[APPLICATION NORDIC SEMICONDUCTOR] En assurant l’interopérabilité entre les technologies réseau Thread, Wi-Fi et Ethernet, le protocole Matter permet aux développeurs de créer facilement des appareils innovants pour l’écosystème de la maison intelligente. Avec des améliorations durables en matière de qualité et de la sécurité des produits.

Auteur : Finn Boetius, ingénieur marketing produits, Nordic Semiconductor

Après un démarrage lent, le secteur de la domotique (ou de la maison intelligente) semble enfin prendre de la vitesse et ce marché devrait atteindre 154,4 milliards de dollars cette année selon le portail Statista. Sur ce total, environ 60 milliards de dollars seraient dépensés sur l’achat d’appareils connectés.

Ce marché porteur promet d’excellents retours sur les appareils domotiques. La commercialisation de ces produits n’est pas simple pour autant. En plus des problèmes techniques prévisibles, les développeurs sont confrontés à d’autres défis et notamment à celui du choix d’un écosystème. Entre Amazon Alexa, Apple HomeKit, Google Home ou Samsung SmartThings (sans mentionner les autres options propriétaires), il peut être difficile de faire un choix. La bonne nouvelle est que la plupart de ces grands fabricants et de nombreux autres acteurs de la domotique, dont le leader mondial en solutions de connectivité sans fil de bout en bout basse consommation, Nordic Semiconductor, ont pris la mesure des défis imposés aux développeurs et se concertent dans le cadre de la CSA (Connectivity Standards Alliance).

Cela a permis de créer Matter, un protocole de connectivité unifiée reposant sur le protocole IP qui s’appuie sur des technologies reconnues facilitant le développement de produits domotiques fiables et capables de se connecter indifféremment aux principaux écosystèmes IoT (Internet des objets).

Figure 1 - Matter crée une couche applicative unificatrice assurant la compatibilité et l’interopérabilité des produits domotiques connectés. Initialement Matter prenait en charge Bluetooth LE, Thread, Wi-Fi et Ethernet. Les versions suivantes ont pris en charge d’autres technologies IP interopérables telles que l’IoT cellulaire

La liste des produits certifiés Matter s’allonge et une étude réalisée en 2022 par le cabinet de veille technologique ABI Research prévoyait que d’ici 2030, plus de 5,5 milliards d’appareils domotiques compatibles avec ce protocole seraient vendus.

Mais qu’est-ce que Matter et dans quelle mesure est-il simple à incorporer dans les produits de domotique ?

Anatomie de Matter

Matter est un protocole sans fil qui s’appuie sur les technologies de domotique sans fil Thread et Wi-Fi (plus Bluetooth Low Energy pour la mise en service). Il crée une couche applicative unificatrice permettant de s’assurer que les produits sont compatibles et interopérables avec ceux d’autres fabricants. Dans une installation domotique type, les appareils Matter les moins énergivores sont pilotés depuis un réseau Thread, tandis que les appareils plus gourmands en énergie et en bande passante de données utilisent le Wi-Fi.

Thread et le Wi-Fi prennent en charge le protocole IP, une technologie qui a fait ses preuves et qui est très répandue. Il s’agit essentiellement d’une norme de communication pour la couche réseau qui permet de transférer rapidement des données sur Internet. Chaque appareil Thread ou Wi Fi a sa propre adresse IP et l’interopérabilité avec le protocole permet de les connecter facilement au cloud.

L’implémentation de Matter est-elle souhaitable ?

La prise en charge de la compatibilité avec Matter complexifie la conception de produits, notamment en raison des contraintes de sécurité (ce qui a toutefois comme avantage de rendre les produits plus fiables et mieux protégés). La commercialisation d’un appareil certifié Matter est par ailleurs plus onéreuse que l’introduction d’un appareil compatible avec un écosystème IoT mondial déjà en place ou une solution propriétaire donnée. De plus, un périphérique compatible Matter doit disposer à la fois de la connectivité Bluetooth LE et Thread (pour un appareil utilisant Matter sur Thread) ou Wi-Fi (pour un appareil utilisant Matter sur un réseau Wi-Fi), ainsi que d’une puissance de calcul et d’une mémoire suffisantes pour gérer la pile technologique Matter.

Lors de la mise à jour over-the-air du micrologiciel de l’appareil (OTA-DFU), la solution consomme deux fois plus de mémoire flash que le logiciel à lui seul. De façon très approximative, il faut compter un minimum de 1 Mo de mémoire flash (plus la même quantité de mémoire flash externe) et de 256 Ko de RAM pour un appareil Matter standard. Davantage de ressources deviennent nécessaires si l’appareil doit faire bien plus que simplement exécuter Matter.

