Slik bruker du Matter til å koble til øyene for automatisering av smarthjem

En utfordring for konstruktører av trådløse enheter for smarthjemautomasjon, er mangelen på bred interoperabilitet, noe som begrenser veksten av trådløse smarthjemøkosystemer. Amazon Alexa, Apple HomeKit og Google-assistenten, for eksempel, bruker i dag sine egne automasjonsøyer. Det samme gjelder i varierende grad for Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave og andre trådløse protokoller for tingenes Internett (IoT).

Konstruksjon av multiprotokollenheter er en potensiell løsning, men dette krever kompleks utvikling, noe som utvider utviklingsprosessen og øker enhetskostnadene. I tillegg kan multiprotokollenheter kun delvis kobles til øyene for smarthjemautomasjon, siden de ulike protokollene har forskjellige tilnærminger når det gjelder implementering av sikkerhet og personvern for brukere, noe som ytterligere kompliserer konstruksjonen og implementeringen.

For å løse disse problemene kan konstruktører bruke Matter 1.0-spesifikasjonen fra Connectivity Standards Alliance til å koble sammen automasjonsøyer og forbedre bruken av IoT-nettverk i smarthjem. Matter-programvarepakken er også utviklet slik at den forenkler kommisjoneringen av nye enheter og gir omfattende sikkerhet og personvern.

Denne artikkelen åpner med en kort oversikt over opprinnelsen til Matter – som CHIP-prosjektet (CHIP – Connected Home over IP) til Zigbee Alliance – samt evolusjonen inn i sin nåværende posisjonen i Connectivity Standards Alliance (CSA). Deretter tar den for seg Matter sin programvarestakk for applikasjonslag som ligger på toppen av protokoller som Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth og Thread. Den undersøker også Matter sine sikkerhets- og personvernverktøy. Den avslutter med å presentere flere evalueringssett og utviklingskort fra NXP Semiconductors, sammen med tilhørende mikrokontrollere (MCU-er) som kan fremskynde konstruksjonen av driftskompatible trådløse smarthjemenheter ved hjelp av Matter.

Matter kommer frem fra CHIP

Et typisk smarthjem kan ha over 100 IoT-enheter som bruker over 20 protokoller, noe som skaper et «Babels nettverkstårn» der de forskjellige automasjonsøyene fungerer isolert (figur 1). CHIP-prosjektet ble lansert i desember 2019 av Zigbee Alliance for å utvikle en felles programvarepakke og koble sammen øyene. CHIP ble et hovedfokus for alliansen, som skiftet navn til CSA, og CHIP-prosjektet ble omdøpt til Matter. Matter er basert på Internett-protokollen IP, og tilbys som en royaltyfri programvarespesifikasjon med åpen kildekode. Medlemskap i CSA og Matters arbeidsgruppe er nødvendig for å anskaffe immaterielle rettigheter til å bruke Matter. Matter-prosjektet har også definert sertifiseringskrav, og det har etablert en rekke uavhengige testlaboratorier slik at enheter kan verifiseres som kompatible.

Figur 1: Et typisk smarthjem kan ha over 100 IoT-enheter som bruker over 20 forskjellige protokoller, noe som skaper mange automasjonsøyer. (Bildekilde: NXP)

Hvor passer Matter inn?

Matter er bygget på toppen av IP-laget, og bruker dette som et felles språk for kommunikasjon med IP-baserte nettverk som Ethernet, Thread og Wi-Fi. Ved å bruke IPv6 kan Matter kommunisere med enheter uten at det er behov for noen oversetter. Matter befinner seg under enhetens applikasjonslag og på toppen av TCP-laget (TCP – transmission control protocol), der det kobles til IP-laget i kommunikasjonsstakken. Matter er en driftskompatibel applikasjonslagsløsning som er konstruert med seks funksjonelle lag under applikasjonslaget, inkludert datamodellen, samhandlingsmodellen, handlingsgruppering, sikkerhet, meldingsgruppering og -ruting og IP-gruppering og -transportstyring. Transportstyringslaget håndterer forbindelsene til individuelle protokoller. I sin første utgivelse, støtter Matter: Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) og Wi-Fi. Arbeidet med å utvide nettverkskonnektiviteten er allerede i gang (figur 2).

Figur 2: Matter bruker IPv6 til å kommunisere med Wi-Fi-, Thread-, BLE- og Ethernet-enheter, og eliminerer behovet for dedikerte oversettere. (Bildekilde: NXP)

Et viktig element innen Matter-distribusjon, er å sørge for sikker drift. Matter kombinerer en autentiseringskode med kryptering for å opprettholde konfidensialiteten og nøyaktigheten til meldinger, og for å autentisere datakilden. Den bruker AES (advanced encryption standard) 128 CBC (cipher block chaining) meldingsautentiseringskode-kryptering (CCM) med 128-bits AES CBC for sikkerhet. I tillegg benytter den et dyptgående forsvarsprinsipp (defense-in-depth principle) for å gi individuelle enheter de mest gunstige nivåene av sikkerhet og personvern. Den lagdelte tilnærmingen optimaliserer utnyttelsen av ressurser og sikrer tilgjengelighet, integritet og konfidensialitet for kommunikasjon.

