Solución al desafío de interoperabilidad de los dispositivos IoT

En el ámbito de las aplicaciones para hogares inteligentes, ha habido una variedad de dispositivos IoT disponibles en el mercado. Sin embargo, los protocolos compatibles entre estos dispositivos son diversos y complejos, lo que resulta en una falta de interoperabilidad entre dispositivos de diferentes marcas, causando inconvenientes para los usuarios. Este artículo presentará las características y el desarrollo del protocolo Matter para dispositivos IoT en hogares inteligentes, así como la solución integrada proporcionada por Arrow Electronics, que combina NXP, Murata y ST.

Varios dispositivos de hogar inteligente enfrentan desafíos de interoperabilidad

En hogares y edificios inteligentes, los dispositivos IoT están interconectados a través de múltiples redes locales y conectados a la nube para el procesamiento y almacenamiento de datos. Sin embargo, sin un lenguaje unificado, la experiencia del usuario no es óptima y la gestión de los dispositivos puede volverse compleja.   Actualmente, los dispositivos de hogares inteligentes enfrentan desafíos de interoperabilidad. Los usuarios pueden necesitar conectarse a más de 100 tipos diferentes de dispositivos IoT en el mercado, que pueden usar más de 30 protocolos diferentes y conectarse por métodos cableados e inalámbricos, lo que plantea retos para la interoperabilidad entre dispositivos IoT.   El protocolo Matter, lanzado por la Connectivity Standards Alliance (CSA), ofrece un estándar universal para simplificar y unificar la conectividad IoT, independientemente de la plataforma o la marca de los dispositivos. En hogares inteligentes, los dispositivos conectados operan basándose en tecnologías como Wi-Fi, Thread o Ethernet, y cada dispositivo en la red Matter tiene roles específicos, que pueden ser dispositivos finales, enrutadores/puentes o controladores.   El objetivo del proyecto Matter es simplificar los esfuerzos de desarrollo de los fabricantes y mejorar la compatibilidad para los consumidores. Se fundamenta en la creencia común de que los dispositivos de hogares inteligentes deben ser seguros, confiables y perfectamente interoperables. El proyecto se basa en el Protocolo de Internet (IP) y tiene como objetivo facilitar la comunicación entre dispositivos inteligentes del hogar, aplicaciones móviles y servicios en la nube. Define un conjunto de tecnologías de red específicas basadas en IP para la autenticación de dispositivos.   Matter aporta interoperabilidad al ecosistema del hogar inteligente, mejorando la confiabilidad para los consumidores, asegurando la seguridad y privacidad, y simplificando el proceso de desarrollo de dispositivos IoT. Para los consumidores, Matter les permite controlar todos los dispositivos que soportan el protocolo Matter utilizando una única aplicación, mejorando la experiencia del usuario. Para los fabricantes, un único conjunto de hardware puede satisfacer las necesidades de todos los usuarios. Para los proveedores de servicios, ya no están limitados a fabricantes específicos y pueden elegir productos de una gama más amplia de fabricantes.   Cada vez más desarrolladores están enfocándose en la plataforma de dispositivos IoT Matter porque los dispositivos IoT Matter tienen interoperabilidad entre marcas. Matter permite una comunicación fluida en todo el dominio del hogar inteligente. Anteriormente, los desarrolladores debían elegir una única plataforma inteligente para sus dispositivos (como HomeKit, Alexa o Google Assistant), lo que afectaba la compatibilidad y las ventas. Con la tecnología Matter, los desarrolladores pueden diseñar sus dispositivos utilizando una plataforma unificada entre marcas. Por ejemplo, los dispositivos compatibles con Matter pueden trabajar con Samsung SmartThings y Apple HomeKit.   Muchos dispositivos de hardware que anteriormente eran compatibles con HomeKit ahora también son compatibles con Matter. Colaborar con Matter significa que Apple HomeKit tiene más opciones de hardware disponibles, y los desarrolladores pueden crear dispositivos que funcionen como dispositivos HomeKit mientras mantienen la compatibilidad con las aplicaciones existentes de HomeKit, Siri y las interfaces de control.    