利用Matter实现无缝智能家居连接
引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202401/454507.htm如今我们家中的任何设备（包括门铃、洒水器、车库开门器、炉灶、洗衣机和壁炉等等）都可以通过互联网进行连接和控制，因此这些设备的兼容性就成了我们打造高品质智能家居解决方案的过程中一个无法回避的问题。
如何才能使这些生产厂商、通信技术与连接协议各不相同的设备协同工作，或是由同一台中央家居辅助设备进行统一管理呢？
了解智能家居的发展历程
回顾智能家居的发展史，有助于我们了解那些为Matter的发展打下坚实基础的关键技术。
家庭用电问世后不久，工程界就兴起了一种推动家务自动化和相关家电互联的家居设计理念。早在1950年，全球首个智能家居解决方案就登上了《大众机械》杂志的封面。顾名思义，“按钮庄园(Push Button Manor)”可通过位于房屋墙壁、天花板和地板内的固定走线，实现各种开关、灯具以及家用电器等设施的按钮式互联。
很快，到了1969年，西屋电器就利用自家的计算模块打造出了第一款采用计算机控制方案的智能家居系统。这个名为“EchoIV”的原创设计系统于半个世纪之前在宾夕法尼亚州的匹斯堡首次亮相；该系统可以实现许多与现代化家庭助手（如Amazon的Echo）相同的控制操作和功能。
在“按钮庄园”和EchoIV智能家居解决方案当中，设计人员已经对如何利用智能连接的电子设备使家庭生活变得更加轻松、高效和愉悦有了十分完善的构思。但遗憾的是，当时的技术力远远无法实现他们的奇思妙想。
1975年，PicoElectronics推出了一款名为的全新自动化协议，该协议后来成为了第一个得到广泛应用的家居设备通信标准。通过电力线调制，X10协议成功打造出了一个由接入家用交流电源线路的设备组成的网络。用户可对控制器、定时器甚至墙上的灯具开关进行专门配置，以便控制灯泡、家电、恒温器以及其他设备完成最常见的家居自动化任务。尽管结构简单且功能有限，但X10系统却深受大众欢迎，且时至今日仍活跃在家居领域。
Matter能确保使用各种IP技术的智能家居和智能楼宇设备之间实现无缝交互。该标准可让不同品牌的产品安全顺畅地进行交互，同时保障数据隐私安全。Matter应用层能够在开源交付和认证基础架构中处理诸多应用，因而广受业内欢迎。
智能家居领域的最后一位重磅选手，即风靡全球的互联网连接系统于20世纪80年代末正式登上了历史舞台。局域网和高速数据连接的出现为家居自动化行业开辟了一个充满机遇的新世界，而这个世界正随着各种无线标准、蜂窝连接和云计算的诞生而不断发展和成熟。到了2010年，我们家中绝大部分的电子设备都能够通过智能手机与互联网直接或间接相连，从而拉开了物联网(IoT)时代的序幕。
图1 - 1950年至今的智能家居技术发展历程。
智能家居协议
要理解Matter针对碎片化的智能家居市场不断发展进化的过程，我们首先需要了解一下联网设备的现状以及各种适用于现代家居自动化的标准。
以太网和Wi-Fi
从最基本的层面来讲，所有联网设备都必须为终端用户提供两种关键特性，即安全性和易用性。从以往经验来看，这两种特性通常无法兼顾，因为安全性较高的设备往往难于进行设置和集成。我们可以根据应用的种类和数据吞吐量对市场进行进一步的划分。需要以较高数据速率来播放流媒体视频或音乐的设备在用电方面通常不会受到限制，而外设传感器等数据速率要求较低的设备则往往采用电池供电的方式，且有时电池无法拆卸。为了满足上述不同的设备需求，在过去十年间已有多种安全性和易用性都十分出色的通信技术应运而生。对于高吞吐量应用，有线以太网和Wi-Fi技术已变得无处不在。而对于低吞吐量应用，802.15.4标准则牢牢占据了主导地位（最常见于Thread和ZigBee架构）。
