基于RW612的Matter ZigBee Bridge和OTBR實現(xiàn)

背景

旨在推動智能家居設(shè)備間更便捷更安全互連互控的Matter標(biāo)準(zhǔn)使得基于IPv6協(xié)議的各類產(chǎn)品，如WiFi、OpenThread等得以很好的融合。但如何兼容海量存量智能家居市場，尤其是如何將那些不支持IPv6協(xié)議的諸如ZigBee，Z-Wave等非Matter設(shè)備接入統(tǒng)一的Matter環(huán)境就成為十分緊迫且重要的議題。

就技術(shù)角度而言，只有借助橋接Bridge機制才能實現(xiàn)Matter和Non-Matter協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，從而將ZigBee，Z-Wave等非Matter設(shè)備接入Matter網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)互連互控。出于成本考慮，橋接Bridge功能可以整合到Matter設(shè)備中，比如在MatterOverWiFi上實現(xiàn)Bridge Cluster的功能，通過對加入ZigBee Coordinator的ZB節(jié)點動態(tài)分配端點（EndPoint）的方式將其映射為Matter設(shè)備，從而使得Matter Controller（如樹莓派RaspberryPi或手機App）可以對其像標(biāo)準(zhǔn)的Matter設(shè)備一樣進行操控。

Matter ZigBee Bridge技術(shù)路線

Matter Bridge需要配合Non-Matter設(shè)備的網(wǎng)關(guān)，比如ZigBee Coordinator才能將ZigBee設(shè)備映射為Matter設(shè)備。就NXP的三模無線協(xié)議（Wifi/BLE/802.15.4）MCU RW612而言，考慮到RW612需要支持Matter OTBR，并且出于實際應(yīng)用中的性能考慮，不希望其片上802.15.4共享OpenThread和ZigBee協(xié)議，因此需要外接一顆K32W061完成ZigBee Coordinator的功能。

Matter ZigBee Bridge方案實現(xiàn)

圖1 RW612的EVK板外接K32061 ZigBee Coordinator

NXP的RW612采用ARM Cortext-M33核，主頻260MHz，片上RAM高達1.2MB，用戶可根據(jù)需要靈活選用不同容量的外部Flash。如圖1 所示：RW612作為MatterOverWiFi設(shè)備加入Matter網(wǎng)絡(luò)，片上的802.15.4模塊實現(xiàn)Matter OTBR功能， MatterOverThread節(jié)點，如Lighting和Switch等都可以通過該RW612的OTBR接入Matter網(wǎng)絡(luò)；同時通過RW612的UART外接K32061 ZigBee Coordinator，當(dāng)ZigBee設(shè)備加入該Coordinator時，后者將入網(wǎng)信息一并傳遞給RW612的Bridge模塊，后者就可以通過Matter標(biāo)準(zhǔn)中的Bridge Cluster為接入這個Zigbee Coordinator的所有ZigBee設(shè)備動態(tài)分配端點（EndPoint）從而將其映射為標(biāo)準(zhǔn)的Matter設(shè)備，這樣作為Non-Matter的ZigBee設(shè)備就可以被Matter Controller控制（如Light的ZR）或上報屬性（如ZED的Sensor）。

本文重點介紹圖2中紅色虛框的部分，即Matter ZigBee Bridge功能模塊，OTBR的具體實現(xiàn)可參考https://openthread.io/guides/border-router?hl=zh-cn

圖2 NXP Matter ZigBee Bridge + OTBR 實現(xiàn)

Matter ZB Bridge軟件架構(gòu)分為兩個部分（如圖3所示）：Matter Bridge模塊和對Bridged Matter Devices的控制（即圖中Bridged Interface），前者是如何為加入到ZB Coordinator的ZB節(jié)點動態(tài)分配EP，以便于Matter Controller的控制或收集上報事件，后者是從設(shè)備控制的角度，通過Matter的CLI用戶接口命令，控制ZB Coordinator建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)（Form ZB Network），允許ZB節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)（Permit Join），F(xiàn)actory Reset該ZB網(wǎng)絡(luò)，將入網(wǎng)ZB節(jié)點退網(wǎng)（Leave/Remove ZB node），枚舉入網(wǎng)的ZB節(jié)點等功能。 

