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如何利用物质连接智能家居自动化的孤岛

来源: digikey
2022-12-26
类别:智能家居
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文章创建人 Jeff Shepard

原标题:如何利用物质连接智能家居自动化的孤岛

  无线智能家居自动化设备的设计人员面临着缺乏广泛的互操作性的挑战,这限制了无线智能家居生态系统的发展。例如,亚马逊Alexa,Apple HomeKit和Google Assistant设备目前在自己的自动化孤岛中运行。以太网、Thread、Insteon、SmartThings、Wi-Fi、Z-Wave 和其他无线物联网 (IoT) 协议在不同程度上也是如此。

  设计多协议设备是一种潜在的解决方案,但它需要复杂的设计,从而延长开发过程并增加设备成本。此外,多协议设备只能部分连接智能家居自动化的孤岛,因为各种协议具有不同的方法来为用户实现安全和隐私,从而使其设计和实施进一步复杂化。

  为了解决这些问题,设计人员可以求助于连接标准联盟的Matter 1.0规范,以连接自动化孤岛并增强智能家居物联网网络的实用性。Matter软件套件还旨在简化新设备的调试,并提供全面的安全性和隐私性。

  本文首先简要概述了Matter作为Zigbee联盟的IP互联家庭(CHIP)项目的起源,以及它在连接标准联盟(CSA)中的当前地位的演变。然后,它审查了Matter的应用层软件堆栈,该堆栈位于以太网,Wi-Fi,蓝牙和Thread等协议之上。它还检查了Matter的安全和隐私工具。最后,它介绍了几个评估套件和开发板 恩智浦半导体,以及相关的微控制器(MCU),这些微控制器可以使用Matter加速可互操作的无线智能家居设备的设计。

  物质从芯片中出现

  一个典型的智能家居可以拥有 100 多个使用 20 多种协议的物联网设备,从而创建一个 babel 网络塔,其中各种自动化孤岛隔离运行(图 1)。CHIP项目由Zigbee联盟于2019年12月启动,旨在开发通用软件套件并连接岛屿。CHIP成为联盟的主要焦点,联盟更名为CSA,CHIP项目更名为Matter。Matter 基于互联网协议 (IP),并作为免版税的开源软件规范提供。CSA 和 Matter 工作组的成员资格必须获得使用事务的知识产权。Matter项目还定义了认证要求,并建立了一系列独立的测试实验室,以便验证设备是否合规。

  

典型的智能家居可以有超过100个物联网设备的示意图


  图 1:一个典型的智能家居可以拥有 100 多个物联网设备,使用 20 多种不同的协议,从而创建众多自动化孤岛。(图片来源:恩智浦)

  物质适合在哪里?

  物质建立在IP层之上,并将其用作与基于IP的网络(如以太网,线程和Wi-Fi)进行通信的通用语言。通过使用IPv6,Matter可以在不需要转换器的情况下与设备进行通信。物质位于设备应用层下方和传输控制协议(TCP)层之上,通过该层链接到通信堆栈中的IP层。Matter是一个可互操作的应用层解决方案,由应用层以下的六个功能层构建而成,包括数据模型、交互模型、动作帧、安全性、消息帧和路由以及IP帧和传输管理。传输管理层处理指向各个协议的链接。在其初始版本中,Matter支持以太网,线程,低功耗蓝牙(BLE)和Wi-Fi。 扩展其网络连接的工作已经在进行中(图 2)。

  

Image of Matter使用IPv6与Wi-Fi,Thread,BLE和以太网设备进行通信


  图 2:Matter 使用 IPv6 与 Wi-Fi、Thread、BLE 和以太网设备进行通信,无需专用转换器。(图片来源:恩智浦)

  确保安全操作是 Matter 部署中的关键要素。Matter 将身份验证代码和加密相结合,以维护消息的机密性和准确性,并对数据源进行身份验证。它使用高级加密标准 (AES) 128 密码块链接消息身份验证代码 (CCM) 加密和 128 位 AES 密码块链接 (CBC) 以确保安全性。此外,它采用纵深防御原则,为单个设备提供最合适的安全和隐私级别。分层方法优化了资源利用率,并确保了通信的可用性、完整性和机密性。

  Matter网络是什么样的?

