Utiliser Matter pour connecter les îlots de domotique

Les concepteurs de dispositifs de domotique intelligents sans fil sont confrontés à un manque d'interopérabilité générale qui limite la croissance des écosystèmes de maisons intelligentes sans fil. Les dispositifs Amazon Alexa, Apple HomeKit et Assistant Google, par exemple, fonctionnent actuellement dans leurs propres îlots d'automatisation. Il en va de même, à des degrés divers, pour Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave et autres protocoles Internet des objets (IoT) sans fil.

La conception de dispositifs multiprotocoles est une solution potentielle, mais elle implique des conceptions complexes qui allongent le processus de développement et augmentent le coût du dispositif. De plus, les dispositifs multiprotocoles ne peuvent connecter que partiellement les îlots de domotique, car les divers protocoles présentent des approches différentes pour implémenter la sécurité et la confidentialité des utilisateurs, ce qui complique davantage leur conception et leur mise en œuvre.

Pour résoudre ces problèmes, les concepteurs peuvent se tourner vers la spécification Matter 1.0 de la Connectivity Standards Alliance pour connecter les îlots d'automatisation et améliorer l'utilité des réseaux IoT des maisons intelligentes. La suite logicielle Matter est également conçue pour simplifier la mise en service de nouveaux dispositifs et offrir une sécurité et une confidentialité complètes.

Cet article commence par un bref aperçu des origines de Matter en tant que projet CHIP (Connected Home over IP) de la Zigbee Alliance, et de son évolution vers sa position actuelle dans la Connectivity Standards Alliance (CSA). Il aborde ensuite la pile logicielle de la couche application de Matter, qui s'appuie sur des protocoles comme Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth et Thread. Il étudie également les outils de sécurité et de protection de la vie privée de Matter. Il conclut en présentant plusieurs kits d'évaluation et cartes de développement de NXP Semiconductors, ainsi que les microcontrôleurs (MCU) associés, qui peuvent accélérer la conception de dispositifs de maison intelligente sans fil interopérables avec Matter.

Matter vient de CHIP

Une maison intelligente typique peut compter plus de 100 dispositifs IoT utilisant plus de 20 protocoles, ce qui crée une « tour de Babel » où les différents îlots d'automatisation fonctionnent de manière isolée (Figure 1). Le projet CHIP a été lancé en décembre 2019 par la Zigbee Alliance pour développer une suite logicielle commune et connecter les îlots. CHIP est devenu un objectif majeur de l'Alliance, qui a changé son nom en CSA, et le projet CHIP a été rebaptisé Matter. Matter est basé sur le protocole Internet (IP) et est proposé comme une spécification logicielle open-source libre de droits. L'adhésion à l'alliance CSA et au groupe de travail Matter est une condition préalable à l'obtention des droits de propriété intellectuelle pour l'utilisation de Matter. Dans le cadre du projet Matter, des exigences de certification ont également été définies et un certain nombre de laboratoires de test indépendants ont été mis en place afin de pouvoir vérifier la conformité des dispositifs.

Figure 1 : Une maison intelligente typique peut compter plus de 100 dispositifs IoT utilisant plus de 20 protocoles différents, ce qui crée de nombreux îlots d'automatisation. (Source de l'image : NXP)

Rôle de Matter

Matter s'appuie sur la couche IP et l'utilise comme langage commun pour communiquer avec les réseaux basés sur IP comme Ethernet, Thread et Wi-Fi. En utilisant IPv6, Matter peut communiquer avec des dispositifs sans avoir besoin d'un traducteur. Matter se trouve sous la couche application du dispositif et au-dessus de la couche TCP, par laquelle il est relié à la couche IP dans la pile de communications. Matter est une solution de couche application interopérable, constituée de six couches fonctionnelles sous la couche application, y compris le modèle de données, le modèle d'interaction, le tramage d'actions, la sécurité, le tramage et le routage de messages, et la gestion du transport et du tramage IP. La couche transport gère les liaisons avec les différents protocoles. Dans sa version initiale, Matter prend en charge Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) et Wi-Fi. Des travaux sont déjà en cours pour étendre sa connectivité réseau (Figure 2).

Figure 2 : Matter utilise IPv6 pour communiquer avec les dispositifs Wi-Fi, Thread, BLE et Ethernet, éliminant ainsi le recours à des traducteurs dédiés. (Source de l'image : NXP)

Assurer un fonctionnement sécurisé est un élément clé des déploiements de Matter. Matter combine un code d'authentification et le chiffrement pour maintenir la confidentialité et l'exactitude des messages et pour authentifier la source de données. Il utilise la norme de chiffrement avancée AES avec chiffrement CCM CBS 128 bits et CBC AES 128 bits pour la sécurité. De plus, il utilise un principe de défense en profondeur pour fournir les niveaux de sécurité et de confidentialité les plus appropriés pour les dispositifs individuels. L'approche en couches optimise l'utilisation des ressources et garantit la disponibilité, l'intégrité et la confidentialité des communications.

