Integration von Matter und SoM: Der Gamechanger für Smart Homes

Von Adam Taylor für Mouser Electronics

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) hat die Art, wie wir mit unseren Geräten, der Welt im Allgemeinen und sogar unserem Zuhause interagieren, völlig neu definiert. Heute finden sich in modernen Smart Homes höchstwahrscheinlich zahlreiche intelligente Geräte – beispielsweise für Beleuchtung, Steuerung, Heizung, Belüftung, Klimaanlage (HVAC) oder Sicherheitssysteme – die wohl alle von unterschiedlichen Herstellern stammen. Als das IoT immer omnipräsenter wurde, wetteiferten unzählige Konnektivitätsstandards um ein Stück vom Smart-Home-Kuchen, wobei BLUETOOTH® Low Energy, Wi-Fi® sowie Thread zu den Vorzeigeproduzenten der Branche aufstiegen. Die Tatsache, dass selbst die etabliertesten HF-Protokolle nicht dialogfähig waren, stellte Entwickler von nahtlosen, vernetzen Smart-Home-Lösungen vor erhebliche Herausforderungen.

Einführung von Matter

Zur Überwindung der Interoperabilitätsprobleme, mit denen Entwickler und Verbraucher bei den konkurrierenden Funkprotokollen konfrontiert sind, hat sich die Technologiebranche zusammengeschlossen und über die Connectivity Standards Alliance gemeinsam den Matter-Standard entwickelt. Matter arbeitet mit bestehenden Smart-Home-Technologien wie Thread, Wi-Fi und kabelgebundenen Ethernet-Protokollen zusammen, indem es den Protokollstapeln eine einheitliche Anwendungsschicht hinzufügt, die es Smart-Home-Geräten ermöglicht, sicher und zuverlässig miteinander zu kommunizieren.

Der Matter-Standard erlaubt nahtlosere Schnittstellen zwischen Geräten, die unterschiedliche drahtlose HF-Protokolle verwenden, und bietet Entwicklern und Verbrauchern eine höhere Flexibilität und mehr Auswahl.

Das Smart-Home-Projekt

Eine der Schlüsselkomponenten jedes Smart Homes ist der Router. Router ermöglichen den Internetzugang und erleichtern die Kommunikation zwischen Geräten in verschiedenen Netzwerken, indem sie sie drahtlos über WLAN oder kabelgebundenes Ethernet verbinden.

Dieser Artikel beschreibt, wie Entwickler Matter in ein innovatives Home-Projekt einbetten können, um mithilfe des Microchip Technology SAMA5D27 Evaluierungskits einen IoT-Border-Router zu erstellen. Dieses Kit besteht aus dem SAMA5D27 Baseboard, einem darauf aufgelöteten SAMA5D27 SoM1 (System-on-Module) sowie einem auf das SoM aufgelöteten SAMA5D27 SIP (System-In-Package). Zudem fügen wir dem SoM ein Linux-Distributionsimage hinzu, um den Aufbau zu vervollständigen.

Sehen wir uns zunächst jedoch das SAMA5D27 Evaluierungskit an, um ein Verständnis für das SoM und seine Vorteile bei der Matter-Integration in eine SoM-basierte Smart-Home-Lösung zu erhalten.

Verwendung eines SoM-basierten Ansatzes zur Erstellung einer Matter-Lösung 
Die Integration von Matter mit einem eingebetteten Linux-fähigen Prozessor, wie beispielsweise dem SAMA5D27 SoM, kann beim Erstellen einer Smart-Home-Lösung von Vorteil sein. Der Einsatz von Matter- und SoM-basierten Ansätzen nimmt bei Border-Routern zu, die als Gateway zwischen dem externen Internet und dem Smart-Home-Netzwerk fungieren und die Anmeldung von Geräten mit der drahtlosen BLUETOOTH^®-Technologie sowie die Implementierung von Sicherheitsschichten zur Gewährleistung der Sicherheit des internen Netzwerks ermöglichen.

