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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 無線智能家居自動化設(shè)備的設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)是缺乏廣泛的互操作性，這限制了無線智能家居生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。例如，亞馬遜Alexa、蘋果HomeKit和谷歌Assistant設(shè)備，目前都在各自的自動化島嶼中運行。以太網(wǎng)、Thread、Insteon、SmartThings、Wi-Fi、Z-Wave和其他無線物聯(lián)網(wǎng)（IoT）協(xié)議在不同程度上也是如此。 設(shè)計多協(xié)議設(shè)備是一個潛在的解決方案，但它需要復雜的設(shè)計，延長了開發(fā)過程并增加了設(shè)備成本。此外，多協(xié)議設(shè)備只能部分地連接智能家居自動化的島嶼，因為各種協(xié)議在為用戶實現(xiàn)安全和隱私方面有不同的方法，使其設(shè)計和實施更加復雜。 為了解決這些問題，設(shè)計者可以求助于連接性標準聯(lián)盟的Matter 1.0規(guī)范，以連接自動化的島嶼，增強智能家居物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的效用。Matter軟件套件還旨在簡化新設(shè)備的調(diào)試，并提供全面的安全和隱私。 本文首先簡要介紹了Matter作為Zigbee聯(lián)盟的IP互聯(lián)家庭（CHIP）項目的起源，以及它在連接性標準聯(lián)盟（CSA）中的現(xiàn)有地位的演變。然后，它審查了Matter的應(yīng)用層軟件堆棧，該堆棧位于以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍牙和Thread等協(xié)議之上。它還審查了Matter的安全和隱私工具。報告最后介紹了恩智浦半導體的幾個評估套件和開發(fā)板，以及相關(guān)的微控制器（MCU），它們可以加快使用Matter的可互操作無線智能家居設(shè)備的設(shè)計。 物質(zhì)出現(xiàn)在CHIP中 一個典型的智能家居可能有超過100個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使用超過20個協(xié)議，創(chuàng)造了一個網(wǎng)絡(luò)巴別塔，各種自動化島嶼在其中孤立運行（圖1）。CHIP項目于2019年12月由Zigbee聯(lián)盟發(fā)起，旨在開發(fā)一個通用的軟件套件并連接各島嶼。CHIP成為聯(lián)盟的一個主要焦點，聯(lián)盟更名為CSA，CHIP項目也改名為Matter。Matter是基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的，并作為一種開源軟件規(guī)范提供，免收版權(quán)費。要獲得使用Matter的知識產(chǎn)權(quán)，需要加入CSA和Matter工作小組。Matter項目還定義了認證要求，并建立了一系列獨立的測試實驗室，因此設(shè)備可以被驗證為符合要求。 
圖1：一個典型的智能家居可以有超過100個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使用超過20種不同的協(xié)議，創(chuàng)造了許多自動化的島嶼。（圖片來源：NXP） 馬特在哪里？ Matter建立在IP層之上，并將其作為與基于IP的網(wǎng)絡(luò)如以太網(wǎng)、Thread和Wi-Fi進行通信的通用語言。通過使用IPv6，Matter可以與設(shè)備進行通信，而不需要翻譯器。Matter位于設(shè)備應(yīng)用層之下，傳輸控制協(xié)議（TCP）層之上，通過它與通信堆棧中的IP層相連。Matter是一個可互操作的應(yīng)用層解決方案，它由應(yīng)用層以下的六個功能層構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)模型、交互模型、行動構(gòu)架、安全、消息構(gòu)架和路由，以及IP構(gòu)架和傳輸管理。傳輸管理層處理與各個協(xié)議的聯(lián)系。在最初的版本中，Matter支持以太網(wǎng)、Thread、藍牙低能耗（BLE）和Wi-Fi。擴大其網(wǎng)絡(luò)連接的工作已經(jīng)在進行中（圖2）。
