【導(dǎo)讀】連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（CSA）是一個(gè)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(gè)品牌制造。
連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（CSA）是一個(gè)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(gè)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(shí)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。可以使用低功耗藍(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)等通常基于微控制器的產(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。”Matter 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(gè) 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(gè) 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(shí)，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。考慮到自首個(gè) Matter 規(guī)范發(fā)布以來的時(shí)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(gè)月和幾年內(nèi)會有多個(gè)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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