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Smart Home solutions based on Matter 英飛凌科技資源中心(上海)有限公司 錢城都 摘要 隨著智能家居設備數量的增加，不同產品、生態系統和協議之間的互操作性變得更加混亂。Matter 規范解決了這個困境。Matter是一個智能家居技術和物聯網的開放標準，可以讓您的設備通過單一協議與任何Matter認證生態系統兼容，旨在為眾多智能家居應用提供設備制造商的指導。英飛凌科技、CSA聯盟以及包括谷歌和亞馬遜在內的280多家公司正在引領這個具有突破性的Matter標準，給智能家居解決方案提供了一種開放、互操作和安全的方式來實現智能家居設備的集成和控制，為用戶提供更便捷、靈活和綜合的智能家居體驗 關鍵詞 智能家居 Matter 生態系統 互聯互通 1引言 近年來，智能家居產業的快速發展，推動了原有家居產業園區的轉型升級，同時，不斷擴大的智能家居市場需求，以及傳統家居產業的轉移，為很多地方布局新的智能家居產業園建設帶來了機會。在2019年底中國已成為全球最大的物聯網市場，全球15億臺蜂窩網絡連接設備中9.6億臺來自中國，占比64%。中國將成為全球最大的智能家居市場消費國，占據全球50%-60%的智能家居市場消費份額，利潤占據全球20%-30%的市場份額。根據預測，到2025年，中國智能家居市場的規模將達到數千億人民幣。智能家居產品和解決方案的普及程度不斷提高，消費者對智能家居設備的需求也不斷增加。 但是多種IoT技術和眾多生態系統并存，互相競爭，彼此之間不能互聯互通也成為智能家居行業最大的弊病。對于消費者來說，在購買智能家居設備時，很難確定這個設備是否跟自己選定的生態系統兼容，并且生態系統一旦選定就很難換成其他的廠家；對于開發者來說，開發人員需要針對要支持的生態系統開發相應的產品，費時費力。Matter的出現就是解決各個生態系統之間的互通性，讓您的設備可以通過單一協議與任何Matter認證的生態系統兼容。Matter由CSA聯盟引入，這是一個由數百家為智能家居和物聯網創建產品的公司組成的組織。Matter的目標是成為一個促進技術采用和創新的互操作標準，逐步取代智能家居生態系統中的專有協議，簡化配置和操作的復雜性，提高用戶的體驗。 2 Matter介紹 2.1 Matter標準介紹 Matter是一套基于IPV6的應用層協議，Matter采用了開源軟件開發工具包（SDK）來實現，該工具包不僅包含規范的實現，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協議適用于任何類型的IPv6傳輸和網絡。控制和其他操作通信是通過IPv6進行的，而藍牙低功耗（Bluetooth® Low Energy）和NFC可以用于設備的配置。Matter具有靈活性和互操作性。它建立在多年來低功耗802.15.4網絡和Wi-Fi智能家居設備的挑戰和成功的基礎上。與Thread類似，Matter構建在IPv6之上，它包括強大的加密功能，對設備類型及其數據進行了明確定義，并支持多個生態系統。 Matter還支持橋接其它智能家居技術，如Zigbee、藍牙Mesh和Z-Wave，這意味著基于這些協議的設備可以通過橋接器作為Matter設備運行。 
圖1 Matter協議與TCP/IP和OSI協議并列圖 2.2 Matter標準的關鍵點 Matter比云對云連接具有更低的延遲和更高的可靠性，因為它是基于IP的本地連接協議。 較低的開發成本：只需構建一次，就可以在所有Matter認證的生態系統中使用。 數據模型是基于Zigbee的ZCL協議上擴展得到。 在所有支持Matter的設備上具有一致的設置體驗。 通過其他支持Matter的生態系統進行設備共享和控制。 支持多種不同硬件平臺（Wi-Fi-Thread-Ethernet）的設備之間的互操作性廣泛。 目前支持的通信協議：Ethernet/Wi-Fi/Wi-Fi + BLE/Thread + BLE(BLE只用于配網) 綁定配網：需要帶外信息(配對碼、二維碼、NFC等)建立安全通路，單項認證設備，非對稱證書鏈 通過DCL來存放公共信息，部署在基于區塊鏈技術的平臺上防止篡改 2.3 Matter智能家居生態介紹 在Matter智能家居生態中，各種設備可以通過使用相同的Matter協議進行通信和互動。這些設備可以包括智能燈具、智能插座、溫度控制器、門鎖、攝像頭、揚聲器等。通過遵循Matter標準，這些設備能夠無縫協作，實現統一的用戶體驗和功能。 不同品牌和設備之間的互操作性是Matter生態的核心。無論來自不同廠商的設備還是不同類型的智能家居設備，只要它們都符合Matter標準，就能夠在同一個生態系統中相互連接和通信。 Matter生態系統不僅限于單個設備，還可以擴展到多個設備、服務和平臺的集合，這樣用戶可以通過添加更多的Matter設備來構建更為復雜和全面的智能家居系統。 Matter智能家居生態系統的目標是為用戶提供更便捷、靈活和綜合的智能家居體驗，通過建立一個統一的生態系統，Matter使用戶能夠選擇和使用各種Matter認證的設備，實現智能家居的集成和控制。
