikationslaget, herunder datamodel, interaktionsmodel, handlingsrammer, sikkerhed, meddelelsesrammer og routing samt IP-rammer og transportstyring. Transportstyringslaget håndterer forbindelserne til de enkelte protokoller. I den første version understøtter Matter Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) og Wi-Fi. Der arbejdes allerede på at udvide netværksforbindelserne (figur 2).

Figur 2: Matter bruger IPv6 til at kommunikere med Wi-Fi-, tråd-, BLE- og Ethernet-enheder, hvilket eliminerer behovet for dedikerede oversættere. (Billedkilde: NXP)

Sikring af sikker drift er et nøgleelement i Matter-implementeringer. Matter kombinerer en autentificeringskode og kryptering for at bevare meddelelsernes fortrolighed og nøjagtighed og for at autentificere datakilden. Den anvender AES 128 cipher block chaining message authentication code (CCM) kryptering med 128-bit AES cipher block chaining (CBC) til sikkerhed. Desuden anvender den et forsvar-i-dybde-princip for at give de mest hensigtsmæssige niveauer af sikkerhed og privatlivets fred for de enkelte enheder. Den lagdelte tilgang optimerer ressourceudnyttelsen og sikrer tilgængelighed, integritet og fortrolighed af kommunikationen.

Hvordan ser et Matter-netværk ud?

Matter forvaltes af CSA og er licenseret under Apache 2.0. CSA vedligeholder også et bibliotek med standardimplementeringer og applikationer, som medlemmerne kan bruge til at støtte udviklingen af deres egne Matter-kompatible enheder. Sikkerhed og brugernes privatliv er et vigtigt fokusområde i Matter, og biblioteket sikrer ensartethed i implementeringen af sikkerhed i hele Matter-enhedsuniverset. Med hensyn til hardware omfatter Matter slutknudepunkter, kantknudepunkter, gateways (også kaldet controllere), broer og grænse-routere. Der kan opstå forvirring, da både gateways og grænse-routere undertiden kaldes "hubs" (figur 3). Når du er i tvivl om en enhed, er det den bedste praksis at få klarlagt den specifikke funktion af et "hub".

Figur 3: Matter-netværk omfatter gateways, broer og grænse-routere for at skabe forbindelse mellem forskellige lokale netværk og forbindelse til internettet. (Billedkilde: NXP)

• Gateways - En Matter-gateway understøtter fjernadgang til Matter-enheder ved at levere en forbindelse til internettet. Nogle allerede eksisterende enheder som f.eks. smart home-hubs fra SmartThings, Amazon og Google kan få softwareopdateringer, der gør dem til Matter-gateways. Matter er specificeret, så det kan eksistere med producentens kommunikationsfunktionalitet, f.eks. cloud-forbindelser eller fjernbetjening, så disse enheder stadig kan bruge deres eksisterende kommunikationsfunktioner, selv når de fungerer som en del af et Matter-netværk.
• Broer - Matter-broer bruges til at forbinde Matter-netværk med nærliggende trådløse netværk. Enheder, der ikke er Matter-kompatible, kan fungere via en bro og arbejde problemfrit med et Matter-netværk. Broer forventes også at fremskynde indførelsen af Matter ved at gøre det muligt at integrere ikke-Matter-kompatible knudepunkter og netværk nemt i en større Matter-netværksstruktur. Nogle eksisterende enheder kan opdateres og blive kompatible med Matter, hvilket muliggør direkte integration i et Matter-netværk uden at skulle tilsluttes via en bro.
• Grænse-routere - Grænse-routere er specielt designet til at integrere trådnetværk og enheder som f.eks. bevægelses-, dør- og vinduessensorer i et Matter-netværk. Thread er en trådløs IP-protokol med lavt strømforbrug, der kører på IEEE 802.15.4's fysiske lag (PHY). Da 802.15.4 ikke er kompatibel med Wi-Fi, er det mere kompliceret at opdatere en enhed til at blive en grænse-router. Det er ved at ændre sig. Producenter som NXP har introduceret enheder, der kombinerer understøttelse af Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 og 802.15.4, hvilket forenkler designet af grænse-routere og andre Matter-enheder. Ud over at forbinde netværk har nogle grænse-routere en grænseflade til smart home-kontrolfunktioner.

Udformning af Matter-netværkselementer

Opbygning af et Matter-netværk kræver flere typer enheder, herunder slutnoder som sensorer og aktuatorer, kantnoder som intelligent belysning, intelligente låse og HVAC-styring (varme, ventilation og aircondition) samt en række gateways, grænse-routere og broer til at binde det hele sammen. NXP tilbyder et komplet udvalg af udviklingshardware til alle typer Matter-netværkselementer samt omfattende materiale på GitHub, herunder understøttelse af Matter-platformen og anvendelseseksempler for at fremskynde udviklingsprocessen (tabel 1).