À quoi ressemble un réseau Matter ?

Matter est géré par l'alliance CSA et sous licence Apache 2.0. L'alliance CSA maintient également une bibliothèque d'implémentations et d'applications standard que les membres peuvent utiliser pour prendre en charge le développement de leurs propres dispositifs conformes à Matter. La sécurité et le respect de la vie privée des utilisateurs sont des priorités de Matter, et la bibliothèque garantit l'uniformité de la mise en œuvre de la sécurité dans l'univers des dispositifs Matter. En termes de matériel, Matter inclut les nœuds d'extrémité, les nœuds périphériques, les passerelles (également appelées contrôleurs), les ponts et les routeurs interzones. Il peut y avoir confusion car les passerelles et les routeurs interzones sont parfois appelés concentrateurs ou hubs (Figure 3). En cas de doute à propos d'un dispositif, la meilleure pratique consiste à clarifier la fonction spécifique de tout concentrateur.

Figure 3 : Les réseaux Matter incluent des passerelles, des ponts et des routeurs interzones pour fournir la connectivité entre les différents réseaux locaux et la connectivité à Internet. (Source de l'image : NXP)

• Passerelles – Une passerelle Matter prend en charge l'accès à distance aux dispositifs Matter en fournissant une connexion à Internet. Certains dispositifs pré-existants, tels que les concentrateurs de maison intelligente de SmartThings, Amazon et Google, peuvent bénéficier de mises à jour logicielles qui les transforment en passerelles Matter. Matter est spécifié de manière à pouvoir exister avec les fonctionnalités de communications fournies par le fabricant, telles que des connexions cloud ou des commandes à distance, ce qui permet à ces dispositifs de continuer à utiliser leurs capacités de communications existantes même lorsqu'ils font partie d'un réseau Matter.
• Ponts – Les ponts Matter sont utilisés pour connecter les réseaux Matter aux réseaux sans fil à proximité. Les dispositifs qui ne sont pas compatibles avec Matter peuvent fonctionner via un pont et s'intégrer en toute transparence dans un réseau Matter. Les ponts doivent également permettre d'accélérer l'adoption de Matter en permettant aux nœuds et aux réseaux non compatibles avec Matter d'être facilement intégrés dans une structure de réseau Matter plus large. Certains dispositifs existants peuvent être mis à jour et devenir compatibles avec Matter, permettant l'intégration directe dans un réseau Matter sans connexion via un pont.
• Routeurs interzones – Les routeurs interzones sont spécifiquement conçus pour l'intégration des réseaux Thread et des dispositifs tels que des capteurs de mouvement, de porte et de fenêtre dans un réseau Matter. Thread est un protocole IP sans fil basse consommation qui s'exécute sur la couche physique (PHY) IEEE 802.15.4. 802.15.4 n'étant pas compatible avec le Wi-Fi, il est plus compliqué de mettre à jour un dispositif pour en faire un routeur interzone. Cette situation est appelée à changer. Des fabricants tels que NXP ont lancé des dispositifs qui combinent la prise en charge pour Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 et 802.15.4, simplifiant la conception des routeurs interzones et d'autres dispositifs Matter. En plus de relier les réseaux, certains routeurs interzones disposent d'une interface pour les commandes de maison intelligente.

Concevoir des éléments de réseau Matter

La construction d'un réseau Matter requiert plusieurs types de dispositifs, notamment des nœuds d'extrémité tels que des capteurs et des actionneurs, des nœuds périphériques tels que des éclairages intelligents, des serrures intelligentes et des commandes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), ainsi qu'une série de passerelles, de routeurs interzones et de ponts pour connecter l'ensemble. NXP propose une gamme complète de matériel de développement pour chaque type d'élément de réseau Matter, ainsi que des documents détaillés sur GitHub, notamment des exemples d'application et de support de la plateforme Matter pour accélérer le processus de développement (Tableau 1).

Tableau 1 : Environnements de développement sélectionnés pour les plateformes Matter proposées par NXP. (Source du tableau : NXP, modifié par l'auteur)

Nœud d'extrémité

Les développeurs de plateformes Matter pour nœuds d'extrémité peuvent tirer parti de l'environnement de développement IOTZTB-DK06 utilisant une plateforme de microcontrôleurs K32W0x telle que K32W041AZ (Figure 4). L'environnement inclut le matériel et les logiciels requis pour créer des nœuds d'extrémité autonomes, ainsi qu'un réseau de démonstration à trois unités, comprenant un pont de contrôle, un nœud de commutation et un nœud de lumière/capteur.

