Vào năm 2025, thị trường công nghệ nhà thông minh toàn cầu sẽ trị giá 47,5 tỷ USD, với tốc độ CAGR là 21,4% vào năm 2034. Sự gia tăng này một phần là do tiêu chuẩn Mate cho phép khả năng tương tác của thiết bị.
Tiêu chuẩn chính bắt đầu với dự án Nhà được kết nối IP (CHIP) vào năm 2019, một liên minh gồm các công ty hợp tác cùng nhau để xây dựng mạng gia đình thông minh nguồn mở. Tiêu chuẩn này được ban hành với phiên bản 1.0 vào năm 2022 và phiên bản 1.5 vào tháng 11 năm 2025. Nguyên tắc chính là cam kết rằng các sản phẩm được Mater chứng nhận có thể kết nối với nhau và với Smart Home Hub do bất kỳ thành viên nào của Mater-Alliance thực hiện, bao gồm Google, Amazon, Apple và Samsung.
Mỗi phiên bản mới của tiêu chuẩn này hỗ trợ nhiều loại thiết bị hơn, cho phép kết nối cục bộ qua IPv6 và các mạng tiêu thụ ít năng lượng, độ trễ thấp mà không cần cổng đám mây.- g. Danh sách các thiết bị hiện tại hỗ trợ Mater bao gồm đèn và ổ cắm thông minh, thiết bị gia dụng, cảm biến, rèm cửa, máy điều hòa không khí và bơm nhiệt, tấm pin mặt trời, bộ định tuyến Wi-Fi, loa và đầu phát video.
Người tiêu dùng mong đợi khả năng kết nối liền mạch và hoạt động ngay lập tức khi thêm các thiết bị như vậy vào mạng gia đình thông minh của họ. Để làm được điều này, các OEM cần tích hợp kiến trúc Ma trận vào sản phẩm của mình ngay từ đầu.
Thành phần của hệ thống vật liệu
Các thiết bị trong Hệ thống Nhà thông minh chính có thể đóng một hoặc nhiều vai trò sau: cổng, bộ điều khiển, nút biên, nút đầu cuối và cầu nối. Cổng kết nối hệ thống với Internet và sử dụng Wi-Fi để tương tác với bộ điều khiển, nút biên và cầu nối. Bộ điều khiển gửi lệnh đến nút biên và nút đầu cuối, trong khi nút biên và cầu nối chỉ định tuyến thông tin giữa nút và cổng hoặc bộ điều khiển mà không áp dụng logic.
Một nguyên tắc cốt lõi khác của kiến trúc Ma trận là đạt được hiệu quả năng lượng cao thông qua truyền thông tần số vô tuyến (RF) công suất thấp. Kết nối Bluetooth được sử dụng để vận hành ban đầu mạng truy cập thiết bị, nhưng bản thân mạng này bao gồm các giao thức khác sử dụng cùng dải tần. Mạng Master sử dụng giao thức Thread công suất thấp để tạo mạng lưới có độ trễ thấp, tự phục hồi. Cây cầu hoạt động như một trình dịch, kết nối các thiết bị sử dụng các giao thức khác, chẳng hạn như Zigbee, với mạng (Hình 1).
Sơ đồ phác thảo mạng gia đình thông minh Master (click để phóng to)
Hình 1: Mạng gia đình thông minh chính bao gồm cổng (vòng tròn màu xanh), bộ điều khiển (vòng tròn màu xanh nhạt), Bộ định tuyến Thread Border (vòng tròn màu đỏ), cầu nối (vòng tròn màu tím), nút biên (vòng tròn màu xanh lá cây) và nút đầu cuối (vòng tròn màu cam). Nguồn ảnh: NXP)
Các thiết bị trên mạng Mater phải có khả năng liên lạc không dây (băng thông hẹp, Wi-Fi hoặc cả hai) và một máy tính chip đơn (MCU) để chạy các ứng dụng, quản lý liên lạc và đảm bảo an ninh cho thiết bị. Việc lựa chọn các giao thức truyền thông và thông số kỹ thuật của MCU phụ thuộc vào vai trò mạng của thiết bị, đặc điểm tiêu thụ năng lượng và cách sử dụng thiết bị đối với người tiêu dùng. Ví dụ, một bóng đèn thông minh đóng vai trò là nút đầu cuối có thể có cấu trúc đơn giản và chỉ có thể nhận và thực hiện các lệnh bật/tắt, trong khi bộ định tuyến phức tạp hơn nhiều.
