Älykotien automaatiosaarekkeiden yhdistäminen Matter-standardin avulla

Älykotien langattomien automaatiolaitteiden suunnittelijoiden haasteena on laajan yhteentoimivuuden puute, joka rajoittaa langattomien älykotiekosysteemien kasvua. Esimerkiksi Amazon Alexa-, Apple HomeKit- ja Google Assistant ‑laitteet toimivat tällä hetkellä omilla automaatiosaarekkeillaan. Sama koskee vaihtelevin astein myös muita langattomia esineiden internet (IoT) ‑protokollia, kuten Ethernetiä, Threadia, Insteonia, SmartThingsiä, Wi-Fiä ja Z-Wavea.

Useita protokollia tukevien laitteiden kehittäminen on eräs mahdollinen ratkaisu, mutta se edellyttää kompleksisia ratkaisuita, jotka pidentävät kehitysprosessia ja lisäävät laitekustannuksia. Lisäksi useita protokollia tukevat laitteet voivat yhdistää älykotien automaatiosaarekkeet vain osittain, sillä eri protokollissa käytetään erilaisia lähestymistapoja siihen, miten käyttäjien tietoturva ja yksityisyys varmistetaan, mikä vaikeuttaa entisestään suunnittelua ja toteutusta.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi suunnittelijat voivat ottaa käyttöönsä Connectivity Standards Alliancen Matter 1.0 ‑standardin, jonka avulla voi yhdistää automaatiosaarekkeita ja parantaa älykotien IoT-verkkojen hyödynnettävyyttä. Matter-ohjelmistopaketti on myös suunniteltu yksinkertaistamaan uusien laitteiden käyttöönottoa ja tarjoamaan kattava tietoturva ja yksityisyys.

Tämän artikkelin alussa on lyhyt yleiskuvaus Matter-standardin alkuperästä Zigbee Alliancen Connected Home over IP (CHIP) ‑projektina ja sen kehityksestä nykyiseen asemaansa Connectivity Standards Alliancessa (CSA). Sen jälkeen artikkelissa esitellään Matter-standardin sovelluskerroksen ohjelmistopino, joka toimii sellaisten eri protokollien kuten Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth ja Thread, yläpuolella. Artikkelissa tarkastellaan myös Matter-standardin tietoturva- ja yksityisyystyökaluja. Lopuksi artikkelissa esitellään useita NXP Semiconductorsin arviointisarjoja ja kehitysalustoja sekä niihin liittyviä mikrokontrollereita (MCU), jotka voivat nopeuttaa yhteentoimivien langattomien älykotilaitteiden kehittämistä Matter-standardin avulla.

Matter kehittyi CHIP-projektista

Tyypillisessä älykodissa voi olla yli 100 IoT-laitetta, jotka käyttävät yli 20 protokollaa. Tämä luo verkkotoiminnalle eräänlaisen ”Baabelin tornin”, jossa eri automaatiosaarekkeet toimivat eristyksissä toisistaan (kuva 1). Joulukuussa 2019 Zigbee Alliance käynnisti CHIP-projektin tarkoituksena kehittää yhteinen ohjelmistopaketti, jonka avulla saarekkeet voitaisiin yhdistää. Alliance alkoi keskittyä yhä enemmän CHIP-projektiin ja muutti nimensä CSA:ksi. CHIP-projekti puolestaan sai uudeksi nimekseen Matter. Matter perustuu internet-protokollaan (IP) ja se on tarjolla avoimen lähdekoodin ohjelmistospesifikaationa, joka on tekijänoikeusvapaa. CSA:n ja Matter-työryhmän jäsenyys on edellytyksenä immateriaalioikeuksien saamiselle Matter-standardin käyttöä varten. Matter-projektiin on myös määritetty sertifiointivaatimukset ja perustettu useita itsenäisiä testauslaboratorioita, jotta laitteiden yhteensopivuus voidaan varmistaa.

Kuva 1: Tyypillisessä älykodissa voi olla yli 100 IoT-laitetta, jotka käyttävät yli 20 erilaista protokollaa, mikä luo useita automaatiosaarekkeita. (Kuvan lähde: NXP)

Miten Matter sopii kuvaan?

