【導讀】連接標準聯(lián)盟（CSA）是一個(gè)由 550 家消費設備制造商和芯片公司組成的聯(lián)盟，它定義了 Matter 標準，其愿景是讓智能家居設備的控制變得簡(jiǎn)單、可靠和安全：用戶(hù)首選的應用程序，例如亞馬遜的 Alexa、Google Home 或蘋(píng)果的 Siri，將能夠控制家中的任何經(jīng)過(guò) Matter 認證的設備，無(wú)論哪個(gè)品牌制造。
連接標準聯(lián)盟（CSA）是一個(gè)由 550 家消費設備制造商和芯片公司組成的聯(lián)盟，它定義了 Matter 標準，其愿景是讓智能家居設備的控制變得簡(jiǎn)單、可靠和安全：用戶(hù)首選的應用程序，例如亞馬遜的 Alexa、Google Home 或蘋(píng)果的 Siri，將能夠控制家中的任何經(jīng)過(guò) Matter 認證的設備，無(wú)論哪個(gè)品牌制造。Matter 協(xié)議將支持各種常見(jiàn)的智能家居產(chǎn)品，包括照明和電氣設備、暖通空調控制、窗簾和遮陽(yáng)簾、安防傳感器、門(mén)鎖、包括電視在內的媒體設備、既是設備又是應用的控制器，以及橋接器，如圖 1 所示。據 CSA 的說(shuō)法，將新設備接入 Matter 網(wǎng)絡(luò )將像掃描聯(lián)網(wǎng)智能手機上的二維碼或輕觸手機建立NFC連接一樣簡(jiǎn)單。
正如 CSA 網(wǎng)站所說(shuō)，“Matter 是智能設備可靠協(xié)作的認證標志，消除了購買(mǎi)過(guò)程中的不確定性。這種信任讓您可以從更廣泛的您喜愛(ài)的品牌中進(jìn)行選擇，并為您帶來(lái)安全、無(wú)縫的智能家居體驗?！?/p>
圖 1：帶有 Matter 標志的設備可以相互通信。
CSA Matter 計劃得到了消費電子行業(yè)巨頭的支持，包括蘋(píng)果、三星、谷歌、亞馬遜、Signify、LG、華為和 Oppo：似乎不太可能出現任何競爭對手來(lái)與其競爭。因此，家居自動(dòng)化產(chǎn)品設計者很可能很快就會(huì )被要求將 Matter 技術(shù)應用到新產(chǎn)品設計中。設計者可能還需要在現有產(chǎn)品上增加Matter支持。
在啟動(dòng) Matter 設計項目之前，工程師可以從富昌電子的早期經(jīng)驗中學(xué)習。這家位于波蘭格但斯克的嵌入式工程卓越中心（CoE）與芯片公司意法半導體和恩智浦半導體緊密合作，為照明行業(yè)的客戶(hù)開(kāi)發(fā)了符合 Matter 標準的原型和量產(chǎn)設計。CoE 的經(jīng)驗表明，雖然 Matter 協(xié)議在很大程度上實(shí)現了為開(kāi)發(fā)人員提供即插即用技術(shù)的承諾，但仍有一些重要的硬件和軟件因素需要考慮。
Matter 協(xié)議的基本特征
據 CSA 的說(shuō)法，Matter 協(xié)議是“統一的、開(kāi)源的、應用層連接標準”，如圖 2 所示。這意味著(zhù)它依賴(lài)于傳輸數據的物理傳輸網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)又獨立于這些網(wǎng)絡(luò )。根據設計，Matter 協(xié)議與 Thread、Wi-Fi? 和以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò )兼容?？梢允褂玫凸乃{牙? 連接將終端設備與 Thread 或 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )配對，但不能用于傳輸 Matter 數據。
該標準使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版（IPv6）作為 Matter 設備的通用語(yǔ)言。
圖 2：Matter 技術(shù)的架構，顯示它作為獨立于物理傳輸網(wǎng)絡(luò )的應用層運行。
Matter 規范詳細說(shuō)明了實(shí)現 Matter 應用和傳輸層堆棧所需的一切。Matter 項目的源代碼可從 CSA 的GitHub 頁(yè)面 github.com/project-chip 下載。
