Manglen på kommunikationsegenskaber og sikkerhed holder udbredelsen af smart home-produkter tilbage, men takket være den nye Matter-standard vil det nok snart ændre sig
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 8 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Torsten Killinger, corporate product manager, Wireless, Rutronik
I december 2019, blev projekt Connected Home over IP (CHIP) afsløret som en helt ny og åben smart home-standard. Bagved stod en gruppe af førende teknologifirmaer inklusive Amazon, Apple, Google, Samsung og Zigbee Alliance, nu kaldet CSA (Connectivity Standards Alliance). I maj 2021 lagde de grunden til de første specifikationer og gav CHIP-projektet sit navn, Matter. I oktober 2022 markerede Matter 1.0 starten på certificeringen for det første produkt. Den første opdatering, Matter 1.1, blev frigivet så tidligt som den 18. maj 2023. CSA havde allerede annonceret, at den ville levere nye versioner af standarden to gange årligt.
Virksomheden bag Matter følger flere mål. Ved at forbedre det indbyrdes samarbejde mellem smart home-produkter fra flere leverandører bliver målet en sømløs integration og styring. Matter supporterer multiple kommunikationsteknologier, som WiFi, Ethernet og Thread. Bluetooth bliver også brugt til hurtig og brugervenlig integration af nye produkter i et eksisterende Matter-netværk. Brugerne vil også være i stand til at konnektere deres smart home-produkter direkte og sikkert over internettet uden behov for yderligere udstyr eller komponenter. Desuden vil produkter, der anvender Matter, være i stand til at kommunikere sømløst på tværs af forskellige platforme og applikationer for at gøre smart home-markedet endnu mere tilgængeligt og brugervenligt.
En interessant funktion er multi-admin-drift. Ved at lade det Matter-enablede smart home-økosystem have en parringstilstand vil Matter-produkter ikke længere være eksklusivt bundet op mod én styring, men er tilgængelige gennem multiple systemer i parallel. For eksempel kan et smart-tv tilføjet Apple Home over en iPhone også bruges af andre familiemedlemmer eller venner gennem en Google Home app på deres Android-smartphones.
Ud over den gensidige kompatibilitet har Matter flere andre fordele i ærmet. De inkluderer den enkle brug. Takket være et brugervenligt interface kan brugerne styre deres smart home-produkter uden myriader af apps og platforme. Desuden gør muligheden for integration af fremtidige teknologier og innovative løsninger Matter ganske fremtidssikker.
Dataudveksling på tværs af leverandørerne
Matter er baseret på IPv6 netværksprotokollen. Det enabler alle produkter på et netværk i forhold til hinanden og indbyrdes uafhængigt. En fælles datamodel letter dataudveksling mellem forskellige typer af smart home-produkter. Produkter kan så kommunikere direkte med hinanden uden behov for en hub eller anden gateway, forudsat at deltagerne er tilknyttet det samme fysiske netværk.
Med åbne standarder som WiFi/WLAN (IEEE 802.11), Thread (IEEE 802.15.4) og Ethernet/LAN (IEEE 802.3) supporterer Matter en lang række produkter. En fjerde tilføjet standard er Bluetooth Low Energy (BLE), der tillader en smartphone eller tablet at etablere en indledende trådløs forbindelse med et Matter-produkt under installation, en metode, der allerede bruges af mange leverandører i dag. For eksempel bliver nye WLAN-højttalere automatisk vist i leverandørens app, når de bliver tændt. En given smartphone sender så de trådløse WLAN access-data til højttalerne over Bluetooth for at sikre, at de kan logge ind på hjemmenetværket.
En såkaldt Matter border-router er nødvendig for kommunikation mellem Thread og WiFi. Visse leverandører har allerede markedsført produkter, der kombinerer Matter-controllere og border-routers som Apple TV4K, Apple Homepod Mini, Samsung Smart-Things Hub og adskillige Amazon Echo-produkter.
Integreret sikkerhed
En andet vigtigt mål for leverandørerne for Matter-standarden er at øge sikkerhed og beskytte brugerne mod angreb på privatlivet. Når hackere prøver at få adgang til smart home-produkter over internettet, er netværksprodukterne ofte dårligt beskyttede, da de kører med forældet software og har meget lidt modstandskraft over for angreb som følge af ofte forudsigelige passwords.
