מערכות שבב-יחיד ומיקרו-בקרים עבור התקני בית חכם מאופשרי-Matter‏ ממלאים מספר תפקידי רשת Mesh‏

שווי השוק העולמי של טכנולוגיות בית חכם בשנת 2025 הוערך ב-147.5 מיליארד דולר, עם קצב צמיחה שנתי מצטבר (CAGR) צפוי של 21.4% עד 2034. צמיחה זו מונעת, בין היתר, הודות ליכולת הפעולה ההדדית המתאפשרת על ידי תקן Matter.

Matter - קונסורציום של חברות המשתפות פעולה למען רשתות בית חכמות בקוד פתוח שהחל את פעילותו בשנת 2019 כפרויקט Connected Home over IP‏ (CHIP‏) - הוציא לראשונה את גרסה 1.0 בשנת 2022 ופרסם את גרסה 1.5 בנובמבר 2025. עיקרון מרכזי בתקן הוא ההבטחה שמוצרים בעלי תו תקן Matter יוכלו להתחבר זה לזה ולמרכזי בית חכם המיוצרים על ידי כל חבר בקונסורציום Matter, כולל גוגל, אמזון, אפל וסמסונג.

סוגי התקנים נוספים נתמכים בכל גרסה חדשה של התקן, מה שמאפשר להם להתחבר מקומית דרך IPv6 ורשתות בהספק נמוך וזמני שיהוי קצרים, ללא צורך בשער ענן. רשימת ההתקנים הנוכחיים התומכים ב-Matter כוללת גופי תאורה ושקעים חכמים, מכשירי חשמל ביתיים, חיישנים, כיסויי חלונות, יחידות מיזוג אוויר ומשאבות חום, פאנלים סולאריים, נתבי Wi-Fi, רמקולים ונגני וידאו ועוד.

צרכנים המוסיפים התקנים כאלה לרשתות הבית החכמות שלהם רוצים חיבוריות ופונקציונליות חלקות. כדי שזה יקרה, יצרני ציוד מקורי (OEM) צריכים לשלב ארכיטקטורת Matter במוצרים שלהם מההתחלה.

הרכב מערכת Matter

להתקנים במערכת בית חכם Matter עשויים להיות אחד או יותר מהתפקידים הבאים: שער, בקר, צומת, צומת קצה וגשר. השער מחבר את המערכת לאינטרנט ומשתמש ב-Wi-Fi כדי להתממשק עם בקרים, צומתי קצה וגשרים. הבקרים שולחים פקודות לצמתים ולצומתי-קצה, בעוד שצומתי-קצה וגשרים פשוט מנתבים מידע בין צמתים לשער או לבקר ללא הפעלת לוגיקה.

עיקרון מרכזי נוסף בארכיטקטורת Matter הוא יעילות אנרגטית באמצעות תקשורת בתדרי רדיו (RF) בהספק נמוך. חיבוריות Bluetooth‏ משמשת לחיבור ראשוני של התקנים לרשת, אך הרשת עצמה נוצרת מפרוטוקולים אחרים המשתמשים באותו פס תדרים. רשתות Matter‏ משתמשות בפרוטוקול Thread באנרגיה-נמוכה כדי ליצור רשת Mesh‏ עם שיהוי-קצר וריפוי-עצמי. גשרים משמשים כמתרגמים המחברים התקנים המשתמשים בפרוטוקולים אחרים, כמו Zigbee‏, לרשת (איור 1).

איור 1: רשת בית חכם Matter כוללת שער (עיגול כחול), בקרים (תכלת), נתבי גבול Thread (אדום), גשרים (סגול), צמתים (ירוק) וצומתי קצה (כתום). (מקור התמונה: NXP)

התקנים ברשת Matter חייבים להיות בעלי יכולת תקשורת אלחוטית - פס צר, Wi-Fi או שניהם - ויחידת מיקרו-בקר (MCU) כדי להפעיל יישומים, לנהל תקשורת ולהבטיח את אבטחת ההתקן. בחירת פרוטוקול התקשורת והמפרטים של המיקרו-בקר תלויים בתפקיד הרשת של ההתקן, בפרופיל צריכת האנרגיה שלו ובמטרתו עבור הצרכן. לדוגמה, נורה חכמה הפועלת כצומת קצה עשויה להיות בעלת ארכיטקטורה פשוטה המאפשרת לה לקבל ולבצע פקודות הפעלה/כיבוי, בעוד שנתב הוא מורכב הרבה יותר.