Tabel 1: Udvalgte udviklingsmiljøer til Matter-platforme, der tilbydes af NXP. (Kilde til tabellen: NXP, ændret af forfatteren)

Slutknode

Udviklere af end node Matter-platforme kan udnytte IOTZTB-DK06-udviklingsmiljøet ved hjælp af en K32W0x MCU-platform som K32W041AZ (Figur 4). Miljøet omfatter den hardware og software, der er nødvendig for at skabe standalone slutknudepunkter og et demonstrationsnetværk med tre enheder - herunder en kontrolbro, en switchknude og en lys/sensorknude.

K32W041AZ MCU'erne er specialdesignet med en Arm® Cortex®-M4 MCU med 640 kilobyte (Kbytes) indbygget flash-hukommelse og 152 Kbyte statisk hukommelse med vilkårlig adgang (SRAM) til at drive den næste generation af trådløse multiprotokol-enheder med ultralav strømstyrke og understøtter BLE 5.0 og Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Ud over et ultralavt strømforbrug ved transmission og modtagelse kan disse MCU'er understøtte komplekse applikationer og OTA-opdateringer (over-the-air) uden ekstern hukommelse.

Figur 4: IOTZTB-DK06-platformen omfatter en switch-node (til venstre), en kontrolbro (i midten) og en lys/sensor-knude (til højre). (Billedkilde: NXP)

Kantknude

i.MX RT1170 EVK giver en integreret udviklingsplatform til Matter edge nodes. Dette eval-kit er bygget på et seks lags printkort med gennemgående komponenter for at opnå bedre elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), og det indeholder vigtige komponenter og grænseflader til at fremskynde udviklingsprojekter (Figur 5). Den er baseret på i.MX RT1170 Crossover MCU-familien, som omfatter MIMXRT1176CVM8A, og kan kombineres med IOTZTB-DK06, der er beskrevet ovenfor. Dual-core i.MX RT1170 kører på Cortex-M7-kernen på 1 gigahertz (GHz) og Arm Cortex-M4-kernen på 400 megahertz (MHz). Den understøtter flere avancerede sikkerhedsfunktioner, herunder:

• Secure boot
• Integreret krypteringsmotor (IEE)
• On-the-fly AES dekryptering (OTFAD)
• Højtydende kryptografi
• Aktiv og passiv registrering af manipulationer

Figur 5: i.MX RT1170 EVK kan bruges til udvikling af Matter Edge Node-enheder. (Billedkilde: NXP)

Desuden kan MIMXRT1170-EVK bruges sammen med OM-A5000ARD Arduino dev kit til implementering af sikkerhed. Dette Arduino Dev Kit er baseret på A5000, en klar til brug sikker IoT-autenticator, der omfatter en tillidsrod på IC-niveau. A5000 kan gemme og stille legitimationsoplysninger til rådighed på sikker vis og udføre kryptografiske operationer for at sikre kritisk kommunikation og autentificering. Den er designet til brug i en række IoT-sikkerhedsanvendelsestilfælde, f.eks. autentificering fra enhed til enhed, sikker forbindelse til offentlige/private skyer og beskyttelse mod forfalskninger. For at understøtte hurtig udvikling af sikkerhedsløsninger leveres A5000 med forudinstalleret software til godkendelse af applikationer og sikkerhed.

Gateways, grænse-routere og broer

Når der er behov for mere komplekse designs som gateways, grænse-routere og broer, kan designere henvende sig til i.MX 8M Mini EVKB. Dette evalkort understøtter i.MX 8M Mini Applications Processor-familien, f.eks. NXP's MIMX8MM5CVTKZAA (Figur 6).

Figur 6: i.MX 8M Mini EVKB understøtter udviklingen af Matter-gateways, border-routere og broer. (Billedkilde: NXP)

i.MX 8M Mini applikationsprocessoren har en bred vifte af muligheder med hensyn til systemtilslutning og fleksibilitet i forbindelse med hukommelsesinterface, hvilket gør den velegnet til både medie-rige forbruger- og indlejrede industrielle applikationer og ikke-medie-rige generelle applikationer, der kræver energieffektivitet og høj ydeevne.

8MMINILPD4-EVKB evalkortet kan bruges sammen med IOTZTB-DK006 og OM-A5000ARD, som beskrevet ovenfor. Tilføjelsen af K32W061-opgraderingskortet og en USB-dongle gør det muligt hurtigt at samle et lille trådløst Matter-netværk til test og udvikling af multiprotokolapplikationer.

Konklusion

Interoperabilitet er afgørende for slutbrugere af IoT-enheder, uanset leverandør, platform eller økosystem. Matter er en softwarespecifikation med åben kildekode, der er udviklet specifikt til at forbinde de mange automatiseringsøer i intelligente hjemmemiljøer, samtidig med at sikkerheden og privatlivets fred sikres. Som det fremgår, består et Matter-netværk af en række enheder, herunder slutknudepunkter, kantknudepunkter, gateways, grænse-routere og broer. For designere, der ønsker hurtigt at starte et design, tilbyder NXP en omfattende serie af software- og hardwareudviklingsplatforme til hele rækken af Matter-enheder.

Anbefalet læsning

1. Sådan reduceres strømforbruget i Always-On Voice Interface-designs