Integración de Matter y SoM: Un punto de inflexión para el hogar inteligente

Adam Taylor para Mouser Electronics

El Internet de las cosas (IoT) ha redefinido la forma como interactuamos con nuestros dispositivos, el mundo, e incluso nuestros hogares. Actualmente, el hogar inteligente moderno muy probablemente cuenta con diversos dispositivos inteligentes, como iluminación, paneles de control, calefacción, ventilación, aire acondicionado (HVAC) y sistemas de seguridad, cada uno de los cuales probablemente se origina desde un fabricante diferente. A medida que el IoT se volvió más común, una serie de estándares de conectividad activamente compiten por una parte del sector del hogar inteligente, siendo BLUETOOTH® de baja energía, Wi-Fi® y Thread los favoritos entre los diferentes fabricantes. Debido a que incluso los protocolos de RF más comerciales no son compatibles, los desafíos surgieron a la hora de diseñar una solución perfecta e interconectada para el hogar inteligente.

Introducción de Matter

Para superar los desafíos de interoperabilidad a los que se enfrentan los diseñadores y los consumidores con los protocolos de RF rivales, la industria tecnológica se unió para desarrollar el estándar Matter a través de la Connectivity Standards Alliance. Matter funciona con tecnologías existentes para el hogar inteligente como protocolos Thread, Wi-Fi y Ethernet agregando una capa de aplicación unificadora a las pilas del protocolo permitiendo que los dispositivos para hogares inteligentes se comuniquen de forma segura y confiable.

El estándar Matter permite una mejor interfaz entre los dispositivos usando diferentes protocolos de RF inalámbricos y ofrece más flexibilidad y opciones para diseñadores y consumidores.

Proyecto de hogar inteligente

Un elemento clave de cualquier hogar inteligente es el ruteador. Los ruteadores permiten el acceso a internet y facilitan la comunicación entre los dispositivos en diferentes redes, conectándolos de forma inalámbrica a través de Wi-Fi o de Ethernet por cable.

Este blog describe la forma en que los diseñadores pueden incorporar Matter en un proyecto innovador de hogar para desarrollar un ruteador de borde de IoT usando el Kit de evaluación SAMA5D27 de Microchip Technology. El kit está conformado por la placa base SAMA5D27, un SAMA5D27 SoM1 (Sistema-en-módulo) soldado a la placa base, y un SIP (Sistema-en-paquete) SAMA5D27 soldado al SoM. También realizaremos una imagen de distribución Linux en el SoM para completar el proyecto.

Pero primero, exploremos el kit de evaluación SAMA5D27 y aprendamos qué es un SoM y los beneficios de integrar Matter en una solución de hogar inteligente basada en SoM.

Usando un modelo basado en SoM para crear una solución Matter
La integración de Matter a un procesador con sistema operativo Linux, como el SoM SAMA5D27, puede ofrecer diversos beneficios cuando se crea una solución para hogar inteligente. El uso de Matter y enfoques basados en SoM está aumento en ruteadores de borde, que actúan como un portal entre el internet externo y la red del hogar inteligente, lo que permite la inscripción de dispositivos que usan tecnología inalámbrica BLUETOOTH^® y la implementación de capas de seguridad para garantizar la seguridad de la red interna.

El kit de evaluación SAMA5D27 ofrece un procesador Arm^® Cortex^®-A5 de 32 bits que opera hasta 500MHz. El procesador viene instalado en el SOM1 SAMA5D27 (Imagen 1), que combina el procesador A5 con un rango de periféricos que incluyen:

• Procesador Arm® Cortex®-A5 con punto de flotación y unidades SIMD
• Administración de potencia
• 1GB de DDR
• 64Mb de QSPI Flash
• Ethernet PHY 10/100 Base T
• 103 I/O, que está conectado a las E/S del procesador, incluyendo soporte para SPI, I2C, UART, CAN, SDIO, interfaz del convertidor analógico a digital (ADC).

 
 
Imagen 1: Sistema-en-módulo SAMA5D27 SoM1 de Microchip Technology (Fuente: Mouser Electronics)

¿Qué es un SoM?
El SoM es un concepto interesante y de rápido crecimiento que reduce el tiempo y los riesgos de desarrollo. En su forma más básica, un SoM es un circuito a nivel de placa que integra una función específica del sistema en un solo módulo que incluye potencia, sincronización, así como memorias volátiles y no volátiles mientras que también rompe las líneas de E/S para poder conectar el SoM con la tarjeta portadora específica de la aplicación.

El SoM se convierte en el corazón del sistema alrededor del cual se desarrolla el resto de la solución. Una opción basada en un SoM correctamente diseñada ofrece al desarrollador una gama de soluciones.

El beneficio de usar un SoM
El beneficio principal de usar una solución basada en un SoM es que los desarrolladores pueden reducir el riesgo técnico e incrementar el Nivel de preparación tecnológica (TRL) de la solución desde el inicio del desarrollo. El TRL permite a los equipos del proyecto evaluar su preparación para la implementación midiendo la madurez de los componentes tecnológicos en su sistema basados en una escala del 1 al 9, siendo el 9 la tecnología más madura con el menor riesgo.

