A Matter használata az okosotthonok automatizálási szigeteinek összekapcsolására

Az okosotthonok vezeték nélküli automatizálási eszközeinek tervezői számára kihívást jelent a széles körű együttműködés hiánya, amely korlátozza a vezeték nélküli okosotthonokban használt ökoszisztémák növekedését. Az Amazon Alexa, az Apple HomeKit és a Google Asszisztens által kezelt készülékek például jelenleg mind a saját automatizálási szigeteiken működnek. Ugyanez különböző mértékben igaz az Ethernet, a Thread, az Insteon, a SmartThings, a wifi és a Z-Wave protokollra és dolgok internete (IoT) más vezeték nélküli protokolljaira.

Lehet ugyan többprotokollos (azaz több protokollt használó) eszközöket tervezni, de ez olyan összetett tervezést igényel, amely meghosszabbítja a fejlesztési folyamatot, és növeli az eszköz költségeit. Ezen túlmenően a többprotokollos eszközök csak részben képesek összekapcsolni az okosotthonok automatizálási szigeteit, ugyanis a különböző protokollok eltérő megközelítést használnak a felhasználók biztonságának és adatvédelmének megvalósítására, ami tovább bonyolítja a tervezésüket és megalkotásukat.

Ezeknek a problémáknak a megoldására a tervezők használhatják a Connectivity Standards Alliance szervezet Matter 1.0 szabványát, hogy összekapcsolják az automatizálási szigeteket, és növeljék az okosotthonokban lévő IoT-hálózatok hasznosságát. A Matter szoftvercsomagot úgy tervezték, hogy egyszerűsítse az új eszközök üzembe helyezését, valamint átfogó biztonságot és adatvédelmet nyújtson.

Ez a cikk a Matter eredetének rövid áttekintésével kezdődik, amely a Zigbee Alliance szervezet CHIP (Connected Home over IP, IP protokollon át az internetre kapcsolat otthon) projektjeként indult, és bemutatja, hogyan fejlődött a Connectivity Standards Alliance (CSA) szervezet gondozásában a jelenlegi állapotába. Ezután áttekinti a Matter alkalmazási rétegbeli szoftvercsomagját, amely az olyan protokollok tetején helyezkedik el, mint az Ethernet, a wifi, a Bluetooth és a Thread. Emellett megvizsgálja a Matter biztonsági és adatvédelmi eszközeit is. A cikk az NXP Semiconductors néhány fejlesztőkészletének és fejlesztőkártyájának, valamint az ezekhez kapcsolódó mikrovezérlőknek (MCU) a bemutatásával zárul, amelyek felgyorsíthatják az együttműködésre képes vezeték nélküli okosotthonokba szánt, a Matter szabványt használó eszközök tervezését.

A Matter a CHIP projektből fejlődött ki

Egy jellegzetes okosotthonban 100-nál is több IoT-készülék is lehet, amelyek több mint 20 protokollt használhatnak. Ez egy olyan hálózati Bábel tornyát hoz létre, ahol a különböző automatizálási szigetek egymástól elszigetelten működnek (1. ábra). A CHIP projektet 2019 decemberében indította el a Zigbee Alliance egy közös szoftvercsomag kifejlesztése és a szigetek összekapcsolása érdekében. A CHIP a Zigbee Alliance egyik fő projektjévé vált. A Zigbee Alliance a nevét CSA-ra (Connectivity Standards Alliance) változtatta, a CHIP projektet pedig átnevezték a Matter névre. A Matter az IP (internetprotokoll) protokollon alapul, és nyílt forráskódú, jogdíjmentes szoftverszabványként kínálják. A CSA és a Matter munkacsoport tagsága szükséges ahhoz, hogy valaki szellemi tulajdonjogokat szerezzen a Matter használatához. A Matter projekt a tanúsítási követelményeket is meghatározta, és egy sor független tesztlaboratóriumot hozott létre, hogy az eszközök megfelelőségét ellenőrizni lehessen.

1. ábra: Egy jellegzetes okosotthonban 100-nál is több a dolgok internetére (IoT) kapcsolódó készülék is lehet, amelyek több mint 20 különböző protokollt használhatnak, számos automatizálási szigetet hozva így létre (kép: NXP)

Hol a Matter helye?

