Como usar o Matter para conectar as Ilhas de Automação Doméstica Inteligente

Os projetistas de dispositivos de automação doméstica inteligentes sem fio são desafiados por uma falta de interoperabilidade de base ampla que está limitando o crescimento de ecossistemas domésticos inteligentes sem fio. Os aparelhos Amazon Alexa, Apple HomeKit e Google Assistente, por exemplo, operam atualmente em suas próprias ilhas de automação. O mesmo é verdade em vários graus para os protocolos Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave e outros protocolos de Internet das Coisas (IoT) sem fio.

O projeto de dispositivos multiprotocolo é uma solução potencial, mas requer projetos complexos que estendem o processo de desenvolvimento e aumentam o custo do dispositivo. Além disso, os dispositivos multiprotocolo só podem conectar parcialmente as ilhas de automação doméstica inteligente, já que os vários protocolos têm abordagens diferentes para implementar segurança e privacidade para os usuários, complicando ainda mais seu projeto e implementação.

Para tratar dessas questões, os projetistas podem recorrer à especificação Matter 1.0 da Connectivity Standards Alliance para conectar as ilhas de automação e aumentar a utilidade das redes da Internet das coisas (IoT) das casas inteligentes. O pacote de software Matter também foi projetado para simplificar o comissionamento de novos dispositivos e fornecer segurança e privacidade abrangentes.

Este artigo começa com uma breve visão geral das origens do Matter, como o projeto Connected Home over IP (CHIP) da Zigbee Alliance, e sua evolução para a posição atual dentro da Connectivity Standards Alliance (CSA). Em seguida, analisa a pilha de software de camada de aplicação do Matter que roda sobre os protocolos como Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth e Thread. Também examina as ferramentas de segurança e privacidade do Matter. Conclui apresentando vários kits de avaliação e placas de desenvolvimento da NXP Semiconductors, juntamente com microcontroladores associados (MCUs) que podem acelerar o projeto de dispositivos de casas inteligentes sem fio interoperáveis usando o Matter.

O Matter surge do CHIP

Uma típica casa inteligente pode ter mais de 100 dispositivos IoT usando mais de 20 protocolos, criando uma torre de babel de redes onde as várias ilhas de automação operam isoladamente (Figura 1). O projeto CHIP foi lançado em dezembro de 2019 pela Zigbee Alliance para desenvolver um conjunto de software comum e conectar as ilhas. O CHIP tornou-se um dos principais focos da Alliance, que mudou seu nome para CSA, e o projeto CHIP foi renomeado como Matter. O Matter é baseado no protocolo Internet (IP) e é oferecido como uma especificação de software de código aberto que é livre de royalties. A filiação à CSA e ao grupo de trabalho Matter é necessária para obter direitos de propriedade intelectual para usar a Matter. O projeto Matter também definiu requisitos de certificação e estabeleceu uma série de laboratórios de testes independentes para que os dispositivos possam ser verificados como estando em conformidade.

Figura 1: Uma típica casa inteligente pode ter mais de 100 dispositivos IoT usando mais de 20 protocolos diferentes, criando inúmeras ilhas de automação. (Fonte da imagem: NXP)

Onde o Matter se encaixa?

O Matter é construído sobre a camada IP e a utiliza como uma linguagem comum para a comunicação com redes baseadas em IP como Ethernet, Thread e Wi-Fi. Ao utilizar IPv6, o Matter pode se comunicar com dispositivos sem precisar de um tradutor. O Matter fica abaixo da camada de aplicação do dispositivo e acima da camada do protocolo de controle de transmissão (TCP), através do qual se conecta à camada IP na pilha de comunicações. O Matter é uma solução de camada de aplicação interoperável que é construída com seis camadas funcionais abaixo da camada de aplicação, incluindo o modelo de dados, modelo de interação, enquadramento interpretativo, segurança, enquadramento e roteamento de mensagens, enquadramento IP e gerenciamento de transporte. A camada de gerenciamento de transporte lida com a conexão com protocolos individuais. Em seu lançamento inicial, o Matter suporta Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) e Wi-Fi. Já estão em andamento trabalhos para expandir sua conectividade de rede (Figura 2).

