Ku przyszłości domów inteligentnych z Matter i brzegową SI

fot. Matter wciąż rozszerza listę obsługiwanych urządzeń, dodając systemy grzewcze i roboty odkurzające (źródło: Proxima Studio/stock.adobe.com)

Czy najnowsze aktualizacje protokołu Matter i rozwój brzegowej sztucznej inteligencji (Edge AI) wreszcie dają inżynierom narzędzia do budowy zintegrowanych domów inteligentnych, które od dawna nam obiecywano?

Dzisiejszy ekosystem domów inteligentnych ewoluuje od odizolowanych wysp automatyzacji w kierunku bardziej inteligentnego i połączonego środowiska. Oświetlenie, termostaty, urządzenia AGD, a nawet ładowarki do pojazdów elektrycznych nie są już samodzielnymi urządzeniami. Łączą się w zintegrowane systemy, które stawiają na doświadczenie użytkownika i efektywność energetyczną.

Na tę transformację wpływa wiele czynników technologicznych i społecznych, lecz inżynierowie koncentrują się dziś na dwóch kluczowych filarach automatyzacji nowej generacji: przetwarzaniu brzegowym oraz zwiększonej interoperacyjności. Przetwarzanie brzegowe, obejmujące sztuczną inteligencję (SI) i uczenie maszynowe (UM), umożliwia inteligentne i dbające o prywatność podejmowanie w czasie rzeczywistym decyzji bezpośrednio w urządzeniach. Z kolei otwarty standard łączności Matter pomaga unifikować ekosystemy inteligentnych domów, usprawniając komunikację między urządzeniami i platformami. W połączeniu te dwa przyczółki rozwoju pozwalają inżynierom na nowo definiować rolę systemów wbudowanych w nowoczesnych domach – zwiększając interoperacyjność i inteligencję systemów oraz ograniczając zależność od infrastruktury chmurowej.

Niniejszy artykuł omawia aktualne i rozwijające się możliwości tych technologii, zaczynając od najnowszych aktualizacji standardu Matter 1.3 i 1.4, a następnie przechodząc do tego, jak brzegowa SI umożliwia powstawanie nowych funkcji urządzeń. Przedstawia też kluczowe rozwiązania sprzętowe, które wspierają nową generację środowisk inteligentnych.

Ewolucja roli Matter: kluczowe nowości w wersjach 1.3 i 1.4

Od momentu wprowadzenia standardu Matter, organizacja Connectivity Standards Alliance (CSA) pracuje nad ustanowieniem go jako wspólnego języka interoperacyjności domów inteligentnych, pokonującego ograniczenia, z jakimi borykały się wcześniejsze protokoły. Lecz rozwiązanie problemu fragmentacji komunikacji to tylko część wizji CSA dotyczącej ewolucji protokołu Matter – celem jest umożliwienie projektantom tworzenia bardziej zaawansowanych, wydajnych i inteligentnych systemów.

Najnowsze wersje, Matter 1.3 i 1.4, jako pierwsze w widoczny sposób rozszerzają zakres protokołu na obszary takie jak urządzenia o dużym poborze energii, predykcyjne zarządzanie energią oraz sieci infrastrukturalne, otwierając nowe możliwości koordynacji urządzeń i inteligencji lokalnej

Matter 1.3: większa użyteczność i integracja

Wydana na początku 2024 roku wersja Matter 1.3 rozszerzyła zakres protokołu na infrastrukturę zorientowaną na efektywność energetyczną oraz bardziej złożone typy urządzeń domowych, wprowadzając następujące funkcjonalności:

