วิธีใช้ Matter เพื่อเชื่อมต่อกลุ่มระบบอัตโนมัติในบ้านอัจฉริยะ

นักออกแบบอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติสำหรับบ้านอัจฉริยะแบบไร้สายกำลังเผชิญกับความท้าทายเนื่องจากอุปกรณ์ไม่สามารถในการทำงานร่วมกันในวงกว้าง ซึ่งจำกัดการเติบโตของระบบนิเวศสำหรับบ้านอัจฉริยะแบบไร้สาย ตัวอย่างเช่น Amazon Alexa, Apple HomeKit และ Google Assistant ที่ปัจจุบันทำงานในระบบอัตโนมัติของตนเอง เช่นเดียวกับในระดับที่แตกต่างกันสำหรับโปรโตคอล Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave และ Internet of Things (IoT) ไร้สายอื่นๆ

การออกแบบอุปกรณ์หลายโปรโตคอลเป็นโซลูชันที่มีศักยภาพ แต่จำเป็นต้องมีการออกแบบที่ซับซ้อนซึ่งพัฒนากระบวนการพัฒนาและเพิ่มต้นทุนอุปกรณ์ นอกจากนี้ อุปกรณ์หลายโปรโตคอลสามารถเชื่อมต่อกลุ่มระบบอัตโนมัติในบ้านอัจฉริยะได้เพียงบางส่วนเท่านั้น เนื่องจากโปรโตคอลต่าง ๆ มีแนวทางในการปรับใช้ความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวสำหรับผู้ใช้ที่แตกต่างกัน ทำให้การออกแบบและการนำไปใช้งานซับซ้อนยิ่งขึ้น

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ Matter 1.0 จาก Connectivity Standards Alliance เพื่อเชื่อมต่อกลุ่มระบบอัตโนมัติและปรับปรุงยูทิลิตี้ของเครือข่าย IoT ในบ้านอัจฉริยะ ชุดซอฟต์แวร์ Matter ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดความซับซ้อนของการทดสอบการใช้งานอุปกรณ์ใหม่ และให้ความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวที่ครอบคลุม

บทความนี้เริ่มต้นด้วยภาพรวมโดยสังเขปของต้นกำเนิดของ Matter ในฐานะโครงการ Connected Home over IP (CHIP) ของ Zigbee Alliance และไปสู่ปัจจุบันภายใต้ Connectivity Standards Alliance (CSA) จากนั้นจะตรวจสอบชุดซอฟต์แวร์ชั้นแอปพลิเคชันของ Matter ที่อยู่เหนือโปรโตคอล เช่น อีเธอร์เน็ต, Wi-Fi, Bluetooth และ Thread นอกจากนี้ยังตรวจสอบเครื่องมือรักษาความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวของ Matter สุดท้ายด้วยการนำเสนอชุดประเมินและบอร์ดพัฒนาจาก NXP Semiconductors พร้อมด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งสามารถเร่งความเร็วการออกแบบอุปกรณ์บ้านอัจฉริยะไร้สายที่ทำงานร่วมกันโดยใช้ Matter

Matter มาจาก CHIP

บ้านอัจฉริยะทั่วไปอาจมีอุปกรณ์ IoT ได้มากกว่า 100 เครื่องโดยใช้โปรโตคอลมากกว่า 20 โปรโตคอล สร้างเครือข่ายกลุ่มระบบอัตโนมัติที่ทำงานแยกกัน (รูปที่ 1) โครงการ CHIP เปิดตัวในเดือนธันวาคม 2019 โดย Zigbee Alliance เพื่อพัฒนาชุดซอฟต์แวร์ทั่วไปและเชื่อมต่อกลุ่มต่างๆ ซึ่ง CHIP กลายเป็นจุดสนใจหลักของ Alliance ซึ่งเปลี่ยนชื่อเป็น CSA และเปลี่ยนชื่อโครงการ CHIP เป็น Matter โดยที่ Matter อิงตามอินเทอร์เน็ตโปรโตคอล (IP) และเสนอเป็นข้อกำหนดซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สที่ไม่มีค่าลิขสิทธิ์ การเป็นสมาชิกใน CSA และคณะทำงาน Matter จะต้องได้รับสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาเพื่อใช้ Matter โครงการ Matter ยังได้กำหนดข้อกำหนดการรับรองและได้จัดตั้งห้องปฏิบัติการทดสอบอิสระหลายชุดเพื่อให้อุปกรณ์ได้รับการตรวจสอบว่าเป็นไปตามข้อกำหนด