Matter on rakennettu IP-kerroksen päälle ja käyttää sitä yhteisenä kielenä viestiessään IP-pohjaisten verkkojen, kuten Ethernetin, Threadin ja Wi-Fin, kanssa. IPv6:n avulla Matter voi viestiä laitteiden kanssa ilman kääntäjiä. Matter toimii laitesovelluskerroksen alapuolella ja TCP (Transmission Control Protocol) ‑kerroksen yläpuolella, jonka kautta se on yhteydessä tiedonsiirtopinon IP-kerrokseen. Matter on yhteentoimiva sovelluskerrosratkaisu, joka on rakennettu sovelluskerroksen alapuolelle ja jossa on kuusi toiminnallista kerrosta, kuten tietomalli, vuorovaikutusmalli, toiminnan kehystys, suojaus, viestien kehystys ja reititys sekä IP-kehystys ja siirronhallinta. Siirronhallintakerros käsittelee yhteydet yksittäisiin protokolliin. Matter-standardin ensimmäinen julkaisuversio tukee protokollia Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) ja Wi-Fi. Verkkoyhteyksien laajentamiseksi tehdään jo töitä (kuva 2).

Kuva 2: Matter käyttää IPv6-protokollaa viestinnässä Wi-Fi-, Thread-, BLE- ja Ethernet-laitteiden kanssa, jolloin ei tarvita tähän varattuja kääntäjiä. (Kuvan lähde: NXP)

Turvallisen toiminnan varmistaminen on keskeistä Matter-standardin käyttöönoton kannalta. Matter varmistaa viestien luottamuksellisuuden ja tarkkuuden sekä todentaa tietolähteet todennuskoodin ja salauksen yhdistelmällä. Se käyttää AES 128 (Advanced Encryption Standard) ‑salausstandardin mukaista CBC (Cipher Block Chaining) ‑viestintodennuskoodia (CCM) ja 128-bittistä AES CBC:tä tietoturvan varmistamiseen. Lisäksi se käyttää syvän suojauksen periaatetta tarjotakseen sopivimman tietoturvan ja yksityisyystason yksittäisille laitteille. Monikerroksinen lähestymistapa optimoi resurssien hyödyntämisen ja varmistaa viestinnän käytettävyyden, eheyden ja luottamuksellisuuden.

Miltä Matter-verkko näyttää?

Matter-standardia hallinnoi CSA, ja se on Apache 2.0 ‑lisensoitu. CSA ylläpitää myös kirjastoa vakiototeutuksista ja ‑sovelluksista, joita jäsenet voivat käyttää tukena kehittäessään omia Matter-yhteensopivia laitteitaan. Matter keskittyy mm. tietoturvaan ja käyttäjien yksityisyyteen, ja kirjasto varmistaa tietoturvan yhtenäisyyden koko Matter-laiteuniversumissa. Laitteiston osalta Matter sisältää loppusolmuja, reunasolmuja, yhdyskäytäviä (joita kutsutaan myös ohjaimiksi), siltoja ja reunareitittimiä. Epäselvyyttä voi aiheutua siitä, että sekä yhdyskäytävistä että reunareitittimistä käytetään joskus nimeä ”keskitin” (kuva 3). Epäselvissä tapauksissa ”keskittimeksi” kutsutun laitteen tarkka funktio on syytä selvittää.

Kuva 3: Matter-verkot sisältävät yhdyskäytäviä, siltoja ja reunareitittimiä, jotka mahdollistavat yhteydet paikallisiin verkkoihin sekä Internetiin. (Kuvan lähde: NXP)