El uso de un SoM ofrece a los desarrolladores una solución que se alinea con TRL 5. El fabricante del SoM ha diseñado, probado y calificado el SoM antes de comercializarlo. Esto permite al desarrollador enfocarse en el diseño de la tarjeta portadora que contiene las actividades de valor añadido.

Además de los elementos físicos del hardware, el fabricante del SoM también suministra otras herramientas para ayudar al desarrollo. Estas incluyen un sistema operativo Linux integrado, diagramas y guías de usuario que describen cómo diseñar el SoM en una tarjeta portadora, además de proyectos y diseños muestra que pueden ser usados para el desarrollo.

Asimismo, el uso de un SoM genérico puede reducir significativamente el tiempo de desarrollo de un proyecto puesto que los desarrolladores pueden comenzar a trabajar con el SoM desde el inicio. Esto permite un TRL más elevado de los circuitos de la aplicación, lo que se traduce en la reducción del costo total de ingeniería. Además, se requiere de menos esfuerzo de software puesto que el SoM ofrece un diseño probado.

El uso de procesos basados en el uso de Matter y SoM tiene diversas ventajas de marketing, como ser los primeros en el mercado, obtener participación más grande del mercado y tener más utilidades. También brinda a los desarrolladores un inicio temprano en la planificación de la siguiente generación de productos, así como actualizaciones de campo potencial para las unidades actualmente en operación.

La placa de desarrollo
Para evaluar e iniciar el desarrollo usando el SoM1 SAMA5D27, Microchip Technology ofrece un kit de evaluación que instala el SoM1 en la placa base que contiene diversos periféricos que permiten a los desarrolladores mostrar las capacidades del SoM1. Estos periféricos incluyen:

• Ethernet
• Interface Digilent Pmod™
• Tarjeta SD
• Dos conectores Mikroe Click™, que permiten comunicación SPI, I2C, PWM o serial
• Depurador
• E/S de uso general
• USB
• CAN

La depuración se realiza a través de un depurador J-Link integrado que se conecta a través de USB. Estos periféricos ofrecen un desarrollador con la capacidad de crear prototipos y mitigar riesgos en el desarrollo de aplicaciones.

El sistema operativo
Por supuesto, para obtener el máximo rendimiento del hardware, necesitamos utilizar un sistema operativo (OS), en este caso, Linux. Al usar una de las distribuciones Linux más populares como Ubuntu u OpenThread, podemos fácilmente compilar e implementar el OS seleccionado en el SoM1.

La primera etapa de este proceso es usar ya sea un equipo Linux o un equipo virtual, sobre el que podemos clonar el siguiente código fuente requerido:

• Gestor de arranque at91bootstrap
• Fuente de gestor de arranque de segunda etapa U-Boot
• Fuente Ubuntu

Esto desarrollará el núcleo de Ubuntu y los gestores de arranque. También necesitamos incluir un sistema de archivos Linux (comúnmente llamados los rootfs) y un árbol de dispositivos que describa la configuración del procesador y los periféricos en el SoM1 y la placa de desarrollo incluidos en la imagen del OS.

Con los artefactos de desarrollo y los rootfs, podemos escribir la imagen en una tarjeta SD con particiones. Una vez que la imagen está en la tarjeta SD, puede usarse para iniciar el SoM1 y el arranque de distribución Linux Ubuntu que permitirá el ingreso. Una vez iniciada la sesión, los usuarios pueden comenzar a desarrollar la aplicación objetivo, ya sea un sencillo "hola mundo" o un complejo ruteador de borde IoT, como se utilizan en las aplicaciones de hogares inteligentes usando estructuras como Matter.

Integración del estándar Matter
Una vez que el sistema operativo ha sido personalizado e instalado en el SoM, el equipo de desarrollo puede entonces desarrollar la aplicación. El registro de dispositivos usa tecnología inalámbrica BLUETOOTH®, lo que significa que puede usarse Wi-Fi y Ethernet para aplicaciones de alto ancho de banda, mientras que para comunicaciones de bajo ancho de banda puede usarse Thread como una red de malla. La fuente para construir Matter está disponible en GitHub que permite a los desarrolladores de soluciones para hogares inteligente comenzar a desarrollar una vez que el OS se esté ejecutando en el SoM.

Conclusión

El estándar Matter fue desarrollado para abordar los desafíos de interoperabilidad que enfrentaban los diseñadores y consumidores con los diferentes protocolos de RF en los hogares inteligentes. Matter permite la comunicación fluida entre diferentes protocolos inalámbricos, ofreciendo mayor flexibilidad y opciones a los diseñadores y consumidores. La integración de Matter con un procesador integrado con sistema operativo Linux, como el que se encuentra en el SAMA5D27 SoM1, puede beneficiar la creación de una solución de enrutador de borde de IoT para hogar inteligente. La adopción de un enfoque basado en SoM no solo minimiza el riesgo técnico, incrementa el TRL y ahorra tiempo y esfuerzo de desarrollo, sino que también ofrece beneficios de marketing como entrada temprana, mayor participación del mercado y potencialmente mayores ganancias.