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Integração de Matter SoM: um divisor de águas para a casa inteligente

Published Date

Adam Taylor para Mouser Electronics

A Internet das coisas (IoT) redefiniu o nosso modo de interagir com nossos dispositivos, com o mundo e até mesmo com nossas casas. Hoje, a casa inteligente moderna provavelmente inclui muitos dispositivos inteligentes, como iluminação, painéis de controle, aquecimento, ventilação, ar-condicionado (HVAC) e sistemas de segurança, cada um provavelmente originado de um fabricante diferente. À medida que a IoT tornou-se mais onipresente, vários padrões de conectividade competiram ativamente por uma parcela do setor de casa inteligente, sendo BLUETOOTH® Low Energy, Wi-Fi® e Thread as principais opções entre fabricantes diferentes. Como até mesmo os protocolos de RF{ mais comuns não são interoperáveis, surgiram desafios ao projeto de uma solução de casa inteligente perfeitamente interconectada.

Introdução de Matter

Para superar os desafios de interoperabilidade que os desenvolvedores e consumidores enfrentam com os protocolos de RF concorrentes, o setor de tecnologia se uniu para desenvolver o padrão Matter por meio da Connectivity Standards Alliance. O Matter funciona com as tecnologias de casa inteligente existentes, como os protocolos Thread, Wi-Fi e Ethernet a cabo, adicionando uma camada unificadora de aplicação às pilhas de protocolos, permitindo que a comunicação entre os dispositivos da casa inteligente seja segura e confiável.

O padrão Matter habilita uma interface mais perfeita entre os dispositivos que usam diferentes protocolos RF sem fio e oferece mais flexibilidade e opções para os projetistas e consumidores.

Projeto da casa inteligente

Um componente essencial de qualquer casa inteligente é o roteador. Os roteadores habilitam o acesso à internet e facilitam a comunicação entre dispositivos em diferentes redes, conectando-os sem fio por Wi-Fi ou Ethernet a cabo.

Este blog descreve como os projetistas podem incorporar o Matter em um projeto inovador de casa inteligente para construir um roteador de borda da IoT usando o kit de avaliação SAMA5D27 da Microchip Technology. O kit consiste de baseboard SAMA5D27, um SAMA5D27 SoM1 (System-on-Module) soldado na baseboard e um SAMA5D27 SIP (System-In-Package) soldado no SoM. Também escreveremos uma imagem de distribuição Linux no SoM para completar a compilação.

Primeiramente, vamos analisar o kit de avaliação SAMA5D27 e entender o que é um SoM e seus benefícios para integrar Matter em uma solução para casa inteligente baseada em SoM.

Utilização de uma abordagem baseada em SoM para criar uma solução Matter 
A integração de Matter com um processador embutido habilitado para Linux, como o SAMA5D27 SoM, pode ser benéfica ao criar uma solução para casa inteligente. O uso de abordagens baseadas em Matter e SoM está aumentando em roteadores de borda, que atuam como um gateway entre a Internet externa e a rede da casa inteligente, permitindo o registro de dispositivos usando a tecnologia sem fio BLUETOOTH® e a implementação de camadas de proteção para garantir a segurança da rede interna.

O kit de avaliação SAMA5D27 oferece um processador Arm® Cortex®{-A5 de 32 bits que opera em até 500 MHz. O processador é montado no SAMA5D27 SOM1 (Figura 1), que combina o processador A5 com uma gama de periféricos que incluem:

  • Processador Arm® Cortex®-A5 com ponto de flutuação e unidades SIMD
  • Controle de potência
  • 1 GB of DDR
  • 64 Mb de memória flash QSPI
  • 10/100 Base T Ethernet PHY
  • 103 I/O, conectadas à I/O (entradas/saídas) do processador, incluindo suporte para SPI, I2C, UART, CAN, SDIO, interface do conversor analógico a digital (ADC).

 
 
Figura 1: SAMA5D27 SoM1 (sistema no módulo) da Microchip Technology (Fonte: Mouser Electronics)

O que significa SoM?
SoM é um conceito interessante e em rápido crescimento que reduz o tempo e o risco de desenvolvimento. Em sua forma mais básica, um SoM é um circuito em nível de placa; ele integra uma função específica do sistema em um único módulo que inclui energia, relógio e memórias voláteis e não voláteis, ao mesmo tempo em que rompe as linhas de I/O para conectar o SoM ao cartão de operadora específico do aplicativo.

O SoM é o centro do sistema em torno do qual o restante da solução é desenvolvido. Uma opção baseada em SoM arquitetada corretamente oferece várias soluções para o desenvolvedor.

}O benefício de usar um SoM
O principal benefício de usar uma solução baseada em SoM é que os desenvolvedores podem reduzir o risco técnico e aumentar o Technology Readiness Level (TRL) da solução no início do desenvolvimento. O TRL permite que as equipes de projeto avaliem sua prontidão para implementação medindo a maturidade dos componentes de tecnologia em seu sistema com base em uma escala de 1 a 9, sendo que 9 representa a tecnologia mais madura com o menor risco.

