Cómo utilizar la materia para conectar las islas de la automatización doméstica inteligente

Los diseñadores de dispositivos inalámbricos de automatización doméstica inteligente se enfrentan a una falta de interoperabilidad generalizada que limita el crecimiento de los ecosistemas domésticos inteligentes inalámbricos. Los dispositivos Amazon Alexa, Apple HomeKit y Google Assistant, por ejemplo, operan actualmente en sus propias islas de automatización. Lo mismo ocurre en diversos grados con Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave y otros protocolos inalámbricos del Internet de las cosas (IoT).

El diseño de dispositivos multiprotocolo es una posible solución, pero requiere diseños complejos que alargan el proceso de desarrollo y aumentan el coste del dispositivo. Además, los dispositivos multiprotocolo solo pueden conectar parcialmente las islas de la automatización doméstica inteligente, ya que los distintos protocolos tienen enfoques diferentes a la hora de implementar la seguridad y la privacidad para los usuarios, lo que complica aún más su diseño e implantación.

Para resolver estos problemas, los diseñadores pueden recurrir a la especificación Matter 1.0 de la Connectivity Standards Alliance para conectar las islas de automatización y mejorar la utilidad de las redes IoT domésticas inteligentes. El paquete de software Matter también está diseñado para simplificar la puesta en servicio de nuevos dispositivos y proporcionar una seguridad y privacidad completas.

Este artículo comienza con una breve reseña de los orígenes de Matter como proyecto Connected Home over IP (CHIP) de la Zigbee Alliance, y su evolución hasta su posición actual dentro de la Connectivity Standards Alliance (CSA). A continuación, revisa la pila de software de capa de aplicación de Matter que se asienta sobre protocolos como Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth y Thread. También examina las herramientas de seguridad y privacidad de TI. Concluye presentando varios kits de evaluación y placas de desarrollo de NXP Semiconductors, junto con los microcontroladores (MCU) asociados, que pueden acelerar el diseño de dispositivos inteligentes inalámbricos interoperables para el hogar utilizando Matter.

Matter surge del CHIP

Un hogar inteligente típico puede tener más de 100 dispositivos IoT que utilizan más de 20 protocolos, lo que crea una torre de babel de redes en la que las distintas islas de automatización funcionan de forma aislada (Figura 1). El proyecto CHIP fue lanzado en diciembre de 2019 por la Zigbee Alliance para desarrollar una suite de software común y conectar las islas. El CHIP se convirtió en uno de los principales objetivos de la Alianza, que cambió su nombre por el de CSA, y el proyecto CHIP pasó a llamarse Matter. Matter se basa en el protocolo de Internet (IP) y se ofrece como una especificación de software de código abierto libre de derechos de autor. Es necesario ser miembro de la CSA y del grupo de trabajo Matter para obtener los derechos de propiedad intelectual para utilizar Matter. El proyecto Matter también ha definido los requisitos de certificación y ha establecido una serie de laboratorios de pruebas independientes para que pueda verificarse la conformidad de los dispositivos.

Figura 1: Un hogar inteligente típico puede tener más de 100 dispositivos IoT que utilizan más de 20 protocolos diferentes, lo que crea numerosas islas de automatización. (Fuente de la imagen: NXP)

¿Dónde encaja Matter?

Matter se construye sobre la capa IP y la utiliza como lenguaje común para comunicarse con redes basadas en IP como Ethernet, Thread y Wi-Fi. Al utilizar IPv6, Matter puede comunicarse con dispositivos sin necesidad de un traductor. La materia se sitúa por debajo de la capa de aplicación del dispositivo y sobre la capa del protocolo de control de transmisión (TCP), a través de la cual enlaza con la capa IP de la pila de comunicaciones. Matter es una solución de capa de aplicación interoperable que se construye con seis capas funcionales por debajo de la capa de aplicación, incluido el modelo de datos, el modelo de interacción, el encuadre de acciones, la seguridad, el encuadre y enrutamiento de mensajes, y el encuadre IP y la gestión del transporte. La capa de gestión del transporte gestiona los enlaces con los distintos protocolos. En su versión inicial, Matter es compatible con Ethernet, Thread, Bluetooth de baja energía (BLE) y Wi-Fi. Ya se está trabajando para ampliar su conectividad de red (Figura 2).

