Come utilizzare Matter per connettere le isole di domotica intelligente

I progettisti di dispositivi wireless per la domotica intelligente devono fare i conti con la mancanza di interoperabilità che limita la crescita degli ecosistemi wireless per la casa intelligente. I dispositivi Amazon Alexa, Apple HomeKit e Google Assistant, ad esempio, operano attualmente nelle proprie isole di automazione. Lo stesso vale, in varia misura, per Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave e altri protocolli wireless per Internet delle cose (IoT).

La progettazione di dispositivi multiprotocollo è una possibile soluzione, ma richiede progetti complessi che prolungano i tempi di sviluppo e aumentano il costo del dispositivo. Inoltre, i dispositivi multiprotocollo possono connettere solo parzialmente le isole di domotica intelligente, poiché i vari protocolli hanno approcci diversi all'implementazione della sicurezza e della privacy per gli utenti, complicando ulteriormente la progettazione e l'implementazione.

Per risolvere questi problemi, i progettisti possono rivolgersi alla specifica Matter 1.0 della Connectivity Standards Alliance per connettere le isole di automazione e migliorare l'utilità delle reti IoT delle case intelligenti. La suite software Matter è stata progettata anche per semplificare la messa in servizio di nuovi dispositivi e fornire sicurezza e privacy complete.

Questo articolo inizia con una breve panoramica delle origini di Matter come progetto Casa connessa via IP (CHIP) della Zigbee Alliance e della sua evoluzione fino all'attuale posizione all'interno della Connectivity Standards Alliance (CSA). Il documento esamina quindi lo stack software del livello applicativo di Matter, che si trova in cima a protocolli come Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth e Thread. Esamina inoltre gli strumenti di sicurezza e privacy di Matter. Per concludere, vengono presentati diversi kit di valutazione e schede di sviluppo di NXP Semiconductors, insieme ai relativi microcontroller (MCU) che possono accelerare la progettazione di dispositivi wireless interoperabili per la domotica che utilizzano Matter.

Matter emerge da CHIP

Una tipica casa intelligente può avere oltre 100 dispositivi IoT che utilizzano più di 20 protocolli, creando una torre di Babele in cui le varie isole di automazione operano in modo isolato (Figura 1). Il progetto CHIP è stato lanciato nel dicembre 2019 dalla Zigbee Alliance per sviluppare una suite software comune e connettere tali isole. CHIP è diventato uno dei principali obiettivi dell'Alliance, che ha cambiato nome in CSA, e il progetto CHIP è stato rinominato Matter. Matter si basa sul protocollo Internet (IP) e viene offerto come specifica software open-source esente da royalty. L'adesione a CSA e al gruppo di lavoro Matter è necessaria per ottenere i diritti di proprietà intellettuale sull'uso di Matter. Il progetto Matter ha inoltre definito i requisiti di certificazione e ha istituito una serie di laboratori di prova indipendenti per verificare la conformità dei dispositivi.

Figura 1: Una tipica casa intelligente può avere oltre 100 dispositivi IoT che utilizzano più di 20 protocolli diversi, creando numerose isole di automazione. (Immagine per gentile concessione di NXP)

Dove si colloca Matter?

Matter si basa sul livello IP e lo utilizza come linguaggio comune per comunicare con reti basate su IP come Ethernet, Thread e Wi-Fi. Utilizzando IPv6, Matter può comunicare con i dispositivi senza bisogno di un traduttore. Matter si colloca sotto il livello applicativo del dispositivo e sopra il livello del protocollo di controllo della trasmissione (TCP), attraverso il quale si collega al livello IP nello stack di comunicazione. Matter è una soluzione interoperabile di livello applicativo costruita con sei livelli funzionali sotto il livello applicativo, tra cui il modello di dati, il modello di interazione, l'inquadramento delle azioni, la sicurezza, l'inquadramento e l'instradamento dei messaggi, l'inquadramento IP e la gestione del trasporto. Il livello di gestione del trasporto gestisce i collegamenti ai singoli protocolli. Nella sua versione iniziale, Matter supporta Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) e Wi-Fi. Sono già in corso i lavori per espandere la connettività della rete (Figura 2).

Figura 2: Matter utilizza IPv6 per comunicare con dispositivi Wi-Fi, Thread, BLE ed Ethernet, eliminando la necessità di traduttori dedicati. (Immagine per gentile concessione di NXP)

Garantire il funzionamento sicuro è essenziale nelle implementazioni Matter. Matter combina un codice di autenticazione e la crittografia per assicurare la riservatezza e l'accuratezza dei messaggi e per autenticare la sorgente dati. Per la sicurezza utilizza la crittografia 128 Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol (CCMP) basata sull'algoritmo Advanced Encryption Standard (AES) con Cipher Block Chaining (CBC) AES a 128 bit. Inoltre, utilizza il principio della difesa profonda per fornire i livelli più appropriati di sicurezza e privacy ai singoli dispositivi. L'approccio stratificato ottimizza l'utilizzo delle risorse e garantisce la disponibilità, l'integrità e la riservatezza delle comunicazioni.