Das SAMA5D27 Evaluierungskit verfügt über einen Arm^® Cortex^®-A5 32-Bit-Prozessor mit einer Arbeitsleistung von bis zu 500 MHz. Der Prozessor ist auf dem SAMA5D27 SOM1 (Abbildung 1) angebracht, das den A5-Prozessor mit einer Reihe von Peripheriegeräten kombiniert, darunter:

• Arm® Cortex®-A5 Prozessor mit Gleitkomma- und SIMD-Einheiten
• Leistungsmanagement
• 1 GB DDR
• 64 MB QSPI-Flash
• 10/100 Base T Ethernet PHY
• 103 I/O, die mit der Prozessor-I/O verbunden sind – und nicht zuletzt SPI, I2C, UART, CAN, SDIO bzw. die Analog-Digital-Umsetzer (ADC)-Schnittstelle unterstützt.

 
 
Abbildung 1: Microchip Technology SAMA5D27 SoM1 System-on-Module (Quelle: Mouser Electronics)

Was ist ein SoM?
Das SoM ist ein überzeugendes und schnell wachsendes Konzept, das die Entwicklungszeit und das Risiko reduziert. In seiner grundlegendsten Form ist ein SoM ein Schaltkreis auf Leiterplattenebene, der eine spezifische Systemfunktion in ein einziges Modul integriert, das Stromversorgung, Taktung sowie flüchtige und nichtflüchtige Speicher enthält und gleichzeitig die E/A-Leitungen aufbricht, um das SoM mit der anwendungsspezifischen Trägerkarte verbinden zu können.

Das SoM wird zum schlagenden Herz des Systems, um das herum die übrige Lösung entwickelt wird. Eine korrekt gestaltete SoM-basierte Option bietet Entwicklern eine ganze Reihe an Lösungen.

Die Vorteile eines SoM
Der Hauptvorteil einer SoM-basierten Lösung besteht darin, dass die Entwickler zu Beginn der Entwicklung das technische Risiko verringern und den Technologie-Reifegrad (Technology Readiness Level, TRL) der Lösung erhöhen können. Der TRL ermöglicht es Projektteams, ihre Einsatzbereitschaft zu bewerten, indem sie den Reifegrad der Technologiekomponenten in ihrem System auf einer Skala von 1 bis 9 messen, wobei 9 die reifste Technologie mit dem geringsten Risiko darstellt.

Ein SoM bietet Entwicklern eine Lösung, die einem TRL von 5 entspricht. Vor der Markteinführung haben SoM-Hersteller ihre SoMs entworfen, getestet und qualifiziert. Dadurch ist es Entwicklern möglich, sich auf das Design der Trägerkarte zu konzentrieren, die einen Mehrwert bietet.

Neben den physischen Hardware-Elementen liefern SoM-Hersteller zudem weitere Tools, um die Entwicklung zu unterstützen. Darunter ein eingebettetes Linux-Betriebssystem, Schaltpläne und Benutzerhandbücher, die beschreiben, wie das SoM in eine Trägerkarte eingebaut werden kann, sowie Beispielprojekte und -designs, die für die Entwicklung verwendet werden können.

Zudem kann die Verwendung eines Standard-SoM die Entwicklungszeit eines Projekts erheblich verkürzen, da die Entwickler von Anfang an mit dem SoM arbeiten können. Dies ermöglicht einen höheren TRL der Applikationsschaltungen, was zu einer Verringerung der Gesamtkosten der Entwicklung führt. Darüber hinaus ist weniger Softwareaufwand erforderlich, da das SoM ein bewährtes Design bietet.

Außerdem sind Matter- und SoM-basierte Ansätze mit zahlreichen Marketingvorteilen verbunden, darunter die Markteinführung vor allen Mitbewerbern, die Sicherung eines größeren Marktanteils und höhere Gewinne. Entwickler erhalten zudem einen Startvorteil bei der Planung der nächsten Produktgeneration sowie potenzielle Field Upgrades für gegenwärtig eingesetzte Einheiten.