  Matter由CSA管理,并在Apache 2.0下获得许可。CSA 还维护一个标准实现和应用程序库,成员可以使用这些库来支持自己的 Matter 兼容设备的开发。安全性和用户隐私是 Matter 的主要关注点,该库可确保在整个 Matter 设备领域实现安全性的统一性。在硬件方面,Matter 包括终端节点、边缘节点、网关(也称为控制器)、网桥和边界路由器。由于网关和边界路由器有时都称为“集线器”(图 3),因此可能会造成混淆。当对设备有疑问时,最佳做法是澄清任何“集线器”的特定功能。

  

物质网络图,包括网关、网桥和边界路由器


  图 3:Matter 网络包括网关、网桥和边界路由器,以提供跨不同本地网络的连接以及与 Internet 的连接。(图片来源:恩智浦)

  网关 – Matter 网关通过提供与互联网的连接来支持对 Matter 设备的远程访问。一些预先存在的设备,如SmartThings,亚马逊和谷歌的智能家居集线器,可以获得软件更新,将它们变成Matter网关。指定 Matter,以便它可以与制造商提供的通信功能(如云连接或远程控制)共存,允许这些设备即使在作为 Matter 网络的一部分运行时仍可使用其现有通信功能。

  网桥 – 物质网桥用于将物质网络与附近的无线网络连接起来。不兼容 Matter 的设备可以通过网桥运行,并与 Matter 网络无缝协作。桥梁还有望通过使非物质兼容的节点和网络轻松集成到更大的物质网络结构中来加速物质的采用。一些现有设备可以更新并变得与Matter兼容,无需通过网桥连接即可直接集成到Matter网络中。

  边界路由器 – 边界路由器专门设计用于将 Thread 网络和设备(如运动、门窗传感器)集成到 Matter 网络中。Thread 是一种低功耗无线 IP 协议,运行在 IEEE 802.15.4 物理层 (PHY) 上。由于 802.15.4 与 Wi-Fi 不兼容,因此将设备更新为边界路由器会更加复杂。这种情况将会改变。恩智浦等制造商推出了支持Wi-Fi 6、蓝牙5.2和802.15.4的设备,简化了边界路由器和其他Matter设备的设计。除了链接网络外,一些边界路由器还具有智能家居控制的接口。

  设计物质网元

  构建 Matter 网络需要多种类型的设备,包括传感器和执行器等终端节点、智能照明、智能锁、供暖通风和空调 (HVAC) 控制等边缘节点,以及一系列网关、边界路由器和网桥,以将它们连接在一起。恩智浦为每种类型的Matter网元提供全系列的开发硬件,以及广泛的材料 GitHub,包括Matter平台支持和应用示例,以加快开发过程(表1)。

物质平台建筑组件无线连接开发硬件
终端节点独立K32W0x WMCU螺纹,低功耗蓝牙IOTZTB-DK006
边缘节点MCU (实时操作系统) 托管i.MX RT1070 单片机
K32W0x WMCU
边缘锁定安全元件
无线和/或线程,低功耗蓝牙MIMXRT1070-EVK
IOTZTB-DK006
OM-A5000ARD
网关边界路由器网桥MPU (Linux) 托管i.MX 8M 迷你 Linux
K32W0x WMCU
W8987 芯片
边缘锁定安全元件
无线和/或线程,低功耗蓝牙8MMINILPD4-EBKB
(包括W8987模块)
IOTZTB-DK006
OM-A5000ARD

  表 1:恩智浦提供的 Matter 平台的选定开发环境。(表格来源:恩智浦,由作者修改)