La adopción de Matter permite un marco de desarrollo unificado. Matter proporciona a los usuarios una interfaz compartida de hogares inteligentes, y los desarrolladores pueden construir dispositivos que soporten Matter utilizando la misma plataforma, asegurando conexiones locales consistentes y receptivas. Este marco de desarrollo unificado simplifica el proceso de creación de productos para hogares inteligentes.    Matter también ofrece compatibilidad retroactiva. Permite que antiguos dispositivos HomeKit se integren sin problemas con nuevos dispositivos que soporten Matter. Los usuarios pueden continuar utilizando los dispositivos HomeKit existentes junto con los dispositivos Matter sin interrupciones.   En resumen, Matter ofrece un ecosistema más amplio, compatibilidad cruzada y una experiencia de desarrollo consistente, lo que lo convierte en una opción atractiva para los desarrolladores que desean entrar al ecosistema de Apple Home.   Para acortar el ciclo de desarrollo de productos, Arrow Electronics ha desarrollado diseños de referencia del ecosistema Matter utilizando soluciones de NXP, Murata y ST. Estos incluyen el i.MX 8M y el i.MX 93 de NXP para enrutadores de placas Thread, el Type 2FR y el Type 2EL de Murata para coprocesadores de radio, el Type ABR y el Type 2HV para nodos finales Wi-Fi, y el Type 2FR para nodos finales Thread/Wi-Fi. Además, ST proporciona el STM32WB para nodos finales OpenThread. A continuación, presentaré las características funcionales de estas soluciones. 

Procesadores de aplicaciones que satisfacen una amplia gama de demandas de aplicaciones

Los procesadores de aplicaciones de la serie i.MX 8M de NXP están basados en los núcleos Arm® Cortex®-A53 y Cortex-M4, y cuentan con capacidades avanzadas de procesamiento de audio, voz y video que los hacen adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde audio para el hogar hasta automatización de edificios industriales y computación móvil.    El i.MX 8M soporta video de alta calidad, ofreciendo una resolución completa 4K UltraHD y HDR (Dolby Vision, HDR10 y HLG). Brinda fidelidad de audio profesional de alto nivel con más de 20 canales de audio, cada uno compatible con hasta 384KHz, y soporta funcionalidad de audio DSD512. Es adecuado para operaciones sin ventilador, dispone de sistemas de disipación térmica de bajo costo, mayor duración de la batería y ofrece opciones de memoria flexibles. Sus últimas interfaces de alta velocidad proporcionan conectividad versátil. NXP también ofrece un soporte integral a través de su Programa de Longevidad de Productos de 10 y 15 años. El procesador de aplicaciones i.MX 8 es parte de la plataforma de computación EdgeVerse™ de NXP.   El procesador de aplicaciones i.MX 93 de NXP proporciona aceleración eficiente para aprendizaje automático (ML) y seguridad avanzada a través del enclave seguro integrado EdgeLock® para soportar computación en el borde con alta eficiencia energética. Es el primer producto de la serie i.MX en integrar núcleos escalables Arm Cortex-A55, que ayudan a mejorar el rendimiento y la eficiencia de las aplicaciones de Linux® en el borde, y Arm Ethos™-U65 microNPU, empoderando a los desarrolladores para crear aplicaciones de ML más potentes, rentables y eficientes energéticamente.   El procesador i.MX 93 adopta la innovadora arquitectura Energy Flex de NXP, optimizando el rendimiento y la eficiencia de dispositivos industriales, IoT y automotrices. El SoC ofrece un conjunto completo de periféricos diseñados para los segmentos de mercado de electrónica de consumo, industrial y automotriz IoT. Como parte del portafolio EdgeVerse™ de soluciones inteligentes en el borde, la serie i.MX 93 ofrece productos certificados para aplicaciones de electrónica de consumo, industriales, industriales extendidas y automotrices, respaldados por el programa de longevidad de productos de NXP.