圖3 Matter Zigbee Bridge軟件架構(gòu)

Matter Zigbee Bridge的具體工作流程如圖4所示：

圖4 RW612 Bridge通過Coordinator控制ZR/ZED的入網(wǎng)流程

ZB設(shè)備在加入ZB Coordinator時廣播的Device Announce消息被ZB Coordinator收到后轉(zhuǎn)發(fā)給RW612，后者通過UART讓ZB Coordinator向該ZB設(shè)備發(fā)Simple Descriptor Req uest命令，該ZB設(shè)備隨之回復(fù)Simple Descriptor Response，ZB Coordinator同樣將收到的這個Response消息轉(zhuǎn)發(fā)給RW612，由RW612解析其負載中的Input Cluster List（如圖5所示）

圖5 Simple Descriptor Response內(nèi)容

圖5中該入網(wǎng)ZB節(jié)點包含On/Off，Level Control和Color Control三個Cluster，說明這是個Color Light設(shè)備，如沒有Color Control Cluster，則該ZB就為Dimmable Light，若沒有Level Control Cluster，則該ZB就是OnOff Light。

圖4最后一步所示，用戶可根據(jù)需要將入網(wǎng)的ZB設(shè)備上相關(guān)的Clusters與ZB Coordinator進行綁定（Binding），這樣當(dāng)該Cluster下某些屬性Attributes的狀態(tài)發(fā)生變化，如開On變成關(guān)Off時，就會發(fā)消息給與之綁定的ZB Coordinator，由后者將該屬性狀態(tài)變化消息上報給RW612。

Matter ZigBee Bridge使用說明

1. 生成RW612的燒錄Image

1.1 從 https://github.?com?/NXP/matter/tree/v1.3.0.0-tag-nxp下載Matter代碼：

a) git clone -b v1.3.0.0-tag-nxp https://?github?.com/NXP/matter.git

b) cd matter && git submodule update –init --progress

1.2 從 https://github.?com?/nxp-appcodehub?/dm-matter-zigbee-bridge-rw612 下載MatterZigbee Bridge代碼

a) git clone: https://github.com/nxp-?appcodehub?/dm-matter-zigbee-bridge-rw612

b) 將對應(yīng)目錄下的文件覆蓋前面1.1步驟中對應(yīng)目錄下

1.3 在/matter目錄下執(zhí)行：

a)

source ./scripts/activate.sh && cd
examples/bridge-app/nxp/rt/rw61x/

b)

gn gen --args="chip_enable_wifi=true 
chip_enable_openthread=truechip_enable_matter_cli=true is_sdk_2_15=true
openthread_root="//third_party/connectedhomeip/third_party/openthread/ot-nxp/openthread-br" enable_bridge=true
rt_nvm_component="littlefs"" out/debug

c)

ninja -C out/debug

最后在out/debug下生成chip-rw61x-bridge-example文件，添加.axf后綴，使用MCUXpresso IDE v11.9.x燒錄到RW612中。

2. 燒錄K32W061 Zigbee Coordinator

為確保RW612與K32W061的UART通訊穩(wěn)定可靠，將JN-AN-1247缺省的波特率由1000000bps改為115200bps再進行編譯，然后將BinariesControlBridge_Full_GpProxy_115200ControlBridge_Full_GpProxy_115200.bin使用DK6Programmer.exe燒入K32W061中。

3. 建立Matter ZigBee Bridge的運行環(huán)境

3.1 將RW612作為MatterOverWiFi設(shè)備加入Matter的Controller，以樹莓派為例：

$ chip-tool pairing ble-wifi 1 SSID Passwd 20202021 3840

這里的SSID是WiFi路由器AP的服務(wù)集合標(biāo)識（Service Set Identifier），Passwd為對應(yīng)的密碼。當(dāng)RW612成功加入時，會在樹莓派的Console上打印的 Matter信息靠近結(jié)尾附近有：

“Device commissioning completed with success”

