Einzelchipsysteme und MCUs für Matter-fähige intelligente Heimgeräte erfüllen mehrere Rollen in Maschennetzwerken

Der Weltmarkt für Smart-Home-Technologien wurde im Jahr 2025 auf 147,5 Milliarden USD geschätzt, mit einer prognostizierten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 21,4% bis 2034. Dieses Wachstum ist zum Teil auf die Interoperabilität zurückzuführen, die durch den Matter-Standard ermöglicht wird.

Matter, das 2019 als Projekt Connected Home over IP (CHIP), einem Konsortium von Unternehmen, die gemeinsam an Open-Source-Smart-Home-Netzwerken arbeiten, seine Arbeit aufnahm, stellte 2022 die Version 1.0 vor und veröffentlichte im November 2025 die Version 1.5. Ein wichtiger Grundsatz des Standards ist das Versprechen, dass Matter-zertifizierte Produkte untereinander und mit Smart-Home-Hubs aller Mitglieder des Matter-Konsortiums, einschließlich Google, Amazon, Apple und Samsung, verbunden werden können.

In jeder neuen Version des Standards werden mehr Gerätetypen unterstützt, so dass sie sich lokal über IPv6 und stromsparende Netzwerke mit geringer Latenz verbinden können, ohne dass ein Cloud-Gateway erforderlich ist. Die Liste der aktuellen Matter-fähigen Geräte umfasst intelligente Lampen und Steckdosen, Haushaltsgeräte, Sensoren, Fensterabdeckungen, Klimaanlagen und Wärmepumpen, Solarpaneele, Wi-Fi-Router, Lautsprecher und Videoplayer und vieles mehr.

Verbraucher, die solche Geräte in ihr Smart-Home-Netzwerk einbinden, wünschen sich nahtlose Vernetzung und Funktionalität. Um dies zu erreichen, müssen OEMs die Matter-Architektur von Anfang an in ihre Produkte integrieren.

Der Aufbau eines Matter-Systems

Geräte in einem Matter-Smart-Home-System können eine oder mehrere der folgenden Rollen haben: Gateway, Controller, Edge-Knoten, Endknoten und Bridge. Das Gateway verbindet das System mit dem Internet und nutzt Wi-Fi als Schnittstelle zu Controllern, Edge-Knoten und Bridges. Controller senden Befehle an Edge- und Endknoten, während Edge-Knoten und Brücken lediglich Informationen zwischen Knoten und dem Gateway oder dem Controller weiterleiten, ohne eine Logik anzuwenden.

Ein weiterer zentraler Punkt der Matter-Architektur ist die Energieeffizienz durch stromsparende Funkkommunikation (HF). Die Bluetooth-Vernetzung wird für die Erstinbetriebnahme von Geräten im Netz verwendet, aber das Netz selbst wird aus anderen Protokollen gebildet, die dasselbe Frequenzband verwenden. Matter-Netzwerke verwenden das energiesparende Thread-Protokoll, um ein selbstheilendes Maschennetzwerk mit geringer Latenz zu schaffen. Bridges fungieren als Übersetzer, die Geräte, die andere Protokolle wie Zigbee verwenden, mit dem Netz verbinden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Matter-Smart-Home-Netzwerk besteht aus einem Gateway (blauer Kreis), Controllern (hellblau), Thread-Border-Routern (rot), Brücken (lila), Edge-Knoten (grün) und Endknoten (orange). (Bildquelle: NXP)

Geräte in einem Matter-Netzwerk müssen über drahtlose Kommunikationsfähigkeiten - Schmalband, Wi-Fi oder beides - und eine Mikrocontrollereinheit (MCU) verfügen, um Anwendungen auszuführen, die Kommunikation zu verwalten und die Gerätesicherheit zu gewährleisten. Die Wahl des Kommunikationsprotokolls und die Spezifikationen der MCU hängen von der Rolle des Geräts im Netz, dem Energieverbrauchsprofil und seinem Zweck für den Verbraucher ab. Eine intelligente Glühbirne, die als Endknoten fungiert, kann beispielsweise eine einfache Architektur haben, die es ihr ermöglicht, Ein- und Ausschaltbefehle zu empfangen und auszuführen, während ein Router viel komplexer ist.