מערכות בית חכם עם שבב-יחיד

נתבים עם גבולות Thread צריכים לאזן בין נצילות אנרגטית והשיהוי הקצר המצופה ברשתות Matter לבין המורכבות של ניהול תקשורת Thread ו-Wi-Fi, אבטחת ההתקנים וביצוע היישומים. שבב RW61X Wi-Fi 6 Tri-Radio‏ של NXP Semiconductor‏ משלב ליבת עיבוד, רדיו Wi-Fi המסוגל לשדר ערוצי 20 מגה-הרץ בתחומי 2.4 גיגה-הרץ ו-5 גיגה-הרץ, רדיו פס-צר לצורך הפעלה ראשונית ורשתות Mesh‏, ומובלעת מאובטחת לניהול מפתחות התקנים והקצאת מהימנות על גבי שבב יחיד הפועל על מתח חיצוני של 3.3 וולט (איור 2).

איור 2: ה-RW61X Wi-Fi 6 Tri-Radio מפעיל שני פסי-תדר רדיו Wi-Fi, רדיו מקומי צר-פס, מיקרו-בקר 260 מגה-הרץ ואבטחה מובנית על מתח חיצוני של 3.3 וולט. (מקור התמונה: NXP)

תת-מערכת המיקרו-בקר של ה-RW61X כוללת ליבת Arm® Cortex®-M33 במהירות 260 מגה-הרץ עם אבטחת חומרה TrustZone™-M‏ ו-1.2 מגה-בייט של זיכרון גישה אקראית סטטי (SRAM). המיקרו-בקר יכול לתקשר עם התקנים דרך ממשקים היקפיים טוריים (SPI) ומקלט-משדר אסינכרוני אוניברסלי (UART), עם חיישנים דרך ממשק מעגל משולב (I²C), ועם התקני כניסת-אודיו דרך ממשק Inter-Integrated circuit Sound‏ (I²S‏). פרוטוקול זמן מדויק (PTP) מאפשר סנכרון רשת דרך השכבה הפיזית (PHY) של מודול Ethernet‏ Mbps‏ 100‏ של השבב.

שבבי RW61X תומכים ב- Matter-over-Wi-Fi‏ עם Wi-Fi 6 לשיפור הרשת ונצילות ההספק. מגבר הספק (PA‏) RF‏ ומגבר בעל רעש נמוך (LNA) מובנים של ה-RW61X משתלבים עם הספק שידור של mW‏ 125‏ כדי להבטיח תקשורת חסונה. Wi-Fi Protected Access‏ (WPA‏) Level 3‏ מספק הצפנה ואבטחה.

Matter-over-Thread‏ נתמך גם דרך Bluetooth LE או IEEE 802.15.4. השבבים, המורשים ל-Bluetooth 5.2 ו-5.4, תומכים במספר אופני פעולה Bluetooth, כולל אופן מהירות גבוהה של Mbps‏ 2‏, אופן טווח-ארוך המשתמש ב-PHY מקודד כדי להעביר נתונים לאט יותר על פני מרחק גדול יותר, ואופן עבור הרחבות פרסום שבו התקנים יכולים לשדר חבילות גדולות יותר כדי לאפשר גילוי. מודול רדיו פס-צר זה משתמש גם בהספק שידור RF‏ PA‏ ו-LNA‏ כדי להשיג mW‏ 32‏ של הספק שידור.

בשבבי RW61X, האבטחה - שהיא מרכיב חשוב באקוסיסטם של בית חכם Matter - מנוהלת באמצעות EdgeLock Secure Enclave‏. חומרה זו חסינה מפני התעסקות ויוצרת Root of Trust‏ על ידי אישור התקנים באמצעות האישורים שלהם, המפתחות הקריפטוגרפיים והזהויות שלהם. אתחול מאובטח, ניפוי שגיאות והגנת עדכונים; קריפטוגרפיה בחומרה; ו-Physical Unclonable Function‏ (PUF‏) מסייעות לשבבי RW61X לעמוד במסגרות-עבודה של תקן הערכת אבטחה עבור פלטפורמות IoT‏ (SESIP‏) Assurance Level 3‏ וארכיטקטורת אבטחת פלטפורמה (PSA‏) Certified Level 3‏.