Figura 2: Matter utiliza IPv6 para comunicarse con dispositivos Wi-Fi, bluetooth de baja energía, BLE y Ethernet, eliminando la necesidad de traductores dedicados. (Fuente de la imagen: NXP)

Garantizar un funcionamiento seguro es un elemento clave en los despliegues Matter. Matter combina un código de autenticación y cifrado para mantener la confidencialidad y exactitud de los mensajes y autenticar la fuente de datos. TI utiliza el Estándar de encriptación avanzada (AES) 128 con encadenamiento de bloques de cifrado y código de autenticación de mensajes (CCM) con encadenamiento de bloques de cifrado (CBC) AES de 128 bits para mayor seguridad. Además, emplea un principio de defensa en profundidad para proporcionar los niveles más adecuados de seguridad y privacidad a los dispositivos individuales. El enfoque por capas optimiza la utilización de los recursos y garantiza la disponibilidad, integridad y confidencialidad de la comunicación.

¿Cómo es una red Matter?

Matter está gestionado por la CSA y licenciado bajo Apache 2.0. La CSA también mantiene una biblioteca de implementaciones y aplicaciones estándar que los miembros pueden utilizar para apoyar el desarrollo de sus propios dispositivos compatibles con Matter. La seguridad y la privacidad del usuario son uno de los principales objetivos de Matter, y la biblioteca garantiza la uniformidad en la implementación de la seguridad en todo el universo de dispositivos Matter. En términos de hardware, Matter incluye nodos finales, nodos de borde, puertas de enlace (también llamados controladores), puentes y routers de frontera. Puede haber confusión, ya que tanto las puertas de enlace como los routers fronterizos se denominan a veces "hubs" (concentrador) (Figura 3). En caso de duda sobre un dispositivo, lo mejor es aclarar la función específica de cualquier "hub".

Figura 3: Las redes matriciales incluyen puertas de enlace, puentes y enrutadores fronterizos para proporcionar conectividad entre distintas redes locales y conectividad con Internet. (Fuente de la imagen: NXP)

• Puertas de enlace: Una puerta de enlace Matter permite el acceso remoto a los dispositivos Matter proporcionando una conexión a Internet. Algunos dispositivos preexistentes, como los concentradores domésticos inteligentes de SmartThings, Amazon y Google, pueden obtener actualizaciones de software que los convierten en puertas de enlace Matter. Matter se ha especificado para que pueda existir con funciones de comunicación proporcionadas por el fabricante, como conexiones en la nube o mandos a distancia, lo que permite a esos dispositivos seguir utilizando sus funciones de comunicación existentes incluso cuando funcionan como parte de una red Matter.
• Puentes: Los puentes Matter se utilizan para conectar redes Matter con redes inalámbricas cercanas. Los dispositivos que no son compatibles con Matter pueden funcionar a través de un puente y trabajar sin problemas con una red Matter. También se espera que los puentes aceleren la adopción de Matter al permitir que nodos y redes no compatibles con Matter se integren fácilmente en una estructura de red Matter más amplia. Algunos dispositivos existentes pueden actualizarse y hacerse compatibles con Matter, lo que permite su integración directa en una red Matter sin necesidad de conectarse a través de un puente.
• Enrutadores fronterizos: Los enrutadores fronterizos están diseñados específicamente para integrar redes de hilos y dispositivos como sensores de movimiento, puertas y ventanas en una red Matter. Thread es un protocolo IP inalámbrico de bajo consumo que funciona sobre la capa física (PHY) IEEE 802.15.4. Dado que 802.15.4 no es compatible con Wi-Fi, es más complicado actualizar un dispositivo para que sea un enrutador fronterizo. Eso está a punto de cambiar. Fabricantes como NXP han presentado dispositivos que combinan compatibilidad con Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 y 802.15.4 que simplifican el diseño de enrutadores fronterizos y otros dispositivos Matter. Además de enlazar redes, algunos enrutadores fronterizos tienen una interfaz para controles domésticos inteligentes.

Diseño de elementos de red Matter

La construcción de una red Matter requiere varios tipos de dispositivos, incluidos nodos finales como sensores y actuadores, nodos periféricos como iluminación inteligente, cerraduras inteligentes y controles de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), y una serie de puertas de enlace, enrutadores fronterizos y puentes para unirlo todo. NXP ofrece una gama completa de hardware de desarrollo para cada tipo de elemento de red Matter, junto con amplios materiales en GitHub, incluida la compatibilidad con la plataforma Matter y ejemplos de aplicaciones para acelerar el proceso de desarrollo (Tabla 1).

Tabla 1: Entornos de desarrollo seleccionados para las plataformas Matter ofrecidas por NXP. (Fuente de la tabla: NXP, modificado por el autor)

Nodo final

Los desarrolladores de plataformas Matter para nodos finales pueden aprovechar el entorno de desarrollo IOTZTB-DK06 utilizando una plataforma MCU K32W0x como la K32W041AZ (Figura 4). El entorno incluye el hardware y el software necesarios para crear nodos finales autónomos y una red de demostración de tres unidades: un puente de control, un nodo de conmutación y un nodo de luz/sensores.