自20世纪70年代初问世以来，以太网就一直是主流的网络技术，并与互联网协议(IP)一同成为了构成整个互联网的重要技术支柱。以太网采用IEEE802.3标准，常用于构建支持计算机通过有线连接以较高数据速率相互通信的局域网(LAN)。在智能家居的应用范围内，视频摄像头、电视和家庭助手等一些设备可直接通过有线方式接入以太网LAN。
而Wi-Fi则可被视为以太网的无线扩展，使用户无需借助任何物理电缆即可完成局域网的搭建。如今，大多数家庭都同时应用了Wi-Fi和以太网技术；它们采用了相同的标准且都需要遵循IEEE802.11规范，可为连接各类智能家居设备提供灵活且强大的技术支持。
图2-现代智能家居的一个示例。
Matter
如图3所示，Matter是一个高级标准层，它立足于使用以太网、Wi-Fi或Thread构建网络的IP连接设备。这个标准层的主要作用是实现设备、应用与网络硬件之间的兼容性和互操作性。
过去，低功耗的传感器和控制设备必须借助专有的硬件集线器和应用才能接入更大的家庭网络或是互联网。由于终端用户所使用的硬件、软件和连接选项五花八门，这会使生态系统变得支离破碎。举个例子，某位房主可能会安装Wi-Fi网络，购买一款基于Zigbee的门锁，并希望在自己的Apple手机上通过Amazon家庭助手来对其进行控制。他的要求并非不可实现，但解决方案并不完美；这一过程需要用到许多移动部件，且如果相关软件或硬件在将来发生了任何变动，系统的稳定性就会受到很大影响。
图3 - Matter以及支撑其运行的IPv6、Wi-Fi、Thread、BLE和以太网技术。
而在Matter的帮助下，所有利益相关者都可确保自己的设备能够协同运行，且能够轻松实现互联。
IEEE802.15.4和2.4-GHz网状网络
为满足依靠电池供电的无线联网设备的相关需求，工作人员开发出了一些数据速率较低但能耗表现更佳的网络协议，例如可针对低延迟、低速传感器和控制应用提供网状网络连接的IEEE802.15.4等等。网状网络允许设备相互连接并在整个设备网络内传递数据。这样，用户即可在无需部署中央集线器或路由器的情况下，利用低功耗发射器实现远程通信。IEEE802.15.4标准诞生于2003年，所采用的是2.4GHz频段。此类网络通常被称为无线个域网络(WPAN)，主要面向最高250Kb/s的数据速率以及10至30米的传输范围。在家居自动化领域，此类网络非常适合灯具开关或是采用电池供电的小型传感器节点等简单设备。用户可利用网状网络拓扑实现设备的相互连接，并利用成熟的加密技术为其提供安全保障。
第一个采用802.15.4标准并得到广泛应用的协议Zigbee诞生于2005年。该协议仅凭一个Zigbee集线器即可轻松集成到基于IP的传统家庭网络当中，因此深受广大物联网设备制造商的欢迎。在将近二十年的时间里，Zigbee不断发展完善并增添了诸多特性，例如更远的应用距离、更强的安全性能以及全新的路由拓扑等等。
2016年，一个基于802.15.4标准的新协议登上了历史舞台；它既拥有一些与Zigbee非常相似的特性，又拥有一些关键的独到之处。这个新协议名为Thread，也可用于在2.4GHz频段搭建低功耗的网状网络。但这个协议的关键优势在于，它可以为Thread设备分配IP地址。只要网状网络中包含了所谓的“边界路由器”（同时支持ThreadRadio技术的以太网或Wi-Fi设备），用户即可使用基于互联网的传统工具来访问Thread设备。这使得制造商和开发人员能够在各种网络和用户应用中实现设备的灵活连接。值得注意的是，不同于Zigbee，Thread与协议中决定终端用户接口的最高层级——应用层无关。这就要求开发人员针对给定的应用打造专门的解决方案，而不是完全依赖预先确定好的规范。
在过去的几年中，Thread得到了持续的支持和发展，而这要得益于它所采用的各种成熟的开源标准。2019年，包括Apple、Google、Samsung和Amazon在内的几家规模最大的消费品制造企业宣布成立联盟，以求利用Thread、Wi-Fi和低功耗蓝牙(BLE)等技术来改善智能家居设备之间的互操作性和兼容性。他们推出的新系统被命名为“ProjectCHIP”（ConnectedHomeoverIP，意为“利用IP连接家庭”），它的诞生可能对家居自动化的未来起到决定性的作用。2021年，刚刚成立的连接标准联盟(CSA)将ProjectCHIP重新命名为“Matter”。
