基于PSoC 6 Matter的智能家居解決方案

近年來，智能家居產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動了原有家居產(chǎn)業(yè)園區(qū)的轉(zhuǎn)型升級，同時，不斷擴(kuò)大的智能家居市場需求，以及傳統(tǒng)家居產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，為很多地方布局新的智能家居產(chǎn)業(yè)園建設(shè)帶來了機會。在2019年底中國已成為全球最大的物聯(lián)網(wǎng)市場，全球15億臺蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備中9.6億臺來自中國，占比64%。

摘要 隨著智能家居設(shè)備數(shù)量的增加，不同產(chǎn)品、生態(tài)系統(tǒng)和協(xié)議之間的互操作性變得更加混亂。Matter 規(guī)范解決了這個困境。Matter是一個智能家居技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的開放標(biāo)準(zhǔn)，可以讓您的設(shè)備通過單一協(xié)議與任何Matter認(rèn)證生態(tài)系統(tǒng)兼容，旨在為眾多智能家居應(yīng)用提供設(shè)備制造商的指導(dǎo)。英飛凌科技、CSA聯(lián)盟以及包括谷歌和亞馬遜在內(nèi)的280多家公司正在引領(lǐng)這個具有突破性的Matter標(biāo)準(zhǔn)，給智能家居解決方案提供了一種開放、互操作和安全的方式來實現(xiàn)智能家居設(shè)備的集成和控制，為用戶提供更便捷、靈活和綜合的智能家居體驗
1 引言
近年來，智能家居產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動了原有家居產(chǎn)業(yè)園區(qū)的轉(zhuǎn)型升級，同時，不斷擴(kuò)大的智能家居市場需求，以及傳統(tǒng)家居產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，為很多地方布局新的智能家居產(chǎn)業(yè)園建設(shè)帶來了機會。在2019年底中國已成為全球最大的物聯(lián)網(wǎng)市場，全球15億臺蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備中9.6億臺來自中國，占比64%。中國將成為全球最大的智能家居市場消費國，占據(jù)全球50%-60%的智能家居市場消費份額，利潤占據(jù)全球20%-30%的市場份額。根據(jù)預(yù)測，到2025年，中國智能家居市場的規(guī)模將達(dá)到數(shù)千億人民幣。智能家居產(chǎn)品和解決方案的普及程度不斷提高，消費者對智能家居設(shè)備的需求也不斷增加。
但是多種IoT技術(shù)和眾多生態(tài)系統(tǒng)并存，互相競爭，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。對于消費者來說，在購買智能家居設(shè)備時，很難確定這個設(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；對于開發(fā)者來說，開發(fā)人員需要針對要支持的生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品，費時費力。Matter的出現(xiàn)就是解決各個生態(tài)系統(tǒng)之間的互通性，讓您的設(shè)備可以通過單一協(xié)議與任何Matter認(rèn)證的生態(tài)系統(tǒng)兼容。Matter由CSA聯(lián)盟引入，這是一個由數(shù)百家為智能家居和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建產(chǎn)品的公司組成的組織。Matter的目標(biāo)是成為一個促進(jìn)技術(shù)采用和創(chuàng)新的互操作標(biāo)準(zhǔn)，逐步取代智能家居生態(tài)系統(tǒng)中的專有協(xié)議，簡化配置和操作的復(fù)雜性，提高用戶的體驗。
2 Matter介紹
2.1 Matter標(biāo)準(zhǔn)介紹
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）來實現(xiàn)，該工具包不僅包含規(guī)范的實現(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^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。Matter具有靈活性和互操作性。它建立在多年來低功耗802.15.4網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi智能家居設(shè)備的挑戰(zhàn)和成功的基礎(chǔ)上。與Thread類似，Matter構(gòu)建在IPv6之上，它包括強大的加密功能，對設(shè)備類型及其數(shù)據(jù)進(jìn)行了明確定義，并支持多個生態(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)備可以通過橋接器作為Matter設(shè)備運行。

圖1 Matter協(xié)議與TCP/IP和OSI協(xié)議并列圖

2.2 Matter標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵點
? Matter比云對云連接具有更低的延遲和更高的可靠性，因為它是基于IP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。 
? 通過其他支持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（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(配對碼、二維碼、NFC等)建立安全通路，單項認(rèn)證設(shè)備，非對稱證書鏈
? 通過DCL來存放公共信息，部署在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的平臺上防止篡改
2.3 Matter智能家居生態(tài)介紹
? 在Matter智能家居生態(tài)中，各種設(shè)備可以通過使用相同的Matter協(xié)議進(jìn)行通信和互動。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、揚聲器等。通過遵循Matter標(biāo)準(zhǔn)，這些設(shè)備能夠無縫協(xié)作，實現(xiàn)統(tǒng)一的用戶體驗和功能。
? 不同品牌和設(shè)備之間的互操作性是Matter生態(tài)的核心。無論來自不同廠商的設(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)不僅限于單個設(shè)備，還可以擴(kuò)展到多個設(shè)備、服務(wù)和平臺的集合，這樣用戶可以通過添加更多的Matter設(shè)備來構(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，通過建立一個統(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，實現(xiàn)智能家居的集成和控制。

