Soluzione alla sfida dell'interoperabilità dei dispositivi IoT

Nel campo delle applicazioni per la casa intelligente, è disponibile sul mercato una varietà di dispositivi IoT. Tuttavia, i protocolli supportati da questi dispositivi sono diversificati e complessi, causando una mancanza di interoperabilità tra dispositivi di marche diverse, con conseguente disagio per gli utenti. Questo articolo introdurrà le caratteristiche e lo sviluppo del protocollo Matter per dispositivi IoT nelle case intelligenti, oltre alla soluzione integrata fornita da Arrow Electronics, che combina NXP, Murata e ST.

Diversi dispositivi per la smart home affrontano sfide di interoperabilità

Nelle case e negli edifici smart, i dispositivi IoT sono interconnessi attraverso molteplici reti locali e collegati al cloud per l'elaborazione e l'archiviazione dei dati. Tuttavia, senza un linguaggio unificato, l'esperienza utente non è ottimale e la gestione dei dispositivi può diventare complessa.   Attualmente, i dispositivi smart per la casa stanno affrontando sfide di interoperabilità. Gli utenti potrebbero dover connettersi a oltre 100 tipi diversi di dispositivi IoT presenti sul mercato, i quali potrebbero utilizzare oltre 30 protocolli differenti e connettersi tramite metodi cablati o wireless, ponendo sfide significative all'interoperabilità tra i dispositivi IoT.   Il protocollo Matter, lanciato dalla Connectivity Standards Alliance (CSA), offre uno standard universale per semplificare e unificare la connettività IoT, indipendentemente dal tipo di piattaforma o dal marchio dei dispositivi. Nelle case smart, i dispositivi connessi operano sulla base di tecnologie Wi-Fi, Thread o Ethernet, e ogni dispositivo nella rete Matter ha ruoli specifici, che possono essere dispositivi endpoint, router/bridge o controller.   L'obiettivo del progetto Matter è semplificare gli sforzi di sviluppo dei produttori e migliorare la compatibilità per i consumatori. È basato su una convinzione comune: i dispositivi smart per la casa devono essere sicuri, affidabili e perfettamente interoperabili. Il progetto si basa sul Protocollo Internet (IP) e mira a facilitare la comunicazione tra dispositivi smart per la casa, applicazioni mobili e servizi cloud. Definisce un insieme di tecnologie di rete specifiche basate su IP per l'autenticazione dei dispositivi.   Matter porta l'interoperabilità nell'ecosistema delle case smart, migliorando l'affidabilità per i consumatori, garantendo sicurezza e privacy, e semplificando il processo di sviluppo dei dispositivi IoT. Per i consumatori, Matter consente di controllare tutti i dispositivi supportati dal protocollo Matter utilizzando una singola app, migliorando l'esperienza utente. Per i produttori, l'uso di un unico set hardware può soddisfare le esigenze di tutti gli utenti. Per i fornitori di servizi, non sono più vincolati a produttori specifici e possono scegliere prodotti da una gamma più ampia di produttori.   Un numero sempre maggiore di sviluppatori si sta concentrando sulla piattaforma di dispositivi IoT Matter perché questi dispositivi offrono interoperabilità tra brand. Matter consente una comunicazione fluida nell'intero dominio della casa smart. In passato, gli sviluppatori dovevano scegliere una singola piattaforma smart per i loro dispositivi (come HomeKit, Alexa o Google Assistant), il che influiva sulla compatibilità e sulle vendite. Con la tecnologia Matter gli sviluppatori possono progettare i loro dispositivi utilizzando una piattaforma unificata tra i brand. Ad esempio, i dispositivi compatibili con Matter possono funzionare con Samsung SmartThings e Apple HomeKit.   Molti dispositivi hardware che supportavano precedentemente HomeKit ora supportano anche Matter. Collaborare con Matter significa che Apple HomeKit ha accesso a più opzioni hardware disponibili, e gli sviluppatori possono creare dispositivi che operano come dispositivi HomeKit mantenendo la compatibilità con le applicazioni HomeKit esistenti, Siri e le interfacce di controllo.   Adottare Matter consente un framework di sviluppo unificato. Matter offre agli utenti un'interfaccia condivisa per la casa smart e gli sviluppatori possono costruire dispositivi compatibili con Matter usando la stessa piattaforma, garantendo connessioni locali coerenti e reattive. Questo framework di sviluppo unificato semplifica il processo di creazione di prodotti per la casa smart.    Matter offre anche retrocompatibilità. Consente ai vecchi dispositivi HomeKit di integrarsi senza problemi con i nuovi dispositivi compatibili con Matter. Gli utenti possono continuare a utilizzare i dispositivi HomeKit esistenti insieme ai dispositivi Matter senza interruzioni.   In sintesi, Matter offre un ecosistema più ampio, compatibilità multipiattaforma e un'esperienza di sviluppo coerente, rendendolo una scelta interessante per gli sviluppatori che desiderano entrare nell'ecosistema Apple Home.   Per abbreviare il ciclo di sviluppo del prodotto, Arrow Electronics ha sviluppato progetti di riferimento per l’ecosistema Matter utilizzando soluzioni di NXP, Murata e ST. Questi includono i modelli i.MX 8M e i.MX 93 di NXP per i router di schede Thread, Type 2FR e Type 2EL di Murata come co-processore radio, Type ABR e Type 2HV per nodi finali Wi-Fi e Type 2FR per nodi finali Thread/Wi-Fi. Inoltre, ST offre lo STM32WB per i nodi finali OpenThread. Di seguito, introdurrò le caratteristiche funzionali di queste soluzioni. 

