Lösung für die Interoperabilitätsherausforderung von IoT-Geräten

Im Bereich der Smart-Home-Anwendungen gibt es eine Vielzahl von IoT-Geräten auf dem Markt. Die von diesen Geräten unterstützten Protokolle sind jedoch vielfältig und komplex, was zu einer mangelnden Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Marken führt und für Nutzer Unannehmlichkeiten verursacht. Dieser Artikel wird die Merkmale und die Entwicklung des Matter-Protokolls für IoT-Geräte in Smart Homes vorstellen sowie die integrierte Lösung, die von Arrow Electronics bereitgestellt wird und NXP, Murata und ST kombiniert.

Verschiedene Smart-Home-Geräte stehen vor Herausforderungen bei der Interoperabilität

In intelligenten Häusern und Gebäuden sind IoT-Geräte über mehrere lokale Netzwerke miteinander verbunden und mit der Cloud für Datenverarbeitung und -speicherung gekoppelt. Ohne eine einheitliche Sprache ist jedoch die Benutzererfahrung nicht optimal, und die Verwaltung der Geräte kann komplex werden.   Derzeit stehen Smart-Home-Geräte vor Herausforderungen in Bezug auf Interoperabilität. Nutzer müssen sich möglicherweise mit über 100 verschiedenen Arten von IoT-Geräten auf dem Markt verbinden, die über 30 unterschiedliche Protokolle verwenden und per Kabel oder drahtlos kommunizieren, was die Interoperabilität zwischen IoT-Geräten erschwert.   Das Matter-Protokoll, das von der Connectivity Standards Alliance (CSA) eingeführt wurde, bietet einen universellen Standard, um die IoT-Konnektivität zu vereinfachen und zu vereinheitlichen - unabhängig von Plattform und Marke der Geräte. In intelligenten Häusern basieren die verbundenen Geräte auf Wi-Fi-, Thread- oder Ethernet-Technologien, und jedes Gerät im Matter-Netzwerk hat spezifische Rollen. So können sie Endpunktgeräte, Router/Bridges oder Controller sein.   Das Ziel des Matter-Projekts ist es, den Entwicklungsaufwand der Hersteller zu reduzieren und die Kompatibilität für Verbraucher zu verbessern. Es basiert auf dem gemeinsamen Glauben, dass Smart-Home-Geräte sicher, zuverlässig und nahtlos interoperabel sein sollten. Das Projekt basiert auf dem Internetprotokoll (IP) und soll die Kommunikation zwischen Smart-Home-Geräten, mobilen Anwendungen und Cloud-Diensten erleichtern. Es definiert eine Reihe spezifischer IP-basierter Netzwerktechnologien für die Geräteauthentifizierung.   Matter bringt Interoperabilität in das Smart-Home-Ökosystem, verbessert die Zuverlässigkeit für Verbraucher, gewährleistet Sicherheit und Datenschutz und vereinfacht den Entwicklungsprozess von IoT-Geräten. Für Verbraucher ermöglicht Matter die Steuerung aller Geräte, die das Matter-Protokoll unterstützen, über eine einzige App, was die Benutzerfreundlichkeit verbessert. Für Hersteller kann ein einziger Hardware-Satz die Bedürfnisse aller Benutzer erfüllen. Für Dienstanbieter sind sie nicht mehr auf bestimmte Hersteller beschränkt und können aus einer breiteren Palette von Produkten wählen.   Immer mehr Entwickler konzentrieren sich auf die Matter-IoT-Geräteplattform, da Matter-IoT-Geräte eine markenübergreifende Interoperabilität bieten. Matter ermöglicht nahtlose Kommunikation im gesamten Smart-Home-Bereich. Früher mussten Entwickler für ihre Geräte auf eine einzige Smart-Plattform setzen (wie HomeKit, Alexa oder Google Assistant), was die Kompatibilität und den Verkauf erschwerte. Mit der Matter-Technologie können Entwickler ihre Geräte auf einer einheitlichen Plattform über Marken hinweg gestalten. Beispielsweise können Matter-unterstützte Geräte mit Samsung SmartThings und Apple HomeKit arbeiten.   Viele Hardware-Geräte, die zuvor HomeKit unterstützten, unterstützen jetzt auch Matter. Die Zusammenarbeit mit Matter bedeutet, dass Apple HomeKit mehr Hardware-Optionen zur Verfügung stehen, und Entwickler können Geräte erstellen, die wie HomeKit-Geräte funktionieren, während die Kompatibilität mit bestehenden HomeKit-Anwendungen, Siri und Steuerungsoberflächen erhalten bleibt.    