IoTデバイスの相互運用性課題へのソリューション

スマートホームアプリケーションの分野では、さまざまなIoTデバイスが市場に出回っています。しかし、これらのデバイスでサポートされているプロトコルは多様かつ複雑であり、異なるブランドからのデバイス間で互換性が欠如していることが、ユーザーにとって不便を引き起こしています。本記事では、スマートホームにおけるIoTデバイス向けMatterプロトコルの特徴と発展について、またNXP、Murata、そしてSTを組み合わせたArrow Electronicsによる統合ソリューションをご紹介します。

さまざまなスマートホームデバイスは、相互運用性の課題に直面しています

スマートホームや建物において、IoTデバイスは複数のローカルネットワークを介して接続され、データの処理や保存のためにクラウドに接続されています。しかし、統一された言語が存在しない場合、ユーザー体験が最適化されず、デバイスの管理が複雑になる可能性があります。
 
現在、スマートホームデバイスは互換性の課題に直面しています。市場には100種類を超えるさまざまなIoTデバイスが存在し、それらが30以上の異なるプロトコルを使用し、有線または無線で接続される場合があります。このため、IoTデバイス間の互換性に課題が生じています。
 
コネクティビティ基準アライアンス（CSA）によって開始されたMatterプロトコルは、プラットフォームやブランドに関係なくIoT接続を簡素化し統一するための普遍的な標準を提供します。スマートホームでは、接続されたデバイスがWi-Fi、Thread、またはEthernet技術を基盤として動作し、Matterネットワーク内の各デバイスはエンドポイントデバイス、ルーター/ブリッジ、もしくはコントローラーとして特定の役割を担っています。
 
Matterプロジェクトの目的は、メーカーの開発努力を簡素化し、消費者の互換性を向上させることです。このプロジェクトは、スマートホームデバイスが安全で信頼性が高く、シームレスに互換性を持つべきだという共通の信念に基づいて構築されています。プロジェクトはインターネットプロトコル（IP）に基づいており、スマートホームデバイス、モバイルアプリケーション、クラウドサービス間の通信を容易にすることを目的としています。これにより、デバイス認証に必要な特定のIPベースのネットワーク技術が定義されています。
 
Matterは、スマートホームエコシステムに互換性をもたらし、消費者に対する信頼性を向上させ、安全性とプライバシーを保証し、IoTデバイスの開発プロセスを簡素化します。消費者にとって、MatterはMatterプロトコルをサポートするすべてのデバイスを単一のアプリで操作できるようにし、ユーザー体験を向上させます。メーカーにとっては、単一のハードウェアセットを使用して全てのユーザーのニーズに対応することができ、サービスプロバイダにとっては特定のメーカーに制約されず、より広範囲なメーカーから製品を選択することが可能となります。
 
ますます多くの開発者がMatter IoTデバイスプラットフォームに注目しています。その理由は、Matter IoTデバイスがブランドを越えた互換性を備えているためです。Matterはスマートホーム全体の領域でシームレスな通信を可能にします。以前は、開発者がデバイスに単一のスマートプラットフォーム（HomeKit、Alexa、Google Assistantなど）を選択する必要があり、それが互換性や販売に影響を与えていました。しかし、Matter技術により、開発者は複数ブランド間の統一されたプラットフォームを使用してデバイスを設計できます。例えば、Matter対応デバイスはSamsung SmartThingsやApple HomeKitとの互換性を持つことが可能です。
 
以前にHomeKitをサポートしていた多くのハードウェアデバイスが現在Matterをサポートしています。Matterとの協力により、Apple HomeKitは利用可能なハードウェアオプションを拡大し、開発者は既存のHomeKitアプリケーション、Siri、制御インターフェースとの互換性を保ちながら、HomeKitデバイスのように動作するデバイスを作成できます。
 
Matterを採用することで、統一された開発フレームワークが可能になります。Matterはユーザーに共通のスマートホームインターフェースを提供し、開発者が同じプラットフォームを使用してMatterをサポートするデバイスを構築できるようにします。これにより、一貫性があり応答性の高いローカル接続が保証され、スマートホーム製品の開発プロセスが簡素化されます。
 