圖2 Matter智能家居布局示例

3 基于PSoC?的Matter 方案介紹
3.1 PSoC?介紹
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)計人員能夠同時優(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的平臺安全架構(gòu)（PSA）定義的最高級別的保護(hù)。
設(shè)計人員可以利用該微控制器豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)，為創(chuàng)新的系統(tǒng)組件（如MEMS傳感器、電子墨水顯示器）創(chuàng)建自定義模擬前端（AFE）或數(shù)字接口。PSoC? 6微控制器采用最新一代行業(yè)領(lǐng)先的CAPSENSE?電容感應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)了穩(wěn)健可靠的現(xiàn)代觸摸和手勢界面。搭配Infineon的AIROC? Wi-Fi、AIROC? Bluetooth?或AIROC?組合無線模塊，PSoC? 6微控制器是安全、低功耗、功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的完美解決方案。
3.2 方案介紹

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)展示了一個家庭的自動化演示，展示了智能門鎖、人體感應(yīng)傳感器和智能照明節(jié)點如何無縫協(xié)同工作，實現(xiàn)家庭自動化例程。
? Matter生態(tài)系統(tǒng)解決方案可以通過Ethernet、WIFI和Thread 15.4三種協(xié)議進(jìn)行通信。該解決方案展示了Matter over WiFi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)點使用了XENSIV?傳感器系列中的60 GHz雷達(dá)傳感器，通過Matter over Wi-Fi與PSoC? 6和AIROC? WIFI進(jìn)行連接，以傳輸人體存在狀態(tài)。
? 系統(tǒng)中的第三個節(jié)點是一個使用Matter over Thread進(jìn)行通信的照明節(jié)點。
? 當(dāng)居住者靠近門時，正在運行Matter over Wi-Fi的60 GHz傳感器會檢測到存在，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：可以使用來自CIPURSE?系列的NFC卡，可以在由PSoC? 6上運行的CAPSENSE技術(shù)驅(qū)動的鍵盤上輸入PIN碼，或者可以使用像Apple Home應(yīng)用程序這樣的移動應(yīng)用程序打開門鎖。
? 在Apple Home應(yīng)用程序中，當(dāng)我們點擊解鎖時，可以看到門被解鎖。作為家庭自動化序列的一部分，當(dāng)門解鎖時，客廳的燈光也會打開。這種類型的家庭自動化還可以觸發(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。
? 當(dāng)用戶關(guān)閉門時，客廳中的人體感應(yīng)傳感器不再檢測到存在，門鎖將自動鎖上。然后，當(dāng)居住者離開門口一段距離時，存在檢測會起作用，門廊燈將關(guān)閉。這個演示展示了Matter的重要性以及我們?nèi)绾螣o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)商中同時運行。多管理員功能為您提供了配置智能家居的靈活性，無需強制選擇單一的控制器、平臺或應(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，這個功能會非常有用。
? 方案中的PSoC? 6智能門鎖代碼和移動應(yīng)用程序使用來自公共存儲庫的標(biāo)準(zhǔn)Matter SDK進(jìn)行構(gòu)建，展示了Matter如何簡化開發(fā)并提高智能家居設(shè)備之間的互操作性。
4 結(jié)語
Matter作為一個開放的智能家居標(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，因此具備良好的前景和發(fā)展?jié)摿?。CSA聯(lián)盟在中國成立了CMGC聯(lián)盟，通過組織和積極參與線下活動，將聯(lián)盟成員聯(lián)合起來并推廣Matter聯(lián)盟技術(shù)。隨著越來越多的公司和設(shè)備制造商采用Matter標(biāo)準(zhǔn)，將形成一個龐大的生態(tài)系統(tǒng)，越來越多的設(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)展還會帶動云服務(wù)和智能化能力的提升，為大家?guī)砀憬莸闹悄芗揖芋w驗。
參考文獻(xiàn)
[1] CSA. The Foundation for connected Things,[EB/OL].[2023-06-02].https://csa-iot.org/all-solutions/matter/,2023
[2] CSA. connectedhomeip,[EB/OL].[2023-06-02].https://github.com/project-chip/connectedhomeip,2023
[3] Infineon. Getting started with Matter over Wi-Fi on PSoC? 6 MCUs in ModusToolbox?,[EB/OL].[2023-06-02].https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN237138_Getting_Started_with_Matter_over_Wi-Fi_on_PSoC6_MCUs_in_ModusToolbox-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c869190210187029c453e134c,2023
[4] Lily Li , Kai Cui .中國物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模預(yù)測，2022—2026[EB/OL].[2023-06-02]. https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=CHC49950922.