• Monitorowanie energii: dodano obsługę pomiaru mocy, prądu i napięcia w czasie rzeczywistym, co pozwala użytkownikom lepiej wizualizować zużycie energii i zarządzać nim.
• Sprzęt do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE): funkcja monitorowania energii w standardzie Matter obejmuje teraz również kontrolę i zarządzanie stacjami ładowania. Użytkownicy mogą zmieniać wzorce ładowania pojazdu w zależności od wymogów zasięgu, czasu, kosztów energii elektrycznej lub emisji dwutlenku węgla generowanych przez sieć energetyczną. 
• Zarządzanie wodą: obejmuje obsługę czujników wycieków, czujników deszczu i sterowanych zaworów wodnych, co rozszerza możliwości automatyzacji na instalacje wodociągowe i bezpieczeństwo domu.
• Nowe urządzenia AGD: wśród nowych kategorii znalazły się piekarniki, płyty grzewcze, kuchenki mikrofalowe, okapy kuchenne i suszarki do prania, z pełną kontrolą cyklu pracy i powiadomieniami o stanie.
• Grupowanie poleceń i obsługa scen: te kluczowe ulepszenia umożliwiają redukcję opóźnień, usprawnioną koordynację wielu urządzeń oraz bardziej efektywne działanie grupowe.

Dzięki tym funkcjom Matter przekształca się z prostego protokołu w solidną platformę do kompleksowej koordynacji całego domu, obejmującej nawet systemy o dużym zapotrzebowaniu.

Matter 1.4: budowanie inteligentnej infrastruktury

Wydana w połowie 2024 roku wersja Matter 1.4 koncentruje się na infrastrukturze, inteligentnym zarządzaniu energią oraz szerszej reaktywności systemu:

• Domowy router i punkt dostępu (HRAP): nowe certyfikowane rozwiązanie łączy Wi-Fi i jednostkę centralną Thread Border Router w scentralizowany węzeł sieciowy z bezpiecznym zarządzaniem poświadczeniami, tworząc podstawę dla zunifikowanych, odpornych sieci kratowych Matter i ograniczając fragmentację sieci.
• Ulepszony system Multi-Admin: ta ewolucja pozwala udostępniać urządzenia między różnymi platformami za zgodą jednego użytkownika, upraszczając konfigurację i zwiększając skalowalność integracji między ekosystemami.
• Udoskonalone wykrywanie obecności: aktualizacja wprowadza obsługę czujników opartych na radarze, danych otoczenia i wizyjnych, a także precyzyjniejszą regulację czułości, co przekłada się na dokładniejsze i szybsze działanie automatyzacji.
• Optymalizacja dla urządzeń o niskim poborze energii: ulepszenie dostosowuje protokół do urządzeń z połączeniem przerywanym (ICD), wprowadzając m.in. tryb Long Idle Time (LIT) oraz protokoły meldunku, aby zwiększyć sprawność czujników i sterowników zasilanych bateryjnie.
• Rozszerzone wsparcie dla zarządzania energią: ta rozwijająca się dziedzina funkcjonalności dodaje następujące typy urządzeń:

1. Panele słoneczne i falowniki hybrydowe, w tym obsługa zestawów paneli i akumulatorów wspomagających.
2. Systemy magazynowania energii (BESS) do przesuwania obciążenia i wsparcia sieci energetycznej, z możliwością tworzenia wirtualnych elektrowni (VPP).
3. Pompy ciepła i elektryczne podgrzewacze wody z funkcją przesuwania zapotrzebowania i ręcznego zastępowania harmonogramów.
4. Profile użytkowników EVSE umożliwiające tworzenie indywidualnych profili ładowania.
5. Ulepszenia termostatów wspierające tryby predefiniowane (np. wakacje, obecność/nieobecność) oraz wyzwalanie zależne od zużycia energii.
6. Tryb zarządzania energią urządzenia, pozwalający inteligentnym urządzeniom dostosowywać sposób działania do warunków energetycznych: lokalnych, chmurowych lub sieciowych.

Dlaczego ma to znaczenie dla inżynierów?