Módulos de controlador de red inalámbrica altamente integrados

```html El Tipo ABR de Murata es un pequeño módulo (integrado con una antena PCB) basado en el NXP 88MW320 (Microcontrolador Inalámbrico), que soporta Wi-Fi® 802.11 b/g/n con una velocidad máxima de datos PHY de 72.2 Mbps. Cuenta con un MCU integrado ARM Cortex-M4F de 200MHz para aplicaciones en el lado del host. Las dimensiones del módulo Tipo ABR son de solo 22.0 x 19.0 x 2.4 mm (típico), con antena PCB integrada y conector U.FL. El módulo posee una memoria flash SPI de hasta 2MB, soporta interfaz de host Wi-Fi UART y control GPIO, está certificado por FCC/IC, y puede proporcionar informes de pruebas CE.   El Tipo ABR permite una implementación sencilla de aplicaciones independientes de consumo a través de su MCU ARM Cortex-M4F integrado. Los clientes pueden personalizar rápidamente sus soluciones utilizando la potente herramienta EZ-Connect™ de NXP (WMSDKA). Además de las configuraciones independientes del WMSDKA, NXP también ofrece la solución integrada MCUXpresso, que puede usarse con la tarjeta EVB mikroBUS ABR de Murata y las tarjetas de desarrollo LPCXpresso55S16/28/69. El módulo Tipo ABR proporciona soporte de enlace WLAN para el MCU LPC de NXP a través de una simple interfaz serial compatible con el firmware WMSDKA.   El Tipo 2EL de Murata es un módulo pequeño de alto rendimiento basado en el chipset combinado NXP IW612, que soporta Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax y Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE + 802.15.4. Soporta velocidades de datos PHY de hasta 601Mbps en Wi-Fi® y 2Mbps en Bluetooth®. La sección WLAN soporta una interfaz SDIO v3.0 DDR50, mientras que la sección de Bluetooth® soporta una interfaz de UART de 4 cables de alta velocidad y PCM para datos de audio. El módulo Tipo 2EL está empaquetado en un factor de forma blindado y sorprendentemente pequeño, lo que lo hace adecuado para integrarse en aplicaciones sensibles al tamaño y al consumo de energía, como aplicaciones IoT, sistemas inalámbricos portátiles, gateways, etc.   El Tipo 2FR/2FP de Murata, por otro lado, es un módulo sin host que combina MCU con funcionalidades Wi-Fi/BLE/Thread, utilizando el chipset NXP RW612/RW610. Cuenta con un MCU integrado Arm® Cortex® M33 de 260 MHz, combinado con 802.11 a/b/g/n/ac/ax, BLE 5.3 y Thread (solo 2FR). Con un tamaño máximo de solo 12.0 x 11.0 x 1.5 mm, soporta Ethernet 802.3 (cableado), SDIO 3.0 (WLAN), USB-OTG, I2C, I2S, SPI, USART, y soporta certificaciones "de referencia" FCC/IC/TELEC (pendiente) e informes de pruebas CE conducidos (pendiente). Ofrece configuraciones de antena única o doble (BLE independiente / (Thread solo 2FR)), así como la opción de conector U.FL de antena PCB o la antena de traza PCB personalizada de Murata.   Murata también ofrece el kit de evaluación (EVK) del Tipo 2FR, que incluye un botón de reinicio, dos botones definidos por el usuario y cinco LED configurables. La antena PCB integrada del EVK está pendiente de certificación e incluye sensores de movimiento PIR y temperatura I2C. Soporta mikro-BUS, Arduino, PMOD, interfaces de expansión I2C, así como depuración/consola USB, USB OTG, interfaz ARM de 10 pines (SWD o JTAG), control de arranque mediante configuración de jumpers, flash QSPI con reloj lento de 32 KHz, jumpers de medición de corriente (opciones de resistencias) y puerto Ethernet.   El Tipo 2HV es el último módulo de bajo costo IoT Wi-Fi®/BT sin host de Murata, que integra conectividad inalámbrica y pilas de protocolos de red, ofreciendo un consumo de energía ultra bajo, lo que lo convierte en una elección ideal para aplicaciones IoT. Con un MCU ARM de 32 bits ultra bajo consumo integrado funcionando hasta 160MHz, el Tipo 2HV permite fácilmente aplicaciones independientes para consumidores y cuenta con 2MB de flash y 288KB de memoria RAM. Proporciona varias interfaces de comunicación, incluyendo UART/I2C/SPI y varios GPIOs. El SDK del Tipo 2HV permite a los clientes personalizar rápida y fácilmente sus soluciones. ```