图4 -无线联网设备向Matter演进的历史。
MATTER有哪些优势？
Matter能确保使用各种IP技术的智能家居和智能楼宇设备之间实现无缝交互。该标准可让不同品牌的产品安全顺畅地进行交互，同时保障数据隐私安全。
•低功耗解决方案，适合电池供电设备
•综合生态系统，便于快速开发
•支持多种无线通信协议，满足Matter要求
•可靠的安全性能和数据隐私机制，可为消费者提供有效的保护
低功耗蓝牙(BLE)与配网
蓝牙技术经常被称作是实现Matter应用的重要一环。尽管蓝牙技术中确实涵盖了网络功能，但Matter生态系统只是将该技术用于配置，且并未将其视为不可或缺的元素。虽然用户可以通过多种方式配置Matter设备并将其添加到网络中，但BLE无疑是最简单易用的方式之一。确切地说，低功耗蓝牙(BLE)无线协议是一种易于实现的轻量级解决方案，可在将硬件设备接入网络之前与之进行安全通信。用户可以通过任何智能手机或是其他支持BLE功能的硬件执行Wi-Fi认证、设置甚至真实性检查。他们只需用手机相机扫描设备的二维码，系统就会自动完成其余的步骤。如今，利用BLE完成接入的方法已受到许多制造商的青睐；该方法几乎可以保证用户能够顺利连接到新购置的设备。
意法半导体提供易于使用的先进低功耗蓝牙解决方案包含片上系统(SoC)、巴伦、以及STM32微控制器，辅以丰富的评估和开发环境，可加快上市时间。
图5-可展示各类不同设备的系统拓扑结构。
MATTER的发展历程
考虑到智能家居连接漫长的发展史，人们将Matter演进的过程中涉及到的一些组织弄混也就不足为奇了。2002年，为了回应Zigbee标准的早期开发成果，一些公司聚在一起组成了Zigbee联盟。他们提出了“开发、改进和推广能够使所有对象安全连接与互动的通用开放标准，从而引领物联网行业的创新与协作热潮”的明确目标。当时，Zigbee协议堪称物联网连接领域当仁不让的行业先驱。然而，Zigbee联盟并不满足于仅仅关注802.15.4标准，很快就将目光转移到了其他领域，例如绿色能源、家庭娱乐以及Zigbee框架之外的应用等等。因此在2021年，该联盟改组为连接标准联盟(CSA)。
2019年，多家公司联合打造了“利用IP连接家庭”项目(CHIP)；这个新成果的诞生，为碎片化的家居自动化市场带来了终极的标准。Amazon、Apple、Google、Samsung以及Zigbee联盟（不久更名为CSA）是这个项目的发起者，他们所关注的重点是尽量提升智能家居设备（包括主电源插头、电灯和开关、门锁、恒温器和暖通空调控制器、百叶窗和遮阳帘、家庭安全传感器、电视和流媒体视频播放器等等）的兼容性和易用性。
随后，ProjectCHIP于2021年被重新命名为Matter，同时IKEA、华为和Schneider等一些公司加入了联盟，且CSA也完成了更名。
Matter是第一个真正实现各类联网设备协同运作的协议。在最高层级上，Google、Apple、Facebook和Amazon可以提供支持Matter的智能助手。各大设备供应商已将Matter协议应用到了自家的智能手机、平板电脑和其他电子控制器当中。家居自动化设备制造商正在制造兼容Matter的开关、传感器和家电。而像意法半导体这样的集成电路公司正在将Matter协议纳入自己的芯片设计当中，以确保该协议与Wi-Fi无线电、BLE无线电以及其他重要硬件特性相兼容。
这种关于Matter标准的垂直整合正是该协议应用如此广泛，且有可能改变智能家居连接格局的主要原因。这将是智能家居第一次能够达到我们在可持续发展、能源节约和便利性方面设下的较高水平的目标。例如，房主和电力供应商可根据实际的家用电器数据共同商讨节能目标和相关的激励措施。此外，用户还可以借助自动化的调度、报告和功能定制来优化电器性能，以确保达到上述目标。最终，Matter生态系统内的用户将享受到更优的性能、定制化的使用体验以及更低的整体成本，而其他利益相关者也可以达到各自的可持续发展和盈利目标。
