Solution au défi d'interopérabilité des appareils IoT

Dans le domaine des applications de maison intelligente, il existe une variété d'appareils IoT disponibles sur le marché. Cependant, les protocoles pris en charge par ces appareils sont divers et complexes, entraînant un manque d'interopérabilité entre les appareils de marques différentes, ce qui cause des désagréments pour les utilisateurs. Cet article présentera les caractéristiques et le développement du protocole Matter pour les appareils IoT dans les maisons intelligentes, ainsi que la solution intégrée offerte par Arrow Electronics, qui combine NXP, Murata et ST.

Différents appareils de maison intelligente rencontrent des défis d'interopérabilité

Dans les maisons et bâtiments intelligents, les dispositifs IoT sont interconnectés via plusieurs réseaux locaux et connectés au cloud pour le traitement et le stockage des données. Cependant, sans un langage unifié, l'expérience utilisateur n'est pas optimale, et la gestion des dispositifs peut devenir complexe.   Actuellement, les dispositifs de maison intelligente font face à des défis d'interopérabilité. Les utilisateurs peuvent avoir besoin de se connecter à plus de 100 types différents de dispositifs IoT sur le marché, qui peuvent utiliser plus de 30 protocoles différents et se connecter via des méthodes filaires et sans fil, ce qui pose des problèmes d'interopérabilité entre les dispositifs IoT.   Le protocole Matter, lancé par la Connectivity Standards Alliance (CSA), fournit une norme universelle pour simplifier et unifier la connectivité IoT, quel que soit le platforme et la marque des dispositifs. Dans les maisons intelligentes, les dispositifs connectés fonctionnent sur la base des technologies Wi-Fi, Thread ou Ethernet, et chaque dispositif du réseau Matter a des rôles spécifiques, qui peuvent être des dispositifs terminaux, des routeurs/ponts ou des contrôleurs.   L'objectif du projet Matter est de simplifier les efforts de développement des fabricants et d'améliorer la compatibilité pour les consommateurs. Il repose sur une conviction commune selon laquelle les dispositifs de maison intelligente doivent être sécurisés, fiables et parfaitement interopérables. Le projet est basé sur le protocole Internet (IP) et vise à faciliter la communication entre les dispositifs de maison intelligente, les applications mobiles et les services cloud. Il définit un ensemble de technologies spécifiques de mise en réseau basées sur IP pour l'authentification des dispositifs.   Matter apporte l'interopérabilité à l'écosystème de la maison intelligente, améliorant la fiabilité pour les consommateurs, garantissant la sécurité et la confidentialité, et simplifiant le processus de développement pour les dispositifs IoT. Pour les consommateurs, Matter leur permet de contrôler tous les dispositifs prenant en charge le protocole Matter à l'aide d'une seule application, améliorant ainsi l'expérience utilisateur. Pour les fabricants, utiliser un seul ensemble matériel peut répondre aux besoins de tous les utilisateurs. Pour les fournisseurs de services, ils ne sont plus limités à des fabricants spécifiques et peuvent choisir des produits parmi un plus grand éventail de fabricants.   De plus en plus de développeurs se concentrent sur la plateforme de dispositifs IoT Matter en raison de l'interopérabilité entre marques qu'elle offre. Matter permet une communication fluide dans tout le domaine de la maison intelligente. Auparavant, les développeurs devaient choisir une seule plateforme intelligente pour leurs dispositifs (comme HomeKit, Alexa ou Google Assistant), ce qui affectait la compatibilité et les ventes. Avec la technologie Matter, les développeurs peuvent concevoir leurs dispositifs en utilisant une plateforme unifiée entre les marques. Par exemple, les dispositifs prenant en charge Matter peuvent fonctionner avec Samsung SmartThings et Apple HomeKit.   De nombreux dispositifs matériels qui prenaient auparavant en charge HomeKit prennent désormais également en charge Matter. Collaborer avec Matter signifie que Apple HomeKit dispose de plus d'options matérielles disponibles, et les développeurs peuvent créer des dispositifs qui fonctionnent comme des dispositifs HomeKit tout en maintenant la compatibilité avec les applications HomeKit existantes, Siri et les interfaces de contrôle.    L'adoption de Matter permet un cadre de développement unifié. Matter offre aux utilisateurs une interface de maison intelligente partagée, et les développeurs peuvent créer des dispositifs prenant en charge Matter en utilisant cette même plateforme, garantissant des connexions locales cohérentes et réactives. Ce cadre de développement unifié simplifie le processus de création de produits pour la maison intelligente.    Matter offre également une compatibilité rétroactive. Il permet aux anciens dispositifs HomeKit de s'intégrer parfaitement aux nouveaux dispositifs prenant en charge Matter. Les utilisateurs peuvent continuer à utiliser les dispositifs HomeKit existants aux côtés des dispositifs Matter sans interruption.   En résumé, Matter offre un écosystème plus large, une interopérabilité croisée et une expérience de développement cohérente, ce qui en fait un choix attrayant pour les développeurs souhaitant entrer dans l'écosystème Apple Home.   Pour raccourcir le cycle de développement des produits, Arrow Electronics a développé des conceptions de référence pour l'écosystème Matter en utilisant des solutions de NXP, Murata et ST. Celles-ci incluent les i.MX 8M et i.MX 93 de NXP pour les routeurs Thread, les Type 2FR et Type 2EL de Murata pour les co-processeurs radio, les Type ABR et Type 2HV pour les nœuds finaux Wi-Fi, et le Type 2FR pour les nœuds finaux Thread/Wi-Fi. De plus, ST fournit le STM32WB pour les nœuds finaux OpenThread. Ci-dessous, je vais présenter les fonctionnalités de ces solutions. 