Matter s’appuie sur l’implémentation très répandue des points d'accès Wi-Fi qui permettent les interactions avec les terminaux Matter-over-Wi-Fi. Les routeurs de bordure Thread sont également requis pour les appareils Thread qui nécessitent une connectivité Internet pour certaines fonctionnalités, telles que les commandes vocales.

Malgré tous ces défis, Matter est très utile pour la communauté des développeurs, car la mise à disposition d’appareils compatibles libère les équipementiers des contraintes imposées par un écosystème unique. Cela leur permet d’au moins tripler leur marché potentiel par rapport à l’absence d’adoption de Matter. Matter est également avantageux pour les consommateurs, car ils n’ont pas à se limiter à un seul fournisseur pour leurs différents appareils domotiques.

Mise en service avec Bluetooth LE et Matter-over-Thread

Bluetooth LE est une technologie sans fil mature à basse consommation qui est présente sur quasiment tous les smartphones. C’est un avantage clé, car les smartphones offrent une interface idéale pour configurer les gadgets de domotique. Pour cette raison, Bluetooth LE est pris en charge par la norme Matter pour la mise en service et la configuration.

L’un des inconvénients de Bluetooth LE est qu’il n’est pas interopérable avec le protocole IPv6 et, par conséquent, nécessite un smartphone ou toute autre passerelle physique pour se connecter à un réseau Wi-Fi.

Figure 2 - Bluetooth LE assure la mise en service des appareils Matter, mais pas le transfert des données sur le réseau

Par contre, Thread est un protocole de réseau maillé de type IPv6 et reposant sur les couches MAC (Medium Access Control) et PHY (Physical) IEEE 802.15.4. Il cible les applications à faible bande passante et assure une bonne efficacité énergétique pour des appareils simples, tels que des prises ou des ampoules connectées.

Thread crée un réseau maillé auto-réparateur et basse consommation capable de s’adapter aux appareils ajoutés ou retirés du réseau. Il offre une faible latence (car les périphériques peuvent communiquer directement entre eux sans passer par une box), une redondance intégrée et une excellente autonomie.

Figure 3 - Thread est un protocole de réseau maillé reposant sur la couche protocolaire IPv6 et sur les couches MAC et PHY IEEE 802.15.4

Les produits Thread peuvent fonctionner en l’absence d’un routeur de bordure Thread, mais ce type d’appareil est nécessaire pour les réseaux Matter-over-Thread.

Les routeurs de bordure Thread permettent aux périphériques Thread du réseau d’accéder au réseau local et de communiquer avec d’autres appareils basés sur IP, tels que les produits Wi-Fi.

Figure 4 - Les routeurs de bordure Thread permettent aux périphériques Thread du réseau d’accéder au réseau local et de communiquer avec d’autres appareils basés sur IP, tels que les produits Wi-Fi

Des équipements tels que les points d’accès Wi-Fi, les haut-parleurs connectés et les luminaires peuvent incorporer des routeurs de bordure Thread. Tout routeur de bordure Thread peut communiquer avec n’importe quel appareil Thread sur le même réseau, tout comme n’importe quel routeur Wi-Fi peut communiquer avec n’importe quel périphérique Wi-Fi. Une fois l’appareil Thread intégré dans le réseau Matter sur Thread, il peut fonctionner sur toutes les plateformes Matter.

Matter-over-Wi-Fi

La compatibilité Wi-Fi est essentielle pour assurer le succès de Matter, car de nombreux appareils domotiques sont eux-mêmes compatibles avec le standard Wi-Fi et l’utilisent pour se connecter à Internet et échanger des données avec d’autres périphériques et services basés sur le cloud. Par exemple, un thermostat connecté compatible avec le standard Matter peut utiliser le Wi-Fi pour se connecter à Internet et obtenir des informations météo ou de consommation d’énergie, afin d’améliorer ses performances.

La version actuelle de la spécification Wi-Fi, le Wi-Fi 6, fait de cette technologie très répandue le choix par défaut pour les applications IoT, notamment en domotique. Nordic à ce titre produit la famille nRF70 de circuits intégrés compagnons Wi-Fi 6. Le nRF7002, par exemple, est une puce Wi-Fi 6 à basse consommation qui assure une connectivité double bande (2,4 GHz et 5 GHz) fluide et qui coexiste parfaitement avec les radios Bluetooth LE, Thread et Zigbee.

La couche application Matter simplifie de fait la communication des appareils Thread avec un réseau Wi-Fi domestique et de là avec le cloud.

Figure 5 - Matter permet aux réseaux Thread et Wi-Fi de fonctionner conjointement en harmonie

D’autre part, les appareils Matter utilisant le Wi-Fi pour le transport réseau ne doivent pas nécessairement intégrer la prise en charge des réseaux maillés, car la portée du Wi-Fi 6 est telle que les appareils Matter restent accessibles dans la plupart des cas d'usage.