Hệ thống một chip nhà thông minh
Bộ định tuyến viền luồng phải cân bằng giữa hiệu quả sử dụng năng lượng và độ trễ thấp mà mạng Mate mong muốn với sự phức tạp trong việc quản lý thông tin liên lạc Thread và Wi-Fi, bảo mật thiết bị và thực thi ứng dụng. Tri-Radio RW61X Wi-Fi 6 của NXP Semiconductor tích hợp nhân xử lý trên một chip, đài Wi-Fi có khả năng truyền các kênh 20 MHz ở băng tần 2,4 GHz và 5 GHz, đài băng tần hẹp để chạy thử và kết nối mạng lưới cũng như một vùng an toàn để quản lý khóa thiết bị và cấu hình tin cậy, chỉ cần nguồn điện bên ngoài 3,3 V để hoạt động (Hình 2).
NXP RW61X Wi-Fi 6 Tri-Radio hoạt động ở hai hình ảnh băng tần vô tuyến Wi-Fi
Hình 2: RW61X Wi-Fi 6 Tri-Radio sử dụng nguồn điện bên ngoài 3,3 V để vận hành hai băng tần vô tuyến Wi-Fi, một đài cục bộ băng thông hẹp, một MCU 260 MHz và các chức năng an toàn tích hợp. Nguồn ảnh: NXP)
Hệ thống con MCU của RW61X sử dụng nhân 260 MHz Arm ® Cortex ®- M33 với TrustZone ™- M Hardware Secure và Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM) 1,2 MB. MCU có thể giao tiếp với thiết bị thông qua giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) và bộ thu phát không đồng bộ đa năng (UART), giao tiếp với cảm biến qua giao diện bus mạch tích hợp (I 2 C) và giao tiếp với thiết bị đầu vào âm thanh thông qua giao diện bus âm thanh tích hợp mạch tích hợp (I 2 S). Giao thức thời gian chính xác (PTP) cho phép đồng bộ hóa mạng thông qua lớp vật lý (PHY) của mô-đun Ethernet 100 Mbps của chip.
Chip RW61X hỗ trợ Mat-Wi-Fi dựa trên Wi-Fi 6 để cải thiện hiệu suất mạng và tiết kiệm năng lượng. Bộ khuếch đại công suất RF (PA) và bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA) tích hợp của RW61X kết hợp công suất phát 125 mW để đảm bảo liên lạc ổn định. Truy cập Wi-Fi được bảo vệ loại 3 (WPA) cung cấp mã hóa và bảo mật.
Những con chip này cũng có thể hỗ trợ Mater-over - THREAD thông qua Bluetooth công suất thấp hoặc IEEE 802.15.4. Chúng cũng được chứng nhận Bluetooth 5.2 và 5.4 và hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động Bluetooth, bao gồm chế độ 2 Mbps tốc độ cao, chế độ từ xa để truyền dữ liệu ở tốc độ thấp hơn trên khoảng cách xa hơn thông qua PHY được mã hóa và chế độ mở rộng phát sóng. Ở chế độ mở rộng phát sóng, thiết bị có thể phát các gói dữ liệu lớn hơn và có thể được tìm thấy dễ dàng hơn. Mô-đun vô tuyến băng thông hẹp này cũng sử dụng RF PA và LNA để đạt được công suất truyền 32 mW.
Trong chip RW61X, bảo mật, một phần quan trọng của hệ sinh thái Material Smart Home, được quản lý thông qua vùng bảo mật EdgeLock Secure. Phần cứng chống giả mạo này xác thực thiết bị bằng chứng chỉ, khóa mã hóa và danh tính để thiết lập quyền root.- g. Bảo vệ khởi động, gỡ lỗi và cập nhật bảo mật, mã hóa phần cứng và các chức năng không nhân bản vật lý (PUF) giúp chip RW61X đáp ứng các yêu cầu của Đảm bảo cấp độ 3 của Tiêu chuẩn đánh giá bảo mật nền tảng Internet of Things (Đảm bảo cấp độ 3 và Khung chứng nhận kiến trúc bảo mật nền tảng (PSA) Cấp độ 3.