รูปที่ 1: บ้านอัจฉริยะทั่วไปอาจมีอุปกรณ์ IoT ได้มากกว่า 100 เครื่องโดยใช้โปรโตคอลที่แตกต่างกันกว่า 20 โปรโตคอล ซึ่งสร้างระบบอัตโนมัติจำนวนมาก (แหล่งที่มาภาพ: NXP)

Matter เหมาะกับที่ไหน

Matter ถูกสร้างขึ้นบนเลเยอร์ IP และใช้เป็นภาษากลางสำหรับการสื่อสารกับเครือข่ายที่ใช้ IP เช่น อีเทอร์เน็ต Thread และ Wi-Fi เมื่อใช้ IPv6 จะทำให้ Matter สามารถสื่อสารกับอุปกรณ์ต่าง ๆ ได้โดยไม่ต้องใช้ตัวแปลภาษา โดย Matter อยู่ใต้เลเยอร์แอปพลิเคชันของอุปกรณ์และอยู่เหนือของเลเยอร์ Transmission Control Protocol (TCP) ซึ่งจะเชื่อมโยงกับเลเยอร์ IP ในสแตกการสื่อสาร Matter เป็นโซลูชันเลเยอร์แอปพลิเคชันที่ทำงานร่วมกันได้ซึ่งสร้างขึ้นด้วยชั้นการทำงานหกเลเยอร์ใต้ชั้นแอปพลิเคชัน รวมถึงแบบจำลองข้อมูล แบบจำลองการโต้ตอบ การดำเนินการเฟรม ความปลอดภัย การกำหนดกรอบข้อความและการกำหนดเส้นทาง และการกำหนดกรอบ IP และการจัดการการขนส่ง เลเยอร์การจัดการการขนส่งจะจัดการลิงก์ไปยังแต่ละโปรโตคอล ใน Matter รุ่นแรกรองรับ Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) และ Wi-Fi กำลังดำเนินการเพื่อเพิ่มโปรโตคอลการเชื่อมต่อเครือข่ายอื่น ๆ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: Matter ใช้ IPv6 เพื่อสื่อสารกับอุปกรณ์ Wi-Fi, Thread, BLE และอีเธอร์เน็ต ทำให้ไม่ต้องใช้ตัวแปลเฉพาะ (แหล่งที่มาภาพ: NXP)

การดำเนินการที่ปลอดภัยเป็นองค์ประกอบสำคัญในการปรับใช้ Matter ซึ่ง Matter จะรวมรหัสการรับรองความถูกต้องและการเข้ารหัสเพื่อรักษาความลับและความถูกต้องของข้อความและเพื่อรับรองความถูกต้องของแหล่งข้อมูล ใช้มาตรฐานการเข้ารหัสขั้นสูง (AES) การเข้ารหัส 128 Cipher Block Chaining Message Authentication Code (CCM) ด้วย 128-bit AES cipher block chaining (CBC) เพื่อความปลอดภัย นอกจากนี้ยังใช้หลักการเชิงลึกในการป้องกันเพื่อให้ระดับความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอุปกรณ์แต่ละเครื่อง วิธีการแบบหลายชั้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ทรัพยากรและรับประกันความพร้อมใช้งาน ความสมบูรณ์ และการรักษาความลับของการสื่อสาร

เครือข่าย Matter มีลักษณะอย่างไร

Matter ได้รับการจัดการโดย CSA และได้รับอนุญาตภายใต้ Apache 2.0 นอกจากนี้ CSA ยังเก็บรักษาไลบรารีของการปรับใช้งานมาตรฐานและการใช้งานแบบต่าง ๆ ที่สมาชิกสามารถใช้เพื่อสนับสนุนการพัฒนาอุปกรณ์ที่สอดคล้องกับ Matter ของตนเองได้ ความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวของผู้ใช้คือจุดสนใจหลักของ Matter และไลบรารีนี้รับประกันความสม่ำเสมอในการใช้งานการรักษาความปลอดภัยของอุปกรณ์ Matter ทุกอุปกรณ์ ในแง่ของฮาร์ดแวร์ Matter ประกอบไปด้วยโหนดปลายทาง โหนดเอดจ์ เกตเวย์ (หรือที่เรียกว่าคอนโทรลเลอร์) บริดจ์ และบอร์เดอร์เราเตอร์ อาจเกิดความสับสนได้เนื่องจากบางครั้งเราเรียกทั้งเกตเวย์และบอร์เดอร์เราเตอร์ว่า 'ฮับ' (รูปที่ 3) เมื่อมีข้อสงสัยเกี่ยวกับอุปกรณ์ แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดคือการกำหนดฟังก์ชันเฉพาะของ 'ฮับ' ใดๆ