Hvordan ser et Matter-nettverk ut?

Matter administreres av CSA-en og lisensieres under Apache 2.0. CSA vedlikeholder også et bibliotek med standardimplementeringer og -applikasjoner som medlemmer kan bruke til å understøtte utviklingen av sine egne Matter-kompatible enheter. Sikkerhet og brukerpersonvern er et prioritert område for Matter, og biblioteket sikrer ensartethet i implementeringen av sikkerhet over hele Matter-enhetsuniverset. Når det gjelder maskinvare, inkluderer Matter sluttnoder, kantnoder, gatewayer (også kalt styringer), broer og grenserutere. Det kan oppstå forvirring ettersom både gatewayer og grenseruter noen ganger kalles «koblingspunkt» (hub) (figur 3). Når du er i tvil om en enhet, er den anbefalte fremgangsmåten å avklare den spesifikke funksjonen til et «koblingspunkt» (hub).

Figur 3: Matter-nettverk omfatter gatewayer, broer og grenserutere for å levere konnektivitet på tvers av ulike lokale nettverk og tilkobling til Internett. (Bildekilde: NXP)

• Gatewayer – En Matter-gateway støtter ekstern tilgang til Matter-enheter ved å levere tilkobling til Internett. Noen eksisterende enheter, slik som smarthjemhubber fra SmartThings, Amazon og Google, kan få programvareoppdateringer som gjør dem til Matter-gatewayer. Matter er spesifisert på en slik måte at den kan eksistere med kommunikasjonsfunksjonalitet levert av produsenten, slik som skytilkoblinger eller eksterne styringer, slik at disse enhetene fortsatt kan bruke sine eksisterende kommunikasjonsegenskaper selv når de er i drift som en del av et Matter-nettverk.
• Broer – Matter-broer brukes til å koble Matter-nettverk til trådløse nettverk i nærheten. Enheter som ikke er Matter-kompatible, kan driftes gjennom en bro og fungere sømløst med et Matter-nettverk. Broer forventes også å fremskynde bruken av Matter ved å gjøre det mulig å enkelt integrere ikke-kompatible noder og nettverk i en større Matter-nettverksstruktur. Noen eksisterende enheter kan oppdateres slik at de blir Matter-kompatible, noe som gjør at de kan integreres direkte i et Matter-nettverk uten å måtte kobles til via en bro.
• Grenserutere – Grenserutere er spesialutviklet for å integrere Thread-nettverk og enheter som bevegelses-, dør- og vindussensorer i et Matter-nettverk. Thread er en trådløs IP-protokoll med lavt strømforbruk som kjører på IEEE 802.15.4 fysisk lag (PHY – physical layer). Siden 802.15.4 ikke er kompatibel med Wi-Fi, er det mer komplisert å oppdatere en enhet til å fungere som en grenseruter. Dette er i ferd med å endres. Produsenter som NXP har introdusert enheter som kombinerer støtte for Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 og 802.15.4, som forenkler konstruksjonen av grenserutere og andre Matter-enheter. I tillegg til å koble sammen nettverk, har noen grenserutere et grensesnitt for smarthjemstyringer.

Konstruksjon av Matter-nettverkselementer

Konstruksjon av et Matter-nettverk krever flere typer enheter, for eksempel sluttnoder som sensorer og aktuatorer, kantnoder som smartbelysning, smartlåser og styringer for varmeventilasjon og klima (HVAC), i tillegg til en rekke gatewayer, grenserutere og broer for å forbinde det hele sammen. NXP tilbyr et komplett sortiment av utviklingsmaskinvare for alle typer Matter-nettverkselementer, samt omfattende materialer på GitHub, slik som Matter-plattformstøtte og -applikasjonseksempler for å fremskynde utviklingsprosessen (tabell 1).

Tabell 1: Utvalgte utviklingsmiljøer for Matter-plattformer som tilbys av NXP. (Bildekilde: NXP, modifisert av forfatter)

Sluttnode

Utviklere av sluttnode-Matter-plattformer kan dra nytte av IOTZTB-DK06-utviklingsmiljøet ved å bruke en K32W0x MCU-plattform som K32W041AZ (figur 4). Miljøet inkluderer maskinvaren og programvaren som trengs for å lage frittstående sluttnoder, og et demonstrasjonsnettverk med tre enheter – inkludert en styringsbro, vekslingsnode og lys-/sensornode.

