【導(dǎo)讀】連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（CSA）是一個由 550 家消費(fèi)設(shè)備制造商和芯片公司組成的聯(lián)盟，它定義了 Matter 標(biāo)準(zhǔn)，其愿景是讓智能家居設(shè)備的控制變得簡單、可靠和安全：用戶首選的應(yīng)用程序，例如亞馬遜的 Alexa、Google Home 或蘋果的 Siri，將能夠控制家中的任何經(jīng)過 Matter 認(rèn)證的設(shè)備，無論哪個品牌制造。
連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（CSA）是一個由 550 家消費(fèi)設(shè)備制造商和芯片公司組成的聯(lián)盟，它定義了 Matter 標(biāo)準(zhǔn)，其愿景是讓智能家居設(shè)備的控制變得簡單、可靠和安全：用戶首選的應(yīng)用程序，例如亞馬遜的 Alexa、Google Home 或蘋果的 Siri，將能夠控制家中的任何經(jīng)過 Matter 認(rèn)證的設(shè)備，無論哪個品牌制造。Matter 協(xié)議將支持各種常見的智能家居產(chǎn)品，包括照明和電氣設(shè)備、暖通空調(diào)控制、窗簾和遮陽簾、安防傳感器、門鎖、包括電視在內(nèi)的媒體設(shè)備、既是設(shè)備又是應(yīng)用的控制器，以及橋接器，如圖 1 所示。據(jù) CSA 的說法，將新設(shè)備接入 Matter 網(wǎng)絡(luò)將像掃描聯(lián)網(wǎng)智能手機(jī)上的二維碼或輕觸手機(jī)建立NFC連接一樣簡單。
正如 CSA 網(wǎng)站所說，“Matter 是智能設(shè)備可靠協(xié)作的認(rèn)證標(biāo)志，消除了購買過程中的不確定性。這種信任讓您可以從更廣泛的您喜愛的品牌中進(jìn)行選擇，并為您帶來安全、無縫的智能家居體驗(yàn)。”
圖 1：帶有 Matter 標(biāo)志的設(shè)備可以相互通信。
CSA Matter 計(jì)劃得到了消費(fèi)電子行業(yè)巨頭的支持，包括蘋果、三星、谷歌、亞馬遜、Signify、LG、華為和 Oppo：似乎不太可能出現(xiàn)任何競爭對手來與其競爭。因此，家居自動化產(chǎn)品設(shè)計(jì)者很可能很快就會被要求將 Matter 技術(shù)應(yīng)用到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)者可能還需要在現(xiàn)有產(chǎn)品上增加Matter支持。
在啟動 Matter 設(shè)計(jì)項(xiàng)目之前，工程師可以從富昌電子的早期經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。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(dǎo)體和恩智浦半導(dǎo)體緊密合作，為照明行業(yè)的客戶開發(fā)了符合 Matter 標(biāo)準(zhǔn)的原型和量產(chǎn)設(shè)計(jì)。CoE 的經(jīng)驗(yàn)表明，雖然 Matter 協(xié)議在很大程度上實(shí)現(xiàn)了為開發(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(jù) CSA 的說法，Matter 協(xié)議是“統(tǒng)一的、開源的、應(yīng)用層連接標(biāo)準(zhǔn)”，如圖 2 所示。這意味著它依賴于傳輸數(shù)據(jù)的物理傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時又獨(dú)立于這些網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)設(shè)計(jì)，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{(lán)牙? 連接將終端設(shè)備與 Thread 或 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)配對，但不能用于傳輸 Matter 數(shù)據(jù)。
該標(biāo)準(zhǔn)使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版（IPv6）作為 Matter 設(shè)備的通用語言。
圖 2：Matter 技術(shù)的架構(gòu)，顯示它作為獨(dú)立于物理傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層運(yùn)行。
Matter 規(guī)范詳細(xì)說明了實(shí)現(xiàn) Matter 應(yīng)用和傳輸層堆棧所需的一切。Matter 項(xiàng)目的源代碼可從 CSA 的GitHub 頁面 github.com/project-chip 下載。
Matter 開發(fā)項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)建一種可廣泛部署在各種智能家居設(shè)備上的協(xié)議，不僅是那些具有強(qiáng)大計(jì)算能力的設(shè)備，如 Wi-Fi 路由器或智能電視，還包括智能燈泡、門鈴和燈開關(guān)等通?；谖⒖刂破鞯漠a(chǎn)品。
正如 Matter GitHub 頁面所述，“這些協(xié)議通過利用IP技術(shù)并能夠在低能力設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的可部署性和可訪問性?！盡atter 規(guī)范還支持 Linux? 操作系統(tǒng)（適用于具有更高計(jì)算能力的設(shè)備）和 FreeRTOS 操作系統(tǒng)（適用于資源受限的設(shè)備）。
SoC制造商對Matter支持的現(xiàn)狀
Matter 技術(shù)的許多實(shí)現(xiàn)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(tǒng) (SoC)，因?yàn)樵搮f(xié)議旨在與硬件無關(guān)，盡管該規(guī)范要求無線更新能（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(shè)計(jì)人員能夠從 github.com/project-chip 下載 Matter 源代碼到他們的目標(biāo)硬件，協(xié)議軟件的核心可以進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)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 專家的工程師來說，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 軟件開發(fā)套件（SDK）。但這樣一來，設(shè)計(jì)人員就會遇到 Matter 兼容 MCU 稀缺的問題。一家迅速采取行動，將 Matter 兼容性構(gòu)建到其 MCU 產(chǎn)品中的制造商是意法半導(dǎo)體。
