基于PSoC 6 Matter的智能家居解決方案

錢城都

摘 要：隨著智能家居設(shè)備數(shù)量的增加，不同產(chǎn)品、生態(tài)系統(tǒng)和協(xié)議之間的互操作性變得更加混亂。Matter 規(guī)范解決了這個(gè)困境。Matter是一個(gè)智能家居技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，可以讓您的設(shè)備通過(guò)單一協(xié)議與任何Matter認(rèn)證生態(tài)系統(tǒng)兼容，旨在為眾多智能家居應(yīng)用提供設(shè)備制造商的指導(dǎo)。英飛凌科技、CSA聯(lián)盟以及包括谷歌和亞馬遜在內(nèi)的280多家公司正在引領(lǐng)這個(gè)具有突破性的Matter標(biāo)準(zhǔn)，給智能家居解決方案提供了一種開(kāi)放、互操作和安全的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的集成和控制，為用戶提供更便捷、靈活和綜合的智能家居體驗(yàn)

關(guān)鍵詞：智能家居；Matter；生態(tài)系統(tǒng)；互聯(lián)互通

0 引言

近年來(lái)，智能家居產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了原有家居產(chǎn)業(yè)園區(qū)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，同時(shí)，不斷擴(kuò)大的智能家居市場(chǎng)需求，以及傳統(tǒng)家居產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，為很多地方布局新的智能家居產(chǎn)業(yè)園建設(shè)帶來(lái)了機(jī)會(huì)。在2019 年底中國(guó)已成為全球最大的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，全球15 億臺(tái)蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備中9.6 億臺(tái)來(lái)自中國(guó)，占比64%。中國(guó)將成為全球最大的智能家居市場(chǎng)消費(fèi)國(guó)，占據(jù)全球50%～60%的智能家居市場(chǎng)消費(fèi)份額，利潤(rùn)占據(jù)全球20%～30% 的市場(chǎng)份額。根據(jù)預(yù)測(cè)，到2025 年，中國(guó)智能家居市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到數(shù)千億人民幣。智能家居產(chǎn)品和解決方案的普及程度不斷提高，消費(fèi)者對(duì)智能家居設(shè)備的需求也不斷增加。

但是多種IoT 技術(shù)和眾多生態(tài)系統(tǒng)并存，互相競(jìng)爭(zhēng)，彼此之間不能互聯(lián)互通也成為智能家居行業(yè)最大的弊病。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，在購(gòu)買智能家居設(shè)備時(shí)，很難確定這個(gè)設(shè)備是否跟自己選定的生態(tài)系統(tǒng)兼容，并且生態(tài)系統(tǒng)一旦選定就很難換成其他的廠家；對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)人員需要針對(duì)所支持的生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。Matter 的出現(xiàn)就是解決各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)之間的互通性，讓您的設(shè)備可以通過(guò)單一協(xié)議與任何Matter 認(rèn)證的生態(tài)系統(tǒng)兼容。Matter 由CSA 聯(lián)盟引入，這是一個(gè)由數(shù)百家為智能家居和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建產(chǎn)品的公司組成的組織。Matter 的目標(biāo)是成為一個(gè)促進(jìn)技術(shù)采用和創(chuàng)新的互操作標(biāo)準(zhǔn)，逐步取代智能家居生態(tài)系統(tǒng)中的專有協(xié)議，簡(jiǎn)化配置和操作的復(fù)雜性，提高用戶的體驗(yàn)。

1 Matter介紹

1.1 Matter標(biāo)準(zhǔn)介紹

Matter 是一套基于IPV6 的應(yīng)用層協(xié)議，Matter 采用了開(kāi)源軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）來(lái)實(shí)現(xiàn)，該工具包不僅包含規(guī)范的實(shí)現(xiàn)，還包括豐富的示例和可互操作的代碼。在OSI 模型的上三層中，核心Matter 協(xié)議適用于任何類型的IPv6 傳輸和網(wǎng)絡(luò)。控制和其他操作通信是通過(guò)IPv6 進(jìn)行的，而藍(lán)牙低功耗（Bluetooth? LowEnergy）和NFC 可以用于設(shè)備的配置。Matter 具有靈活性和互操作性。它建立在多年來(lái)低功耗802.15.4 網(wǎng)絡(luò)和WiFi 智能家居設(shè)備的挑戰(zhàn)和成功的基礎(chǔ)上。與Thread類似，Matter 構(gòu)建在IPv6 之上，它包括強(qiáng)大的加密功能，對(duì)設(shè)備類型及其數(shù)據(jù)進(jìn)行了明確定義，并支持多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

Matter 還支持橋接其他智能家居技術(shù)，如Zigbee、藍(lán)牙Mesh 和Z-Wave，這意味著基于這些協(xié)議的設(shè)備可以通過(guò)橋接器作為Matter 設(shè)備運(yùn)行。