3.2 創(chuàng)建Openthread邊緣路由器(OTBR:Openthread Border Router）在RW612的CLI中依次輸入下列命令：

>otcli dataset init new
>otcli dataset panid 0xabcd   --- 0xabcd can be changed to other value
>otcli dataset channel 25       --- 25 can be changed between 11~26
>otcli dataset commit active
>otcli ifconfig up
>otcli thread start
>otcli state                              --- must wait till “l(fā)eader” state appears
>otcli dataset active –x           --- thread dataset used in chip-tool similar to following : 0e08000000000001000035060004001fffe002088711152e77458a490708fdcbf744a91020cb05100c208752e1bd2586f0a87ed481890312030f4f70656e5468726561642d633130640410d60d95cb5db1044086f7813e66de19020c0402a0f7f80102abcd0003000019

3.3 將MatterOverThread設(shè)備加入RW612 OTBR

以K32W148的Lighting App為例，在K32W148上按下SW2，該設(shè)備的串口打印：“Started BLE Advertising”

此時在樹莓派的Console上運行：

當(dāng)在樹莓派的Console上Matter打印信息靠近結(jié)尾附近出現(xiàn)：

“Device commissioning completed with success”

說明K32W148已成功加入RW612的OTBR，此時可在樹莓派的Console上運行：

$chip-tool onoff toggle 2 1

這里chip-tool后的第一個參數(shù)onoff是On/Off cluster，第二個參數(shù)是Toggle命令（也可以是On或Off命令），第三個參數(shù)2是該K32W148入網(wǎng)時使用的NodeID=2，最后一個參數(shù)1是OnOff Cluster所在的端點EndPoint值。

上述命令可以點亮K32W148上的LED，再次執(zhí)行該命令將關(guān)閉該LED。

3.4 運行Matter ZigBee Bridge

在RW612的CLI上依次運行下述命令：首先將ZB Coordinator置為出廠模式，然后在11頻道上建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并使能加網(wǎng):

這時將一個出廠模式的ZR彩燈（ColorLight）上電，很快就會在RW612的串口打印中出現(xiàn)：Add Color LightNode Type=3,Short=0x18d4,MAC=0x158d00031f1742,EP=12928

這里的EP=12928就是該ZB彩燈在Matter網(wǎng)絡(luò)中被動態(tài)分配的端點，如果有更多的ZB節(jié)點加入，則會有更多的動態(tài)EP依次遞增的（12929,12930…）被分配給這些ZB設(shè)備。

此時，被分配了動態(tài)EP的ZB節(jié)點就從Non-Matter設(shè)備變成了Matter設(shè)備，通過在樹莓派上運行chip-tool實現(xiàn)對其OnOff、LevelControl及ColorControl Cluster下各屬性的控制：

在上述各例子中：chip-tool后第一個參數(shù)是已注冊到Matter Bridge中的cluster，如onoff/levelcontrol/colorcontrol，接下去的各參數(shù)具體含義可通過:

chip-tool cluster command方式獲取，如：

chip-tool colorcontrol move-to-hue就會返回:

Hue Direction TransitionTime OptionsMask OptionsOverride destination-id endpoint-id-ignored-for-group-commands

對于Sensor這類ZED設(shè)備，通常這些節(jié)點的Cluster在入網(wǎng)時與ZB Coordinator進行了綁定（Binding），使得這些ZED具有相應(yīng)的屬性匯報功能，若某個屬性狀態(tài)發(fā)生變化就會自動上報，使RW612也同步獲知。

小結(jié)

NXP 三合一無線協(xié)議MCU RW612+K32W061的Matter ZigBee Bridge和OTBR方案是目前業(yè)界第一款融合了Matter ZigBee Bridge和OTBR的解決方案，具有系統(tǒng)簡單，性價比高等優(yōu)點。

此外，本文中這種RW612和K32W061的組合有兩套獨立的802.15.4接口，在Dual-PAN應(yīng)用場景下，相比使用單一802.15.4接口時OpenThread與ZigBee在不同PAN之間頻繁切換不可避免導(dǎo)致的丟包，本方案不存在頻段切換的問題，從而完全避免了這種局限性。這種優(yōu)勢在大網(wǎng)絡(luò)LNT環(huán)境下尤其明顯。