ST的 SDK 通過其 X-CUBE-Matter 軟件開發(fā)套件為 32 位 MCU 環(huán)境提供了優(yōu)化和簡化的 Matter 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。ST 也在快速推進(jìn)工作，以在整個 STM32 生態(tài)系統(tǒng)中建立對 Matter 的支持。例如，設(shè)計(jì)實(shí)施需要對設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)描述。這可以使用 Zigbee Cluster Library (ZCL) Advanced Platform (ZAP) 工具來完成。CSA 是 Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)和 Matter 協(xié)議的發(fā)布者。
ZAP 工具使開發(fā)人員能夠：
· 根據(jù)ZCL規(guī)范執(zhí)行SDK特定的定制化生成，包括所有全局工件、常量、類型、ID等
· 為設(shè)計(jì)人員提供用戶界面，以選擇特定的應(yīng)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)施提供簡化的開發(fā)環(huán)境。
Matter 設(shè)計(jì)項(xiàng)目中遇到的常見挑戰(zhàn)
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(yàn)，使用意法半導(dǎo)體STM32WB5MMG 2.4 GHz 無線 MCU 模塊作為硬件基礎(chǔ)，如圖 3 所示。此 ST 模塊支持 Thread 和低功耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)。CoE 的經(jīng)驗(yàn)表明，雖然 Matter 規(guī)范旨在方便開發(fā)人員和終端用戶，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)議往往會占用大量 RAM。Matter 規(guī)范 v1.1 版改進(jìn)了 1.0 版的這一缺點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來版本會更好。但對于設(shè)計(jì)人員來說，在所選硬件目標(biāo)中仔細(xì)指定 RAM 容量非常重要。
減少對 MCU RAM 資源依賴的有效方法是在外部安全元件（例如 NXP EdgeLock? SE051H）中實(shí)現(xiàn) Matter 協(xié)議的加密和其他安全功能，如圖 4 所示。SE051H 提供擴(kuò)展的 Matter 支持，包括：
· 提供設(shè)備認(rèn)證證書和基于證書的身份驗(yàn)證
· 通用標(biāo)準(zhǔn) EAL 6+ 認(rèn)證
· 通過 NFC 進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和輕松 Wi-Fi 配對
· 使用 NXP Matter 產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)生成 Matter 憑證
· 使用 NXP EdgeLock 2GO 服務(wù)在 NXP 或客戶工廠進(jìn)行憑證預(yù)注入
· 全面支持 Matter 調(diào)試中的加密，包括 SPAKE2+
· 經(jīng)過安全認(rèn)證的保護(hù)，以及面向未來的解決方案，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 板兼容開發(fā)套件，它集成了 NFC 功能，可簡化智能家居中 Matter 設(shè)備的安全接入。
認(rèn)證：始終是嵌入式開發(fā)團(tuán)隊(duì)的難題，而且由于需要獨(dú)立于 Thread 或 Wi-Fi 認(rèn)證流程來單獨(dú)驗(yàn)證 Matter 兼容性，使得認(rèn)證過程更加復(fù)雜，如圖5所示。
圖 5：Thread 或 Wi-Fi 兼容設(shè)備的 Matter 認(rèn)證工作流程。
使用意法半導(dǎo)體器件（例如 STM32WB5 系列的無線 MCU）在這方面很有幫助：ST 發(fā)布了 Matter 認(rèn)證手冊，并提供第三方認(rèn)證支持。此外，一些 ST 器件（包括 STM32WB5MMG 模塊）已預(yù)先認(rèn)證為符合 RF 和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，其證書可以直接轉(zhuǎn)移到終端產(chǎn)品而無需額外驗(yàn)證。
盡管如此，每個 Matter 認(rèn)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(fèi)用。此外，CSA 通過稱為產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu) (PAA) 的代理提供某些 ID 憑證、設(shè)備認(rèn)證證書和證書聲明。設(shè)備 ID 使生產(chǎn)單元能夠被 Matter 固件識別。
獲取這些設(shè)備認(rèn)證憑證可能會成為開發(fā)過程中的瓶頸。
連接性：在 Matter 協(xié)議 1.0 版中，CoE 遇到了線程連接間歇性丟失的問題。原因有很多，包括上面強(qiáng)調(diào)的 RAM 問題。此外，當(dāng) Thread 設(shè)備斷電然后重新啟動時，需要向主機(jī)網(wǎng)絡(luò)重新注冊其安全憑證。
這些問題已在 Matter 固件 v1.1 版中得到修復(fù)。這意味著開發(fā)人員應(yīng)確保他們使用的是 Matter 規(guī)范的最新版本?？紤]到自首個 Matter 規(guī)范發(fā)布以來的時間較短，出現(xiàn)錯誤的可能性并不令人驚訝。開發(fā)人員可以期待在未來幾個月和幾年內(nèi)會有多個更新發(fā)布。
開始實(shí)施 Matter 設(shè)計(jì)
對于基于 MCU 的設(shè)計(jì)，截至2024年上半年，意法半導(dǎo)體、恩智浦、英飛凌、瑞薩和樂鑫科技的產(chǎn)品已經(jīng)提供 Matter 軟件支持。
想要開始實(shí)施 Matter 認(rèn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員可以使用 ST 開發(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(xiàn)Matter協(xié)議的經(jīng)驗(yàn)的詳細(xì)指導(dǎo)。
圖 6：意法半導(dǎo)體的 STM32WB5MM-DK Discovery套件為開發(fā) Matter 認(rèn)證設(shè)備提供了豐富的開發(fā)環(huán)境。
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