A Matter az IP rétegre épül, és azt használja közös nyelvként az IP-alapú hálózatokkal, például az Ethernet-, a Thread- és a wifihálózatokkal való kommunikációhoz. Az IPv6 használatával a Matter fordító nélkül kommunikálhat az eszközökkel. A Matter az eszköz alkalmazási rétege alatt és a TCP (átvitelvezérlő protokoll, transmission control protocol) réteg felett helyezkedik el a kommunikációs rétegek rendszerében, és utóbbin keresztül kapcsolódik az IP réteghez. A Matter egy alkalmazási rétegbeli, együttműködésre képes megoldás, amely az alkalmazási réteg alatt hat funkcionális rétegből épül fel, beleértve az adatmodellt, az együttműködési modellt, a műveletkeretezést, a biztonságot, az üzenetkeretezést és útválasztást, valamint az IP-keretezést és a szállításfelügyeletet. Az egyes protokollokhoz való kapcsolódásokat a szállításfelügyeleti réteg kezeli. Első változatában a Matter az Ethernet-, a Thread-, a BLE- (Bluetooth Low Energy, kis fogyasztású Bluetooth) és a wifikapcsolatokat támogatja. Már folyamatban van a hálózati összeköttetési lehetőségek bővítése (2. ábra).

2. ábra: A Matter az IPv6-ot használja a wifi-, a Thread-, a BLE- és az Ethernet-eszközökkel való kommunikációra, így nincs szükség külön fordítókra (kép: NXP)

A biztonságos működés biztosítása kulcsfontosságú elem a Matter-rendszerekben. A Matter az üzenetek titkosságának és pontosságának megőrzése, valamint az adatforrás hitelesítése érdekében kombinálja a hitelesítési kódot és a titkosítást. A biztonság érdekében 128 bites AES CCM titkosítást használ 128 bites AES CBC-vel (AES: advanced encryption standard, fejlett titkosítási szabvány, CCM: counter with cipher block chaining message authentication code, másik rövidítéssel counter with CBC-MAC, rejtjelezett blokkláncú üzenethitelesítési kódos számláló, CBC: cipher block chaining, rejtjelezett blokklánc). Ezen túlmenően a mélységi védelem elvét alkalmazza, hogy az egyes készülékek számára a legmegfelelőbb szintű biztonságot és adatvédelmet nyújtsa. A többrétegű megközelítés optimalizálja az erőforrások kihasználását, és biztosítja a kommunikáció rendelkezésre állását, épségét és titkosságát.

Hogyan néz ki egy Matter-hálózat?

A Matter szabványt a CSA kezeli, és Apache 2.0 licenc alatt áll. A CSA fenntart egy a szabvány megvalósításait és felhasználási módjait tartalmazó könyvtárat is, amelyet a tagok felhasználhatnak saját Matter-kompatibilis eszközeik fejlesztéséhez. A biztonság és a felhasználók adatvédelme a Matter egyik fő szempontja, és a könyvtár elősegíti a biztonság egységes megvalósítását a Matter eszközuniverzumában. Ami a hardvereket illeti, a Matter-hálózatok végcsomópontokat, peremcsomópontokat, átjárókat (más néven vezérlőket), hidakat és határútválasztókat tartalmaznak. Zavart okozhat, hogy néha az átjárókat és a határútválasztókat is elosztóknak (hub) nevezik (3. ábra). Ha kétség merül fel valamelyik eszközzel kapcsolatban, a legjobb módszer, hogy tisztázza az „elosztó” tényleges funkcióját.

3. ábra: A Matter-hálózatok átjárókat, hidakat és határútválasztókat tartalmaznak, ezek segítségével valósulnak meg a különböző helyi hálózatok közötti kapcsolatok és az internetre kapcsolódás (kép: NXP)