Dla inżynierów te aktualizacje oznaczają coś więcej niż tylko rozszerzenie kategorii urządzeń. Wprowadzają ulepszenia na poziomie architektury i otwierają nowe możliwości rozwoju produktów. W miarę jak Matter przestaje jedynie definiować typy urządzeń, ewoluując w warstwę orkiestracji, protokół ten umożliwia zachowania predykcyjne, równoważenie obciążenia oraz interakcje urządzeń zależne od kontekstu.

Taki kontekst stwarza również większe możliwości integracji brzegowej SI. W miarę jak urządzenia zyskują zdolność interpretowania warunków lokalnych, uczenia się nawyków użytkowników i działania w sposób autonomiczny, systemy wbudowane muszą wyjść poza prostą logikę sterowania w stronę wnioskowania na poziomie urządzenia.  

Wzrost znaczenia brzegowej SI: kontekst, autonomia i responsywność

W miarę jak inteligentne domy stają się coraz bardziej połączone i inteligentne, coraz większego znaczenia nabiera rola lokalnego przetwarzania danych. W porównaniu z modelami SI opartymi na chmurze, które wymagają stałej wymiany danych, zdolność brzegowej SI do utrzymywania danych i podejmowania decyzji w urządzeniu zapewnia niższe opóźnienia, większą odporność w przypadku przerw, mniejsze zapotrzebowanie na przepustowość oraz wyższy poziom bezpieczeństwa dzięki przechowywaniu surowych danych lokalnie. Wszystkie te zalety stanowią kluczowy atut najnowszych urządzeń infrastrukturalnych zgodnych ze standardem Matter, takich jak liczniki energii i stacje ładowania pojazdów elektrycznych (ilustracja 1).

Ilustracja 1. Ładowarki do pojazdów elektrycznych stają się kluczowym elementem nowoczesnych domów i są obecnie wspierane przez standard Matter (źródło: Kara/stock.adobe.com)

Wiele nowych typów urządzeń obsługiwanych przez standard Matter może również czerpać korzyści z zastosowania sztucznej inteligencji brzegowej (edge AI). Inteligentne duże urządzenia AGD, takie jak zmywarki, mogą wykorzystywać wbudowane modele uczenia maszynowego do dostosowywania zużycia energii i ustawień cykli na podstawie wcześniejszych wzorców użytkowania. Roboty odkurzające wyposażone w czujniki wizyjne i przestrzenne potrafią analizować i reagować na otoczenie bez potrzeby połączenia z chmurą. Systemy oświetlenia i osłon okiennych, zintegrowane z radarowymi lub otoczeniowymi czujnikami obecności, mogą dzięki inteligentnej analizie w czasie rzeczywistym reagować bez opóźnień na ruch, gesty, a nawet obecność w pomieszczeniu.

Co istotne, połączenie brzegowej SI z protokołem Matter umożliwia tym urządzeniom działanie nie tylko niezależne, ale również współzależne. Nowe funkcje standardu Matter, takie jak sceny i grupowanie poleceń, wspierają koordynację wielu urządzeń jednocześnie, dzięki czemu platformy SI wbudowanej w sprzęt mogą lepiej interpretować kontekst i współpracować w całym domu.

Sprzęt napędzający innowacje w zakresie protokołu Matter i brzegowej SI

Aby stworzyć kolejną generację inteligentnych urządzeń domowych, projektanci potrzebują sprzętu, który umożliwia łatwe wdrażanie brzegowej SI i bezproblemową integrację w sieciach  bezprzewodowych i przewodowych.

Mouser Electronics oferuje szeroką gamę rozwiązań umożliwiających rozwój nowej generacji urządzeń zgodnych ze standardem Matter. Wśród nich szczególnie dobrze przystosowane do zastosowań w obszarze inteligencji brzegowej są mikrokontrolery typu crossover z serii i.MX RT1050 firmy NXP Semiconductors. Urządzenia te łączą deterministyczną pracę w czasie rzeczywistym, typową dla mikrokontrolerów, z mocą obliczeniową procesorów aplikacyjnych, zapewniając idealną równowagę w realizacji zadań takich jak fuzja danych z czujników, sterowanie adaptacyjne czy zarządzanie interfejsem użytkownika.