Matterは下位互換性も提供します。これにより、古いHomeKitデバイスがMatterをサポートする新しいデバイスとシームレスに統合されます。ユーザーは既存のHomeKitデバイスをMatterデバイスと一緒に途切れることなく使用することが可能です。
 
要約すると、Matterはより広範なエコシステム、クロス互換性、一貫した開発体験を提供し、Apple Homeエコシステム参入を目指す開発者にとって魅力的な選択肢となっています。
 
製品開発サイクルを短縮するために、アロー・エレクトロニクスはNXP、村田製作所、STのソリューションを使用してMatterエコシステムのリファレンスデザインを開発しました。これには、Threadボードルーター用のNXP製「i.MX 8M」および「i.MX 93」、ラジオコプロセッサ用の村田製「Type 2FR」および「Type 2EL」、Wi-Fiエンドノード用の「Type ABR」および「Type 2HV」、Thread/Wi-Fiエンドノード用の「Type 2FR」が含まれます。また、STはOpenThreadエンドノード用に「STM32WB」を提供しています。以下では、これらのソリューションの機能的特徴を紹介します。

さまざまなアプリケーションの要求に対応するアプリケーションプロセッサ

NXPのi.MX 8Mシリーズのアプリケーションプロセッサは、Arm® Cortex®-A53およびCortex-M4コアをベースにしており、先進的なオーディオ、音声、およびビデオ処理機能を備えています。これにより、家庭用オーディオから産業用ビルオートメーション、モバイルコンピューティングまで、幅広い用途に適しています。   i.MX 8Mは高画質ビデオをサポートし、フル4K UltraHD解像度およびHDR（Dolby Vision、HDR10、HLG）に対応しています。また、20以上のオーディオチャンネルを備え、それぞれが最大384KHzをサポートする高水準なプロフェッショナルオーディオ品質を提供し、DSD512オーディオ機能にも対応しています。本製品はファンレスでの動作に適しており、低コストな熱放散システム、バッテリー寿命の延長、および柔軟なメモリオプションを提供します。最新の高速インターフェースにより柔軟な接続性も実現しています。さらに、NXPは10年および15年の長期製品供給プログラムを通じて包括的なサポートも提供しています。i.MX 8アプリケーションプロセッサは、NXPのEdgeVerse™エッジコンピューティングプラットフォームの一部です。   NXPのi.MX 93アプリケーションプロセッサは、効率的な機械学習（ML）アクセラレーションと、統合されたEdgeLock®セキュアエンクレーブによる高度なセキュリティを提供し、高エネルギー効率のエッジコンピューティングをサポートします。i.MXシリーズで初めてスケーラブルなArm Cortex-A55コアを統合し、Linux®エッジアプリケーションの性能と効率を向上させます。また、Arm Ethos™-U65 microNPUを搭載し、開発者がより強力でコスト効率が高く、エネルギー効率の良いMLアプリケーションを構築できるようにします。   i.MX 93プロセッサは、NXPの革新的なEnergy Flexアーキテクチャを採用し、産業、IoT、自動車デバイスの性能と効率を最適化しています。このSoCは、自動車、産業、家電向けIoT市場に対応した豊富な周辺機器セットを提供します。EdgeVerse™インテリジェントエッジソリューションのポートフォリオの一部として、i.MX 93シリーズは、家電、産業、拡張産業、自動車用途向けに認証を取得した製品を提供しており、NXPの長期製品供給プログラムによるサポートも受けられます。