Processori applicativi che soddisfano una vasta gamma di esigenze applicative

I processori applicativi della serie i.MX 8M di NXP sono basati sui core Arm® Cortex®-A53 e Cortex-M4 e offrono capacità avanzate di elaborazione audio, vocale e video, adatte a una vasta gamma di applicazioni, dall'audio domestico consumer all'automazione industriale degli edifici e al mobile computing.    L'i.MX 8M supporta video di alta qualità, offrendo una risoluzione 4K UltraHD completa e HDR (Dolby Vision, HDR10 e HLG). Garantisce una fedeltà audio professionale di alto livello con oltre 20 canali audio, ciascuno con supporto fino a 384KHz, e supporta la funzionalità audio DSD512. È adatto per operazioni senza ventola, consente sistemi di dissipazione termica a basso costo, una maggiore durata della batteria e offre opzioni di memoria flessibili. Le sue ultime interfacce ad alta velocità garantiscono una connettività flessibile. NXP offre inoltre un supporto completo attraverso i suoi programmi Longevity da 10 e 15 anni. Il processore applicativo i.MX 8 fa parte della piattaforma di edge computing EdgeVerse™ di NXP.   Il processore applicativo i.MX 93 di NXP fornisce accelerazione efficiente per il machine learning (ML) e una sicurezza avanzata grazie all'integrazione della enclave sicura EdgeLock®, a supporto di un edge computing ad alta efficienza energetica. È il primo prodotto della serie i.MX a integrare core Arm Cortex-A55 scalabili, che aiutano a migliorare le prestazioni e l'efficienza delle applicazioni Linux® edge, e l'Arm Ethos™-U65 microNPU, offrendo agli sviluppatori la possibilità di creare applicazioni ML più potenti, convenienti ed efficienti dal punto di vista energetico.   Il processore i.MX 93 adotta l'innovativa architettura Energy Flex di NXP, ottimizzando le prestazioni e l'efficienza di dispositivi industriali, IoT e automotive. Il SoC offre un set completo di periferiche progettate per i segmenti di mercato IoT dei settori automobilistico, industriale ed elettronica di consumo. Come parte del portafoglio EdgeVerse™ di soluzioni edge intelligenti, la serie i.MX 93 propone prodotti certificati per elettronica di consumo, applicazioni industriali, industriali estese e automotive, supportati dal programma di longevità dei prodotti NXP.