• Átjárók – A Matter-átjáró teszi lehetővé a Matter-eszközök távelérését azáltal, hogy létrehozza az internetkapcsolatot. Egyes már meglévő eszközök, például a SmartThings, az Amazon és a Google okosotthonokba szánt elosztói olyan szoftverfrissítéseket kaphatnak, amelyekkel Matter-átjárókká alakíthatók. A Matter úgy van meghatározva, hogy a gyártó által kínált kommunikációs funkciókkal, például felhőkapcsolatokkal vagy távvezérlőkkel együtt is létezhet, lehetővé téve ezeknek az eszközöknek, hogy a Matter-hálózat részeként működve is használhassák meglévő kommunikációs képességeiket.
• Hidak – A Matter-hidak a Matter-hálózatok és a közeli vezeték nélküli hálózatok összekapcsolására szolgálnak. A hidakon keresztül használhatók a nem Matter-kompatibilis eszközök is, és problémamentesen együttműködhetnek a Matter-hálózatokkal. A hidak várhatóan szintén felgyorsítják a Matter bevezetését, mivel lehetővé teszik, hogy a nem Matter-kompatibilis csomópontokat és hálózatokat könnyen be lehessen vonni egy nagyobb Matter-hálózatstruktúrába. Egyes meglévő eszközök frissíthetők és Matter-kompatibilissé tehetők, ami lehetőséget ad a Matter-hálózatba való közvetlen, nem hídon át csatlakozással történő bevonásukra.
• Határútválasztók – A határútválasztókat kifejezetten arra tervezték, hogy a Thread-hálózatokat és az olyan eszközöket, mint a mozgás-, ajtó- és ablakérzékelők, bevonják a Matter-hálózatokba. A Thread egy kis fogyasztású vezeték nélküli IP-protokoll, amely az IEEE 802.15.4 fizikai rétegében (PHY) fut. Mivel az IEEE 802.15.4 nem kompatibilis a wifivel, az ilyen készülékeket bonyolultabb úgy frissíteni, hogy határútválasztóvá váljanak. Ez hamarosan megváltozik. Az olyan gyártók, mint az NXP, olyan eszközöket mutattak be, amelyek kombinálják a Wifi 6, a Bluetooth 5.2 és a 802.15.4 támogatását, ez pedig leegyszerűsíti a határútválasztók és más Matter-eszközök tervezését. A hálózatok összekapcsolása mellett egyes határútválasztókban található az okosotthonok vezérléséhez szükséges illesztőfelület is.

A Matter-hálózat elemeinek tervezése

A Matter-hálózatok kiépítéséhez többféle eszközre van szükség. Ilyenek a végcsomópontok, például érzékelők és működtetőelemek, a peremcsomópontok, például az intelligens világítás, intelligens zárak és a fűtés, szellőzés és légkondicionálás (HVAC) vezérlőegységei, valamint ide tartozik még egy sor átjáró, határútválasztó és híd, amelyek mindezeket összekötik. Az NXP a Matter-hálózat elemeinek minden fajtájához teljes körű fejlesztői hardvert kínál, valamint számos anyag letölthető a GitHub webhelyről, köztük a fejlesztési folyamatot felgyorsító Matter-platformtámogatás és különféle használati minták is (1. táblázat).

1. táblázat: Az NXP által a Matter-platformokhoz kínált válogatott fejlesztési környezetek (táblázat: NXP, a szerző által módosítva)

Végcsomópont

A Matter-platformok végcsomópontjainak fejlesztői valamelyik K32W0x mikrovezérlős platform, például a K32W041AZ segítségével felhasználhatják az IOTZTB-DK06 fejlesztési környezetet (4. ábra). A fejlesztési környezet tartalmazza az önálló végcsomópontok létrehozásához szükséges valamennyi hardvert és szoftvert, valamint egy három egységből álló szemléltetőhálózatot – beleértve egy vezérlőhidat, egy kapcsolócsomópontot és egy világítási/érzékelő csomópontot.

A K32W041AZ mikrovezérlők kifejezetten arra készültek – egy ARM® Cortex®-M4 mikrovezérlővel, 640 kB kártyán elhelyezett flashmemóriával és 152 kB SRAM-mal (statikus véletlen hozzáférésű memóriával) –, hogy árammal lássák el a következő generációs, rendkívül kis áramfelvételű, többprotokollos vezeték nélküli eszközöket, és támogassák a BLE 5.0 és a Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4 szabványokat. A rendkívül kis adó- és vevőfogyasztás mellett ezek a mikrovezérlők külső memória nélkül lehetővé teszik az összetett alkalmazások használatát és az OTA (over-the-air, rádiós úton történő) frissítéseket.

4. ábra: Az IOTZTB-DK06 platform tartalmaz egy kapcsolócsomópontot (balra), egy vezérlőhidat (középen) és egy világítási/érzékelő csomópontot (jobbra) (kép: NXP)

Peremcsomópont

Az i.MX RT1170-EVK fejlesztőkártya összeépített fejlesztőplatformot kínál a Matter peremcsomópontok fejlesztéséhez. Ez a fejlesztőkészlet egy hatrétegű nyomtatott áramköri lapra épül, a jobb elektromágneses összeférhetőség (EMC) érdekében furatszerelt alkatrészekkel, és a fejlesztési projektek felgyorsításához szükséges kulcsfontosságú alkatrészeket és illesztőfelületeket tartalmaz (5. ábra). Az i.MX RT1170 hibrid mikrovezérlő termékcsaládon alapul, amelynek tagja az MIMXRT1176CVM8A jelű eszköz is, és használható a fentebb említett IOTZTB-DK06 platformmal együtt. A kétmagos i.MX RT1170 a Cortex-M7 magot 1 GHz-es, az ARM Cortex-M4-et pedig 400 MHz-es órajellel használja. Számos fejlett biztonsági funkciót támogat, többek között a következőket:

