Multiprotokolové zařízení je potenciálním řešením pro vzájemné propojení, ale složitost takového zařízení by byla veliká a navíc propojení by bylo pouze částečné, protože různé protokoly mají různé přístupy k zabezpečení. K řešení výše uvedených problémů vznikl Matter 1.0 od Connectivity Standards Alliance. Softwarová sada Matter je také navržena tak, aby zjednodušila zprovoznění nových zařízení a poskytla komplexní zabezpečení.
Tento článek začíná stručným přehledem počátků Matter jako projektu Connected Home over IP (CHIP) sdružení Zigbee Alliance a jeho vývoje do současné pozice v rámci Connectivity Standards Alliance (CSA). Poté si uvedeme aplikační vrstvu Matter, která je postavena na Ethernetu, Wi-Fi, Bluetooth a Thread. Na závěr uvedeme několik vývojových desek od NXP Semiconductors spolu s přidruženými mikrokontrolery, které mohou urychlit návrh interoperabilních bezdrátových zařízení pro chytrou domácnost využívající Matter.
Matter vzešel z CHIPu
Typický inteligentní dům může mít více než 100 IoT zařízení používajících více než 20 protokolů, které vytvářejí automatizační „ostrovy“ pracující izolovaně (obrázek 1). Projekt CHIP byl zahájen v prosinci roku 2019 Zigbee Alliancí s cílem vyvinout společnou softwarovou sadu na propojení jednotlivých automatizačních ostrovů. CHIP se stal hlavním zaměřením Aliance, která změnila svůj název na CSA a projekt CHIP byl přejmenován na Matter. Matter je založen na internetovém protokolu (IP) a je nabízen jako open-source softwarová specifikace, která je bez licenčních poplatků. Členství v CSA a pracovní skupině Matter je nutná k získání práv duševního vlastnictví k užívání Matter. Projekt Matter definuje požadavky na certifikaci a je k dispozici řada nezávislých zkušebních laboratoří, aby bylo možné ověřit, že zařízení vyhovují specifikaci.
Obrázek 1: Typický inteligentní dům může mít více než 100 zařízení využívajících více než 20 různých protokolů. (Zdroj obrázku: NXP)
V jaké vrstvě pracuje Matter
Matter je postaven na vrstvě IP a používá ho jako společný jazyk pro komunikaci se sítěmi založenými na IP, jako je Ethernet, Thread a Wi-Fi. Pomocí IPv6 může Matter komunikovat se zařízeními, aniž by potřeboval složitý překladač. Matter se nachází pod aplikační vrstvou a nad vrstvou protokolu TCP (Transmission Control Protocol), přes kterou se spojuje s vrstvou IP v komunikačním zásobníku. Matter je interoperabilní řešení aplikační vrstvy, které je konstruováno se šesti funkčními vrstvami pod aplikační vrstvou, včetně datového modelu, modelu interakce, zabezpečení, směrování zpráv a řízení přenosu. Transportní vrstva zpracovává vazby na jednotlivé protokoly. Ve své první verzi Matter podporuje Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) a Wi-Fi.
Obrázek 2: Matter používá IPv6 ke komunikaci se zařízeními Wi-Fi, Thread, BLE a Ethernet, čímž eliminuje potřebu specializovaných překladačů. (Zdroj obrázku: NXP)
Bezpečný provoz je klíčovou vlastností Matter. Matter používá pro zabezpečení 128 bitové šifrování AES (128 cipher block chaining message authentication code - CCM) se 128bitovým AES cipher block chaining (CBC). Přístup v jednotlivých vrstvách optimalizuje využití zdrojů a zajišťuje dostupnost, integritu a důvěrnost celé komunikace.
Jak vypadá síť Matter?
Matter je spravován CSA aliancí a je licencován pod Apache 2.0. CSA také udržuje softwarovou knihovnu, které mohou členové používat k vývoji vlastních zařízení kompatibilních s Matter. Jak již bylo zmíněno výše, tak zabezpečení a soukromí uživatelů jsou hlavním zaměřením Matter, a proto knihovna zajišťuje jednotný přístup k implementaci zabezpečení v celém rozsahu sítě Matter.
Pokud jde o hardware tak Matter obsahuje koncové uzly (End node), okrajové uzly (Edge node), brány (Gateway nebo controller), mosty (Bridge) a směrovače (router). Může dojít k nejasnostem, protože brány i směrovače se někdy označují jako „rozbočovače“ (obrázek 3). V případě pochybností je nejlepší definovat konkrétní funkce jakéhokoli „rozbočovače“ (Hubu).