Matter 開(kāi)發(fā)項目的目標是創(chuàng )建一種可廣泛部署在各種智能家居設備上的協(xié)議，不僅是那些具有強大計算能力的設備，如 Wi-Fi 路由器或智能電視，還包括智能燈泡、門(mén)鈴和燈開(kāi)關(guān)等通?；谖⒖刂破鞯漠a(chǎn)品。
正如 Matter GitHub 頁(yè)面所述，“這些協(xié)議通過(guò)利用IP技術(shù)并能夠在低能力設備上實(shí)現，具有廣泛的可部署性和可訪(fǎng)問(wèn)性?！盡atter 規范還支持 Linux? 操作系統（適用于具有更高計算能力的設備）和 FreeRTOS 操作系統（適用于資源受限的設備）。
SoC制造商對Matter支持的現狀
Matter 技術(shù)的許多實(shí)現將在微控制器環(huán)境中進(jìn)行。理論上，OEM 可以選擇將 Matter 軟件移植到任何選擇的片上系統 (SoC)，因為該協(xié)議旨在與硬件無(wú)關(guān)，盡管該規范要求無(wú)線(xiàn)更新能（OTA）力，而這本身需要外部閃存。
但截至 2024 年初，一些 MCU 制造商為 Matter 技術(shù)提供了廣泛的支持；其他則根本不支持。
為什么這很重要？從理論上講，畢竟，設計人員能夠從 github.com/project-chip 下載 Matter 源代碼到他們的目標硬件，協(xié)議軟件的核心可以進(jìn)行優(yōu)化，以適應幾乎任何具有至少 500 KB 可用存儲容量的 MCU。
實(shí)際上，對于任何不是 Matter 專(zhuān)家的工程師來(lái)說(shuō)，這都是非常困難的。更好的方法是使用該 MCU 制造商為任何給定 MCU 編譯的 Matter 軟件開(kāi)發(fā)套件（SDK）。但這樣一來(lái)，設計人員就會(huì )遇到 Matter 兼容 MCU 稀缺的問(wèn)題。一家迅速采取行動(dòng)，將 Matter 兼容性構建到其 MCU 產(chǎn)品中的制造商是意法半導體。
ST的 SDK 通過(guò)其 X-CUBE-Matter 軟件開(kāi)發(fā)套件為 32 位 MCU 環(huán)境提供了優(yōu)化和簡(jiǎn)化的 Matter 協(xié)議實(shí)現。ST 也在快速推進(jìn)工作，以在整個(gè) STM32 生態(tài)系統中建立對 Matter 的支持。例如，設計實(shí)施需要對設備進(jìn)行詳細描述。這可以使用 Zigbee Cluster Library (ZCL) Advanced Platform (ZAP) 工具來(lái)完成。CSA 是 Zigbee 標準和 Matter 協(xié)議的發(fā)布者。
ZAP 工具使開(kāi)發(fā)人員能夠：
· 根據ZCL規范執行SDK特定的定制化生成，包括所有全局工件、常量、類(lèi)型、ID等
· 為設計人員提供用戶(hù)界面，以選擇特定的應用程序配置、集群、屬性、命令
ST 正在將 ZAP 工具集成到 STM32CubeMX 中間件中，為 Matter 實(shí)施提供簡(jiǎn)化的開(kāi)發(fā)環(huán)境。
Matter 設計項目中遇到的常見(jiàn)挑戰
位于格但斯克的富昌電子卓越中心（CoE）在將 Matter 功能嵌入智能照明產(chǎn)品方面積累了豐富的經(jīng)驗，使用意法半導體STM32WB5MMG 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn) MCU 模塊作為硬件基礎，如圖 3 所示。此 ST 模塊支持 Thread 和低功耗藍牙網(wǎng)絡(luò )。CoE 的經(jīng)驗表明，雖然 Matter 規范旨在方便開(kāi)發(fā)人員和終端用戶(hù)，但仍存在一些工程師需要注意的缺陷。
圖3：STM32WB5MMG模塊采用緊湊的7.3 mm x 11 mm x 1.4 mm 86針LGA封裝。
存儲器使用：Matter 協(xié)議往往會(huì )占用大量 RAM。Matter 規范 v1.1 版改進(jìn)了 1.0 版的這一缺點(diǎn)，預計未來(lái)版本會(huì )更好。但對于設計人員來(lái)說(shuō)，在所選硬件目標中仔細指定 RAM 容量非常重要。