Processeurs d'application répondant à un large éventail de besoins applicatifs

Les processeurs applicatifs de la série i.MX 8M de NXP sont basés sur les cœurs Arm® Cortex®-A53 et Cortex-M4, offrant des capacités avancées de traitement audio, vocal et vidéo adaptées à un large éventail d'applications, allant de l'audio domestique grand public à l'automatisation des bâtiments industriels et à l'informatique mobile.    Le i.MX 8M prend en charge la vidéo de haute qualité, offrant une résolution 4K UltraHD complète et HDR (Dolby Vision, HDR10 et HLG). Il fournit une fidélité audio professionnelle de haut niveau avec plus de 20 canaux audio, chacun prenant en charge jusqu'à 384 kHz, et prend en charge la fonctionnalité audio DSD512. Il est adapté au fonctionnement sans ventilateur, dispose de systèmes de dissipation thermique à faible coût, d'une durée de vie de batterie prolongée, et offre des options de mémoire flexibles. Ses dernières interfaces haute vitesse offrent une connectivité flexible. NXP fournit également un support complet à travers son programme de longévité produit de 10 ans et 15 ans. Le processeur applicatif i.MX 8 fait partie de la plateforme de calcul de périphérie EdgeVerse™ de NXP.   Le processeur applicatif i.MX 93 de NXP propose une accélération efficace de l'apprentissage automatique (ML) et une sécurité avancée grâce à l'enclave sécurisée intégrée EdgeLock® pour soutenir un calcul périphérique à haute efficacité énergétique. C'est le premier produit de la série i.MX à intégrer des cœurs évolutifs Arm Cortex-A55, qui améliorent les performances et l'efficacité des applications périphériques sous Linux®, ainsi que le microNPU Arm Ethos™-U65, permettant aux développeurs de créer des applications ML plus puissantes, rentables et économes en énergie.   Le processeur i.MX 93 adopte l'architecture innovante Energy Flex de NXP, optimisant les performances et l'efficacité des appareils industriels, IoT et automobiles. Le SoC offre un ensemble riche de périphériques adaptés aux segments de marché de l'électronique automobile, industrielle et grand public de l'IoT. Faisant partie du portefeuille EdgeVerse™ de solutions intelligentes pour la périphérie, la série i.MX 93 propose des produits certifiés pour les applications en électronique grand public, industrielle, industrielle étendue et automobile, soutenus par le programme de longévité produit de NXP.