1.2 Matter標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵點(diǎn)

● Matter 比云對(duì)云連接具有更低的延遲和更高的可靠性，因?yàn)樗腔贗P 的本地連接協(xié)議。

● 較低的開(kāi)發(fā)成本：只需構(gòu)建1 次就可以在所有Matter 認(rèn)證的生態(tài)系統(tǒng)中使用。

● 數(shù)據(jù)模型是基于Zigbee 的ZCL協(xié)議上擴(kuò)展得到。

● 在所有支持Matter 的設(shè)備上具有一致的設(shè)置體驗(yàn)。

● 通過(guò)其他支持Matter 的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備共享和控制。

● 支持多種不同硬件平臺(tái)（WiFi-Thread-Ethernet）的設(shè)備之間的互操作性廣泛。

● 目前支持的通信協(xié)議：Ethernet/WiFi/WiFi + BLE/Thread +BLE（BLE 只用于配網(wǎng)）

● 綁定配網(wǎng)：需要帶外信息（ 配對(duì)碼、二維碼、NFC 等） 建立安全通路，單項(xiàng)認(rèn)證設(shè)備，非對(duì)稱證書(shū)鏈

● 通過(guò)DCL 來(lái)存放公共信息，部署在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的平臺(tái)上防止篡改

1.3 Matter智能家居生態(tài)介紹

在Matter 智能家居生態(tài)中，各種設(shè)備可以通過(guò)使用相同的Matter 協(xié)議進(jìn)行通信和互動(dòng)。這些設(shè)備可以包括智能燈具、智能插座、溫度控制器、門鎖、攝像頭、揚(yáng)聲器等。通過(guò)遵循Matter 標(biāo)準(zhǔn)，這些設(shè)備能夠無(wú)縫協(xié)作，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的用戶體驗(yàn)和功能。

不同品牌和設(shè)備之間的互操作性是Matter 生態(tài)的核心。無(wú)論來(lái)自不同廠商的設(shè)備還是不同類型的智能家居設(shè)備，只要它們都符合Matter 標(biāo)準(zhǔn)，就能夠在同一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中相互連接和通信。

Matter 生態(tài)系統(tǒng)不僅限于單個(gè)設(shè)備，還可以擴(kuò)展到多個(gè)設(shè)備、服務(wù)和平臺(tái)的集合，這樣用戶可以通過(guò)添加更多的Matter 設(shè)備來(lái)構(gòu)建更為復(fù)雜和全面的智能家居系統(tǒng)。

Matter 智能家居生態(tài)系統(tǒng)的目標(biāo)是為用戶提供更便捷、靈活和綜合的智能家居體驗(yàn)，通過(guò)建立一個(gè)統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)，Matter 使用戶能夠選擇和使用各種Matter 認(rèn)證的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能家居的集成和控制。

2 基于PSoCTM的Matter 方案介紹

2.1 PSoC?介紹

PSoCTM 6 系列采用超低功耗架構(gòu)構(gòu)建，微控制器采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，非常適用于電池供電應(yīng)用。雙核Arm? Cortex?-M4 和Cortex-M0+ 架構(gòu)使設(shè)計(jì)人員能夠同時(shí)優(yōu)化功耗和性能。借助雙核結(jié)構(gòu)和可配置的內(nèi)存和外設(shè)保護(hù)單元，PSoCTM 6 微控制器提供了由Arm 的平臺(tái)安全架構(gòu)（PSA）定義的最高級(jí)別的保護(hù)。

設(shè)計(jì)人員可以利用該微控制器豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)，為創(chuàng)新的系統(tǒng)組件（如MEMS 傳感器、電子墨水顯示器）創(chuàng)建自定義模擬前端（AFE）或數(shù)字接口。PSoCTM 6 微控制器采用最新一代行業(yè)領(lǐng)先的CAPSENSETM 電容感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)健可靠的現(xiàn)代觸摸和手勢(shì)界面。搭配Infi neon 的AIROCTM WiFi、AIROCTM Bluetooth? 或AIROCTM 組合無(wú)線模塊，PSoCTM 6 微控制器是安全、低功耗、功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的完美解決方案。

2.2 方案介紹

● 該方案為Matter 生態(tài)系統(tǒng)展示了一個(gè)家庭的自動(dòng)化演示，展示了智能門鎖、人體感應(yīng)傳感器和智能照明節(jié)點(diǎn)如何無(wú)縫協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化例程。

● Matter 生態(tài)系統(tǒng)解決方案可以通過(guò)Ethernet、WIFI 和Thread 15.4 三種協(xié)議進(jìn)行通信。該解決方案展示了Matter over WiFi 和Matter over Thread。使用Matter over Wi-Fi 進(jìn)行通信的智能門鎖使用了PSoCTM 6作為應(yīng)用處理器。演示中的安全元件采用了OPTIGATMTrust M，配備了一個(gè)NFC 讀卡器，并且使用AIROCTM系列超低功耗藍(lán)牙? Wi-Fi 組合模塊● 演示中的人體感應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)使用了XENSIVTM傳感器系列中的60 GHz 雷達(dá)傳感器，通過(guò)Matter overWi-Fi 與PSoCTM 6 和AIROCTM WIFI 進(jìn)行連接，以傳輸人體存在狀態(tài)。