Obrázek 3: Síť Matter obsahuje brány (Gateway), mosty (Bridge) a směrovače (Router), které poskytují konektivitu napříč různými sítěmi a připojení k internetu. (Zdroj obrázku: NXP)
Brány (Gateways) – Brána Matter podporuje vzdálený přístup k zařízením Matter tím, že poskytuje připojení k internetu. Některá již existující zařízení, jako jsou inteligentní domácí rozbočovače od SmartThings, Amazon a Google, mohou získat software, který tyto rozbočovače promění v brány Matter díky aktualizacím. Matter je specifikován tak, aby mohl komunikovat také přes cloudová připojení nebo dálkový přístup. To zařízením umožňuje využívat své stávající komunikační schopnosti, i když fungují jako součást sítě Matter.
Mosty (Bridges) – Mosty se používají k propojení sítí Matter s bezdrátovými sítěmi. Zařízení, která nejsou kompatibilní s Matter, mohou fungovat přes most a bezproblémově pracovat se sítí Matter. Některá stávající zařízení lze aktualizovat a stát se kompatibilními s Matter, a to umožňuje přímou integraci do sítě Matter bez připojení přes most.
Směrovače (Routers) – Směrovače jsou speciálně navrženy pro integraci Thread sítí. Thread je bezdrátový IP protokol s nízkou spotřebou, který běží na fyzické vrstvě IEEE 802.15.4 (PHY). Protože 802.15.4 není kompatibilní s Wi-Fi, je složitější aktualizovat zařízení na směrovače. To se ale má změnit. NXP řešení, které podporuje Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 a 802.15.4. To značně zjednoduší návrh routerů a dalších zařízení s podporou Matter. Kromě propojení sítí mají některé routery HMI rozhraní pro ovládání chytré domácnosti.
Návrh prvků sítě Matter
Vybudování sítě Matter vyžaduje několik typů zařízení, včetně koncových uzlů jako jsou senzory a akční členy, chytré osvětlení, inteligentní zámky, ovládání topení, ventilace a klimatizace (HVAC). Nesmí chybět směrovače a mosty, které vše spojí dohromady. NXP nabízí celou řadu vývojového hardware pro každý typ síťového prvku Matter spolu s rozsáhlými knihovnami na GitHubu, včetně podpory platformy Matter a příkladů aplikací pro urychlení vývoje (tabulka 1).
Tabulka 1: Vybraná vývojová prostředí pro platformy Matter nabízená NXP. (Zdroj tabulky: NXP, upraveno autorem)
Koncový uzel
Pro vývoj koncového uzlu Matter lze využít vývojové prostředí IOTZTB-DK06 s platformou K32W0x MCU jako je K32W041AZ (obrázek 4). Prostředí zahrnuje hardware i software potřebný k vytvoření samostatných koncových uzlů a demonstrační síť se třemi jednotkami – včetně řídicího mostu, switche a koncového uzlu se světelným senzorem. K32W041AZ MCU jsou účelově navrženy s mikrokontrolerem Arm Cortex-M4 s 640 Kbytes Flash paměti a 152 Kbytes SRAM paměti s podporou BLE 5.0 a Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Kromě extrémně nízké spotřeby energie při vysílání i příjmu mohou tyto mikrokontrolery podporovat složitější aplikace včetně aktualizace OTA (over-the-air) bez externí paměti.
Obrázek 4: Platforma IOTZTB-DK06 obsahuje uzel switch (vlevo), řídicí most - bridge (uprostřed) a koncový uzel se senzorem světla (vpravo). (Zdroj obrázku: NXP)
Brány, směrovače a mosty
Pokud je nutné vytvořit složitější zařízení jako jsou brány, směrovače či mosty lze využít i.MX 8M Mini EVKB. Tato vývojová deska podporuje rodinu aplikačních procesorů i.MX 8M Mini jako je například MIMX8MM5CVTKZAA od NXP (obrázek 5).
Obrázek 5: i.MX 8M Mini EVKB je ideální volbou pro vývoj bran, směrovačů a mostů. (Zdroj obrázku: NXP)
Aplikační procesor i.MX 8M Mini má širokou škálu možností, pokud jde o konektivitu a flexibilitu paměťového rozhraní, díky čemuž je vhodný jak pro spotřebitelské, tak i pro průmyslové aplikace. Vývojovou desku 8MMINILPD4-EVKB lze použít společně s výše popsanými IOTZTB-DK006 a OM-A5000ARD. Přidání desek K32W061 a USB dongle umožňuje rychlé sestavení malé bezdrátové sítě Matter pro testování a vývoj multiprotokolových aplikací.
Závěr
Interoperabilita je zásadní pro koncového uživatele bez ohledu na dodavatele, platformu nebo ekosystém. Matter je specifikace softwaru s otevřeným zdrojovým kódem navržená speciálně pro propojení mnoha „ostrovů“ automatizace v inteligentní domácnosti a zároveň zajišťuje bezpečnost celé sítě. Síť Matter se skládá z koncových uzlů, bran, směrovačů a mostů. NXP nabízí rozsáhlou řadu platforem pro vývoj software i hardware pro všechny typy zařízení v síti Matter.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