高集積型ワイヤレスネットワークコントローラモジュール

村田のType ABRは、小型モジュールであり（PCBアンテナを統合）、NXP 88MW320（ワイヤレスマイクロコントローラー）をベースとし、Wi-Fi® 802.11 b/g/nをサポートし、最大PHYデータレートは72.2 Mbpsです。ホスト側アプリケーションに対応する統合型200MHz ARM Cortex-M4F MCUを備えています。Type ABRモジュールの寸法は22.0 x 19.0 x 2.4 mm（通常）で、PCBアンテナとU.FLコネクタが統合されています。このモジュールは最大2MBのSPIフラッシュを備え、UART Wi-FiホストインターフェースとGPIO制御をサポートし、FCC/IC認証済みであり、CE試験レポートを提供することが可能です。   Type ABRは、統合されたARM Cortex-M4F MCUを通じて、単体で動作するコンシューマアプリケーションの簡易実装を可能にします。NXPの強力なEZ-Connect™ツール（WMSDKA）を使用することで、顧客は迅速かつ容易にソリューションをカスタマイズできます。単体で動作するWMSDKA構成に加え、NXPは村田のABR mikroBUS EVBやLPCXpresso55S16/28/69開発ボードと使用可能なMCUXpresso統合ソリューションも提供しています。Type ABRモジュールは、NXP LPC MCU用のWLANリンクを提供し、WMSDKAファームウェアによってサポートされている簡易シリアルインターフェースを介して利用可能です。   村田のType 2ELは、NXP IW612コンボチップセットを基盤とした小型高性能モジュールであり、Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/axおよびBluetooth® 5.3 BR/EDR/LE + 802.15.4をサポートします。Wi-Fi®では最大601 Mbps、Bluetooth®では最大2 MbpsのPHYデータレートをサポートします。WLANセクションはSDIO v3.0 DDR50インターフェースをサポートし、Bluetooth®セクションは高速4線UARTインターフェースとオーディオデータ用のPCMをサポートしています。Type 2ELモジュールは非常に小型でシールドされたフォームファクターにパッケージ化されており、IoTアプリケーション、携帯型ワイヤレスシステム、ゲートウェイなどのサイズや電力を重視する用途に適しています。   一方、村田のType 2FR/2FPは、NXP RW612/RW610チップセットを採用しており、Wi-Fi/BLE/Thread機能を備えたホストレスモジュールです。260MHz Arm® Cortex® M33 MCUを内蔵し、802.11 a/b/g/n/ac/ax、BLE 5.3、Thread（2FRのみ）と組み合わせています。最大寸法は12.0 x 11.0 x 1.5 mmで、Ethernet 802.3（有線）、SDIO 3.0（WLAN）、USB-OTG、I2C、I2S、SPI、USARTをサポートします。また、FCC/IC/TELECの「参考」認証（TBD）およびCE Conducted Test Reports（TBD）をサポートし、単一またはデュアル（独立したBLE/(Thread-2FRのみ))アンテナ構成、U.FLコネクタPCBアンテナまたは村田のカスタムPCBトレースアンテナのオプションを提供します。   村田はまた、Type 2FR評価キット（EVK）を提供しています。このキットにはリセットボタン、2つのユーザー定義ボタン、5つの設定可能なLEDが搭載されています。EVKのオンボードPCBアンテナは認証待ちであり、PIRモーションおよび温度I2Cセンサーを含みます。また、mikro-BUS、Arduino、PMOD、I2C、拡張インターフェース、USBデバッグ/コンソール、USB OTG、ARM 10ピンインターフェース（SWDまたはJTAG）、ジャンパ構成によるブート制御、32 KHzスロークロック付きQSPIフラッシュ、電流測定用ジャンパ（抵抗オプション）、およびイーサネットポートをサポートします。   Type 2HVは、村田が提供する最新の低コストIoT Wi-Fi®/BTホストレスモジュールであり、ワイヤレス接続およびネットワークプロトコルスタックを統合し、超低消費電力を実現します。これにより、IoTアプリケーションに最適な選択肢となります。最大160MHz動作の統合型超低消費32ビットARM MCUを搭載したType 2HVは、単体で動作するコンシューマアプリケーションを簡単に実現することができ、2MBフラッシュと288KB RAMメモリーを備えています。UART/I2C/SPIなどの様々な通信インターフェースやGPIOを提供します。Type 2HV SDKを使用することで、顧客は迅速かつ容易にソリューションをカスタマイズできます。