Figura 2: o Matter utiliza IPv6 para se comunicar com dispositivos Wi-Fi, Thread, BLE e Ethernet, eliminando a necessidade de tradutores dedicados. (Fonte da imagem: NXP)

Garantir uma operação segura é um elemento chave nas implantações do Matter. O Matter combina um código de autenticação e criptografia para manter a confidencialidade e a precisão das mensagens e para autenticar a fonte de dados. Ele usa criptografia de código de autenticação de mensagem (CCM) de cadeia de 128 blocos cifrados de acordo com o advanced encryption standard (AES), com cadeia de blocos cifrados de 128 bits AES para segurança. Além disso, emprega um princípio de defesa aprofundada para fornecer os níveis mais apropriados de segurança e privacidade para dispositivos individuais. A abordagem em camadas otimiza a utilização de recursos e garante a disponibilidade, integridade e confidencialidade da comunicação.

Qual é o aspecto de uma rede Matter?

O Matter é gerenciado pela CSA e licenciada sob o Apache 2.0. A CSA também mantém uma biblioteca de implementações e aplicações padrão que os membros podem utilizar para apoiar o desenvolvimento de seus próprios dispositivos compatíveis com o Matter. A segurança e a privacidade do usuário são o principal foco do Matter, e a biblioteca garante uniformidade na implementação da segurança em todo o universo do dispositivo Matter. Em termos de hardware, o Matter inclui nós terminais, nós de borda, gateways (também chamados controladores), pontes e roteadores de borda. Pode haver confusão, já que tanto os gateways quanto os roteadores de borda são às vezes chamados de "hubs" (Figura 3). Quando em dúvida sobre um dispositivo, é a melhor prática esclarecer a função específica de qualquer "hubs".

Figura 3: as redes Matter incluem gateways, pontes e roteadores de borda para fornecer conectividade entre diferentes redes locais e conectividade com a Internet. (Fonte da imagem: NXP)

• Gateways - Um gateway Matter suporta o acesso remoto aos dispositivos Matter, fornecendo uma conexão à Internet. Alguns dispositivos pré-existentes como hubs para casas inteligentes do SmartThings, Amazon e Google podem obter atualizações de software que os transformam em gateways Matter. O Matter é especificado para que possa existir com funcionalidades de comunicação fornecida pelo fabricante, como conexões em nuvem ou controles remotos, permitindo que esses dispositivos ainda utilizem seus recursos de comunicação existentes mesmo quando operando como parte de uma rede Matter.
• Pontes - As pontes Matter são usadas para conectar as redes Matter com redes sem fio próximas. Os dispositivos que não são compatíveis com o Matter podem operar usando uma ponte e funcionar perfeitamente com uma rede Matter. Espera-se também que as pontes acelerem a adoção do Matter, permitindo que nós e redes não compatíveis com o Matter sejam facilmente integrados em uma maior estrutura de rede Matter. Alguns dispositivos existentes podem ser atualizados e tornar-se compatíveis com o Matter, permitindo a integração direta em uma rede Matter sem conexão usando uma ponte.
• Roteadores de borda - Os roteadores de borda são projetados especificamente para integrar redes Thread e dispositivos como sensores de movimento, de portas e de janelas em uma rede Matter. Thread é um protocolo IP sem fio de baixa potência que funciona na camada física IEEE 802.15.4 (PHY). Como o 802.15.4 não é compatível com Wi-Fi, é mais complicado atualizar um dispositivo para ser um roteador de borda. Isso vai mudar. Fabricantes como a NXP introduziram dispositivos que combinam suporte para Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 e 802.15.4 que simplificam o projeto de roteadores de borda e outros dispositivos Matter. Além de conectar redes, alguns roteadores de borda têm uma interface para controles de casas inteligentes.

Projetando elementos de rede Matter

A construção de uma rede Matter requer vários tipos de dispositivos, incluindo nós terminais como sensores e atuadores, nós de borda como iluminação inteligente, fechaduras inteligentes e controles de ventilação e ar condicionado (HVAC), e uma gama de gateways, roteadores de borda e pontes para amarrar tudo junto. A NXP oferece uma gama completa de hardware de desenvolvimento para cada tipo de elemento da rede Matter, juntamente com um extensivo material no GitHub, incluindo exemplos e suporte para aplicações da plataforma Matter para acelerar o processo de desenvolvimento (Tabela 1).

Tabela 1: Ambientes de desenvolvimento selecionados para as plataformas Matter oferecidas pela NXP. (Fonte da tabela: NXP, modificada pelo autor)

Nó terminal

Os desenvolvedores de plataformas Matter de nó terminal podem aproveitar o ambiente de desenvolvimento IOTZTB-DK06 usando uma plataforma K32W0x MCU como a K32W041AZ (Figura 4). O ambiente inclui o hardware e software necessários para criar nós terminais autônomos e uma rede de demonstração com três unidades — incluindo uma ponte de controle, um nó de comutação e um nó de luz/sensor.