• Yhdyskäytävät – Matter-yhdyskäytävä tukee etäyhteyttä Matter-laitteisiin tarjoamalla yhteyden Internetiin. Jotkin olemassa olevat laitteet, kuten SmartThingsin, Amazonin ja Googlen älykotikeskittimet, voidaan muuntaa Matter-yhdyskäytäviksi ohjelmistopäivityksillä. Matter on määritetty niin, että se voi toimia yhdessä valmistajien omien viestintätoimintojen, kuten pilviyhteyksien tai kaukosäätimien, kanssa. Tämän ansiosta laitteet voivat edelleen käyttää olemassa olevia viestintäominaisuuksiaan myös silloin, kun ne toimivat osana Matter-verkkoa.
• Sillat – Matter-silloilla yhdistetään Matter-verkot lähellä oleviin langattomiin verkkoihin. Laitteet, jotka eivät ole Matter-yhteensopivia, voivat käyttää siltaa ja toimia saumattomasti Matter-verkon kanssa. Lisäksi siltojen odotetaan nopeuttavan Matter-standardin käyttöönottoa, koska myös Matter-standardin kanssa yhteensopimattomat solmut ja verkot voidaan helposti integroida laajempaan Matter-verkkorakenteeseen. Jotkin olemassa olevat laitteet voidaan päivittää Matter-yhteensopiviksi, mikä mahdollistaa suoran integroinnin Matter-verkkoon ilman yhteyttä sillan kautta.
• Reunareitittimet – Reunareitittimet on suunniteltu erityisesti Thread-verkkojen ja ‑laitteiden, kuten liike-, ovi- ja ikkunatunnistinten, integroimiseksi Matter-verkkoon. Thread on vähävirtainen langaton IP-protokolla, joka toimii fyysisessä IEEE 802.15.4 ‑kerroksessa (PHY). Koska 802.15.4 ei ole yhteensopiva Wi-Fi-yhteyden kanssa, laitteen päivittäminen reunareitittimeksi on hankalampaa. Tämä muuttuu pian. Esimerkiksi NXP:n kaltaiset valmistajat ovat tuoneet markkinoille laitteita, joissa yhdistyvät Wi-Fi 6-, Bluetooth 5.2- ja 802.15.4-tuki, mikä yksinkertaistaa reunareitittimien ja muiden Matter-laitteiden suunnittelua. Verkkojen yhdistämisen lisäksi joillakin reunareitittimillä on rajapinta älykotien säätimiä varten.

Matter-verkkoelementtien suunnittelu

Matter-verkon rakentaminen edellyttää useita erityyppisiä laitteita, kuten loppusolmuja eli tunnistimia ja toimilaitteita, reunasolmuja esimerkiksi älyvalaistuksen, älylukkojen sekä lämmityksen, ilmanvaihdon ja ilmastoinnin (HVAC) säätimiä varten sekä useita yhdyskäytäviä, reunareitittimiä ja siltoja, jotka sitovat koko paketin yhteen. NXP tarjoaa täyden valikoiman kehityslaitteistoja kaikentyyppisille Matter-verkkoelementeille sekä kattavasti GitHub-materiaaleja, mukaan lukien Matter-alustan tuki ja sovellusesimerkkejä, jotka nopeuttavat kehitysprosessia (taulukko 1).

Taulukko 1: Eräitä NXP:n tarjoamia Matter-alustojen kehitysympäristöjä. (Taulukon lähde: NXP, kirjoittajan muokkaama)

Loppusolmu

Loppusolmuina toimivien Matter-alustojen kehittäjät voivat hyödyntää IOTZTB-DK06-kehitysympäristöä käyttämällä K32W0x-MCU-alustaa, kuten K32W041AZ:aa (kuva 4). Ympäristö sisältää laitteistot ja ohjelmistot, joita tarvitaan itsenäisten loppusolmujen luomiseen, sekä kolmen yksikön esittelyverkon, mukaan lukien ohjaussilta, kytkinsolmu ja valo/tunnistinsolmu.

K32W041AZ-mikrokontrollerit käyttävät Arm® Cortex®-M4 ‑mikrokontrolleria, joka sisältää 640 kilotavua (kt) omaa flash-muistia ja 152 kt staattista hajasaantimuistia (SRAM), ja ne on nimenomaisesti kehitetty seuraavan sukupolven erittäin alhaisen virran useita protokollia tukeviin langattomiin laitteisiin. Laitteet tukevat BLE 5.0- ja Zigbee 3.0- / Thread- / IEEE 802.15.4-protokollia. Sen lisäksi, että lähetyksen ja vastaanottamisen virrankulutus on näissä mikrokontrollereissa erittäin alhaista, ne voivat myös tukea monimutkaisia sovelluksia ja langattomia Over-the-Air (OTA) ‑päivityksiä ilman ulkoista muistia.

Kuva 4: IOTZTB-DK06-alusta sisältää kytkinsolmun (vasemmalla), ohjaussillan (keskellä) ja valo/tunnistinsolmun (oikealla). (Kuvan lähde: NXP)

Reunasolmu

i.MX RT1170 EVK tarjoaa integroidun kehitysalustan Matter-reunasolmuille. Tämä arviointisarja käyttää kuusikerroksista piirilevyä, jossa on läpiasennettavat komponentit sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) parantamiseksi, ja se sisältää keskeiset komponentit sekä rajapinnat kehitysprojektien nopeuttamiseksi (kuva 5). Se perustuu i.MX RT1170 -sovellusprosessorien tuoteperheeseen, johon sisältyy mm. MIMXRT1176CVM8A, ja se voidaan yhdistää edellä kuvatun IOTZTB-DK06:n kanssa. Kaksiytiminen i.MX RT1170 toimii Cortex-M7-ytimessä 1 gigahertsin (GHz) nopeudella ja Arm Cortex-M4 400 megahertsin (MHz) nopeudella. Se tukee useita edistyneitä tietoturvaominaisuuksia:

• suojattu käynnistys
• inline-salaustoiminto (IEE)
• ajonaikainen AES-salauksen purku (OTFAD)
• erittäin suorituskykyinen salaustekniikka
• aktiivinen ja passiivinen peukaloinnin tunnistus.