รูปที่ 3: เครือข่ายสำคัญประกอบด้วยเกตเวย์ บริดจ์ และบอร์เดอร์เราเตอร์เพื่อให้การเชื่อมต่อผ่านเครือข่ายท้องถิ่นต่าง ๆ และการเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต (แหล่งที่มาภาพ: NXP)

• เกตเวย์ – เกตเวย์ Matter รองรับการเข้าถึงระยะไกลไปยังอุปกรณ์ Matter โดยให้การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต อุปกรณ์บางอย่างที่มีอยู่แล้ว เช่น ฮับบ้านอัจฉริยะจาก SmartThings, Amazon และ Google สามารถรับการอัปเดตซอฟต์แวร์ที่เปลี่ยนให้เป็นเกตเวย์ Matter มีการกำหนดให้ใช้ Matter เพื่อให้สามารถมีฟังก์ชันการสื่อสารที่ผู้ผลิตจัดหาให้ เช่น การเชื่อมต่อระบบคลาวด์หรือการควบคุมระยะไกล ทำให้อุปกรณ์เหล่านั้นยังคงใช้ความสามารถในการสื่อสารที่มีอยู่ได้แม้ว่าจะทำงานเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่าย Matter
• บริดจ์ – บริดจ์ Matter ใช้เพื่อเชื่อมต่อเครือข่าย Matter กับเครือข่ายไร้สายที่อยู่ใกล้เคียง อุปกรณ์ที่ไม่รองรับ Matter สามารถทำงานผ่านบริดจ์และทำงานร่วมกับเครือข่าย Matter ได้อย่างราบรื่น นอกจากนี้บริดจ์ยังคาดว่าจะเพิ่มความเร็วในการนำ Matter ไปใช้โดยเปิดใช้งานโหนดและเครือข่ายที่เข้ากันได้กับโหนดที่ไม่ใช้ Matter เพื่อรวมเข้ากับโครงสร้างเครือข่าย Matter ที่ใหญ่ขึ้นได้อย่างง่ายดาย อุปกรณ์ที่มีอยู่บางรุ่นสามารถอัปเดตและเข้ากันได้กับ Matter ทำให้สามารถรวมเข้ากับเครือข่าย Matter ได้โดยตรงโดยไม่ต้องเชื่อมต่อผ่านบริดจ์
• บอร์เดอร์เราเตอร์ – บอร์เดอร์เราเตอร์ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรวมเครือข่าย Thread และอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว เซนเซอร์ประตูและหน้าต่างเข้ากับเครือข่าย Matter ซึ่ง Thread เป็นโปรโตคอล IP ไร้สายพลังงานต่ำที่ทำงานบนชั้นกายภาพ IEEE 802.15.4 (PHY) เนื่องจาก 802.15.4 ไม่รองรับ Wi-Fi การอัปเดตอุปกรณ์ให้เป็นบอร์เดอร์เราเตอร์จึงซับซ้อนกว่า ที่กำหนดให้มีการเปลี่ยนแปลง ผู้ผลิตเช่น NXP ได้เปิดตัวอุปกรณ์ที่รวมการรองรับ Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 และ 802.15.4 ซึ่งทำให้การออกแบบบอร์เดอร์เราเตอร์และอุปกรณ์ Matter อื่น ๆ ง่ายขึ้น นอกจากการเชื่อมโยงเครือข่ายแล้ว บอร์เดอร์เราเตอร์บางตัวยังมีอินเทอร์เฟซสำหรับการควบคุมบ้านอัจฉริยะ