多用途のデュアルコア多プロトコル対応ワイヤレスマイクロコントローラー

STのSTM32WBシリーズは、STM32WBマイクロコントローラをベースにしたデュアルコアのマルチプロトコル対応ワイヤレスマイクロコントローラで、Bluetooth® Low Energy、Zigbee®、Thread®、Matter接続をサポートします。STM32WBワイヤレスマイクロコントローラは、64 MHzで動作するArm® Cortex®-M4コア（アプリケーションプロセッサ）と32 MHzで動作するArm® Cortex®-M0+コア（ネットワークプロセッサ）を中心に構築されており、自立型ソリューションを提供します。これらのマイクロコントローラは接続機能を組み込んだシステムオンチップ（SoC）パッケージと汎用マイクロコントローラを備えています。   STM32WBは、認証済みのBluetooth® Low Energy 5.4ラジオスタック、Bluetooth SIGプロファイル、MeshトポロジーをV1.0標準に準拠して提供します。STM32WB SDKは、Bluetooth® Low Energyソリューションに対応したHost Controller Interface (HCI)もサポートしており、ZephyrやArm Cordioスタックを含んでいます。STM32WBはIEEE 802.15.4標準（ZigbeeおよびThread）とIEEE 802.15.4 MAC層をサポートしており、これにより設計者は独自プロトコルを採用することが可能になります。   STM32WBは最適化されたフットプリントを備えたZigbee（Zigbee PRO 2017）をサポートしており、すべてのZigbeeネットワークトポロジーに対応します。Zigbee RFDおよびFFDは、エンドデバイス、コーディネータ、ルータといった役割を担います。さらに、OpenThreadもサポートしており、すべてのMTD、FTD、境界ルータに統合され、Sleepy End Devices (SED)、ルータ、リーダー役割を含むゲートウェイインフラをサポートします。このマイクロコントローラシリーズは、設計の柔軟性を高めるためにサイズやOTA機能の点でバリエーション豊富な認定済み構成を提供し、プラットフォームの最適化を可能にしています。   STM32WB MCUはMatterプロトコルをサポートし、Bluetooth® Low Energyがデバイスプロビジョニングに使用され、さらにThreadプロトコルとの動的並行モードで同時実行できます。STM32WBマルチプロトコルMCUは、Bluetooth® Low Energy 5.4を802.15.4ワイヤレスプロトコル、Zigbee、またはOpenThreadプロトコルと並行モードで同時に実行することが可能です。これにより、インストールや設定時のデバイス管理が容易になり、全体的なユーザー体験が大幅に向上します。   STM32WB MCUの統合ソリューションは、接続機能だけでなく、ワイヤレスアプリケーションMCUプロセッサも含まれており、設計作業を簡素化します。Bluetooth® Low Energy 5.4技術を活用することで、10 dBmを超える出力電力を持つ革新的なデバイスを作成し、遠隔通信範囲を拡大し、デバイス通信ブロードキャストの拡張をサポートし、電池寿命を延ばし、迅速かつ信頼性の高いデータ送信を確保し、アプリケーション効率を向上させます（評価スコアは407 CoreMark）。さらに、SESIP3認証を通じてIPやプライバシーの保護を実現します。成熟したSTM32Cubeエコシステムにより製品の市場投入までの時間が加速されます。

結論

Matterプロトコルの導入により、IoTデバイス間の互換性問題が解決され、これによりユーザーがこれらのデバイスを採用する意欲が高まると期待されています。このことはスマートホームなどのアプリケーションの普及を加速させる可能性があり、市場の発展に大きな可能性が秘められています。アローエレクトロニクスは、NXP、Murata、STのソリューションを統合し、複数のリファレンスデザインを発表しました。これにより、顧客向けの関連製品の開発が促進されるでしょう。詳細については、アローエレクトロニクスに直接お問い合わせください。