Che aspetto ha una rete Matter?

Matter è gestito da CSA e concesso in licenza Apache 2.0. CSA gestisce anche una libreria di implementazioni e applicazioni standard che i soci possono utilizzare per supportare lo sviluppo di propri dispositivi conformi a Matter. La sicurezza e la privacy degli utenti sono uno dei principali obiettivi di Matter e la libreria garantisce l'uniformità nell'implementazione della sicurezza in tutto l'universo dei dispositivi Matter. In termini hardware, Matter comprende nodi terminali, nodi periferici, gateway (chiamati anche controller), ponti e router di confine. Ciò è oggetto di confusione, perché sia i gateway sia i router di confine sono talvolta detti "hub" (Figura 3). In caso di dubbi su un dispositivo, è bene chiarire la funzione specifica di ciascun "hub".

Figura 3: Le reti di comunicazione includono gateway, ponti e router di confine per fornire connettività tra le diverse reti locali e connettività a Internet. (Immagine per gentile concessione di NXP)

• Gateway - Un gateway Matter supporta l'accesso remoto ai dispositivi Matter fornendo una connessione a Internet. Alcuni dispositivi preesistenti, come gli hub per la domotica di SmartThings, Amazon e Google, possono ricevere aggiornamenti software che li trasformano in gateway Matter. Matter è specificato in modo da coesistere con le funzionalità di comunicazione fornite dal produttore, come le connessioni cloud o i controlli remoti, consentendo a tali dispositivi di continuare a utilizzare le loro capacità di comunicazione esistenti anche quando operano come parte di una rete Matter.
• Ponti - I ponti Matter sono utilizzati per connettere le reti Matter con le reti wireless vicine. I dispositivi non compatibili con Matter possono operare attraverso un ponte e lavorare senza problemi con una rete Matter. Si prevede inoltre che i ponti accelerino l'adozione di Matter, consentendo ai nodi e alle reti non compatibili con Matter di essere integrati facilmente in una struttura di rete Matter più ampia. Alcuni dispositivi esistenti possono essere aggiornati e diventare compatibili con Matter, consentendo l'integrazione diretta in una rete Matter senza connettersi tramite un ponte.
• Router di confine - I router di confine sono progettati specificamente per integrare in una rete Matter le reti e i dispositivi Thread, come i sensori di movimento, di porte e finestre. Thread è un protocollo IP wireless a basso consumo che si basa sullo strato fisico (PHY) IEEE 802.15.4. Poiché 802.15.4 non è compatibile con Wi-Fi, è più complicato aggiornare un dispositivo per renderlo un router di confine. La situazione è destinata a cambiare. Produttori come NXP hanno introdotto dispositivi che combinano il supporto per Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 e 802.15.4, semplificando la progettazione di router di confine e altri dispositivi Matter. Oltre a connettere le reti, alcuni router di confine dispongono di un'interfaccia per i controlli di domotica.

Progettazione degli elementi di rete Matter

La costruzione di una rete Matter richiede diversi tipi di dispositivi, tra cui nodi terminali come sensori e attuatori, nodi periferici come illuminazione intelligente, serrature intelligenti e termostati per il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell'aria (HVAC), e una serie di gateway, router di confine e ponti per collegare il tutto. NXP offre una gamma completa di hardware di sviluppo per ogni tipo di elemento di rete Matter, oltre a un'ampia scelta di materiali su GitHub, tra cui il supporto della piattaforma Matter ed esempi di applicazione per accelerare lo sviluppo (Tabella 1).

Tabella 1: Ambienti di sviluppo selezionati per le piattaforme Matter offerte da NXP. (Tabella per gentile concessione di NXP, modificata dall'autore)

Nodo terminale

Gli sviluppatori di piattaforme Matter per nodi terminali possono sfruttare l'ambiente di sviluppo IOTZTB-DK06 utilizzando una piattaforma MCU K32W0x come K32W041AZ (Figura 4). L'ambiente comprende l'hardware e il software necessari per creare nodi terminali standalone e una rete dimostrativa a tre unità, comprendente un ponte di controllo, un nodo interruttore e un nodo luce/sensore.