圖2：Matter使用IPv6與Wi-Fi、Thread、BLE和以太網(wǎng)設(shè)備通信，消除了對專用翻譯器的需求。（圖片來源：NXP） 確保安全操作是Matter部署的一個關(guān)鍵因素。Matter結(jié)合了認證碼和加密，以保持信息的保密性和準確性，并對數(shù)據(jù)源進行認證。它采用先進的加密標準（AES）128位密碼塊鏈消息驗證碼（CCM）加密，并采用128位AES密碼塊鏈（CBC）來保證安全。此外，它還采用了深度防御原則，為個別設(shè)備提供最合適的安全和隱私水平。分層方法優(yōu)化了資源利用，并確保了通信的可用性、完整性和保密性。 物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)是什么樣子的？ Matter由CSA管理，在Apache 2.0下許可。CSA還維護著一個標準實現(xiàn)和應(yīng)用的圖書館，成員可以用它來支持開發(fā)自己的符合Matter的設(shè)備。安全和用戶隱私是Matter的主要關(guān)注點，該庫確保在Matter設(shè)備范圍內(nèi)實施安全的統(tǒng)一性。就硬件而言，Matter包括終端節(jié)點、邊緣節(jié)點、網(wǎng)關(guān)（也稱為控制器）、網(wǎng)橋和邊界路由器。由于網(wǎng)關(guān)和邊界路由器有時都被稱為 "集線器"（圖3），因此可能會出現(xiàn)混淆。當對一個設(shè)備有疑問時，最好的做法是弄清楚任何 "樞紐 "的具體功能。
圖3：物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋和邊界路由器，以提供不同本地網(wǎng)絡(luò)的連接和與互聯(lián)網(wǎng)的連接。（圖片來源：NXP） · 網(wǎng)關(guān) - Matter網(wǎng)關(guān)通過提供與互聯(lián)網(wǎng)的連接支持對Matter設(shè)備的遠程訪問。一些已有的設(shè)備，如SmartThings、亞馬遜和谷歌的智能家居中樞，可以獲得軟件更新，把它們變成物質(zhì)網(wǎng)關(guān)。Matter被指定為可以與制造商提供的通信功能（如云連接或遠程控制）一起存在，允許這些設(shè)備即使在作為Matter網(wǎng)絡(luò)的一部分運行時仍能使用其現(xiàn)有的通信能力。 · 橋接器 - 物質(zhì)橋接器用于連接物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和附近的無線網(wǎng)絡(luò)。不兼容Matter的設(shè)備可以通過橋接操作，與Matter網(wǎng)絡(luò)無縫連接。橋梁也有望通過使非物質(zhì)兼容的節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)輕松地集成到更大的物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中來加速物質(zhì)的采用。一些現(xiàn)有的設(shè)備可以被更新并與Matter兼容，從而能夠直接集成到Matter網(wǎng)絡(luò)中，而無需通過橋接。 · 邊界路由器 - 邊界路由器是專門設(shè)計用來將線程網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備（如運動、門窗傳感器）整合到Matter網(wǎng)絡(luò)中的。Thread是一個在IEEE 802.15.4物理層（PHY）上運行的低功率無線IP協(xié)議。由于802.15.4與Wi-Fi不兼容，將設(shè)備更新為邊界路由器更為復雜。這種情況將得到改變。恩智浦等制造商已經(jīng)推出了結(jié)合支持Wi-Fi 6、藍牙5.2和802.15.4的設(shè)備，簡化了邊界路由器和其他Matter設(shè)備的設(shè)計。除了連接網(wǎng)絡(luò)外，一些邊界路由器還有一個用于智能家居控制的接口。 設(shè)計Matter網(wǎng)元 構(gòu)建一個物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)需要幾種類型的設(shè)備，包括傳感器和執(zhí)行器等終端節(jié)點，智能照明、智能鎖、供暖通風和空調(diào)（HVAC）控制等邊緣節(jié)點，以及一系列網(wǎng)關(guān)、邊界路由器和橋接器將其連接起來。恩智浦為每一種類型的Matter網(wǎng)元提供全系列的開發(fā)硬件，同時在GitHub上提供大量材料，包括Matter平臺支持和應(yīng)用實例，以加快開發(fā)進程（表1）。
