基于英飛凌MCU PSoC? 6的 Matter智能家居解決方案 實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化例程

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%。國(guó)內(nèi)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。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，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。

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)于開發(fā)者來(lái)說(shuō)，開發(fā)人員需要針對(duì)要支持的生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。CSA聯(lián)盟發(fā)起的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是什么

Matter是一套基于IPV6的應(yīng)用層協(xié)議，Matter采用了開源軟件開發(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)?？刂坪推渌僮魍ㄐ攀峭ㄟ^(guò)IPv6進(jìn)行的，而藍(lán)牙低功耗（Bluetooth?Low Energy）和NFC可以用于設(shè)備的配置。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還支持橋接其它智能家居技術(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。

圖1 Matter協(xié)議與TCP/IP和OSI協(xié)議并列圖

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。

◆ 較低的開發(fā)成本：只需構(gòu)建一次，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)（Wi-Fi-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/Wi-Fi/Wi-Fi + 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。

Matter智能家居生態(tài)

◆ 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。

圖2 Matter智能家居布局示例

基于PSoC? 6的Matter 方案

PSoC? 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，PSoC? 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)。

圖3  基于PSoC? 6的Matter解決方案系統(tǒng)框圖

◆ 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、WI-FI和Thread 15.4三種協(xié)議進(jìn)行通信。該解決方案展示了Matter over Wi-Fi和Matter over Thread。使用Matter over Wi-Fi進(jìn)行通信的智能門鎖使用了PSoC? 6作為應(yīng)用處理器。演示中的安全元件采用了OPTIGA? Trust M，配備了一個(gè)NFC讀卡器，并且使用AIROC?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XENSIV?傳感器系列中的60 GHz雷達(dá)傳感器，通過(guò)Matter over Wi-Fi與PSoC? 6和AIROC? WI-FI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 over Thread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 over Thread觸發(fā)門廊燈的開啟。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。

◆ 解鎖門的方法有三種：可以使用來(lái)自CIPURSE?系列的NFC卡，可以在由PSoC? 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。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PSoC? 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)化開發(fā)并提高智能家居設(shè)備之間的互操作性。

Matter作為一個(gè)開放的智能家居標(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?。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)。

本文作者：錢城都——英飛凌安全互聯(lián)系統(tǒng)事業(yè)部高級(jí)主任工程師

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