Die Einführung von Matter ermöglicht ein einheitliches Entwicklungsframework. Matter bietet Nutzern eine gemeinsame Smart-Home-Oberfläche, und Entwickler können Geräte, die Matter unterstützen, basierend auf derselben Plattform erstellen und dadurch konsistente und reaktionsschnelle lokale Verbindungen gewährleisten. Dieses einheitliche Entwicklungsframework vereinfacht den Prozess der Erstellung von Smart-Home-Produkten.    Matter bietet außerdem Rückwärtskompatibilität. Es ermöglicht alten HomeKit-Geräten eine nahtlose Integration mit neuen Geräten, die Matter unterstützen. Nutzer können bestehende HomeKit-Geräte weiterhin neben Matter-Geräten verwenden, ohne Unterbrechungen.   Zusammenfassend bietet Matter ein breiteres Ökosystem, markenübergreifende Kompatibilität und ein einheitliches Entwicklungserlebnis, was es zu einer attraktiven Wahl für Entwickler macht, die in das Apple-Home-Ökosystem einsteigen möchten.   Um die Produktentwicklungszyklen zu verkürzen, hat Arrow Electronics Matter-Ökosystem-Referenzdesigns basierend auf Lösungen von NXP, Murata und ST entwickelt. Dazu gehören die i.MX 8M und i.MX 93 von NXP für Thread-Board-Router, Typ 2FR und Typ 2EL von Murata für Funkkoprozessoren, Typ ABR und Typ 2HV für Wi-Fi-Endknoten sowie Typ 2FR für Thread/Wi-Fi-Endknoten. Darüber hinaus bietet ST das STM32WB für OpenThread-Endknoten. Nachfolgend werde ich die funktionalen Merkmale dieser Lösungen vorstellen. 

Anwendungsprozessoren, die eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen erfüllen

Die Anwendungsprozessoren der i.MX 8M-Serie von NXP basieren auf Arm® Cortex®-A53- und Cortex-M4-Kernen und bieten fortschrittliche Audio-, Sprach- und Videobearbeitungsfunktionen, die sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignen, von Consumer-Heimaudio bis hin zu industrieller Gebäudeautomatisierung und mobilem Computing.    Der i.MX 8M unterstützt hochwertige Videoverarbeitung und bietet volle 4K UltraHD-Auflösung sowie HDR (Dolby Vision, HDR10 und HLG). Er bietet eine professionelle Audioqualität mit über 20 Audiokanälen, von denen jeder eine Unterstützung von bis zu 384KHz bietet, und unterstützt DSD512-Audiofunktionen. Der Prozessor ist für lüfterlosen Betrieb geeignet, verfügt über kostengünstige thermische Dissipationssysteme, eine längere Akkubetriebsdauer und bietet flexible Speicheroptionen. Seine modernen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen gewährleisten flexible Konnektivität. NXP bietet darüber hinaus umfassende Unterstützung durch sein 10-jähriges und 15-jähriges Produkt-Langzeitprogramm. Der Anwendungsprozessor i.MX 8 ist Teil von NXPs EdgeVerse™ Plattform für Edge-Computing.   Der i.MX 93 Anwendungsprozessor von NXP bietet effiziente Beschleunigung für maschinelles Lernen (ML) und erweiterte Sicherheit durch die integrierte EdgeLock® Secure Enclave, um energieeffizientes Edge-Computing zu unterstützen. Er ist das erste Produkt der i.MX-Serie, das skalierbare Arm Cortex-A55-Kerne integriert, die die Leistung und Effizienz von Linux® Edge-Anwendungen verbessern, sowie den Arm Ethos™-U65 microNPU. Dadurch erhalten Entwickler die Möglichkeit, leistungsstärkere, kostengünstigere und energieeffizientere ML-Anwendungen zu erstellen.   Der i.MX 93 Prozessor verwendet NXPs innovative Energy-Flex-Architektur, die die Leistung und Effizienz von Industrie-, IoT- und Automobilgeräten optimiert. Das SoC bietet eine breite Palette von Peripheriegeräten, die speziell für die Automobil-, Industrie- und IoT-Marktsegmente der Verbraucherelektronik entwickelt wurden. Als Teil des EdgeVerse™ Portfolios für intelligente Edge-Lösungen bietet die i.MX 93 Serie zertifizierte Produkte für Verbraucherelektronik, industrielle Anwendungen, erweiterte industrielle Anwendungen und Automobilanwendungen, unterstützt durch das Produkt-Langzeitprogramm von NXP.

