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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 無線智能家居自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)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(dòng)化島嶼中運(yùn)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(jì)多協(xié)議設(shè)備是一個(gè)潛在的解決方案，但它需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)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(dòng)化的島嶼，因?yàn)楦鞣N協(xié)議在為用戶實(shí)現(xiàn)安全和隱私方面有不同的方法，使其設(shè)計(jì)和實(shí)施更加復(fù)雜。 為了解決這些問題，設(shè)計(jì)者可以求助于連接性標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟的Matter 1.0規(guī)范，以連接自動(dòng)化的島嶼，增強(qiáng)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(jiǎn)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(jiǎn)要介紹了Matter作為Zigbee聯(lián)盟的IP互聯(lián)家庭（CHIP）項(xiàng)目的起源，以及它在連接性標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙和Thread等協(xié)議之上。它還審查了Matter的安全和隱私工具。報(bào)告最后介紹了恩智浦半導(dǎo)體的幾個(gè)評(píng)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(jì)。 物質(zhì)出現(xiàn)在CHIP中 一個(gè)典型的智能家居可能有超過100個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使用超過20個(gè)協(xié)議，創(chuàng)造了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)巴別塔，各種自動(dòng)化島嶼在其中孤立運(yùn)行（圖1）。CHIP項(xiàng)目于2019年12月由Zigbee聯(lián)盟發(fā)起，旨在開發(fā)一個(gè)通用的軟件套件并連接各島嶼。CHIP成為聯(lián)盟的一個(gè)主要焦點(diǎn)，聯(lián)盟更名為CSA，CHIP項(xiàng)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(fèi)。要獲得使用Matter的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，需要加入CSA和Matter工作小組。Matter項(xiàng)目還定義了認(rèn)證要求，并建立了一系列獨(dú)立的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，因此設(shè)備可以被驗(yàn)證為符合要求。 
圖1：一個(gè)典型的智能家居可以有超過100個(gè)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(dòng)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(jìn)行通信的通用語言。通過使用IPv6，Matter可以與設(shè)備進(jìn)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(gè)可互操作的應(yīng)用層解決方案，它由應(yīng)用層以下的六個(gè)功能層構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)模型、交互模型、行動(dòng)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(gè)協(xié)議的聯(lián)系。在最初的版本中，Matter支持以太網(wǎng)、Thread、藍(lán)牙低能耗（BLE）和Wi-Fi。擴(kuò)大其網(wǎng)絡(luò)連接的工作已經(jīng)在進(jìn)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(duì)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(gè)關(guān)鍵因素。Matter結(jié)合了認(rèn)證碼和加密，以保持信息的保密性和準(zhǔn)確性，并對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行認(rèn)證。它采用先進(jìn)的加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）128位密碼塊鏈消息驗(yàn)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(gè)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(hù)著一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(diǎn)，該庫確保在Matter設(shè)備范圍內(nèi)實(shí)施安全的統(tǒng)一性。就硬件而言，Matter包括終端節(jié)點(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)、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(shí)都被稱為 "集線器"（圖3），因此可能會(huì)出現(xiàn)混淆。當(dāng)對(duì)一個(gè)設(shè)備有疑問時(shí)，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(duì)Matter設(shè)備的遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yùn)行時(shí)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(diǎn)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(jì)用來將線程網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備（如運(yùn)動(dòng)、門窗傳感器）整合到Matter網(wǎng)絡(luò)中的。Thread是一個(gè)在IEEE 802.15.4物理層（PHY）上運(yùn)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(fù)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(lán)牙5.2和802.15.4的設(shè)備，簡(jiǎn)化了邊界路由器和其他Matter設(shè)備的設(shè)計(jì)。除了連接網(wǎng)絡(luò)外，一些邊界路由器還有一個(gè)用于智能家居控制的接口。 設(shè)計(jì)Matter網(wǎng)元 構(gòu)建一個(gè)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(diǎn)，智能照明、智能鎖、供暖通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）控制等邊緣節(jié)點(diǎn)，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(shí)在GitHub上提供大量材料，包括Matter平臺(tái)支持和應(yīng)用實(shí)例，以加快開發(fā)進(jìn)程（表1）。
表1：恩智浦為Matter平臺(tái)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(diǎn) 終端節(jié)點(diǎn)Matter平臺(tái)的開發(fā)者可以利用IOTZTB-DK06開發(fā)環(huán)境，使用K32W0x MCU平臺(tái)，如K32W041AZ（圖4）。該環(huán)境包括創(chuàng)建獨(dú)立的終端節(jié)點(diǎn)所需的硬件和軟件，以及一個(gè)三單元的示范網(wǎng)絡(luò)--包括一個(gè)控制橋、開關(guān)節(jié)點(diǎn)和光/傳感器節(jié)點(diǎn)。 K32W041AZ MCU采用Arm®Cortex®-M4 MCU設(shè)計(jì)，具有640千字節(jié)（KB）的板載閃存和152KB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(fù)雜的應(yīng)用和空中（OTA）更新，而無需外部存儲(chǔ)器。
圖4：IOTZTB-DK06平臺(tái)包括一個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)（左邊）、控制橋（中間）和光/傳感器節(jié)點(diǎn)（右邊）。（圖片來源：NXP） 邊緣節(jié)點(diǎn) i.MX RT1170 EVK為Matter邊緣節(jié)點(diǎn)提供了一個(gè)集成開發(fā)平臺(tái)。該評(píng)估套件建立在一個(gè)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(xiàng)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(yùn)行在Cortex-M7內(nèi)核上，以400兆赫（MHz）的速度運(yùn)行在Arm Cortex-M4上。它支持幾個(gè)先進(jìn)的安全功能，包括。 · 安全引導(dǎo) · 內(nèi)聯(lián)加密引擎 (IEE) · 即時(shí) AES 解密 (OTFAD) · 高性能的密碼學(xué) · 主動(dòng)和被動(dòng)的防篡改檢測(cè)
圖5：i.MX RT1170 EVK可用于開發(fā)Matter邊緣節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)安全。這個(gè)Arduino開發(fā)套件基于A5000，這是一個(gè)隨時(shí)可用的安全物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證器，包括一個(gè)IC級(jí)別的信任根。A5000可以安全地存儲(chǔ)和提供憑證，并執(zhí)行加密操作，以保證關(guān)鍵通信和認(rèn)證的安全。它被設(shè)計(jì)用于一系列物聯(lián)網(wǎng)安全用例，如設(shè)備對(duì)設(shè)備的認(rèn)證，與公共/私有云的安全連接，以及防偽保護(hù)。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(rèn)證和安全的軟件。 網(wǎng)關(guān)、邊界路由器和網(wǎng)橋 當(dāng)需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，如網(wǎng)關(guān)、邊界路由器和橋接器時(shí)，設(shè)計(jì)者可以轉(zhuǎn)向i.MX 8M Mini EVKB。該評(píng)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(fèi)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(píng)估板可以與上述的IOTZTB-DK006和OM-A5000ARD一起使用。加上K32W061升級(jí)板和一個(gè)USB加密狗，就可以快速組裝一個(gè)小型無線Matter網(wǎng)絡(luò)，用于測(cè)試和開發(fā)多協(xié)議應(yīng)用。 結(jié)語 互操作性對(duì)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(tái)或生態(tài)系統(tǒng)如何。Matter是一個(gè)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(dòng)化島嶼，同時(shí)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(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、邊界路由器和橋接器。對(duì)于希望快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員，恩智浦為整個(gè)Matter器件提供了廣泛的軟件和硬件開發(fā)平臺(tái)系列。 |