• Biztonságos rendszerindítás
• Közbülső titkosítómotor (IEE)
• Menet közbeni AES-dekódolás (OTFAD, on-the-fly AES decryption)
• Nagy teljesítményű titkosítás
• Aktív és passzív illetéktelenhozzáférés-érzékelés

5. ábra: Az i.MX RT1170-EVK fejlesztőkártya Matter-peremcsomóponti eszközök fejlesztéséhez használható (kép: NXP)

Ezenkívül az MIMXRT1170-EVK fejlesztőkártya az OM-A5000ARD Arduino fejlesztőkészlettel együtt használható a biztonság megvalósításához is. Ez az Arduino fejlesztőkészlet az A5000 biztonságos hitelesítőeszközre épül. Ez egy azonnal használható, biztonságos IoT-hitelesítő, amely IC-szintű megbízhatósági alappontot (RoT, root of trust) tartalmaz. Az A5000 biztonságosan tárolja és szolgáltatja a hitelesítő adatokat, és titkosítási műveleteket végez a kritikus kommunikáció és a hitelesítés biztonsága érdekében. A dolgok internetéhez szükséges biztonsági felhasználási módok széles körére tervezték, például eszközök közötti hitelesítésre, nyilvános és magánfelhőkhöz való biztonságos csatlakozásra és hamisítás elleni védelemre. A biztonsági megoldások gyors fejlesztésének támogatása érdekében az A5000 az alkalmazások hitelesítéséhez és biztonságához szükséges előre telepített szoftverrel van ellátva.

Átjárók, határútválasztók, hidak

Ha összetettebb készülékekre, például átjárókra, határútválasztókra és hidakra van szükség, a tervezők használhatják az i.MX 8M Mini-EVKB fejlesztőkártyát. Ez a fejlesztőkártya támogatja az i.MX 8M Mini célprocesszor-termékcsaládot, például az NXP MIMX8MM5CVTKZAA processzort (6. ábra).

6. ábra: Az i.MX 8M Mini-EVKB fejlesztőkártya a Matter-átjárók, -határútválasztók és -hidak fejlesztését segíti (kép: NXP)

Az i.MX 8M Mini célprocesszor a rendszer csatlakoztathatósága és a memóriaillesztő felület rugalmassága tekintetében kiterjedt képességekkel rendelkezik, így egyaránt alkalmas a sokféle médiát kezelő fogyasztói és beágyazott ipari rendszerekben való felhasználásra, valamint a jó hatásfokot és nagy teljesítményt igénylő, kevés médiát kezelő általános célú felhasználási területekre.

A 8MMINILPD4-EVKB fejlesztőkártya a fentebb említett IOTZTB-DK006 és OM-A5000ARD fejlesztőkészlettel együtt is használható. A K32W061 továbbfejlesztő kártyák és egy USB-s hardverkulcs hozzáadásával gyorsan összeállítható egy kis vezeték nélküli Matter-hálózat a többprotokollos eszközök teszteléséhez és fejlesztéséhez.

Összegzés

A dolgok internetére kapcsolódó (IoT-) eszközök végfelhasználói számára rendkívül fontos az együttműködési képesség, függetlenül a gyártótól, a platformtól és az ökoszisztémától. A Matter egy nyílt forráskódú szoftverszabvány, amelyet kifejezetten arra terveztek, hogy összekapcsolja az okosotthonok környezetében fellelhető különféle automatizálási szigeteket, miközben szavatolja a biztonságot és az adatvédelmet. Amint látható, egy Matter-hálózat sokféle eszközből áll, köztük végcsomópontokból, peremcsomópontokból, átjárókból, határútválasztókból és hidakból. Azoknak a tervezőknek, akik gyorsan akarnak belefogni egy Matter-hálózat tervezésébe, az NXP széles körű szoftver- és hardverfejlesztési platformokat kínál a Matter-eszközök teljes skálájának fejlesztéséhez.

Ajánlott olvasnivaló

1. How to Reduce Power Consumption in Always-On Voice Interface Designs (A fogyasztás csökkentése az állandóan bekapcsolt hangvezérelt kezelőfelületek esetében)