Hochintegrierte drahtlose Netzwerkcontroller-Module

```html Muratas Typ ABR ist ein kleines Modul (integriert mit einer PCB-Antenne), basierend auf dem NXP 88MW320 (Wireless Microcontroller), das Wi-Fi® 802.11 b/g/n mit einer maximalen PHY-Datenrate von 72,2 Mbps unterstützt. Es verfügt über einen integrierten 200MHz ARM Cortex-M4F MCU für Anwendungen auf der Host-Seite. Die Abmessungen des Typ ABR Moduls betragen nur 22,0 x 19,0 x 2,4 mm (typisch), mit integrierter PCB-Antenne und U.FL-Stecker. Das Modul hat einen SPI-Flash-Speicher von bis zu 2 MB, unterstützt die UART Wi-Fi-Host-Schnittstelle und GPIO-Steuerung, ist FCC/IC-zertifiziert und kann CE-Testberichte bereitstellen.   Typ ABR ermöglicht durch seinen integrierten ARM Cortex-M4F MCU eine einfache Implementierung von eigenständigen Verbraucheranwendungen. Kunden können ihre Lösungen schnell und einfach mit dem leistungsstarken EZ-Connect™ Tool (WMSDKA) von NXP anpassen. Neben eigenständigen WMSDKA-Konfigurationen bietet NXP auch die MCUXpresso-Integration, die mit Muratas ABR mikroBUS EVB und den LPCXpresso55S16/28/69-Entwicklungsboards verwendet werden kann. Das Typ ABR Modul bietet WLAN-Link-Unterstützung für den NXP LPC MCU über eine einfache serielle Schnittstelle, die von der WMSDKA-Firmware unterstützt wird.   Muratas Typ 2EL ist ein kleines, leistungsstarkes Modul basierend auf dem NXP IW612 Combo-Chipsatz. Es unterstützt Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax und Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE + 802.15.4. Es erreicht PHY-Datenraten von bis zu 601 Mbps bei Wi-Fi® und 2 Mbps bei Bluetooth®. Der WLAN-Bereich unterstützt eine SDIO v3.0 DDR50-Schnittstelle, während der Bluetooth®-Bereich eine Hochgeschwindigkeits-4-Draht-UART-Schnittstelle und PCM für Audiodaten unterstützt. Das Typ 2EL Modul wird in einem beeindruckend kleinen abgeschirmten Formfaktor verpackt und ist somit ideal für die Integration in größen- und energiesensible Anwendungen wie IoT-Anwendungen, tragbare Funksysteme, Gateways usw.   Muratas Typ 2FR/2FP hingegen ist ein Hostless-Modul, das einen MCU mit Wi-Fi/BLE/Thread-Funktionen kombiniert und den NXP RW612/RW610-Chipsatz verwendet. Es bietet einen eingebauten 260 MHz Arm® Cortex® M33 MCU, kombiniert mit 802.11 a/b/g/n/ac/ax, BLE 5.3 und Thread (nur 2FR). Mit einer maximalen Größe von nur 12,0 x 11,0 x 1,5 mm unterstützt es Ethernet 802.3 (kabelgebunden), SDIO 3.0 (WLAN), USB-OTG, I2C, I2S, SPI, USART und unterstützt FCC/IC/TELEC „Referenz“-Zertifizierung (TBD) sowie CE-Durchführungstestberichte (TBD). Es bietet Einzel- oder Doppelantennenkonfigurationen (unabhängige BLE/(Thread nur 2FR)), sowie die Option eines U.FL-Steckers oder Muratas benutzerdefinierter PCB-Leiterbahnantenne.   Murata bietet außerdem das Typ 2FR Evaluierungskit (EVK) an, das eine Reset-Taste, zwei benutzerdefinierte Tasten und fünf konfigurierbare LEDs beinhaltet. Die PCB-Antenne des EVKs wartet auf Zertifizierung und umfasst PIR-Bewegungs- sowie Temperatur-I2C-Sensoren. Es unterstützt mikro-BUS, Arduino, PMOD, I2C, Erweiterungsschnittstellen sowie USB-Debugging/Konsole, USB OTG, ARM-10-Pin-Schnittstelle (SWD oder JTAG), Boot-Steuerung über Jumper-Konfiguration, QSPI-Flash mit 32 kHz Langsamtakt, Strommess-Jumper (Widerstandsoptionen) und einen Ethernet-Port.   Typ 2HV ist Muratas neuestes kostengünstiges IoT Wi-Fi®/BT Hostless-Modul, das drahtlose Konnektivität und Netzwerkprotokoll-Stacks integriert und äußerst geringen Stromverbrauch bietet, was es zu einer idealen Wahl für IoT-Anwendungen macht. Mit einem integrierten, ultra-niedrigem Stromverbrauch versehenen 32-Bit ARM MCU, der mit bis zu 160 MHz läuft, ermöglicht Typ 2HV problemlos eigenständige Verbraucheranwendungen und bietet 2MB Flash und 288KB RAM-Speicher. Es stellt verschiedene Kommunikationsschnittstellen bereit, einschließlich UART/I2C/SPI und diverse GPIOs. Das Typ 2HV SDK erlaubt es Kunden, ihre Lösungen schnell und einfach anzupassen. ```