Les microcontrôleurs K32W041AZ sont spécialement conçus avec un microcontrôleur Arm® Cortex®-M4, avec 640 kilo-octets (Ko) de mémoire Flash embarquée et 152 Ko de mémoire SRAM pour alimenter la prochaine génération de dispositifs sans fil multiprotocoles ultrabasse consommation et prendre en charge BLE 5.0 et Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4. Outre une consommation d'énergie en émission et en réception ultrafaible, ces microcontrôleurs peuvent prendre en charge des applications complexes et des mises à jour OTA sans mémoire externe.

Figure 4 : La plateforme IOTZTB-DK06 inclut un nœud de commutation (à gauche), un pont de contrôle (au centre) et un nœud de lumière/capteur (à droite). (Source de l'image : NXP)

Nœud périphérique

L'i.MX RT1170 EVK fournit une plateforme de développement intégrée pour les nœuds périphériques Matter. Ce kit d'évaluation est conçu sur un circuit imprimé à six couches avec des composants traversants pour une meilleure compatibilité électromagnétique (CEM), et il inclut des composants et des interfaces clés pour accélérer les projets de développement (Figure 5). Il est basé sur la famille de microcontrôleurs crossover i.MX RT1170, qui comprend le MIMXRT1176CVM8A, et il peut être combiné avec l'IOTZTB-DK06 présenté ci-dessus. L'i.MX RT1170 double cœur s'exécute sur le cœur Cortex-M7 à 1 gigahertz (GHz) et l'Arm Cortex-M4 à 400 mégahertz (MHz). Il prend en charge plusieurs fonctionnalités de sécurité avancées, y compris :

• Démarrage sécurisé
• Moteur de chiffrement en ligne (IEE)
• Décryptage AES à la volée (OTFAD)
• Cryptographie hautes performances
• Détection d'intégrité active et passive

Figure 5 : Le kit d'évaluation i.MX RT1170 EVK peut être utilisé pour le développement de dispositifs de nœuds périphériques Matter. (Source de l'image : NXP)

De plus, le MIMXRT1170-EVK peut être utilisé avec le kit de développement Arduino OM-A5000ARD pour la mise en œuvre de la sécurité. Ce kit de développement Arduino est basé sur l'A5000, un authentificateur IoT sécurisé prêt à l'emploi qui inclut une racine de confiance au niveau du circuit intégré. L'A5000 peut stocker et fournir des informations d'identification en toute sécurité et effectuer des opérations cryptographiques pour la sécurité des communications et des authentifications critiques. Il est conçu pour être utilisé dans de nombreux cas d'utilisation de sécurité IoT, comme l'authentification entre dispositifs, la connexion sécurisée à des clouds publics/privés et la protection contre la contrefaçon. Pour favoriser le développement rapide de solutions de sécurité, l'A5000 est fourni avec un logiciel pré-installé pour l'authentification et la sécurité des applications.

Passerelles, routeurs interzones et ponts

Lorsque des conceptions plus complexes, telles que des passerelles, des routeurs interzones et des ponts, sont nécessaires, les concepteurs peuvent se tourner vers l'i.MX 8M Mini EVKB. Cette carte d'évaluation prend en charge la famille de processeurs d'application i.MX 8M Mini, comme le MIMX8MM5CVTKZAA de NXP (Figure 6).

Figure 6 : L'i.MX 8M Mini EVKB prend en charge le développement de passerelles, de routeurs interzones et de ponts Matter. (Source de l'image : NXP)

Le processeur d'application i.MX 8M Mini offre un large éventail de capacités en termes de connectivité système et de flexibilité d'interface mémoire. C'est pourquoi il convient à la fois aux applications industrielles embarquées et grand public riches en médias, et aux applications à usage général non riches en médias exigeant rendement énergétique et hautes performances.

La carte d'évaluation 8MMINILPD4-EVKB peut être utilisée avec l'IOTZTB-DK006 et l'OM-A5000ARD, présentés ci-dessus. L'ajout de cartes de mise à niveau K32W061 et d'un dongle USB permet d'assembler rapidement un petit réseau Matter sans fil pour le test et le développement d'applications multiprotocoles.

Conclusion

L'interopérabilité est essentielle pour les utilisateurs finaux de dispositifs IoT, quels que soient le fournisseur, la plateforme et l'écosystème. Matter est une spécification logicielle open-source conçue spécifiquement pour connecter les nombreux îlots d'automatisation dans les maisons intelligentes, tout en garantissant la sécurité et la confidentialité. Comme illustré, un réseau Matter consiste en une variété de dispositifs, y compris des nœuds d'extrémité, des nœuds périphériques, des passerelles, des routeurs interzones et des ponts. Pour les concepteurs qui cherchent à démarrer rapidement une conception, NXP propose une ligne étendue de plateformes de développement logiciel et matériel pour toute la gamme de dispositifs Matter.

Lecture recommandée

1. How to Reduce Power Consumption in Always-On Voice Interface Designs