Utilizar SoM oferece aos desenvolvedores uma solução alinhada a TRL 5. O fabricante do SoM desenvolveu, testou e qualificou o SoM antes de comercializá-lo. Isso permite que o desenvolvedor mantenha o foco no projeto do cartão de operadora que contém atividades de valor agregado.

Além dos elementos físicos de hardware, o fabricante de SoM também fornece outras ferramentas para auxiliar o desenvolvimento. Isso inclui um sistema operacional Linux embutido, diagramas e guias do usuário que descrevem como projetar o SoM em um cartão de operadora, ao lado de exemplos de projetos e desenhos que podem ser usados no desenvolvimento.

Além disso, utilizar um SoM pronto para uso pode reduzir significativamente o tempo de desenvolvimento de um projeto, uma vez que os desenvolvedores podem começar a trabalhar com o SoM desde o início. Isso permite um TRL mais alto dos circuitos de aplicação, resultando em redução no custo total de engenharia. Adicionalmente, menos esforço de software é necessário, visto que o SoM oferece um projeto comprovado.

Usar abordagens baseadas em Matter e SoM também oferece várias vantagens de marketing, como ser o primeiro a comercializar, conquistar maior participação de mercado e obter mais lucros. Isso também dá aos desenvolvedores um início preliminar quanto ao planejamento da próxima geração de produtos, bem como possíveis atualizações de campo para as unidades atualmente implementadas.

A placa de desenvolvimento
Para avaliar e iniciar o desenvolvimento utilizando a SoM1 SAMA5D27, a Microchip Technology oferece um kit de avaliação que é montado no SoM1 em uma baseboard que contém vários periféricos que habilitam os desenvolvedores a expor os recursos de SoM1. Os periféricos incluem:

  • Ethernet
  • Interface Digilent Pmod™
  • Cartão SD
  • Dois soquetes Click™ da Mikroe, que habilitam a comunicação em SPI, I2C, PWM ou serial.
  • Depurador
  • I/O multiúso
  • USB
  • CAN

A depuração é oferecida por um depurador J-Link integrado que é conectado via USB. Esses periféricos oferecem ao desenvolvedor a capacidade de desenvolver protótipos e mitigar riscos no desenvolvimento de aplicativos.

O sistema operacional
Obviamente, para obtermos o melhor do hardware, precisamos alavancar um sistema operacional (OS), neste caso, Linux. Usando uma das distribuições Linux mais comuns, como Ubuntu ou OpenThread, podemos compilar e implementar facilmente o sistema operacional selecionado no SoM1.

A primeira etapa para fazer isso é usar uma máquina Linux ou uma máquina virtual, na qual podemos clonar o seguinte código-fonte necessário:

  • at91bootstrap bootloader
  • Fonte bootloader de segundo estágio U-Boot
  • Fonte Ubuntu

Isso criará o kernel para Ubuntu e os bootloaders (gerenciadores de inicialização). Também precisamos incluir um sistema de arquivos Linux, comumente chamado de rootfs), e uma árvore de dispositivos que descreve a configuração do processador e dos periféricos no SoM1 e na placa de desenvolvimento incluída na imagem do sistema operacional.

Com os artefatos de compilação e o rootfs, podemos gravar a imagem em um cartão SD particionado. Assim que estiver no cartão SD, a imagem pode ser usada para inicializar o SoM1 e a inicialização da distribuição Ubuntu Linux permitirá o login. Uma vez logados, os usuários podem começar a desenvolver o aplicativo alvo, seja um simples "hello world" ou um complexo roteador de fronteira da IoT, como utilizado em aplicativos da casa inteligente que utilizam estruturas como Matter.

Integração do padrão Matter
Após a customização e implementação do sistema operacional no SoM, a equipe de desenvolvimento pode criar o aplicativo. O registro de dispositivos usa a tecnologia sem fio BLUETOOTH®, o que significa que Wi-Fi e Ethernet podem ser usados para aplicativos de alta largura de banda, enquanto o Thread como uma rede mesh pode ser usado para comunicações de baixa largura de banda. A fonte para criar o Matter está disponível no GitHub, o que permite que os desenvolvedores de soluções para casa inteligente comecem o desenvolvimento assim que o sistema operacional estiver sendo executado no SoM.

Conclusão

O padrão Matter foi desenvolvido para abordar os desafios de interoperabilidade enfrentados por projetistas e consumidores com diferentes protocolos de RF em casas inteligentes. O Matter permite a comunicação perfeita entre os dispositivos utilizando diferentes protocolos sem fio, oferecendo mais flexibilidade e opções para projetistas e consumidores. Integrar o Matter a um processador embutido habilitado para Linux, como o SAMA5D27 SoM1, pode beneficiar a criação de uma solução de roteador de borda da IoT para casa inteligente. A adoção de uma abordagem baseada em SoM não apenas minimiza o risco técnico, aumenta o TRL e economiza tempo e esforço de desenvolvimento, como também oferece benefícios de marketing como entrada antecipada, maior participação no mercado e lucros potencialmente mais altos.