Moduli altamente integrati per il controllo delle reti wireless

Il Type ABR di Murata è un piccolo modulo (integrato con un'antenna PCB) basato sull'NXP 88MW320 (Microcontroller Wireless), che supporta Wi-Fi® 802.11 b/g/n con una velocità massima di trasmissione dati PHY di 72,2 Mbps. È dotato di un MCU ARM Cortex-M4F integrato da 200 MHz per applicazioni lato host. Le dimensioni del modulo Type ABR sono di soli 22,0 x 19,0 x 2,4 mm (tipiche), con antenna PCB integrata e connettore U.FL. Il modulo dispone di una memoria SPI flash fino a 2 MB, supporta un'interfaccia host Wi-Fi UART e il controllo GPIO, è certificato FCC/IC e include report di test CE.   Il Type ABR consente l'implementazione semplice di applicazioni consumer autonome grazie al suo MCU ARM Cortex-M4F integrato. I clienti possono personalizzare rapidamente e facilmente le loro soluzioni utilizzando il potente strumento EZ-Connect™ di NXP (WMSDKA). Oltre alle configurazioni autonome con WMSDKA, NXP fornisce anche la soluzione integrata MCUXpresso, utilizzabile con la scheda di sviluppo ABR mikroBUS EVB di Murata e le schede di sviluppo LPCXpresso55S16/28/69. Il modulo Type ABR fornisce supporto per il collegamento WLAN al MCU LPC di NXP tramite un'interfaccia seriale semplice supportata dal firmware WMSDKA.   Il Type 2EL di Murata è un piccolo modulo ad alte prestazioni basato sul chipset combo NXP IW612, che supporta Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax e Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE + 802.15.4. Supporta velocità di trasmissione dati PHY fino a 601 Mbps sul Wi-Fi® e 2 Mbps sul Bluetooth®. La sezione WLAN supporta un'interfaccia SDIO v3.0 DDR50, mentre la sezione Bluetooth® supporta un'interfaccia UART a 4 fili ad alta velocità e PCM per i dati audio. Il modulo Type 2EL è confezionato in un formato schermato incredibilmente compatto, che lo rende adatto per l'integrazione in applicazioni sensibili alle dimensioni e al consumo energetico, come applicazioni IoT, sistemi wireless portatili e gateway.   I moduli Murata Type 2FR/2FP, d'altra parte, sono moduli hostless che combinano MCU con funzionalità Wi-Fi/BLE/Thread, utilizzando il chipset NXP RW612/RW610. Includono un MCU Arm® Cortex® M33 integrato da 260 MHz, combinato con 802.11 a/b/g/n/ac/ax, BLE 5.3 e Thread (solo per 2FR). Con una dimensione massima di soli 12,0 x 11,0 x 1,5 mm, supportano Ethernet 802.3 (cablato), SDIO 3.0 (WLAN), USB-OTG, I2C, I2S, SPI, USART e sono certificati FCC/IC/TELEC "reference" (TBD), oltre a includere report di test CE condotti (TBD). Offrono configurazioni di antenna singola o doppia (indipendente BLE/(Thread solo per 2FR)), oltre all'opzione di connettore U.FL, antenna PCB o antenna personalizzata a traccia PCB di Murata.   Murata offre anche un kit di valutazione (EVK) per il Type 2FR, che include un pulsante di reset, due pulsanti definiti dall'utente e cinque LED configurabili. L'antenna PCB a bordo dell'EVK è in attesa di certificazione e include sensori di movimento PIR e di temperatura I2C. Supporta mikro-BUS, Arduino, PMOD, interfacce di espansione I2C, oltre a debug/console USB, USB OTG, interfaccia ARM a 10 pin (SWD o JTAG), controllo del boot tramite configurazione del jumper, memoria flash QSPI con slow clock a 32 KHz, jumper per la misurazione della corrente (opzioni resistenza) e una porta Ethernet.   Il Type 2HV di Murata è il più recente modulo hostless IoT economico per Wi-Fi®/BT, che integra connettività wireless e stack di protocolli di rete, offrendo un consumo energetico ultra-basso, rendendolo la scelta ideale per applicazioni IoT. Con un MCU ARM a 32 bit ultra-low power integrato che funziona fino a 160 MHz, il Type 2HV consente facilmente applicazioni consumer autonome e dispone di una memoria flash da 2 MB e RAM da 288 KB. Fornisce diverse interfacce di comunicazione, tra cui UART/I2C/SPI e vari GPIO. L'SDK del Type 2HV consente ai clienti di personalizzare rapidamente e facilmente le loro soluzioni.