Das Development Board
Um die Entwicklung mittels des SAMA5D27 SoM1 zu beurteilen und in die Wege zu leiten, bietet Microchip Technology ein Evaluierungskit, bei dem das SoM1 auf einem Baseboard sitzt, das zahlreiche Peripheriegeräte enthält, die es Entwicklern ermöglichen, die SoM1-Fähigkeiten vorzustellen. Zu diesen Peripheriegeräten gehören:

• Ethernet
• Digilent Pmod™-Schnittstelle
• SD-Karte
• Zwei Mikroe Click™-Sockel für Kommunikation über SPI, I2C, PWM oder auf seriellem Weg.
• Debugging
• Universal-I/O
• USB
• CAN

Debugging-Funktionen werden durch einen mittels USB angeschlossenen On-Board-J-Link-Debugger sichergestellt. Diese Peripheriegeräte erlauben Entwicklern das Prototypisieren und Eindämmen von Risiken bei der Entwicklung von Applikationen.

Das Betriebssystem
Um das Beste aus der Hardware herauszuholen, bedarf es natürlich eines entsprechenden Betriebssystems – in diesem Fall Linux. Mithilfe einer der beliebtesten Linux-Distributionen wie Ubuntu oder OpenThread sind wir problemlos dazu in der Lage, das ausgewählte Betriebssystem auf dem SoM1 zu erstellen und einzusetzen.

Dazu dient im ersten Schritt eine virtuelle bzw. eine Linux-Maschine, die wir mit dem folgenden erforderlichen Quellcode bestücken können:

• at91bootstrap Bootloader
• U-Boot second-stage Bootloader Source
• Ubuntu Source

Dadurch werden der Ubuntu-Core und die Bootloader errichtet. Zudem müssen wir ein Linux-Dateisystem – allgemeinhin als „rootfs“ bezeichnet – und einen Gerätebaum einschließen, der die Konfiguration des Prozessors und der Peripheriegeräte auf dem SoM1 und dem Entwicklungsboard beschreibt, die im Betriebssystem-Image enthalten sind.

Unter Zuhilfenahme der Erstellungsartefakte und rootfs sind wir in der Lage, das Image auf die partitionierte SD-Karte zu schreiben. Sobald sich dieses auf der SD-Karte befindet, kann es zum Booten des SoM1 verwendet werden, und erlaubt der Ubuntu Linux Distribution Boot den Login. Einmal eingeloggte Benutzer können mit der Entwicklung der Zielanwendung beginnen, sei es ein einfaches „Hallo Welt“ oder ein komplexer IoT-Border-Router, wie er in Smart-Home-Applikationen unter Verwendung von Frameworks wie Matter zum Einsatz kommt.

Integration des Matter-Standards
Sobald das Betriebssystem angepasst und auf dem SoM bereitgestellt wurde, kann das Entwicklungsteam die Applikation erstellen. Die Anmeldung der Geräte erfolgt über die drahtlose BLUETOOTH®-Technologie, was bedeutet, dass WLAN und Ethernet für Applikationen mit hoher Bandbreite verwendet werden können, während Thread als Mesh-Netzwerk für die Kommunikation mit niedriger Bandbreite genutzt werden kann. Der Quellcode für die Erstellung von Matter steht auf GitHub zur Verfügung; dadurch können Entwickler von Smart-Home-Lösungen mit der Entwicklung beginnen, sobald das Betriebssystem auf dem SoM läuft.

Zusammenfassung

Der Matter-Standard wurde entwickelt, um Interoperabilitätsprobleme zu lösen, mit denen Entwickler und Verbraucher mit unterschiedlichen HF-Protokollen in Smart Homes konfrontiert sind. Matter ermöglicht eine nahtlose Kommunikation zwischen Geräten, die verschiedene Funkprotokolle verwenden, und bietet Entwicklern und Verbrauchern mehr Flexibilität und Auswahlmöglichkeiten. Die Integration von Matter mit einem Linux-fähigen Embedded-Prozessor, wie z. B. dem SAMA5D27 SoM1, kann bei der Entwicklung einer IoT-Border-Router-Lösung für das Smart Home von Vorteil sein. Ein SoM-basierter Ansatz minimiert nicht nur das technische Risiko, erhöht den TRL und spart Entwicklungszeit und -aufwand, sondern bietet auch Marketingvorteile wie eine frühere Markteinführung, einen größeren Marktanteil und potenziell höhere Gewinne.