Matter対応スマートホームデバイス向けシングルチップシステムおよびMCUが複数のメッシュネットワークの役割を担う

2025年のスマートホーム技術の世界市場規模は1,475億ドルで、2034年までの年平均成長率（CAGR）は21.4% と予測されています。この成長の一因は、Matter規格によって可能になった相互運用性にあります。

Matterは、オープンソースのスマートホームネットワークの実現に向けて協力する企業のコンソーシアムであるConnected Home over IP（CHIP）プロジェクトとして2019年に活動を開始し、2022年にバージョン1.0をリリースし、2025年11月にはバージョン1.5を公開しました。この規格の重要な理念の1つは、Matter認定製品が相互に接続できこと、そしてGoogle、Amazon、Apple、SamsungなどのMatterコンソーシアム加盟企業が製造したスマートホームハブに接続できるという誓約です。

規格の新しいバージョンがリリースされるたびに、より多くのデバイスタイプがサポートされるようになり、クラウドゲートウェイを必要とせずに、IPv6および低消費電力、低遅延ネットワーク経由でローカルに接続することが可能になります。現在のMatter対応デバイスのリストには、スマート照明やコンセント、家電製品、センサ、窓用ブラインド、エアコンやヒートポンプユニット、ソーラーパネル、Wi-Fiルータ、スピーカやビデオプレーヤなどが含まれています。

こうしたデバイスをスマートホームネットワークに追加する消費者は、シームレスなコネクティビティと機能性を求めています。それを実現するためには、OEM各社は製品開発の初期段階からMatterアーキテクチャを組み込む必要があります。

Matterシステムの構成

Matterスマートホームシステムのデバイスは、ゲートウェイ、コントローラ、エッジノード、エンドノード、ブリッジといった役割のいずれか、あるいは複数を担う可能性があります。ゲートウェイはシステムをインターネットに接続し、Wi-Fiを使用してコントローラ、エッジノード、ブリッジと通信を行います。コントローラは、エッジノードとエンドノードにコマンドを送信しますが、エッジノードやブリッジは、ロジックを適用することなく、ノード間およびゲートウェイまたはコントローラとの間で情報を中継するだけです。

Matterアーキテクチャのもう1つの重要な理念は、低消費電力の無線周波数（RF）通信によるエネルギー効率です。ネットワークへの機器の初期接続にはBluetooth接続が使用されますが、ネットワーク自体は、同じ周波数帯域を使用する他のプロトコルによって構成されます。Matterネットワークは、低消費電力のThreadプロトコルを使用して、低遅延、自己修復機能を備えたメッシュネットワークを構築します。ブリッジは、Zigbeeなどの他のプロトコルを使用するデバイスをネットワークに接続する翻訳機としての役割を果たします（図1）。

図1：Matterスマートホームネットワークには、ゲートウェイ（青丸）、コントローラ（水色）、Threadボーダールータ（赤）、ブリッジ（紫）、エッジノード（緑）、エンドノード（オレンジ）が含まれます。（画像提供：NXP）

Matterネットワーク上のデバイスは、ワイヤレス通信機能（狭帯域、Wi-Fi、またはその両方）と、アプリケーションの実行、通信の管理、デバイスのセキュリティの確保を行うためのマイクロコントローラユニット（MCU）を備えている必要があります。通信プロトコルの選択およびMCUの仕様は、デバイスのネットワーク上の役割、エネルギー使用プロファイル、消費者にとっての用途によって異なります。たとえば、エンドノードとして動作するスマート電球は、オン/オフコマンドを受信して実行するだけの単純なアーキテクチャを採用していますが、ルータははるかに複雑です。

スマートホームシングルチップシステム

Threadボーダールータは、Matterネットワークに求められるエネルギー効率と低遅延を実現しつつ、ThreadおよびWi-Fi通信の管理、デバイスのセキュリティ、アプリケーション実行といった複雑な要件とのバランスを取らなければなりません。NXP SemiconductorのRW61X Wi-Fi 6トライラジオは、プロセッシングコア、2.4GHz帯および5GHz帯において帯域幅が20MHzのチャネルを送信可能なWi-Fi無線、初期設定およびメッシュネットワーキング用の狭帯域無線、そしてデバイスの鍵管理や信頼性のプロビジョニングを管理するセキュアエンクレーブを、3.3Vの外部電源で動作するシングルチップに統合しています（図2）。

図2：RW61X Wi-Fi 6トライラジオは、2バンドのWi-Fi無線、狭帯域ローカル無線、260MHz MCU、オンボードセキュリティを3.3Vの外部電源で動作させます。（画像提供：NXP）

RW61XのMCUサブシステムは、TrustZone™-Mハードウェアセキュリティを備えた260MHzのArm® Cortex®-M33コアと、1.2MBのスタティックランダムアクセスメモリ（SRAM）を搭載しています。このMCUは、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）およびユニバーサル非同期レシーバ/トランスミッタ（UART）を介してデバイスと通信し、インターインテグレーテッドサーキット（I²C）インターフェースを介してセンサと通信し、インターインテグレーテッドサーキットサウンド（I²S）インターフェースを介してオーディオ入力デバイスと通信することができます。高精度時間プロトコル（PTP）は、チップの100Mbps Ethernetモジュールの物理層（PHY）を通じてネットワークの同期を可能にします。