圖2 Matter智能家居布局示例 3 基于PSoC的Matter 方案介紹 3.1 PSoC介紹 PSoC 6系列采用超低功耗架構構建，微控制器采用低功耗設計技術，非常適用于電池供電應用。雙核Arm® Cortex®-M4和Cortex-M0+架構使設計人員能夠同時優化功耗和性能。借助雙核結構和可配置的內存和外設保護單元，PSoC 6微控制器提供了由Arm的平臺安全架構（PSA）定義的最高級別的保護。 設計人員可以利用該微控制器豐富的模擬和數字外設，為創新的系統組件（如MEMS傳感器、電子墨水顯示器）創建自定義模擬前端（AFE）或數字接口。PSoC 6微控制器采用最新一代行業領先的CAPSENSE電容感應技術，實現了穩健可靠的現代觸摸和手勢界面。搭配Infineon的AIROC Wi-Fi、AIROC Bluetooth®或AIROC組合無線模塊，PSoC 6微控制器是安全、低功耗、功能豐富的物聯網產品的完美解決方案。 3.2 方案介紹
圖3 基于PSoC 6的Matter解決方案系統框圖 該方案為Matter生態系統展示了一個家庭的自動化演示，展示了智能門鎖、人體感應傳感器和智能照明節點如何無縫協同工作，實現家庭自動化例程。 Matter生態系統解決方案可以通過Ethernet、WIFI和Thread 15.4三種協議進行通信。該解決方案展示了Matter over WiFi和Matter over Thread。使用Matter over Wi-Fi進行通信的智能門鎖使用了PSoC 6作為應用處理器。演示中的安全元件采用了OPTIGA Trust M，配備了一個NFC讀卡器，并且使用AIROC系列超低功耗藍牙® Wi-Fi組合模塊 演示中的人體感應傳感器節點使用了XENSIV傳感器系列中的60 GHz雷達傳感器，通過Matter over Wi-Fi與PSoC 6和AIROC WIFI進行連接，以傳輸人體存在狀態。 系統中的第三個節點是一個使用Matter over Thread進行通信的照明節點。 當居住者靠近門時，正在運行Matter over Wi-Fi的60 GHz傳感器會檢測到存在，并使用Matter over Thread觸發門廊燈的開啟。在此演示中，蘋果電視充當Matter中樞，完成所有的轉換工作，但也可以使用來自其他廠商的Matter中樞替代蘋果電視。 解鎖門的方法有三種：可以使用來自CIPURSE系列的NFC卡，可以在由PSoC 6上運行的CAPSENSE技術驅動的鍵盤上輸入PIN碼，或者可以使用像Apple Home應用程序這樣的移動應用程序打開門鎖。 在Apple Home應用程序中，當我們點擊解鎖時，可以看到門被解鎖。作為家庭自動化序列的一部分，當門解鎖時，客廳的燈光也會打開。這種類型的家庭自動化還可以觸發其他下游事件，比如關閉家庭安全系統或與恒溫器進行互動。 當用戶關閉門時，客廳中的人體感應傳感器不再檢測到存在，門鎖將自動鎖上。然后，當居住者離開門口一段距離時，存在檢測會起作用，門廊燈將關閉。這個演示展示了Matter的重要性以及我們如何無縫連接不同的智能家居設備。 該演示支持Matter的多管理員功能，允許智能家居設備在蘋果和三星等智能家居系統供應商中同時運行。多管理員功能為您提供了配置智能家居的靈活性，無需強制選擇單一的控制器、平臺或應用程序。 該方案允許您將照明、人體感應傳感器或智能門鎖節點添加到蘋果或三星智能家居系統中的任一系統中。您可以無縫切換使用蘋果Home應用程序和三星SmartThings應用程序，以向Matter智能家居網絡添加設備、控制設備并查看每個設備的狀態。您可以使用蘋果Home應用程序解鎖智能門鎖，門的狀態將在三星SmartThings應用程序中更新。如果您所在的家庭成員使用iOS和Android設備的混合組合，這個功能會非常有用。 方案中的PSoC 6智能門鎖代碼和移動應用程序使用來自公共存儲庫的標準Matter SDK進行構建，展示了Matter如何簡化開發并提高智能家居設備之間的互操作性。 4 結語 Matter作為一個開放的智能家居標準，具有廣泛的支持、真正的互操作性、簡化的設備配置和控制，以及安全性和隱私保護等優勢，因此具備良好的前景和發展潛力。CSA聯盟在中國成立了CMGC聯盟，通過組織和積極參與線下活動，將聯盟成員聯合起來并推廣Matter聯盟技術。隨著越來越多的公司和設備制造商采用Matter標準，將形成一個龐大的生態系統，越來越多的設備類型和功能納入標準中。除了傳統的智能家居設備，如燈光、開關、鎖、家電、安防設備、健康監測設備等設備類型均已加入到標準中，并且Matter的發展還會帶動云服務和智能化能力的提升，為大家帶來更便捷的智能家居體驗。 參考文獻 [1] CSA. The Foundation for connected Things,[EB/OL].[2023-06-02].https://csa-iot.org/all-solutions/matter/,2023 [2] CSA. connectedhomeip,[EB/OL].[2023-06-02].https://github.com/project-chip/connectedhomeip,2023 [3] Infineon. Getting started with Matter over Wi-Fi on PSoC 6 MCUs in ModusToolbox,[EB/OL].[2023-06-02].https://www.infineon.com/dgdl/In ... 0210187029c453e134c,2023 [4] Lily Li , Kai Cui .中國物聯網連接規模預測，2022—2026[EB/OL].[2023-06-02]. https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=CHC49950922. |