Smart-Home-Einzelchipsysteme

Thread-Border-Router müssen die in Matter-Netzwerken erwartete Energieeffizienz und geringe Latenz mit der Komplexität der Verwaltung der Thread- und Wi-Fi-Kommunikation, der Gerätesicherheit und der Anwendungsausführung in Einklang bringen. Das Wi-Fi-6-Tri-Radio RW61X von NXP Semiconductor kombiniert einen Verarbeitungskern, ein Wi-Fi-Funkgerät, das 20-MHz-Kanäle im 2,4-GHz- und 5-GHz-Band übertragen kann, eine Schmalband-Funkkomponente für die Inbetriebnahme und den Betrieb im Maschennetzwerk sowie eine sichere Enklave für die Verwaltung von Geräteschlüsseln und die Vertrauensbildung auf einem einzigen Chip, der mit 3,3 V externer Spannung betrieben wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Wi-Fi-6-Tri-Radio RW61X betreibt zwei Wi-Fi-Funkbänder, einen schmalbandigen lokalen Funk, eine 260-MHz-MCU und integrierte Sicherheitsfunktionen mit 3,3 V externer Stromversorgung. (Bildquelle: NXP)

Das MCU-Subsystem des RW61X verfügt über einen 260 MHz Arm®-Cortex®-M33-Kern mit TrustZone™-M-Hardware-Sicherheit und 1,2 MB statischem Direktzugriffsspeicher (SRAM). Die MCU kann mit Geräten über serielle Peripherieschnittstellen (SPIs) und einen universellen asynchronen Empfänger-Sender (UART), mit Sensoren über eine I²C-Schnittstelle und mit Audio-Eingangsgeräten über eine I²S-Schnittstelle kommunizieren. Ein Präzisionszeitprotokoll (PTP) ermöglicht die Netzwerksynchronisation über die physikalische Schicht (PHY) des 100-Mbit/s-Ethernet-Moduls des Chips.

RW61X-Chips unterstützen Matter-over-Wi-Fi mit Wi-Fi 6 für eine verbesserte Vernetzung und Energieeffizienz. Der integrierte HF-Leistungsverstärker (PA) und der rauscharme Verstärker (LNA) des RW61X sorgen in Kombination mit einer Sendeleistung von 125 mW für eine robuste Kommunikation. Wi-Fi Protected Access (WPA) Level 3 bietet Verschlüsselung und Sicherheit.

Matter-over-Thread wird auch über Bluetooth LE oder IEEE 802.15.4 unterstützt. Die Chips, die für Bluetooth 5.2 und 5.4 zertifiziert sind, unterstützen mehrere Bluetooth-Betriebsmodi, darunter einen Highspeed-Modus mit 2 Mbit/s, einen Langstreckenmodus, der einen kodierten PHY verwendet, um Daten langsamer über eine größere Entfernung zu übertragen, und einen Modus für Werbeerweiterungen, in dem Geräte größere Pakete senden können, um eine Erkennung zu ermöglichen. Dieses Schmalband-Funkmodul verwendet ebenfalls RF PA und LNA, um eine Sendeleistung von 32 mW zu erreichen.

In den RW61X-Chips wird die Sicherheit - eine wichtige Komponente des Matter-Smart-Home-Ökosystems - über die sichere EdgeLock-Enklave verwaltet. Diese manipulationssichere Hardware schafft eine Vertrauensbasis, indem sie die Geräte durch ihre Zertifikate, kryptografischen Schlüssel und Identitäten zertifiziert. Dank des sicheren Boot-, Debug- und Update-Schutzes, der Hardware-Kryptografie und einer Physical Unclonable Function (PUF) erfüllen die RW61X-Chips die Anforderungen des Security Evaluation Standard for IoT Platforms (SESIP) Assurance Level 3 und des Platform Security Architecture (PSA) Certified Level 3 Frameworks.