Sikkerhedsproblemer er derfor blandt de primære grunde til, at forbrugerne ikke køber smart home-produkter. 47 procent af ikke-brugere frygter hackerangreb, 37 procent frygter misbrug af deres personlige data, og 29 procent frygter, at deres privatliv bliver kompromitteret, ifølge en undersøgelse fra september 2022 udført af Bitkom.
For at imødegå disse bekymringer har sikkerhedskrav været en primær overvejelse allerede under udvikling af Matter ud fra ”secure-by-design”-princippet: Et Device Attestation Certificate (DAC) beskytter mod forfalskninger ved at sikre, at hardwaren vitterligt kommer fra en original leverandør. For at beskytte mod forfalskninger er der desuden et leverandørcertifikat underskrevet af et officielt certificeringsorgan. Desuden er der en pilfingersikret kommunikation og sikker styring. Gennem PKI-kryptering og stærke sikkerhedsprotokoller sikrer Matter både privatliv og sikkerhed.
Endnu kun nogle få tilgængelige produkter
Trods Matters mange fordele er der endnu kun et begrænset antal produkter på markedet. Da Matter er relativt nyt, begrænser det selvfølgelig også udvalget, og der vil nok gå en rum tid, før flere produkter kommer på markedet – eller en software-opdatering bliver tilgængelig for eksisterende produkter med IEEE 802.15.4-transceivere. En software-opdatering er forventet for mange Zigbee-baserede produkter for så vidt, at den interne memory er stor nok til at supportere en firmware-opdatering over-the-air (FOTA).
Med henblik på den nye standards fordele vil markedet nok hurtigt blive fyldt op med Matter-enablede produkter, så snart flere smart home-leverandører introducerer korresponderende produkter. Smart home-produkter med egne konnektivitetsteknologier vil næppe få nogen stor fremtid på grund af Matters sofistikerede tekniske niveau og lette brug. Brugerne vil i fremtiden næppe gide slås med border-routere, protokoller og produktprofiler, men vil nok foretrække enkeltheden i at styre flest mulige produkter via det samme interface efter et helt enkelt setup.
Med internetkonnektivitet og offline-funktionalitet og styring på tværs af producenterne letter Matter leverandørerne i forhold til, hvad der nok er det mest udfordrende aspekt i udviklingen. Samtidigt giver det producenterne færre optioner i forhold til produktdifferentiering. For radiatortermostater kunne det være volumen af en aktuatormotor, størrelsen af en energilagringsenhed og displayet. Når man redesigner et produkt til en Matter-konvertering, kan det derfor tilrådes at give produktet et facelift for at signalere til kunderne, at der er tale om et yderst innovativt produkt. Det er her, at displayet virkelig kommer til sin ret som et human machine interface.
Det er vigtigt for leverandører af Matter-enablede produkter at have trådløse egenskaber, at kunne forbinde dem til internettet og behandle personlige data eller finansielle transaktioner fortroligt, så de opfylder de nye sikkerhedskrav, der vil være gældende inden for EU-markedet fra den 1. august 2025.
Matter-enablede chips og moduler
Rutroniks portfolio inkluderer allerede adskillige produkter til udvikling af Matter-produkter: Infineon, Nordic Semiconductor, Panasonic og InsightSiP er blot nogle af leverandørerne af korresponderende chips og moduler, som Rutronik har på programmet.
Som medlem af CSA tilbyder Infineon Matter-kompatible komponenter som PSoC-6-familien. Både PSoC 62 og PSoC 64 er blevet Matter-funktionelle i kombination med en WiFi IC. Generelt kan enhver WiFi IC, der supporterer Matter, bruges. Hvis man anvender en komponent fra Infineon som CYW43439, CYW43012 eller CYW4373, så er programmeringen fuldt ud supporteret af IDE’et, ModusToolbox. Det kan desuden bruges til import og mapping af en Matter-stack i PSoC-6-komponenten.
I marts 2024 annoncerede Infineon en chip, CYW30739, til support af Matter over Thread. Desuden vil den bruge en bekvem BLE-tilgang til Matter-netværket. Chippen vil nok kun blive tilgængelig gennem et overskueligt antal leverandører, men massemarkedet vil kunne få komponenterne gennem Rutronik. Infineons sikkerhedschips som Optiga Trust er ideelle trust-ankre til den forbrugerspecifikke login-information, som ethvert Matter-certificeret produkt skal have i fremtiden.