● 系統(tǒng)中的第三個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)使用Matter overThread 進(jìn)行通信的照明節(jié)點(diǎn)。

● 當(dāng)居住者靠近門時(shí)，正在運(yùn)行Matter over Wi-Fi的60 GHz 傳感器會(huì)檢測(cè)到存在，并使用Matter overThread 觸發(fā)門廊燈的開(kāi)啟。在此演示中，蘋果電視充當(dāng)Matter 中樞，完成所有的轉(zhuǎn)換工作，但也可以使用來(lái)自其他廠商的Matter 中樞替代蘋果電視。

● 解鎖門的方法有3 種：可以使用來(lái)自CIPURSETM系列的NFC 卡， 可以在由PSoCTM 6 上運(yùn)行的CAPSENSE 技術(shù)驅(qū)動(dòng)的鍵盤上輸入PIN 碼，或者可以使用像Apple Home 應(yīng)用程序這樣的移動(dòng)應(yīng)用程序打開(kāi)門鎖。

● 在Apple Home 應(yīng)用程序中，當(dāng)我們點(diǎn)擊解鎖時(shí)，可以看到門被解鎖。作為家庭自動(dòng)化序列的一部分，當(dāng)門解鎖時(shí)，客廳的燈光也會(huì)打開(kāi)。這種類型的家庭自動(dòng)化還可以觸發(fā)其他下游事件，比如關(guān)閉家庭安全系統(tǒng)或與恒溫器進(jìn)行互動(dòng)。

● 當(dāng)用戶關(guān)閉門時(shí)，客廳中的人體感應(yīng)傳感器不再檢測(cè)到存在，門鎖將自動(dòng)鎖上。然后，當(dāng)居住者離開(kāi)門口一段距離時(shí)，存在檢測(cè)會(huì)起作用，門廊燈將關(guān)閉。這個(gè)演示展示了Matter 的重要性以及我們?nèi)绾螣o(wú)縫連接不同的智能家居設(shè)備。

● 該演示支持Matter 的多管理員功能，允許智能家居設(shè)備在蘋果和三星等智能家居系統(tǒng)供應(yīng)商中同時(shí)運(yùn)行。多管理員功能為您提供了配置智能家居的靈活性，無(wú)需強(qiáng)制選擇單一的控制器、平臺(tái)或應(yīng)用程序。

● 該方案允許您將照明、人體感應(yīng)傳感器或智能門鎖節(jié)點(diǎn)添加到蘋果或三星智能家居系統(tǒng)中的任一系統(tǒng)中。

您可以無(wú)縫切換使用蘋果Home 應(yīng)用程序和三星SmartThings 應(yīng)用程序，以向Matter 智能家居網(wǎng)絡(luò)添加設(shè)備、控制設(shè)備并查看每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)。您可以使用蘋果Home 應(yīng)用程序解鎖智能門鎖， 門的狀態(tài)將在三星SmartThings 應(yīng)用程序中更新。如果您所在的家庭成員使用iOS 和Android 設(shè)備的混合組合，這個(gè)功能會(huì)非常有用。

● 方案中的PSoCTM 6 智能門鎖代碼和移動(dòng)應(yīng)用程序使用來(lái)自公共存儲(chǔ)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)Matter SDK 進(jìn)行構(gòu)建，展示了Matter 如何簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)并提高智能家居設(shè)備之間的互操作性。

4 結(jié)束語(yǔ)

Matter 作為一個(gè)開(kāi)放的智能家居標(biāo)準(zhǔn)，具有廣泛的支持、真正的互操作性、簡(jiǎn)化的設(shè)備配置和控制，以及安全性和隱私保護(hù)等優(yōu)勢(shì)，因此具備良好的前景和發(fā)展?jié)摿?。CSA 聯(lián)盟在中國(guó)成立了CMGC 聯(lián)盟，通過(guò)組織和積極參與線下活動(dòng)，將聯(lián)盟成員聯(lián)合起來(lái)并推廣Matter 聯(lián)盟技術(shù)。隨著越來(lái)越多的公司和設(shè)備制造商采用Matter 標(biāo)準(zhǔn)，將形成一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)，越來(lái)越多的設(shè)備類型和功能納入標(biāo)準(zhǔn)中。除了傳統(tǒng)的智能家居設(shè)備，如燈光、開(kāi)關(guān)、鎖、家電、安防設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)設(shè)備等設(shè)備類型均已加入到標(biāo)準(zhǔn)中，并且Matter 的發(fā)展還會(huì)帶動(dòng)云服務(wù)和智能化能力的提升，為大家?guī)?lái)更便捷的智能家居體驗(yàn)。