RW61Xチップは、Wi-Fi 6によるMatter-over-Wi-Fiをサポートしており、ネットワーク性能と電力効率の向上を実現します。RW61Xの内蔵RFパワーアンプ（PA）とローノイズアンプ（LNA）は、125mWの送信電力と組み合わされ、堅牢な通信を保証します。Wi-Fi保護アクセス（WPA）レベル3により、暗号化とセキュリティが確保されます。

また、Bluetooth LEまたはIEEE 802.15.4を介したMatter-over-Threadにも対応しています。これらのチップは、Bluetooth 5.2および5.4で認証されており、高速2Mbpsモード、コード化されたPHYを使用してより長い距離でデータを低速に伝送する長距離モード、およびデバイスがより大きなパケットを送信して検出を可能にするアドバタイジング拡張モードなど、複数のBluetooth動作モードに対応しています。この狭帯域無線モジュールは、RF PAおよびLNAを使用して32mWの送信出力を実現しています。

RW61Xチップでは、Matterスマートホームエコシステムの重要な構成要素であるセキュリティが、EdgeLockセキュアエンクレーブを通じて管理されています。この改ざん防止機能を備えたハードウェアは、証明書、暗号鍵、およびIDを通じてデバイスを認証することで、信頼の基盤を確立します。RW61Xチップは、セキュアブート、デバッグ、アップデートの保護機能、ハードウェア暗号化、ならびに物理的複製困難関数（PUF）により、IoTプラットフォーム向けのセキュリティ評価基準（SESIP）の保証レベル3およびプラットフォームセキュリティアーキテクチャ（PSA）の認定レベル3の要件を満たしています。

エンドノード向け低消費電力チップ

RW61XチップはThreadボーダールータ、スマートホームハブ、エッジノードとして機能しますが、センサやドアロックなどのバッテリ駆動のエンドノードには、はるかにシンプルなアーキテクチャが求められます。NXPのMCX Wシリーズ マイクロコントローラは、電力効率に優れたMatter-over-ThreadおよびZigbee通信に最適化されています（図3）。

図3：NXP SemiconductorsのMCX Wシリーズ マイクロコントローラは、専用のプロセッシングコアとメモリを備えた狭帯域無線機と96MHzのMCUを組み合わせています。（画像提供：NXP）

MCX Wシリーズ MCUには、Bluetooth LEおよびIEEE 802.15.4無線専用の処理コアとメモリが搭載されているほか、1MB～2MBのフラッシュメモリと128KB～256KBのRAMを備えた96MHzのArm Cortex-M33メインプロセッサも搭載されています。RW61Xチップと同様に、MCX Wシリーズ MCUは、EdgeLock2GOクラウド対応のEdgeLockセキュアエンクレーブを通じてセキュリティを確保します。その堅牢な設計により、エンドノードデバイスは-40°C～125°Cという広い温度範囲にわたって接続を維持できます。

エンドノードデバイスでの動作に加えMCX Wシリーズ MCUは、RW61Xや同様のチップと組み合わせることもできます。この構成により、MCX Wシリーズの独立した無線サブシステムが接続タスクを分担し、メインCPUを解放して主要なアプリケーションの実行に専念させることができます。組み合わされた場合、MCX Wシリーズ MCUはスマートホームハブ、家電製品、ゲートウェイにおいて重要な役割を果たします。

サプライチェーンのスマート化

スマートホームのネットワークや製品の設計者は、利用可能なコンポーネントの数とその潜在的な構成に圧倒されるかもしれません。RW61XチップやMCX W MCUのような製品は、スマートホームネットワークで複数の役割を果たす能力を備えているため、その解決に役立ちます。

設計者は、MCUXpresso IDE/MCUXpresso for Visual Studio Code、およびNXPのアプリケーションコードハブを通じて、IoT向けに最適化されたZephyrリアルタイムオペレーティングシステム（RTOS）を用いたコーディングのサポートを受けることができます。また、FRDM-RW612（図4）のような低コストの開発ボードを使用して、設計の試作を行うことも可能です。

図4：低価格のFRDM-RW612開発ボードは、RX61xチップを使用したThreadボーダールータとMatterコントローラの試作を簡素化します。（画像提供：NXP）

これらの開発ボード、RW61Xチップ全シリーズ、MXC Wシリーズ MCUに加え、NXPの製品ラインアップには、スマートホームデバイスやアプリケーションにおいてこれらを補完するその他のコンポーネントも含まれています。スマートホーム技術の設計者は、NXPのウェブサイトを利用して、設計に必要なすべての製品に加え、関連する技術情報や教育リソースを入手することができます。

まとめ

スマートホームアプリケーションの市場は成長を続けています。その一因は、Matterネットワークプロトコルによって可能になったクロスプラットフォームの相互運用性に後押しされたことです。NXPのRW61XチップシリーズやMCX Wシリーズ MCUのように、スマートホームネットワーキング向けに設計されたハードウェアコンポーネントは、複数の補間的なネットワークの役割を果たすことができます。設計者は、幅広い製品ラインアップ、スマートホームコンポーネントに関する充実した技術情報ライブラリ、そして教育リソースをすべて1か所で活用し、次世代のスマートホームを設計することができます。