การออกแบบองค์ประกอบเครือข่าย Matter

การสร้างเครือข่าย Matter ต้องใช้อุปกรณ์หลายประเภท รวมถึงโหนดปลายทาง เช่น เซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ โหนดเอดจ์ เช่น ระบบไฟอัจฉริยะ สมาร์ทล็อค และระบบควบคุมการระบายอากาศและปรับอากาศ (HVAC) และเกตเวย์ บอร์เดอร์เราเตอร์ และบริดจ์เพื่อผูกทั้งหมดเข้าด้วยกัน โดย NXP นำเสนอฮาร์ดแวร์การพัฒนาอย่างเต็มรูปแบบสำหรับองค์ประกอบเครือข่าย Matter ทุกประเภท พร้อมด้วยมากมายใน GitHub รวมถึงการสนับสนุนแพลตฟอร์ม Matter และตัวอย่างการใช้งานเพื่อเร่งกระบวนการพัฒนา (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: สภาพแวดล้อมการพัฒนาที่เลือกสำหรับแพลตฟอร์ม Matter ที่นำเสนอโดย NXP (แหล่งที่มาตาราง: NXP แก้ไขโดยผู้เขียน)

โหนดปลายทาง

นักพัฒนาโหนดปลายทางของแพลตฟอร์ม Matter สามารถใช้ประโยชน์จาก IOTZTB-DK06 สภาพแวดล้อมการพัฒนาโดยใช้แพลตฟอร์ม K32W0x MCU เช่น K32W041AZ (รูปที่ 4) สภาพแวดล้อมประกอบด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่จำเป็นในการสร้างโหนดปลายทางแบบสแตนด์อโลน และเครือข่ายสาธิตสามหน่วยที่ประกอบไปด้วยบริดจ์ควบคุม โหนดสวิตช์ และโหนดแสง/เซ็นเซอร์

MCU รุ่น K32W041AZ ได้รับการออกแบบตามวัตถุประสงค์ด้วย Arm® MCU Cortex®-M4 พร้อมหน่วยความจำแฟลชออนบอร์ด 640 กิโลไบต์ (Kbytes) และหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบคงที่ (SRAM) 152 Kbytes เพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์ไร้สายหลายโปรโตคอลกระแสต่ำพิเศษรุ่นต่อไป และรองรับ BLE 5.0 และ Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. นอกจากการส่งและรับพลังงานที่ต่ำเป็นพิเศษแล้ว MCU เหล่านี้ยังสามารถรองรับการใช้งานที่ซับซ้อนและการอัปเดตแบบ over-the-air (OTA) โดยไม่ต้องใช้หน่วยความจำภายนอก

รูปที่ 4: แพลตฟอร์ม IOTZTB-DK06 ประกอบด้วยโหนดสวิตช์ (ซ้าย) บริดจ์ควบคุม (กลาง) และโหนดแสง/เซ็นเซอร์ (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: NXP)

โหนดเอดจ์

i.MX RT1170 EVK ให้แพลตฟอร์มการพัฒนาแบบบูรณาการสำหรับโหนดเอดจ์ของ Matter ชุดประเมินผลนี้สร้างขึ้นบนบอร์ดพีซี 6 ชั้นพร้อมส่วนประกอบแบบเจาะรูเพื่อประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ที่ดีขึ้น และมีส่วนประกอบหลักและอินเทอร์เฟซเพื่อเพิ่มความเร็วให้กับโครงการพัฒนา (รูปที่ 5) ขึ้นอยู่กับกลุ่ม i.MX RT1170 Crossover MCU ซึ่งรวมถึง MIMXRT1176CVM8A และสามารถใช้ร่วมกับ IOTZTB-DK06 ที่อธิบายไว้ข้างต้น i.MX RT1170 แบบดูอัลคอร์ทำงานบนคอร์ Cortex-M7 ที่ 1 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) และ Arm Cortex-M4 ที่ 400 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) รองรับคุณสมบัติความปลอดภัยขั้นสูงหลายประการ ได้แก่ :

• บูตอย่างปลอดภัย
• เครื่องมือเข้ารหัสแบบอินไลน์ (IEE)
• ถอดรหัส AES ได้ทันที (OTFAD)
• การเข้ารหัสที่มีประสิทธิภาพสูง
• การตรวจจับการงัดแงะแบบแอ็คทีฟและแบบพาสซีฟ

รูปที่ 5: i.MX RT1170 EVK สามารถใช้สำหรับการพัฒนาอุปกรณ์โหนดเอดจ์ของ Matter (แหล่งที่มาภาพ: NXP)