MATTER将拥有长久的生命力
我们花费了将近75年的时间，终于打造出了一种能够实现最初的智能家居愿景的标准化技术。凭借基于成熟连接标准的IP寻址的强大性能和稳定性，Matter可在众多应用中确保有线设备与无线设备的互操作性。这将使消费者和制造商都能够从中获益：消费者能够得到无缝的使用体验以及顺畅的设置过程；制造商则无需打造一个完全封闭的产品生态系统，而是可以在设计人员和开发人员的帮助下，依靠第三方应用将产品快速推向市场。
如图6所示，一套围绕Matter打造的智能家居将包含Wi-Fi设备、有线设备、Thread设备以及互联网网关。消费者可将智能家居助手用作Matter控制器，并通过低功耗蓝牙(BLE)低功耗技术将新设备轻松接入自家网络。
图6-利用Matter打造的智能家居。
对于传统设备，用户可通过两种方案将其接入现代化的Matter系统。如果该设备支持通过Wi-Fi、以太网或Thread进行基于IP的通信，则制造商将可以为其提供兼容Matter的升级路径。如果该设备使用的是非IP通信系统，则用户可利用Matter提供的专用总线桥路径将其整合到Matter生态系统中。因此无论怎样，我们都能找到一个统一的智能家居协议，并有效缓解用户对现有硬件面临淘汰的担忧。
尽管新冠疫情的爆发阻碍了Matter的推广，但目前该平台已重新恢复了上升势头，且市场能见度正在与日俱增。Matter设备是CES2023上的一个重头戏；我们预计，该平台的扩张速度将超过其他所有智能家居连接生态系统扩张速度的总和。
根据图7所示的2023年Statista预测结果，智能家居在所有细分市场中的收益都在稳步增长。最重要的是，每个细分市场都是我们提升Matter兼容性的首选目标。在CSA和消费电子领域大多数重要品牌的共同推动下，我们似乎可以断定：在未来几十年内，Matter将成为事实上的家居自动化标准。Matter设备是CES2023上的一个主要关注点；我们预计，该平台的扩张速度将超过其他所有智能家居连接生态系统扩张速度的总和。
意法半导体投资打造了一套面向各类Matter设备的完整产品组合；该产品组合提供了针对电池供电设备的低功耗解决方案、支持快速开发的综合生态系统以及多协议无线支持，并具有业界领先的质量保证。这种目标明确的支持能够显示出广大芯片制造商和硬件设计人员对Matter的重视程度。
图7 -2017年至2027年的各细分市场智能家居预测收益（由Statista提供）。
MATTER和意法半导体
在打造Matter硬件时，必须确保其满足以下最低要求：
•最低1MB的Flash存储器和200KB的RAM（CSA推荐数据）
•支持Wi-Fi、以太网或是Thread连接
•需支持IPv6以及TCP或UDP协议
•可通过低功耗蓝牙(BLE)或标准网络配置接入
•可运行包含必要加密算法的Matter协议应用程序
为了满足上述要求并提供一个一站式的综合性Matter开发平台，意法半导体推出了STM32WB系列器件。这些芯片可以满足将Matter产品推向市场所涉及到的全部要求。
与意法半导体所有的微控制器产品一样，我们的双核多协议无线STM32WB微控制器也得到了热门STM32Cube开发平台的支持，从而使用户能够有效简化器件配置、使用成熟的驱动程序库，并可利用开发工具来加快器件的开发进程。此外，意法半导体还可提供功能齐全的示例项目，其中将包含可用于边界路由器、终端设备以及将Matter与非Matter技术桥接的即用型示例代码。终端设备示例将包含低功耗蓝牙接入和Thread连接。
意法半导体将为使用Matter标准的开发人员提供坚定的支持，并会继续扩大Matter标准微控制器的产品线。
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