Las MCU K32W041AZ están diseñadas específicamente con una MCU Arm® Cortex®-M4 con 640 kilobytes (Kbytes) de memoria Flash integrada y 152 Kbytes de memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) para alimentar la próxima generación de dispositivos inalámbricos multiprotocolo de corriente ultrabaja y admitir BLE 5.0 y Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Además de un consumo de energía de transmisión y recepción ultrabajo, estas MCU pueden admitir aplicaciones complejas y actualizaciones por aire (OTA) sin memoria externa.

Figura 4: La plataforma IOTZTB-DK06 incluye un nodo de interruptor (izquierda), un puente de control (centro) y un nodo de luz/sensor (derecha). (Fuente de la imagen: NXP)

Nodo de borde

El i.MX RT1170 EVK proporciona una plataforma de desarrollo integrada para los nodos Matter edge. Este kit de evaluación está construido sobre una placa de PC de seis capas con componentes de orificios pasantes para mejorar la compatibilidad electromagnética (CEM), e incluye componentes e interfaces clave para acelerar los proyectos de desarrollo (Figura 5). Se basa en la familia i.MX RT1170 Crossover MCU, que incluye el MIMXRT1176CVM8A, y puede combinarse con el IOTZTB-DK06 descrito anteriormente. El i.MX RT1170 de doble núcleo funciona con el núcleo Cortex-M7 a 1 gigahercio (GHz) y el ARM® Cortex®-M4 a 400 megahercios (MHz). Características de seguridad avanzadas:

• Inicio seguro
• Motor de cifrado en línea (IEE)
• Descifrado AES sobre la marcha (OTFAD)
• Criptografía de alto rendimiento
• Detección de manipulaciones activa y pasiva

Figura 5: El i.MX RT1170 EVK puede utilizarse para el desarrollo de dispositivos de nodo de borde Matter. (Fuente de la imagen: NXP)

Además, el MIMXRT1170-EVK puede utilizarse con el kit de desarrollo Arduino OM-A5000ARD para implementar la seguridad. Este kit de desarrollo de Arduino se basa en el A5000, un autenticador de IoT seguro listo para usar que incluye una raíz de confianza a nivel de CI. El A5000 puede almacenar y proporcionar credenciales de forma segura y realizar operaciones criptográficas para la seguridad de la comunicación crítica y la autenticación. Está diseñado para su uso en una amplia gama de casos de uso de seguridad IoT, como la autenticación de dispositivo a dispositivo, la conexión segura a nubes públicas/privadas y la protección contra falsificaciones. Para apoyar el rápido desarrollo de soluciones de seguridad, el A5000 viene con software preinstalado para la autenticación y seguridad de aplicaciones.

Pasarelas, enrutadores fronterizos y puentes

Cuando se necesitan diseños más complejos como puertas de enlace, enrutadores fronterizos y puentes, los diseñadores pueden recurrir al i.MX 8M Mini EVKB. Esta placa de evaluación es compatible con la familia de miniprocesadores de aplicaciones i.MX 8M, como el MIMX8MM5CVTKZAA de NXP (Figura 6).

Figura 6: El i.MX 8M Mini EVKB admite el desarrollo de puertas de enlace, routers fronterizos y puentes Matter. (Fuente de la imagen: NXP)

El procesador de aplicaciones i.MX 8M Mini cuenta con un amplio rango de capacidades en términos de conectividad del sistema y flexibilidad de la interfaz de memoria, lo que lo hace adecuado tanto para aplicaciones industriales integradas y de consumo ricas en medios como para aplicaciones de uso general no ricas en medios que requieren eficiencia energética y alto rendimiento.

La placa de evaluación 8MMINILPD4-EVKB puede utilizarse junto con IOTZTB-DK006 y OM-A5000ARD, descritos anteriormente. La incorporación de las placas de actualización K32W061 y un dongle USB permite montar rápidamente una pequeña red inalámbrica Matter para probar y desarrollar aplicaciones multiprotocolo.

Conclusión:

La interoperabilidad es fundamental para los usuarios finales de dispositivos IoT, independientemente del proveedor, la plataforma o el ecosistema. Matter es una especificación de software de código abierto diseñada específicamente para conectar las numerosas islas de automatización de los entornos domésticos inteligentes, garantizando al mismo tiempo la seguridad y la privacidad. Como se muestra, una Red Matter está formada por una variedad de dispositivos que incluyen nodos finales, nodos de borde, puertas de enlace, routers fronterizos y puentes. Para los diseñadores que deseen poner en marcha rápidamente un diseño, NXP ofrece una amplia línea de plataformas de desarrollo de software y hardware para toda la gama de dispositivos Matter.

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