表1：恩智浦為Matter平臺提供的部分開發(fā)環(huán)境。(表格來源：恩智浦，由作者修改) 末端節(jié)點 終端節(jié)點Matter平臺的開發(fā)者可以利用IOTZTB-DK06開發(fā)環(huán)境，使用K32W0x MCU平臺，如K32W041AZ（圖4）。該環(huán)境包括創(chuàng)建獨立的終端節(jié)點所需的硬件和軟件，以及一個三單元的示范網(wǎng)絡(luò)--包括一個控制橋、開關(guān)節(jié)點和光/傳感器節(jié)點。 K32W041AZ MCU采用Arm®Cortex®-M4 MCU設(shè)計，具有640千字節(jié)（KB）的板載閃存和152KB的靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM），為下一代超低電流多協(xié)議無線設(shè)備供電，并支持BLE 5.0和Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4。除了超低的發(fā)射和接收功耗外，這些MCU還可以支持復雜的應(yīng)用和空中（OTA）更新，而無需外部存儲器。
圖4：IOTZTB-DK06平臺包括一個開關(guān)節(jié)點（左邊）、控制橋（中間）和光/傳感器節(jié)點（右邊）。（圖片來源：NXP） 邊緣節(jié)點 i.MX RT1170 EVK為Matter邊緣節(jié)點提供了一個集成開發(fā)平臺。該評估套件建立在一個六層的pc板上，采用通孔元件，以獲得更好的電磁兼容性（EMC）性能，它包括關(guān)鍵元件和接口，以加快開發(fā)項目（圖5）。它基于i.MX RT1170 Crossover MCU系列，其中包括MIMXRT1176CVM8A，并可與上述IOTZTB-DK06結(jié)合使用。雙核i.MX RT1170以1千兆赫（GHz）的速度運行在Cortex-M7內(nèi)核上，以400兆赫（MHz）的速度運行在Arm Cortex-M4上。它支持幾個先進的安全功能，包括。 · 安全引導 · 內(nèi)聯(lián)加密引擎 (IEE) · 即時 AES 解密 (OTFAD) · 高性能的密碼學 · 主動和被動的防篡改檢測
圖5：i.MX RT1170 EVK可用于開發(fā)Matter邊緣節(jié)點設(shè)備。（圖片來源：NXP） 此外，MIMXRT1170-EVK可與OM-A5000ARD Arduino開發(fā)套件一起使用，以實現(xiàn)安全。這個Arduino開發(fā)套件基于A5000，這是一個隨時可用的安全物聯(lián)網(wǎng)認證器，包括一個IC級別的信任根。A5000可以安全地存儲和提供憑證，并執(zhí)行加密操作，以保證關(guān)鍵通信和認證的安全。它被設(shè)計用于一系列物聯(lián)網(wǎng)安全用例，如設(shè)備對設(shè)備的認證，與公共/私有云的安全連接，以及防偽保護。為了支持安全解決方案的快速開發(fā)，A5000預(yù)裝了用于應(yīng)用認證和安全的軟件。 網(wǎng)關(guān)、邊界路由器和網(wǎng)橋 當需要更復雜的設(shè)計，如網(wǎng)關(guān)、邊界路由器和橋接器時，設(shè)計者可以轉(zhuǎn)向i.MX 8M Mini EVKB。該評估板支持i.MX 8M微型應(yīng)用處理器系列，如恩智浦的MIMX8MM5CVTKZAA（圖6）。
圖6：i.MX 8M Mini EVKB支持開發(fā)Matter網(wǎng)關(guān)、邊界路由器和橋接器。（圖片來源：NXP） i.MX 8M Mini應(yīng)用處理器在系統(tǒng)連接和內(nèi)存接口靈活性方面具有廣泛的能力，使其既適用于富含媒體的消費和嵌入式工業(yè)應(yīng)用，也適用于需要電源效率和高性能的非富含媒體的一般用途應(yīng)用。 8MMINILPD4-EVKB評估板可以與上述的IOTZTB-DK006和OM-A5000ARD一起使用。加上K32W061升級板和一個USB加密狗，就可以快速組裝一個小型無線Matter網(wǎng)絡(luò)，用于測試和開發(fā)多協(xié)議應(yīng)用。 結(jié)語 互操作性對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的終端用戶來說至關(guān)重要，無論供應(yīng)商、平臺或生態(tài)系統(tǒng)如何。Matter是一個開源的軟件規(guī)范，專門用于連接智能家居環(huán)境中的許多自動化島嶼，同時也確保安全和隱私。如圖所示，Matter網(wǎng)絡(luò)由各種設(shè)備組成，包括終端節(jié)點、邊緣節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、邊界路由器和橋接器。對于希望快速啟動設(shè)計的設(shè)計人員，恩智浦為整個Matter器件提供了廣泛的軟件和硬件開發(fā)平臺系列。 |