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ MIMXRT1170-EVK กับชุดพัฒนา OM-A5000ARD Arduino สำหรับการดำเนินการรักษาความปลอดภัย ชุดพัฒนา Arduino นี้อ้างอิงจาก A5000 ซึ่งเป็นตัวตรวจสอบความถูกต้อง IoT ที่ปลอดภัยที่พร้อมใช้งานซึ่งมีรากฐานของความไว้วางใจในระดับ IC โดยที่ A5000 สามารถจัดเก็บและจัดเตรียมข้อมูลประจำตัวได้อย่างปลอดภัยและดำเนินการเข้ารหัสเพื่อความปลอดภัยของการสื่อสารที่สำคัญและการรับรองความถูกต้อง ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ในกรณีการใช้งานด้านความปลอดภัยของ IoT ที่หลากหลาย เช่น การตรวจสอบอุปกรณ์ต่ออุปกรณ์ การเชื่อมต่อที่ปลอดภัยกับคลาวด์สาธารณะ/ส่วนตัว และการป้องกันการปลอมแปลง เพื่อรองรับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของโซลูชันการรักษาความปลอดภัย A5000 จึงมาพร้อมกับซอฟต์แวร์ที่ติดตั้งไว้ล่วงหน้าสำหรับการรับรองความถูกต้องและการรักษาความปลอดภัย

เกตเวย์ บอร์เดอร์เราเตอร์ และบริดจ์

เมื่อจำเป็นต้องมีการออกแบบที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น เกตเวย์ บอร์เดอร์เราเตอร์ และบริดจ์ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ i.MX 8M Mini EVKB ซึ่งบอร์ดประเมินผลนี้รองรับกลุ่มแอปพลิเคชันโปรเซสเซอร์ i.MX 8M Mini เช่น MIMX8MM5CVTKZAA ของ NXP (ภาพที่ 6)

รูปที่ 6: i.MX 8M Mini EVKB รองรับการพัฒนาเกตเวย์ Matter, บอร์เดอร์เราเตอร์ และบริดจ์ (แหล่งที่มาภาพ: NXP)

แอปพลิเคชันโปรเซสเซอร์ i.MX 8M Mini มีความสามารถที่หลากหลายในแง่ของการเชื่อมต่อระบบและความยืดหยุ่นของอินเทอร์เฟซหน่วยความจำ ทำให้เหมาะสำหรับทั้งผู้บริโภคที่มีสื่อจำนวนมากและแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมแบบฝังตัว และแอปพลิเคชันทั่วไปที่ไม่มีสื่อจำนวนมากซึ่งต้องการประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และประสิทธิภาพสูง

บอร์ดประเมินผล 8MMINILPD4-EVKB สามารถใช้ร่วมกับ IOTZTB-DK006 และ OM-A5000ARD ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น การเพิ่มอัปเกรดบอร์ด K32W061 และดองเกิล USB ช่วยให้สามารถประกอบเครือข่าย Matter ไร้สายขนาดเล็กได้อย่างรวดเร็วสำหรับการทดสอบและพัฒนาการใช้งานที่มีหลายโปรโตคอล

สรุป

ความสามารถในการทำงานร่วมกันเป็นสิ่งสำคัญสำหรับผู้ใช้ปลายทางของอุปกรณ์ IoT โดยไม่คำนึงถึงผู้จำหน่าย แพลตฟอร์ม หรือระบบนิเวศ โดยที่ Matter เป็นข้อกำหนดซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สที่ออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อระบบอัตโนมัติจำนวนมากในสภาพแวดล้อมบ้านอัจฉริยะโดยเฉพาะ ขณะเดียวกันก็รับประกันความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวด้วย ดังที่แสดงไว้ข้างต้น เครือข่าย Matter ประกอบด้วยอุปกรณ์ที่หลากหลาย รวมถึงโหนดปลายทาง โหนดเอดจ์ เกตเวย์ บอร์เดอร์เราเตอร์ และบริดจ์ สำหรับนักออกแบบที่ต้องการเริ่มต้นการออกแบบอย่างรวดเร็ว NXP นำเสนอแพลตฟอร์มการพัฒนาซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ที่หลากหลายสำหรับอุปกรณ์ Matter ทั้งหมด

บทความที่แนะนำ

1. วิธีลดการใช้พลังงานในการออกแบบอินเตอร์เฟซที่ใช้เสียงแบบเปิดตลอดเวลา