Os MCUs K32W041AZ são projetados com um MCU Arm® Cortex®-M4 com 640 kilobytes (Kbytes) de memória flash na placa e 152 Kbytes de memória estática de acesso aleatório (SRAM) para alimentar a próxima geração de dispositivos sem fio multiprotocolo de corrente ultra-baixa e suportar BLE 5.0 e Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Além de ultra-baixo consumo de energia para transmitir e receber, essas MCUs podem suportar aplicações complexas e atualizações sem fio (OTA) sem memória externa.

Figura 4: a plataforma IOTZTB-DK06 inclui um nó de comutação (esquerda), ponte de controle (centro) e nó de luz/sensor (direita). (Fonte da imagem: NXP)

Nó de borda

O i.MX RT1170 EVK fornece uma plataforma de desenvolvimento integrada para os nós de borda Matter. Esse kit de avaliação é construído em uma placa pci de seis camadas com componentes de furo passante para melhor desempenho de compatibilidade eletromagnética (EMC) e inclui componentes-chave e interfaces para acelerar o desenvolvimento de projetos(Figura 5). É baseado na família MCU i.MX RT1170 Crossover, que inclui o MIMXRT1176CVM8A, e pode ser combinado com o IOTZTB-DK06 descrito acima. O dual-core i.MX RT1170 roda no núcleo Cortex-M7 em 1 gigahertz (GHz) e o Arm Cortex-M4 em 400 megahertz (MHz). Ele suporta vários recursos avançados de segurança, incluindo:

• Inicialização segura
• Motor de criptografia em linha (IEE)
• Decriptação AES intantânea (OTFAD)
• Criptografia de alto desempenho
• Detecção ativa e passiva de adulterações

Figura 5: O i.MX RT1170 EVK pode ser usado para o desenvolvimento de dispositivos de nós de borda Matter. (Fonte da imagem: NXP)

Além disso, o MIMXRT1170-EVK pode ser usado com o kit OM-A5000ARD Arduino para implementar a segurança. Esse kit de desenvolvimento Arduino é baseado no A5000, um autenticador IoT seguro pronto para uso que inclui uma raiz de confiança a nível de CI. O A5000 pode armazenar e fornecer credenciais com segurança e realizar operações de criptografia para a segurança da comunicação crítica e autenticação. Ele foi projetado para uso em uma série de casos de segurança para uso de IoT como autenticação de dispositivo-a-dispositivo, conexão segura com nuvens públicas/privadas e proteção contra falsificações. Para dar suporte ao rápido desenvolvimento de soluções de segurança, o A5000 vem com software pré-instalado para autenticação e segurança de aplicativos.

Gateways, roteadores de borda e pontes

Quando a necessidade é de projetos mais complexos como gateways, roteadores de borda e pontes, os projetistas podem recorrer ao i.MX 8M Mini EVKB. Essa placa de avaliação suporta a família do Processador de Aplicações i.MX 8M Mini, como o MIMX8MM5CVTKZAA da NXP (Figura 6).

Figura 6: O i.MX 8M Mini EVKB suporta o desenvolvimento de gateways, roteadores de borda e pontes Matter. (Fonte da imagem: NXP)

O processador de aplicações i.MX 8M Mini possui uma ampla gama de capacidades em termos de conectividade do sistema e flexibilidade de interface de memória, tornando-o adequado tanto para aplicações de consumo de mídia rica quanto para aplicativos industriais embarcados e aplicações de uso geral não ricas em mídia que requerem eficiência energética e alto desempenho.

A placa de avaliação 8MMINILPD4-EVKB pode ser usada juntamente com o IOTZTB-DK006 e OM-A5000ARD, descritos acima. A adição das placas de atualização K32W061 e de um dongle USB permite que uma pequena rede sem fio Matter seja rapidamente montada para testes e desenvolvimento de aplicações multiprotocolo.

Conclusão

A interoperabilidade é fundamental para os usuários finais dos dispositivos IoT, independentemente do fornecedor, plataforma ou ecossistema. O Matter é uma especificação de software de código aberto projetada especificamente para conectar as muitas ilhas de automação em ambientes de casas inteligentes, ao mesmo tempo em que garante segurança e privacidade. Como mostrado, uma rede Matter consiste em uma variedade de dispositivos incluindo nós terminais, nós de borda, gateways, roteadores de borda e pontes. Para os projetistas que procuram iniciar rapidamente um projeto, a NXP oferece uma extensa linha de plataformas de desenvolvimento de software e hardware para toda a gama de dispositivos Matter.

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