Mikrokontrolery obsługują projekty inteligentnych domów, które wymagają zaawansowanych multimedialnych interfejsów graficznych oraz ulepszonej interakcji człowiek-maszyna (HMI). Ich funkcjonalność obejmuje dedykowany silnik akceleracji grafiki 2D, kontrolery wyświetlaczy LCD, interfejsy czujników obrazu oraz interfejsy audio (ilustracja 2).

 
Ilustracja 2. Schemat blokowy serii NXP i.MX RT, przedstawiający szeroki zakres funkcji zawartych w każdym mikrokontrolerze (źródło: NXP) 

W portfolio EdgeVerse™ firmy NXP rozwój sztucznej inteligencji wspierany jest przez oprogramowanie eIQ® ML, które obejmuje narzędzie do tworzenia przepływów ML, silniki inferencyjne oraz kompilatory sieci neuronowych, umożliwiając deweloperom wdrażanie inteligentnych, wstępnie wytrenowanych modeli bezpośrednio w mikrokontrolerze. Powiązany zestaw ewaluacyjny i.MXRT1050-EVKB dodatkowo wspiera szybkie prototypowanie urządzeń zgodnych ze standardem Matter i wyposażonych w funkcje SI – od sterowników urządzeń AGD, przez zaawansowane systemy oświetleniowe, po pompy ciepła.

Dla łączności w standardzie Matter moduł Murata Type 2FR (ilustracja 3) stanowi kompaktowe, samodzielne rozwiązanie zaprojektowane specjalnie z myślą o nowej generacji środowisk Matter. Bazujący na bezprzewodowym układzie typu system-on-chip (SoC) firmy NXP moduł oferuje obsługę Matter poprzez Wi-Fi i Thread, a dodatkowo integruje w sobie Ethernet dla połączeń przewodowych.

Ilustracja 3. Kompaktowy moduł Murata Type 2FR integruje szeroki zakres funkcjonalności w obudowie o wymiarach 12,0 × 11,0 × 1,55 mm (źródło: Mouser Electronics)

Architektura potrójnej łączności modułu Type 2FR zapewnia gotowość na przyszłe zmiany i łatwą integrację, natomiast brak oddzielnego mikrokontrolera hosta upraszcza projekt sprzętowy i obniża koszt list materiałowych. Zestaw funkcji modułu, obejmujący m.in. Matter-over-Ethernet, sprawia, że doskonale nadaje się on do zastosowań wymagających wysokiej niezawodności – takich jak inteligentne gniazdka, węzły oświetleniowe, falowniki solarne czy bramki energetyczne – zwłaszcza w środowiskach, gdzie problemem może być przeciążenie sieci bezprzewodowych lub opóźnienia transmisji.

W miarę jak deweloperzy dążą do wprowadzania coraz większej inteligencji do urządzeń brzegowych, platformy takie stają się kluczowe dla tworzenia skalowalnych, bezpiecznych i interoperacyjnych rozwiązań, w których Matter definiuje warstwę łączności, a brzegowa SI kształtuje lokalne podejmowanie decyzji.

Podsumowanie: od łączenia do spójności

Technologie Matter i brzegowej SI nie są już trendami wschodzącymi – stają się filarami projektowania domów inteligentnych. Razem zapowiadają przełom: odejście od prostych urządzeń połączonych siecią w stronę inteligentnych, interoperacyjnych systemów, które stawiają na wydajność, prywatność i elastyczność.

Dla inżynierów wyzwaniem staje się dziś wybór odpowiednich narzędzi i platform, by tę wizję przełożyć na realne produkty. Dzięki właściwemu sprzętowi, wsparciu dla elastycznych ekosystemów deweloperskich oraz ciągłemu rozwojowi standardu Matter, inteligentny dom jutra jest już na wyciągnięcie ręki.