Modules de contrôleur de réseau sans fil hautement intégrés

Le Type ABR de Murata est un petit module (intégré avec une antenne PCB) basé sur le NXP 88MW320 (microcontrôleur sans fil), prenant en charge le Wi-Fi® 802.11 b/g/n avec un débit de données PHY maximal de 72,2 Mbps. Il dispose d'un MCU ARM Cortex-M4F intégré à 200 MHz pour les applications côté hôte. Les dimensions du module Type ABR ne sont que de 22,0 x 19,0 x 2,4 mm (typiques), avec une antenne PCB intégrée et un connecteur U.FL. Le module possède une mémoire flash SPI jusqu'à 2 Mo, prend en charge une interface hôte Wi-Fi UART et un contrôle GPIO, est certifié FCC/IC et peut fournir des rapports de test CE.   Le Type ABR permet une mise en œuvre facile des applications de consommation autonomes grâce à son MCU ARM Cortex-M4F intégré. Les clients peuvent personnaliser rapidement et facilement leurs solutions à l'aide de l'outil puissant EZ-Connect™ (WMSDKA) de NXP. Outre les configurations autonomes WMSDKA, NXP fournit également la solution intégrée MCUXpresso, pouvant être utilisée avec la carte EVB mikroBUS ABR de Murata et les cartes de développement LPCXpresso55S16/28/69 de NXP. Le module Type ABR offre un support de liaison WLAN pour le MCU LPC de NXP via une interface série simple prise en charge par le firmware WMSDKA.   Le Type 2EL de Murata est un petit module haute performance basé sur le chipset combo NXP IW612, prenant en charge le Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax et le Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE + 802.15.4. Il prend en charge des débits de données PHY allant jusqu'à 601 Mbps en Wi-Fi® et 2 Mbps en Bluetooth®. La section WLAN prend en charge une interface SDIO v3.0 DDR50, tandis que la section Bluetooth® prend en charge une interface UART 4 fils haute vitesse et PCM pour les données audio. Le module Type 2EL est emballé dans un format compact et blindé impressionnant, ce qui le rend adapté à l'intégration dans des applications sensibles à la taille et à la puissance telles que les objets connectés (IoT), les systèmes sans fil portables, les passerelles, etc.   Le Type 2FR/2FP de Murata, quant à lui, est un module sans hôte combinant un MCU avec des fonctionnalités Wi-Fi/BLE/Thread, utilisant le chipset NXP RW612/RW610. Il dispose d'un MCU intégré Arm® Cortex® M33 à 260 MHz, combiné avec 802.11 a/b/g/n/ac/ax, BLE 5.3, et Thread (2FR uniquement). Avec une taille maximale de seulement 12,0 x 11,0 x 1,5 mm, il prend en charge Ethernet 802.3 (filaire), SDIO 3.0 (WLAN), USB-OTG, I2C, I2S, SPI, USART, et prend en charge les certifications FCC/IC/TELEC "référence" (à déterminer) et les rapports de test CE Conducted (à déterminer). Il offre des configurations d'antenne unique ou double (BLE indépendante/(Thread-2FR uniquement)), ainsi que l'option d'une antenne PCB avec connecteur U.FL ou une antenne de trace PCB personnalisée de Murata.   Murata propose également le kit d'évaluation Type 2FR (EVK), comprenant un bouton de réinitialisation, deux boutons définis par l'utilisateur et cinq LED configurables. L'antenne PCB intégrée de l'EVK est en attente de certification et inclut des capteurs de mouvement PIR et de température I2C. Il prend en charge les interfaces mikro-BUS, Arduino, PMOD, I2C, d'extension, ainsi que le débogage/console USB, USB OTG, interface ARM 10 broches (SWD ou JTAG), contrôle de démarrage via configuration de ponts, mémoire flash QSPI avec horloge lente 32 KHz, connecteurs de mesure de courant (options de résistance), et un port Ethernet.   Le Type 2HV est le dernier module IoT Wi-Fi®/BT à faible coût de Murata sans hôte, intégrant une connectivité sans fil et des piles de protocoles réseau, offrant une consommation d'énergie ultra-faible, en faisant un choix idéal pour les applications IoT. Avec un MCU ARM 32 bits ultra-basse consommation intégré fonctionnant jusqu'à 160 MHz, le Type 2HV permet facilement des applications de consommation autonomes et dispose d'une mémoire flash de 2 Mo et de 288 Ko de RAM. Il offre diverses interfaces de communication, notamment UART/I2C/SPI et divers GPIO. Le SDK Type 2HV permet aux clients de personnaliser rapidement et facilement leurs solutions.