Lige som Infineon er Nordic Semiconductor også medlem af CSA og tilbyder flere chips til Matter som nRF52840, nRF5340 og den nye nRF54-familie samt Nordics nyeste produkt i WiFi-sektoren, nRF7002. nRF54-familien er blevet klar i 2024. Med sine state-of-the-art sikkerhedsteknologier er disse kredse optimale til fremtidige Matter-produkter. De er designet til PSA Certified Level 3 og indeholder en fysisk uklonelig funktionsbaseret (PUF) root-of-trust, secure boot, firmware-opdatering og -lagring samt kryptografisk acceleration, sidekanal-beskyttelse og pilfingerdetektering.
nRF54H20 starter med to Arm Cortex M33-processorer, der kører op til 320MHz til beregningstunge applikationer og radiokommunikation samt to RISC-V coprocessorer til ultra low-power opgaver og til softwaredefineret periferi. 2MB flash tillader FOTA i de fleste Matter-baserede applikationer uden yderligere ekstern memory.
Mens nRF54-familien samt nRF5340 og nRF52840 bruger Matter over Thread, så anvender nRF7002 Matter over WiFi. Kombineret med én af BLE SoC’erne nævnt ovenfor kan kredsen også bruges bekvemt til BLE-anvendelse i et Matter-netværk.
Nordic nRF Connect SDK v2.4 supporterer udvikling af alle slags applikationer inklusive produkter baseret på den seneste Matter 1.1-version. Det inkluderer Periodisk Advertisering med Respons (PAwR). Den giver desuden produkterne mulighed for at modtage periodiske annonceringer om at sende respons til afsenderen, hvis den giver en tovejs kommunikation og gør større én-til-mange topologier mulig.
Desuden tilbyder Nordic allerede KNX-integration på Github for også at imødekomme industrielle standarder for bygningsservices. Det vil hjælpe leverandører til at forblive i front blandt SoC-udbydere af smart homes og smart buildings i fremtiden.
Panasonic har Matter-moduler baseret på Nordic Semiconductors chips. Inden for Matter over WiFi-segmentet bliver PAN9028 tilbudt i to versioner, med eller uden en integreret PMIC. PMIC til batteridrevne produkter – uanset om applikationen har en radio eller ej – er også en hastigt voksende produktkategori fra Nordic.
Nye WiFi6- og WiFi6E-moduler er PAN9019 og PAN9019A. Begge bruger Matter over WiFi. PAN9019A kan desuden arbejde med Matter over Thread. Rene Matter over Thread-moduler er PAN1770 og PAN1780. De er baseret på Nordics BLE-chip, nRF52840. Panasonic har også annonceret et modul baseret på Nordics nRF5340 (PAN1783). Det vil være blandt de mindste nRF5340-baserede moduler på markedet og vil kunne leveres med enten bottom-pad eller chip-antenner.
InsightSIP anvender også Nordic chips til sine moduler: Med afsæt i nRF5340 tilbyder InsightSIP for eksempel ISP2053-AX, der anvender en Matter over Thread-forbindelse – ligesom ISP1807-LR, der anvender nRF52840. InsightSIPs moduler har også allerede krystaller og certificeringer på plads, og de er populære som følge af deres ekstremt lille størrelse. De ligner fortsat chips på grund af deres patenterede interne antenne.
Til prisfølsomme produkter tilbyder Rutronik lignende moduler fra Minew, der er registreret som en officiel modulpartner til Nordic. MS45SF11 er for eksempel Matter-kompatibel og bruger Nordics nRF5340. Også her er Matter over Thread-processen i brug. Minews nye flagskib er MS12SF1. Modulet har indbygget både nRF5340 og en WiFi makker-chip, nRF7002, hvad der gør løsningen til det første combo-modul, der supporterer både Matter over Thread (nRF5340) og Matter over WiFi (nRF7002) gennem disse to embeddede chips.
Billedtekster:
1: Matter gør det muligt for apparater at kommunikere over blandt andet Apple Home, Amazon Alexa, Google Home, og Samsung SmartThings.
2: Matters protokollag.
3: Nordic Semiconductors nRF54-familie tilbyder Matter over Thread- og state-of-the-art sikkerhedsteknologier, og kredsene er/bliver klar til brug i løbet af 2024.