減少對 MCU RAM 資源依賴(lài)的有效方法是在外部安全元件（例如 NXP EdgeLock? SE051H）中實(shí)現 Matter 協(xié)議的加密和其他安全功能，如圖 4 所示。SE051H 提供擴展的 Matter 支持，包括：
· 提供設備認證證書(shū)和基于證書(shū)的身份驗證
· 通用標準 EAL 6+ 認證
· 通過(guò) NFC 進(jìn)行設備調試和輕松 Wi-Fi 配對
· 使用 NXP Matter 產(chǎn)品認證機構生成 Matter 憑證
· 使用 NXP EdgeLock 2GO 服務(wù)在 NXP 或客戶(hù)工廠(chǎng)進(jìn)行憑證預注入
· 全面支持 Matter 調試中的加密，包括 SPAKE2+
· 經(jīng)過(guò)安全認證的保護，以及面向未來(lái)的解決方案，在防篡改 IC 和可更新小程序中提供安全密鑰存儲
圖 4：恩智浦OM-SE051ARD-H 是一款適用于 EdgeLock SE051H 安全元件的 Arduino 板兼容開(kāi)發(fā)套件，它集成了 NFC 功能，可簡(jiǎn)化智能家居中 Matter 設備的安全接入。
認證：始終是嵌入式開(kāi)發(fā)團隊的難題，而且由于需要獨立于 Thread 或 Wi-Fi 認證流程來(lái)單獨驗證 Matter 兼容性，使得認證過(guò)程更加復雜，如圖5所示。
圖 5：Thread 或 Wi-Fi 兼容設備的 Matter 認證工作流程。
使用意法半導體器件（例如 STM32WB5 系列的無(wú)線(xiàn) MCU）在這方面很有幫助：ST 發(fā)布了 Matter 認證手冊，并提供第三方認證支持。此外，一些 ST 器件（包括 STM32WB5MMG 模塊）已預先認證為符合 RF 和藍牙標準，其證書(shū)可以直接轉移到終端產(chǎn)品而無(wú)需額外驗證。
盡管如此，每個(gè) Matter 認證終端產(chǎn)品的制造商都必須在 CSA 注冊：注冊需要支付大量費用。此外，CSA 通過(guò)稱(chēng)為產(chǎn)品認證機構 (PAA) 的代理提供某些 ID 憑證、設備認證證書(shū)和證書(shū)聲明。設備 ID 使生產(chǎn)單元能夠被 Matter 固件識別。
獲取這些設備認證憑證可能會(huì )成為開(kāi)發(fā)過(guò)程中的瓶頸。
連接性：在 Matter 協(xié)議 1.0 版中，CoE 遇到了線(xiàn)程連接間歇性丟失的問(wèn)題。原因有很多，包括上面強調的 RAM 問(wèn)題。此外，當 Thread 設備斷電然后重新啟動(dòng)時(shí)，需要向主機網(wǎng)絡(luò )重新注冊其安全憑證。
這些問(wèn)題已在 Matter 固件 v1.1 版中得到修復。這意味著(zhù)開(kāi)發(fā)人員應確保他們使用的是 Matter 規范的最新版本?？紤]到自首個(gè) Matter 規范發(fā)布以來(lái)的時(shí)間較短，出現錯誤的可能性并不令人驚訝。開(kāi)發(fā)人員可以期待在未來(lái)幾個(gè)月和幾年內會(huì )有多個(gè)更新發(fā)布。
開(kāi)始實(shí)施 Matter 設計
對于基于 MCU 的設計，截至2024年上半年，意法半導體、恩智浦、英飛凌、瑞薩和樂(lè )鑫科技的產(chǎn)品已經(jīng)提供 Matter 軟件支持。
想要開(kāi)始實(shí)施 Matter 認證產(chǎn)品設計的設計人員可以使用 ST 開(kāi)發(fā)套件，例如圖 5 中用于 STM32WB5MMG 模塊的 STM32WB5MM-DK Discovery 套件。富昌電子的嵌入式工程卓越中心（CoE）可以提供基于在STM32WB5MMG上實(shí)現Matter協(xié)議的經(jīng)驗的詳細指導。
圖 6：意法半導體的 STM32WB5MM-DK Discovery套件為開(kāi)發(fā) Matter 認證設備提供了豐富的開(kāi)發(fā)環(huán)境。
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