Stromsparende Chips für Endknoten

Während die RW61X-Chips als Thread-Border-Router, Smart-Home-Hubs und Edge-Knoten fungieren können, erfordern batteriebetriebene Endknoten wie Sensoren und Türschlösser wesentlich einfachere Architekturen. Die Mikrocontroller der Serie MCX W von NXP sind für die energieeffiziente Matter-over-Thread- und Zigbee-Kommunikation optimiert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Mikrocontroller der Serie MCX W von NXP Semiconductors kombinieren ein Schmalbandfunkgerät mit einem dedizierten Verarbeitungskern und Speicher mit einer 96-MHz-MCU. (Bildquelle: NXP)

Die MCUs der Serie MCX W verfügen über einen Verarbeitungskern und einen Speicher, die für die Funkübertragung über Bluetooth LE und IEEE 802.15.4 bestimmt sind, sowie über einen 96-MHz-Arm-Cortex-M33-Hauptprozessor mit einem eigenen 1 MB bis 2 MB großen Flash-Speicher und 128 KB bis 256 KB RAM. Wie die RW61X-Chips verfügen auch die MCUs der Serie MCX W über eine sichere EdgeLock-Enklave mit EdgeLock2GO-Cloud-Unterstützung. Ihr robustes Design stellt sicher, dass die Endknotengeräte über einen breiten Temperaturbereich von -40°C bis 125°C verbunden bleiben.

Die MCUs der Serie MCX W können nicht nur in einem Endknotengerät arbeiten, sondern auch mit dem RW61X und ähnlichen Chips gekoppelt werden. In dieser Konfiguration entlastet das unabhängige Funk-Subsystem der Serie MCX W die Vernetzungsaufgaben und gibt die Haupt-CPU für die Ausführung der primären Anwendung frei. Gekoppelt spielen die MCUs der Serie MCX W eine wichtige Rolle in Smart-Home-Hubs, Haushaltsgeräten und Gateways.

Intelligenz in der Lieferkette

Entwickler von Smart-Home-Netzwerken und -Produkten könnten sich von der Anzahl der verfügbaren Komponenten und ihrer möglichen Konfiguration eingeschüchtert fühlen. Produkte wie RW61X-Chips und MCX-W-MCUs können durch ihre Fähigkeit, mehrere Funktionen in einem Smart-Home-Netzwerk zu erfüllen, helfen.

Entwickler erhalten Unterstützung bei der Programmierung mit dem IoT-optimierten Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) Zephyr über MCUXpresso IDE/MCUXpresso for Visual Studio Code und über den Application-Code-Hub von NXP. Sie können ihre Entwürfe auch mit kostengünstigen Entwicklungsplatinen wie dem FRDM-RW612 (Abbildung 4) prototypisieren.

Abbildung 4: Das kostengünstige Entwicklungsboard FRDM-RW612 vereinfacht das Prototyping von Thread-Border-Router- und Matter-Controller-Designs mit RX61x-Chips. (Bildquelle: NXP)

Neben diesen Entwicklungsboards, der kompletten Serie von RW61X-Chips und den MCUs der Serie MXC W umfasst das Portfolio von NXP auch andere Komponenten, die diese in Smart-Home-Geräten und -Anwendungen ergänzen. Entwickler von intelligenten Haustechnologien finden auf der Website von NXP alle Produkte, die sie für ihre Entwürfe benötigen, sowie relevante technische Informationen und Schulungsmaterialien.

Fazit

Der Markt für Smart-Home-Anwendungen wächst weiter, was zum Teil auf die plattformübergreifende Interoperabilität zurückzuführen ist, die durch Matter-Netzwerkprotokolle ermöglicht wird. Hardware-Komponenten, die für Smart-Home-Netzwerke entwickelt wurden, wie die RW61X-Chipserie von NXP und die MCUs der Serie MCX W, können mehrere komplementäre Netzwerkfunktionen erfüllen. Entwickler können von einer breiten Palette verfügbarer Produkte, einer umfassenden Bibliothek mit technischen Informationen zu Smart-Home-Komponenten und Schulungsressourcen profitieren - alles an einem Ort, um die nächste Generation von Smart Home zu entwerfen.