Gli MCU K32W041AZ sono progettati appositamente con un MCU Arm® Cortex®-M4 con 640 kB di memoria flash e 152 kB di memoria statica ad accesso casuale (SRAM) integrati per alimentare la prossima generazione di dispositivi wireless multiprotocollo a bassissimo consumo e per supportare BLE 5.0 e Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Oltre al bassissimo consumo di energia in trasmissione e ricezione, questi MCU possono supportare applicazioni complesse e aggiornamenti via etere (OTA) senza memoria esterna.

Figura 4: La piattaforma IOTZTB-DK06 comprende un nodo interruttore (a sinistra), un ponte di controllo (al centro) e un nodo luce/sensore (a destra). (Immagine per gentile concessione di NXP)

Nodo periferico

i.MX RT1170 EVK è una piattaforma di sviluppo integrata per i nodi periferici Matter. Questo kit di valutazione è costruito su una scheda CS a sei strati con componenti a foro passante per migliorare le prestazioni di compatibilità elettromagnetica (EMC) e include componenti e interfacce chiave per accelerare lo sviluppo (Figura 5). È basato sulla famiglia di MCU i.MX RT1170 Crossover, che comprende il modello MIMXRT1176CVM8A e può essere combinato con IOTZTB-DK06 descritto in precedenza. i.MX RT1170 dual-core funziona su core Cortex-M7 a 1 GHz e ARM Cortex-M4 a 400 MHz. Supporta diverse funzioni di sicurezza avanzate, tra cui:

• Avvio sicuro
• Motore di crittografia in linea (IEE)
• Decrittografia AES al volo (OTFAD)
• Crittografia ad alte prestazioni
• Rilevamento attivo e passivo delle manomissioni

Figura 5: i.MX RT1170 EVK può essere utilizzato per lo sviluppo di dispositivi di nodo periferico Matter. (Immagine per gentile concessione di NXP)

Inoltre, MIMXRT1170-EVK può essere utilizzato con il kit di sviluppo OM-A5000ARD di Arduino per implementare la sicurezza. Questo kit di Arduino si basa su A5000, un autenticatore IoT sicuro pronto all'uso che include una radice di attendibilità a livello di CI. A5000 può memorizzare e fornire in modo sicuro le credenziali ed eseguire operazioni crittografiche critiche per la sicurezza delle comunicazioni e dell'autenticazione. È progettato per l'uso in una serie di scenari di sicurezza IoT, come l'autenticazione da dispositivo a dispositivo, la connessione sicura a cloud pubblici/privati e la protezione dalle contraffazioni. Per favorire il rapido sviluppo di soluzioni di sicurezza, A5000 è dotato di software preinstallato per l'autenticazione e la sicurezza delle applicazioni.

Gateway, router di confine e ponti

Quando si tratta di progetti più complessi, come gateway, router di confine e ponti, i progettisti possono rivolgersi all' EVKB i.MX 8M Mini. Questa scheda di valutazione supporta la famiglia di processori per applicazioni i.MX 8M Mini, come il modello MIMX8MM5CVTKZAA di NXP (Figura 6).

Figura 6: L'EVKB i.MX 8M Mini supporta lo sviluppo di gateway, router di confine e ponti Matter. (Immagine per gentile concessione di NXP)

Il processore per applicazioni i.MX 8M Mini dispone di un'ampia gamma di funzionalità in termini di connettività di sistema e flessibilità dell'interfaccia di memoria, che lo rendono adatto sia alle applicazioni consumer e industriali embedded ricche di contenuti multimediali, sia alle applicazioni generiche meno ricche di contenuti multimediali che richiedono efficienza energetica e prestazioni elevate.

La scheda di valutazione 8MMINILPD4-EVKB può essere utilizzata insieme a IOTZTB-DK006 e OM-A5000ARD, descritti in precedenza. L'aggiunta delle schede di aggiornamento K32W061 e di un dongle USB consente di assemblare rapidamente una piccola rete wireless Matter per il collaudo e lo sviluppo di applicazioni multiprotocollo.

Conclusione

L'interoperabilità è fondamentale per gli utenti finali dei dispositivi IoT, indipendentemente dal fornitore, dalla piattaforma o dall'ecosistema. Matter è una specifica software open-source progettata appositamente per collegare le numerose isole di automazione negli ambienti di domotica intelligente, garantendo al contempo sicurezza e privacy. Come illustrato, una rete Matter è composta da una serie di dispositivi, tra cui nodi finali, nodi periferici, gateway, router di confine e ponti. Per i progettisti che desiderano iniziare rapidamente, NXP offre un'ampia gamma di piattaforme di sviluppo software e hardware per l'intera gamma di dispositivi Matter.

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