  终端节点

  终端节点 Matter 平台的开发人员可以利用 IOTZTB-DK06 使用 K32W0x 单片机 平台,如 K32W041AZ (图4)。该环境包括创建独立终端节点所需的硬件和软件,以及一个三单元演示网络,包括控制桥、开关节点和光/传感器节点。

  K32W041AZ MCU专门设计有 手臂® Cortex-M4® MCU 具有 640 KB 的板载闪存和 152 KB 的静态随机存取存储器 (SRAM),可为下一代超低电流多协议无线设备供电,并支持 BLE 5.0 和 Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4。除了超低的发射和接收功耗外,这些MCU还可以支持复杂的应用和无线(OTA)更新,而无需外部存储器。

  

恩智浦半导体IOTZTB-DK06平台图片


  图 4:IOTZTB-DK06 平台包括一个开关节点(左)、控制桥(中)和光/传感器节点(右)。(图片来源:恩智浦)

  边缘节点

  这 i.MX RT1170 EVK 为物质边缘节点提供集成开发平台。该评估套件构建在带有通孔组件的六层印刷电路板上,以实现更好的电磁兼容性 (EMC) 性能,并包括用于加速开发项目的关键组件和接口(图 5)。它基于 i.MX RT1170 分频器单片机 家庭,包括 MIMXRT1176CVM8A,并且可以与上述IOTZTB-DK06结合使用。双核 i.MX RT1170在1千兆赫(GHz)的Cortex-M7内核和400兆赫(MHz)的Arm Cortex-M4内核上运行。它支持多种高级安全功能,包括:

  安全启动

  内联加密引擎 (IEE)

  即时 AES 解密 (OTFAD)

  高性能加密

  主动和被动篡改检测

  

恩智浦 i.MX RT1170 EVK的图像可用于开发Matter边缘节点器件


  图 5:i.MX RT1170 EVK 可用于开发 Matter 边缘节点器件。(图片来源:恩智浦)

  此外,MIMXRT1170-EVK 可与 OM-A5000ARD 阿杜伊诺 用于实现安全性的开发工具包。此 Arduino 开发套件基于 A5000,A5000 是一款即用型安全物联网身份验证器,包括 IC 级别的信任根。A5000 可以安全地存储和配置凭据,并执行加密操作,以确保关键通信和身份验证的安全性。它旨在用于一系列物联网安全用例,例如设备到设备身份验证、与公共/私有云的安全连接以及防伪保护。为了支持安全解决方案的快速开发,A5000 附带了用于应用程序身份验证和安全的预安装软件。

  网关、边界路由器和网桥

  当需要更复杂的设计(如网关、边界路由器和网桥)时,设计人员可以转向 i.MX 8M迷你EVKB.该评估板支持 i.MX 8M 迷你应用处理器 家族,如恩智浦的 MIMX8MM5CVTKZAA (图6)。

  

恩智浦 i.MX 8M迷你EVKB的图像


  图 6:i.MX 8M Mini EVKB 支持开发 Matter 网关、边界路由器和网桥。(图片来源:恩智浦)

  i.MX 8M Mini应用处理器在系统连接和存储器接口灵活性方面具有广泛的功能,使其适用于富媒体消费类和嵌入式工业应用,以及需要高能效和高性能的非富媒体通用应用。

  8MMINILPD4-EVKB评估板可与上述IOTZTB-DK006和OM-A5000ARD一起使用。添加 K32W061 升级板和USB加密狗允许快速组装小型无线Matter网络,用于多协议应用的测试和开发。

  结论

  互操作性对于物联网设备的最终用户至关重要,无论供应商、平台或生态系统如何。Matter 是一种开源软件规范,专门用于连接智能家居环境中的许多自动化孤岛,同时确保安全性和隐私性。如图所示,Matter 网络由各种设备组成,包括终端节点、边缘节点、网关、边界路由器和网桥。对于希望快速启动设计的设计人员,恩智浦为整个Matter器件系列提供了广泛的软件和硬件开发平台。


责任编辑:David

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