Microcontrollori wireless multi-protocollo dual-core versatili

La serie STM32WB di ST è un microcontrollore wireless multi-protocollo a doppio core basato sul microcontrollore STM32WB, che supporta la connettività Bluetooth® Low Energy, Zigbee®, Thread® e Matter. Il microcontrollore wireless STM32WB è costruito attorno a un core Arm® Cortex®-M4 (processore applicativo) che opera a 64 MHz e un core Arm® Cortex®-M0+ (processore di rete) che opera a 32 MHz, offrendo una soluzione autonoma. Questi microcontrollori sono forniti in package System-on-Chip (SoC) che integrano funzionalità di connettività e un microcontrollore generico.   STM32WB offre uno stack radio certificato Bluetooth® Low Energy 5.4, profili Bluetooth SIG e una topologia Mesh conforme allo standard V1.0. L'SDK STM32WB supporta anche l'Host Controller Interface (HCI) per soluzioni Bluetooth® Low Energy, inclusi gli stack Zephyr e Arm Cordio. STM32WB supporta lo standard IEEE 802.15.4 (Zigbee e Thread) e il livello MAC IEEE 802.15.4, permettendo ai progettisti di adottare qualsiasi protocollo proprietario.   STM32WB supporta inoltre Zigbee (Zigbee PRO 2017), con footprint ottimizzato per ospitare tutte le topologie di rete Zigbee. Zigbee RFD e FFD coprono ruoli come dispositivi finali, coordinatori e router. Inoltre, è supportato OpenThread, integrato in tutti gli MTD, FTD e router di confine, coprendo ruoli Sleepy End Devices (SED), router e leader, supportando così l'infrastruttura gateway. La serie di microcontrollori offre varie configurazioni certificate per aumentare la flessibilità di progettazione in termini di dimensioni e funzionalità OTA, ottimizzando la piattaforma.   Il microcontrollore STM32WB supporta il protocollo Matter, in cui il Bluetooth® Low Energy è utilizzato per la configurazione dei dispositivi e può funzionare simultaneamente con il protocollo Thread in modalità di concorrenza dinamica. L'MCU multi-protocollo STM32WB è in grado di eseguire contemporaneamente Bluetooth® Low Energy 5.4 con protocollo wireless 802.15.4, Zigbee o OpenThread in modalità concorrente. Questo semplifica la gestione dei dispositivi durante l'installazione e la configurazione, migliorando significativamente l'esperienza utente complessiva.   La soluzione integrata del microcontrollore STM32WB non solo presenta funzionalità di connettività, ma include anche un processore MCU per applicazioni wireless, semplificando il lavoro di progettazione. Grazie alla tecnologia Bluetooth® Low Energy 5.4, è possibile creare dispositivi innovativi con una potenza di uscita superiore a 10 dBm, estendendo il raggio di comunicazione remota, supportando l'espansione della comunicazione tra dispositivi, prolungando la durata della batteria, garantendo una trasmissione dei dati veloce e affidabile, migliorando l'efficienza delle applicazioni (con una valutazione di 407 CoreMark) e proteggendo proprietà intellettuali e privacy (certificazione SESIP3). L'ecosistema maturo STM32Cube accelera il time-to-market dei prodotti.

Conclusione

Con l'introduzione del protocollo Matter, i problemi di interoperabilità tra i dispositivi IoT sono stati risolti, il che dovrebbe aumentare la propensione degli utenti ad adottare questi dispositivi. Questo probabilmente accelererà la diffusione di applicazioni come le case intelligenti, e lo sviluppo del mercato presenta un grande potenziale. Arrow Electronics ha integrato soluzioni di NXP, Murata e ST, e ha lanciato diversi progetti di riferimento, che accelereranno lo sviluppo di prodotti correlati per i clienti. Per maggiori dettagli, si prega di contattare direttamente Arrow Electronics.