K32W041AZ-mikrokontrollerne er spesialutviklet med en Arm® Cortex®-M4-mikrokontroller med 640 kilobyte (kb) integrert flashminne og 152 kb statisk minne med tilfeldig tilgang (SRAM – static random access memory) for å drive neste generasjon av trådløse enheter med ultralav strømstyrke og støtte for BLE 5.0 og Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. I tillegg til ultralavt strømforbruk under sending og mottak, kan disse mikrokontrollerne støtte komplekse applikasjoner og OTA-oppdateringer (OTA – over-the-air) uten eksternt minne.

Figur 4: IOTZTB-DK06-plattformen inkluderer en vekslingsnode (venstre), styringsbro (midten) og lys-/sensornode (høyre). (Bildekilde: NXP)

Kantnode

I.MX RT1170 EVK tilbyr en integrert utviklingsplattform for Matter-kantnoder. Dette evalueringssettet er bygget på et sekslags kretskort med hullmonteringskomponenter som gir bedre elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), og det inkluderer de viktigste komponentene og grensesnittene for å få fart på utviklingsprosjekter (figur 5). Den er basert på i.MX RT1170 Crossover MCU-familien, som inkluderer MIMXRT1176CVM8A, og den kan kombineres med IOTZTB-DK06 som er beskrevet ovenfor. i.MX RT1170 med to kjerner kjører på Cortex-M7-kjernen ved 1 GHz og Arm Cortex-M4 ved 400 MHz. Den støtter flere avanserte sikkerhetsfunksjoner, deriblant:

• Sikker oppstart (Secure Boot)
• Integrert krypteringsmotor (IEE – Inline encryption engine)
• Umiddelbar AES-dekryptering (OTFAD – On-the-fly AES decryption)
• Kryptografi med høy ytelse
• Aktiv og passiv sabotasjedeteksjon

Figur 5: NXP i.MX RT1170 EVK kan brukes for utvikling av Matter-kantnodeenheter. (Bildekilde: NXP)

I tillegg kan MIMXRT1170-EVK brukes med OM-A5000ARD Arduino-utviklingssettet for å implementere sikkerhet. Dette Arduino-utviklingssettet er basert på A5000, et bruksklart sikkert IoT-autentiseringsverktøy som inkluderer en RoT på IC-nivået. A5000 kan lagre og forsyne opplysningene dine på en sikker måte og utføre kryptografiske operasjoner for å gi sikkerhet til kritisk kommunikasjon og autentisering. Den er konstruert for bruk i en rekke brukstilfeller innen IoT-sikkerhet, for eksempel autentisering fra enhet til enhet, sikker tilkobling til offentlige/private skyer og beskyttelse mot forfalskninger. For å støtte rask utvikling av sikkerhetsløsninger, leveres A5000 med forhåndsinstallert programvare for applikasjonsgodkjenning og -sikkerhet.

Gatewayer, grenserutere og broer

Når det er behov for mer komplekse konstruksjoner som gatewayer, grenserutere og broer, kan konstruktører velge å bruke i.MX 8M Mini EVKB. Dette evalueringskortet støtter i.MX 8M Mini-applikasjonsprosessor-familien, for eksempel NXP sin MIMX8MM5CVTKZAA (figur 6).

Figur 6: i.MX 8M Mini EVKB støtter utviklingen av Matter-gatewayer, -grenserutere og -broer. (Bildekilde: NXP)

I.MX 8M Mini-applikasjonsprosessoren har et bredt spekter av funksjoner i form av fleksibilitet innen systemkonnektivitet og minnegrensesnitt, noe som gjør den egnet for både medierike forbrukerkonstruksjoner og innebygde industrielle konstruksjoner, samt ikke-medierike generelle konstruksjoner som krever energieffektivitet og høy ytelse.

8MMINILPD4-EVKB-evalueringskortet kan brukes sammen med IOTZTB-DK006 og OM-A5000ARD, som er beskrevet ovenfor. K32W061-oppgraderingskortene og en USB-dongle gjør det mulig å raskt sette sammen et lite trådløst Matter-nettverk for testing og utvikling av multiprotokollapplikasjoner.

Konklusjon

Driftskompatibilitet er avgjørende for sluttbrukere på IoT-enheter, uavhengig av leverandør, plattform eller økosystem. Matter er en programvarespesifikasjon med åpen kildekode som er spesialutviklet for å koble sammen de mange automasjonsøyene i smarthjem, samtidig som den sørger for sikkerhet og personvern. Som vist, består et Matter-nettverk av flere typer enheter, deriblant sluttnoder, kantnoder, gatewayer, grenserutere og broer. For konstruktører som ønsker å komme raskt i gang med en konstruksjon, tilbyr NXP en omfattende serie med programvare- og maskinvareutviklingsplattformer for hele spekteret av Matter-enheter.

Anbefalt lesing

1. Slik reduserer du strømforbruket i stemmegrensesnittkonstruksjoner som alltid er på