Microcontroladores inalámbricos multiprotocolo de doble núcleo versátiles

La serie STM32WB de ST es un microcontrolador inalámbrico multiprotocolo de doble núcleo basado en el microcontrolador STM32WB, que admite conectividad Bluetooth® Low Energy, Zigbee®, Thread® y Matter. El microcontrolador inalámbrico STM32WB está diseñado alrededor de un núcleo Arm® Cortex®-M4 (procesador de aplicación) que funciona a 64 MHz y un núcleo Arm® Cortex®-M0+ (procesador de red) que funciona a 32 MHz, proporcionando una solución autosuficiente. Estos microcontroladores vienen en paquetes System-on-Chip (SoC) que integran características de conectividad y un microcontrolador de propósito general.   El STM32WB proporciona una pila de radio Bluetooth® Low Energy 5.4 certificada, perfiles del Bluetooth SIG y topología de malla conforme al estándar V1.0. El SDK de STM32WB también admite la Interfaz de Controlador de Host (HCI) para soluciones Bluetooth® Low Energy, incluidas las pilas Zephyr y Arm Cordio. El STM32WB es compatible con el estándar IEEE 802.15.4 (Zigbee y Thread) y la capa MAC IEEE 802.15.4, permitiendo a los diseñadores adoptar cualquier protocolo propietario.   El STM32WB también es compatible con Zigbee (Zigbee PRO 2017), con una huella optimizada para adaptarse a todas las topologías de red Zigbee. Zigbee RFD y FFD cubren roles como dispositivos finales, coordinadores y routers. Además, es compatible con OpenThread, integrado en todos los MTD, FTD y routers de borde, cubriendo roles como dispositivos finales en reposo (SED), routers y líderes, lo que permite el soporte de infraestructura de puerta de enlace. La serie de microcontroladores ofrece varias configuraciones certificadas para aumentar la flexibilidad del diseño en términos de tamaño y funcionalidad OTA, optimizando así la plataforma.   El microcontrolador STM32WB admite el protocolo Matter, donde Bluetooth® Low Energy se utiliza para la provisión del dispositivo y puede funcionar simultáneamente con el protocolo Thread en modo de concurrencia dinámica. El microcontrolador multiprotocolo STM32WB puede ejecutar simultáneamente Bluetooth® Low Energy 5.4 con el protocolo inalámbrico 802.15.4, Zigbee u OpenThread en modo concurrente. Esto facilita una gestión más sencilla de dispositivos durante la instalación y configuración, mejorando significativamente la experiencia del usuario.   La solución integrada del microcontrolador STM32WB no solo incluye conectividad, sino también un procesador MCU para aplicaciones inalámbricas, simplificando el trabajo de diseño. Aprovechando la tecnología Bluetooth® Low Energy 5.4, se pueden crear dispositivos innovadores con una potencia de salida superior a 10 dBm, ampliando el rango de comunicación remota, proporcionando una expansión en la transmisión por broadcasting de dispositivos, prolongando la vida útil de la batería, garantizando transmisiones de datos rápidas y confiables, mejorando la eficiencia de las aplicaciones (con una puntuación de evaluación de 407 CoreMark) y protegiendo la IP y la privacidad (certificado a través de SESIP3). El ecosistema maduro STM32Cube acelera el tiempo de comercialización de los productos.

Conclusión

Con la introducción del protocolo Matter, se han abordado los problemas de interoperabilidad entre los dispositivos IoT, lo que se espera que aumente la disposición de los usuarios a adoptar estos dispositivos. Esto probablemente acelerará la popularidad de aplicaciones como los hogares inteligentes, y el desarrollo del mercado tiene un gran potencial. Arrow Electronics ha integrado soluciones de NXP, Murata y ST, y ha lanzado múltiples diseños de referencia, lo que acelerará el desarrollo de productos relacionados para los clientes. Para más detalles, póngase en contacto directamente con Arrow Electronics.