Kuva 5: i.MX RT1170 EVK -alustaa voidaan käyttää Matter-reunasolmulaitteiden kehittämiseen. (Kuvan lähde: NXP)

Lisäksi MIMXRT1170-EVK -alustaa voidaan käyttää yhdessä OM-A5000ARD Arduino -kehityssarjan kanssa tietoturvan toteuttamiseen. Arduino-kehityssarja perustuu A5000-piiriin, käyttövalmiiseen ja turvalliseen IoT-todentajaan, joka sisältää luottamuksen perustan (RoT) mikropiiritasolla. A5000 voi tallentaa ja tarjota tunnistetietoja turvallisesti sekä suorittaa salaustoimintoja kriittisen viestinnän ja todennuksen turvallisuuden varmistamiseksi. Se on suunniteltu käytettäväksi monissa IoT-tietoturvan käyttötapauksissa, kuten laitteiden välinen todennus, suojattu yhteys julkisiin/yksityisiin pilvipalveluihin sekä väärennyksien havaitseminen. Tietoturvaratkaisujen nopean kehittämisen tueksi A5000-piirin mukana toimitetaan valmiiksi asennettu sovellustodennus- ja suojausohjelmisto.

Yhdyskäytävät, reunareitittimet ja sillat

Kun tarvitaan monimutkaisempia ratkaisuita, kuten yhdyskäytäviä, reunareitittimiä ja siltoja, suunnittelijat voivat käyttää 8M Mini EVKB i.MX ‑alustaa. Tämä arviointialusta tukee i.MX 8M Mini -sovellusprosessorien tuoteperhettä, kuten NXP:n MIMX8MM5CVTKZAA (kuva 6).

Kuva 6: i.MX 8M Mini EVKB tukee Matter-yhdyskäytävien, ‑reunareitittimien ja ‑siltojen kehittämistä. (Kuvan lähde: NXP)

i.MX 8M Mini ‑sovellusprosessori tarjoaa laajan valikoiman järjestelmäyhteyksiä ja joustavia muistiliitäntöjä, joten se sopii sekä paljon mediaa käyttäviin kuluttajasovelluksiin että upotettuihin teollisuussovelluksiin, ja myös vähemmän mediaa käyttäviin yleissovelluksiin, joissa tarvitaan energiatehokkuutta ja erinomaista suorituskykyä.

8MMINILPD4-EVKB-arviointialustaa voidaan käyttää yhdessä edellä kuvattujen alustojen IOTZTB-DK006 ja OM-A5000ARD kanssa. K32W061-päivityskorttien ja USB-käyttöavaimen lisäyksen avulla pieniä langattomia Matter-verkkoja voidaan koota nopeasti testausta ja useita protokollia tukevien sovellusten kehittämistä varten.

Yhteenveto

Yhteentoimivuus on IoT-laitteiden loppukäyttäjille olennaisen tärkeää toimittajasta, alustasta tai ekosysteemistä riippumatta. Matter on avoimen lähdekoodin ohjelmistospesifikaatio, joka on suunniteltu erityisesti yhdistämään monet älykotiympäristöjen automaatiosaarekkeet sekä takaamaan samalla tietoturva ja yksityisyys. Kuten artikkelissa osoitetaan, Matter-verkko koostuu useista erityyppisistä laitteista, kuten loppusolmuista, reunasolmuista, yhdyskäytävistä, reunareitittimistä ja silloista. Suunnittelijoille, jotka haluavat aloittaa kehityksen nopeasti, NXP tarjoaa laajan valikoiman ohjelmisto- ja laitteistokehitysalustoja kaikkia erilaisia Matter-laitteita varten.

Suositeltavaa luettavaa

1. Virrankulutuksen vähentäminen aina päällä olevissa äänikäyttöliittymää hyödyntävissä laitteissa