Prise en main de Matter

Les fabricants de composants facilitent aujourd’hui l’adoption de Matter par les développeurs avec leurs nouveaux produits pour la maison connectée. L’offre de Nordic Semiconductor, par exemple, inclut plusieurs SoC multiprotocoles à ultrabasse consommation qui prennent en charge aussi bien les protocoles Bluetooth LE que Thread.

Le nRF52840 est le premier SoC au monde à avoir été certifié Thread 1.3, ce qui peut être mis à profit par les utilisateurs et constitue un préalable pour Matter-over-Thread. Le SoC permet d’utiliser Bluetooth LE pour la mise en service et Thread pour le transfert de données.

Les nouvelles familles nRF54H et nRF54L, récemment annoncées, utilisent des processeurs d’application Arm Cortex-M33 puissants et une mémoire généreuse, et constituent un choix idéal pour la nouvelle génération de produits finaux Matter sur Thread.

Nordic aide par ailleurs les développeurs à implémenter Matter au moyen de kits de développement (DK) et du nouveau kit de développement logiciel (SDK) nRF Connect, dans lequel la technologie est intégrée. Lors de l’utilisation du DK et du SDK, toutes les fonctions des SoC sont accessibles et peuvent être testées. Le SDK nRF Connect inclut des exemples d’utilisation de Matter pour les stations météo, les ampoules, les interrupteurs d’éclairage et les serrures ainsi qu’un pont Matter vers Bluetooth LE. La station météo, par exemple, mesure à distance la température, la pression de l’air et l’humidité relative avec des capteurs. La station météo fonctionne en tant qu’appareil Matter accessoire et peut être associée et contrôlée à distance via un réseau Matter sur Thread. L’exemple de station météo fonctionnant sur la plateforme de prototypage IoT multiprotocole Nordic Thingy:53 a fait l’objet d’un événement de validation des spécifications (SVE) Matter et a réussi tous les tests pour devenir un appareil compatible Matter 1.0.

En complément du SDK nRF Connect, les kits de développement de Nordic, tels que le kit nRF7002 DK illustré ici, permettent d’aborder les projets Matter facilement. Le kit nRF7002 prend en charge le Wi-Fi et inclut un SoC nRF5340 compatible Thread, Bluetooth LE et NFC.

Dernières mises à jour du standard

La version 1.2 de Matter a été publiée en octobre 2023 et inclut des révisions et des ajouts aux catégories existantes, améliore les bases de la spécification et du SDK Matter, ainsi que les outils de certification et de test. Neuf nouveaux types d’appareils ont ainsi été ajoutés : réfrigérateurs, climatiseurs, lave-vaisselle, lave-linge, robots aspirateurs, détecteurs de fumée et de monoxyde de carbone, capteurs de qualité de l’air, purificateurs d’air et ventilateurs. Les améliorations centrales de la spécification Matter 1.2 incluent :

- Des améliorations capturant la configuration commune d’une unité de loquet avec serrure.

- Une nouvelle description de l’aspect des appareils.

- La possibilité de composer les périphériques de façon hiérarchique à partir de terminaux d’extrémité complexes pour une modélisation plus précise.

- L’ajout de balises sémantiques qui constituent une solution interopérable pour décrire l’emplacement et les fonctions sémantiques des grappes et des terminaux génériques Matter, assurent un rendu constant et des applications cohérentes sur les différents clients.

- Des descriptions génériques des états opérationnels des’ appareils qui permettent d’exprimer les différents modes de fonctionnement d’un périphérique de façon générale et qui simplifient la génération de nouveaux types d’appareils dans les révisions futures de Matter.

Matter 1.2 apporte également des améliorations importantes au programme de test et de certification, afin d’aider les entreprises à commercialiser leurs produits plus rapidement, qu’il s’agisse de matériels, de logiciels, de composants ou d’applications.

Les autres nouveautés incluent un SDK Matter 1.2 pour les nouvelles plateformes et des améliorations du harnais de test Matter en open source. Ce harnais permet de s’assurer que la spécification et ses fonctionnalités seront implémentées correctement.

Plus de performances et de sécurité pour la maison intelligente

L’émergence de Matter est prometteuse en matière d’amélioration durable de la qualité et de la sécurité des produits de domotique. Une fois les derniers problèmes d’interopérabilité résolus, les fabricants d’appareils pourront se tourner vers l’amélioration de la qualité des produits et le développement de nouvelles fonctionnalités. La montée en puissance de Matter qui s’impose comme le standard de facto de la maison intelligente, permettra aussi probablement de créer une base solide qui renforce et standardise la sécurité des appareils.

Avant Matter, la domotique était réservée aux technophiles et considérée comme trop complexe pour les applications grand public. Mais Matter simplifie considérablement l’accès aux appareils connectés et stimule le marché. La domotique devrait ainsi pouvoir remplir vraiment ses promesses.