שבבים בהספק-נמוך עבור צומתי קצה

בעוד ששבבי RW61X יכולים לשמש כנתבי גבול Thread, רכזות בית חכם וצומתי קצה, צמתים בקצה מוזני סוללות כגון חיישנים ומנעולי דלתות דורשים ארכיטקטורות פשוטות בהרבה. המיקרו-בקרים סדרת MCX W‏ של NXP ממוטבים עבור תקשורת Matter-over-Thread ו-Zigbee חסכונית-בהספק (איור 3).

איור 3: מיקרו-בקרי סדרת MCX W של NXP Semiconductors משלבים רדיו פס-צר עם ליבת עיבוד ייעודית וזיכרון עם מיקרו-בקר של 96 מגה-הרץ. (מקור התמונה: NXP)

למיקרו-בקרים סדרת MCX W יש ליבת עיבוד וזיכרון ייעודיים ל-Bluetooth LE ולרדיו IEEE 802.15.4, כמו גם מעבד ראשי Arm Cortex-M33‏ 96 מגה-הרץ עם זיכרון Flash‏ MB‏ 1‏ עד MB‏ 2‏ משלו וזיכרון RAM של KB‏ 128‏ עד KB‏ 256‏. כמו בשבבי RW61X, המיקרו-בקרים סדרת MCX W מטפלים באבטחה באמצעות EdgeLock Secure Enclave‏ עם תמיכת ענן EdgeLock2GO‏. התכן החסון שלהם מבטיח שהתקני צומתי-קצה יישארו מחוברים בתחום טמפרטורות רחב מ-40°C- עד 125°C.

בנוסף לפעולה בהתקן צומת-קצה, המיקרו-בקרים סדרת MCX W יכולים גם להתחבר עם RW61X ושבבים דומים. בתצורה זו, תת-מערכת הרדיו העצמאית של סדרת MCX W מסירה את נטל עומס משימות החיבוריות, ומשחררת את המעבד הראשי להרצת היישום העיקרי. כאשר הם משולבים, המיקרו-בקרים סדרת MCX W ממלאים תפקיד חשוב ברכזות בית חכם, מכשירי חשמל ושערים.

חוכמת שרשרת האספקה

מתכנני מוצרים ורשתות ביתיות חכמות עשויים להירתע ממספר הרכיבים הזמינים ומהתצורה האפשרית שלהם. מוצרים כמו שבבי RW61X ומיקרו-בקרים MCX W יכולים לסייע הודות ליכולתם למלא מספר תפקידים ברשת בית חכם.

המתכננים יכולים להשיג תמיכה בכתיבת הקוד עם מערכת ההפעלה בזמן-אמת (RTOS‏) Zephyr‏ המותאמת ל-IoT דרך MCUXpresso IDE/MCUXpresso עבור Visual Studio Code ומ-Application Code Hub‏ של NXP‏. הם יכולים גם לבנות אב-טיפוס של התכנים שלהם בעזרת לוחות פיתוח בעלות נמוכה כמו ה-FRDM-RW612‏ (איור 4).

איור 4: לוח הפיתוח FRDM-RW612 בעלות נמוכה מפשט את בניית אב-טיפוס של תכני נתב גבולות Thread‏ ובקר Matter‏ באמצעות שבבי RX61x‏. (מקור התמונה: NXP)

ביחד עם לוחות פיתוח אלו, סדרת שבבי RW61X המלאה והמיקרו-בקרים סדרת MXC W‏, הפורטפוליו של NXP כולל רכיבים נוספים המשלימים אותם בהתקנים ויישומים של בית חכם. מתכנני טכנולוגיות בית חכם יכולים להשתמש באתר האינטרנט של NXP כדי למצוא את כל המוצרים הדרושים להם עבור התכנים שלהם, ביחד עם מידע טכני רלוונטי ומשאבי לימוד.

סיכום

שוק יישומי הבית החכם ממשיך לצמוח, בין היתר הודות ליכולת פעולה-הדדית חוצת-פלטפורמות המתאפשרת על ידי פרוטוקולי רשת Matter. רכיבי חומרה המתוכננים עבור רשתות ביתיות חכמות, כמו סדרת השבבים RW61X והמיקרו-בקרים סדרת MCX W‏ של NXP‏ יכולים למלא מספר תפקידי רשת משלימים. המתכננים יכולים לנצל את המגוון הרחב של מוצרים זמינים, ספרייה מלאה של מידע טכני על רכיבי בית חכם ומשאבי לימוד - הכל במקום אחד כדי לתכנן את הדור-הבא של הבית החכם.