Vielseitige Dual-Core-Mikrocontroller mit Unterstützung für mehrere Protokolle

Die STM32WB-Serie von ST ist ein dual-core Multi-Protokoll Wireless-Mikrocontroller, der auf dem STM32WB-Mikrocontroller basiert und Bluetooth® Low Energy, Zigbee®, Thread® und Matter-Konnektivität unterstützt. Der STM32WB Wireless-Mikrocontroller ist um einen Arm® Cortex®-M4 Kern (Anwendungsprozessor), der mit 64 MHz läuft, und einen Arm® Cortex®-M0+ Kern (Netzwerkprozessor), der mit 32 MHz läuft, aufgebaut und bietet damit eine eigenständige Lösung. Diese Mikrocontroller werden in System-on-Chip (SoC) Paketen geliefert, die Konnektivitätsfunktionen und einen universellen Mikrocontroller integrieren.   Der STM32WB bietet einen zertifizierten Bluetooth® Low Energy 5.4 Radio Stack, Bluetooth SIG-Profile und eine Mesh-Topologie, die mit dem V1.0-Standard übereinstimmt. Das STM32WB SDK unterstützt auch die Host Controller Interface (HCI) für Bluetooth® Low Energy-Lösungen, einschließlich der Zephyr- und Arm Cordio-Stacks. Der STM32WB unterstützt den IEEE 802.15.4-Standard (Zigbee und Thread) sowie die IEEE 802.15.4 MAC-Schicht, was es Designern ermöglicht, jedes proprietäre Protokoll zu übernehmen.   Der STM32WB unterstützt zudem Zigbee (Zigbee PRO 2017) mit optimierter Speicherbelegung, um alle Zigbee-Netzwerktopologien abzudecken. Zigbee RFD und FFD decken Rollen wie Endgeräte, Koordinatoren und Router ab. Darüber hinaus unterstützt er OpenThread, integriert in alle MTD, FTD und Border-Router, einschließlich Sleepy End Devices (SED), Router und Führungsrollen, und unterstützt somit die Gateway-Infrastruktur. Die Mikrocontroller-Serie bietet verschiedene zertifizierte Konfigurationen, um die Designflexibilität in Bezug auf Größe und OTA-Funktionalität zu erhöhen und eine Plattformoptimierung zu ermöglichen.   Der STM32WB MCU unterstützt das Matter-Protokoll, bei dem Bluetooth® Low Energy für die Gerätebereitstellung verwendet wird und gleichzeitig mit dem Thread-Protokoll im dynamischen Parallelmodus betrieben werden kann. Der STM32WB Multi-Protokoll-MCU kann Bluetooth® Low Energy 5.4 mit dem 802.15.4 Wireless-Protokoll, Zigbee oder OpenThread-Protokolle im parallelen Modus gleichzeitig ausführen. Dies erleichtert das Gerätemanagement während der Installation und Konfiguration erheblich und verbessert das allgemeine Benutzererlebnis signifikant.   Die integrierte Lösung des STM32WB MCU bietet nicht nur Konnektivität, sondern enthält auch einen kabellosen Anwendungs-MCU-Prozessor, der die Entwicklungsarbeit vereinfacht. Mithilfe der Bluetooth® Low Energy 5.4-Technologie können innovative Geräte mit einer Ausgangsleistung von über 10 dBm entwickelt werden, die die Reichweite der Fernkommunikation erweitern, die Broadcast-Erweiterung der Gerätekommunikation unterstützen, die Batterielebensdauer verlängern, eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung gewährleisten, die Anwendungseffizienz steigern (mit einem Evaluierungsergebnis von 407 CoreMark) und IP sowie Datenschutz sichern (zertifiziert durch SESIP3). Das ausgereifte STM32Cube-Ökosystem beschleunigt die Markteinführungszeit von Produkten.

Fazit

Mit der Einführung des Matter-Protokolls wurden die Interoperabilitätsprobleme zwischen IoT-Geräten beseitigt, was voraussichtlich die Bereitschaft der Nutzer erhöhen wird, diese Geräte zu übernehmen. Dies dürfte die Verbreitung von Anwendungen wie Smart Homes beschleunigen, und die Marktentwicklung birgt großes Potenzial. Arrow Electronics hat Lösungen von NXP, Murata und ST integriert und mehrere Referenzdesigns auf den Markt gebracht, die die Entwicklung verwandter Produkte für Kunden beschleunigen werden. Für weitere Details wenden Sie sich bitte direkt an Arrow Electronics.