Microcontrôleurs sans fil polyvalents à double cœur et multi-protocoles

La série STM32WB de ST est un microcontrôleur sans fil multiprotocole à double cœur basé sur le microcontrôleur STM32WB, prenant en charge les connectivités Bluetooth® Low Energy, Zigbee®, Thread® et Matter. Le microcontrôleur sans fil STM32WB est construit autour d’un cœur Arm® Cortex®-M4 (processeur d'application) fonctionnant à 64 MHz et d’un cœur Arm® Cortex®-M0+ (processeur réseau) fonctionnant à 32 MHz, offrant une solution autonome. Ces microcontrôleurs sont disponibles en boîtiers System-on-Chip (SoC) intégrant des fonctionnalités de connectivité et un microcontrôleur généraliste.   STM32WB fournit une pile radio Bluetooth® Low Energy 5.4 certifiée, des profils Bluetooth SIG et une topologie Mesh conforme à la norme V1.0. Le SDK STM32WB prend également en charge l’interface Host Controller Interface (HCI) pour les solutions Bluetooth® Low Energy, y compris les piles Zephyr et Arm Cordio. STM32WB prend en charge la norme IEEE 802.15.4 (Zigbee et Thread) et la couche MAC IEEE 802.15.4, permettant ainsi aux concepteurs d’adopter tout protocole propriétaire.   Le STM32WB prend également en charge Zigbee (Zigbee PRO 2017), avec une empreinte optimisée pour s’adapter à toutes les topologies de réseau Zigbee. Zigbee RFD et FFD couvrent des rôles tels que les dispositifs finaux, les coordinateurs et les routeurs. De plus, il prend en charge OpenThread, intégré dans tous les MTD, FTD et routeurs de bord, couvrant des rôles tels que Sleepy End Devices (SED), les routeurs et les leaders, soutenant ainsi l’infrastructure de passerelle. La série de microcontrôleurs offre diverses configurations certifiées pour accroître la flexibilité de conception en termes de taille et de fonctionnalité OTA, permettant ainsi l’optimisation des plateformes.   Le MCU STM32WB prend en charge le protocole Matter, où Bluetooth® Low Energy est utilisé pour le provisionnement des dispositifs, et il peut fonctionner simultanément avec le protocole Thread en mode de concurrence dynamique. Le MCU multiprotocole STM32WB peut exécuter simultanément Bluetooth® Low Energy 5.4 avec le protocole sans fil 802.15.4, Zigbee ou les protocoles OpenThread en mode de concurrence. Cela facilite la gestion des dispositifs lors de l’installation et de la configuration, améliorant considérablement l’expérience utilisateur globale.   La solution intégrée du MCU STM32WB ne se limite pas à la connectivité, mais inclut également un processeur MCU pour application sans fil, simplifiant ainsi le travail de conception. En exploitant la technologie Bluetooth® Low Energy 5.4, des dispositifs innovants peuvent être créés avec une puissance de sortie dépassant 10 dBm, étendant la portée de la communication à distance, prenant en charge l’expansion de la diffusion de communication des dispositifs, prolongeant la durée de vie des batteries, assurant une transmission de données rapide et fiable, améliorant l’efficacité des applications (avec un score d’évaluation de 407 CoreMark) et protégeant la propriété intellectuelle et la vie privée (certifiée SESIP3). L'écosystème mûr STM32Cube accélère le temps de mise sur le marché des produits.

Conclusion

Avec l'introduction du protocole Matter, les problèmes d'interopérabilité entre les appareils IoT ont été résolus, ce qui devrait accroître la volonté des utilisateurs d'adopter ces dispositifs. Cela devrait accélérer la popularité d'applications telles que les maisons intelligentes, et le développement du marché présente un grand potentiel. Arrow Electronics a intégré des solutions de NXP, Murata et ST, et a lancé plusieurs conceptions de référence, ce qui accélérera le développement de produits connexes pour les clients. Pour plus de détails, veuillez contacter directement Arrow Electronics.