利用Matter實現(xiàn)無縫智能家居連接

引言

如今我們家中的任何設(shè)備（包括門鈴、灑水器、車庫開門器、爐灶、洗衣機和壁爐等等）都可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行連接和控制，因此這些設(shè)備的兼容性就成了我們打造高品質(zhì)智能家居解決方案的過程中一個無法回避的問題。

如何才能使這些生產(chǎn)廠商、通信技術(shù)與連接協(xié)議各不相同的設(shè)備協(xié)同工作，或是由同一臺中央家居輔助設(shè)備進行統(tǒng)一管理呢？

這就是全新的智能家居連接標(biāo)準(zhǔn)Matter需要解決的問題。

了解智能家居的發(fā)展歷程

回顧智能家居的發(fā)展史，有助于我們了解那些為Matter的發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。

家庭用電問世后不久，工程界就興起了一種推動家務(wù)自動化和相關(guān)家電互聯(lián)的家居設(shè)計理念。早在1950年，全球首個智能家居解決方案就登上了《大眾機械》雜志的封面。顧名思義，“按鈕莊園(Push Button Manor)”可通過位于房屋墻壁、天花板和地板內(nèi)的固定走線，實現(xiàn)各種開關(guān)、燈具以及家用電器等設(shè)施的按鈕式互聯(lián)。

很快，到了1969年，西屋電器就利用自家的計算模塊打造出了第一款采用計算機控制方案的智能家居系統(tǒng)。這個名為“EchoIV”的原創(chuàng)設(shè)計系統(tǒng)于半個世紀(jì)之前在賓夕法尼亞州的匹斯堡首次亮相；該系統(tǒng)可以實現(xiàn)許多與現(xiàn)代化家庭助手（如Amazon的Echo）相同的控制操作和功能。

在“按鈕莊園”和EchoIV智能家居解決方案當(dāng)中，設(shè)計人員已經(jīng)對如何利用智能連接的電子設(shè)備使家庭生活變得更加輕松、高效和愉悅有了十分完善的構(gòu)思。但遺憾的是，當(dāng)時的技術(shù)力遠遠無法實現(xiàn)他們的奇思妙想。

1975年，PicoElectronics推出了一款名為的全新自動化協(xié)議，該協(xié)議后來成為了第一個得到廣泛應(yīng)用的家居設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)。通過電力線調(diào)制，X10協(xié)議成功打造出了一個由接入家用交流電源線路的設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)。用戶可對控制器、定時器甚至墻上的燈具開關(guān)進行專門配置，以便控制燈泡、家電、恒溫器以及其他設(shè)備完成最常見的家居自動化任務(wù)。盡管結(jié)構(gòu)簡單且功能有限，但X10系統(tǒng)卻深受大眾歡迎，且時至今日仍活躍在家居領(lǐng)域。

Matter能確保使用各種IP技術(shù)的智能家居和智能樓宇設(shè)備之間實現(xiàn)無縫交互。該標(biāo)準(zhǔn)可讓不同品牌的產(chǎn)品安全順暢地進行交互，同時保障數(shù)據(jù)隱私安全。Matter應(yīng)用層能夠在開源交付和認(rèn)證基礎(chǔ)架構(gòu)中處理諸多應(yīng)用，因而廣受業(yè)內(nèi)歡迎。

智能家居領(lǐng)域的最后一位重磅選手，即風(fēng)靡全球的互聯(lián)網(wǎng)連接系統(tǒng)于20世紀(jì)80年代末正式登上了歷史舞臺。局域網(wǎng)和高速數(shù)據(jù)連接的出現(xiàn)為家居自動化行業(yè)開辟了一個充滿機遇的新世界，而這個世界正隨著各種無線標(biāo)準(zhǔn)、蜂窩連接和云計算的誕生而不斷發(fā)展和成熟。到了2010年，我們家中絕大部分的電子設(shè)備都能夠通過智能手機與互聯(lián)網(wǎng)直接或間接相連，從而拉開了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時代的序幕。

圖1 - 1950年至今的智能家居技術(shù)發(fā)展歷程。

智能家居協(xié)議

要理解Matter針對碎片化的智能家居市場不斷發(fā)展進化的過程，我們首先需要了解一下聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的現(xiàn)狀以及各種適用于現(xiàn)代家居自動化的標(biāo)準(zhǔn)。

以太網(wǎng)和Wi-Fi

從最基本的層面來講，所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都必須為終端用戶提供兩種關(guān)鍵特性，即安全性和易用性。從以往經(jīng)驗來看，這兩種特性通常無法兼顧，因為安全性較高的設(shè)備往往難于進行設(shè)置和集成。我們可以根據(jù)應(yīng)用的種類和數(shù)據(jù)吞吐量對市場進行進一步的劃分。需要以較高數(shù)據(jù)速率來播放流媒體視頻或音樂的設(shè)備在用電方面通常不會受到限制，而外設(shè)傳感器等數(shù)據(jù)速率要求較低的設(shè)備則往往采用電池供電的方式，且有時電池?zé)o法拆卸。為了滿足上述不同的設(shè)備需求，在過去十年間已有多種安全性和易用性都十分出色的通信技術(shù)應(yīng)運而生。對于高吞吐量應(yīng)用，有線以太網(wǎng)和Wi-Fi技術(shù)已變得無處不在。而對于低吞吐量應(yīng)用，802.15.4標(biāo)準(zhǔn)則牢牢占據(jù)了主導(dǎo)地位（最常見于Thread和ZigBee架構(gòu)）。

自20世紀(jì)70年代初問世以來，以太網(wǎng)就一直是主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)一同成為了構(gòu)成整個互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支柱。以太網(wǎng)采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，常用于構(gòu)建支持計算機通過有線連接以較高數(shù)據(jù)速率相互通信的局域網(wǎng)(LAN)。在智能家居的應(yīng)用范圍內(nèi)，視頻攝像頭、電視和家庭助手等一些設(shè)備可直接通過有線方式接入以太網(wǎng)LAN。

而Wi-Fi則可被視為以太網(wǎng)的無線擴展，使用戶無需借助任何物理電纜即可完成局域網(wǎng)的搭建。如今，大多數(shù)家庭都同時應(yīng)用了Wi-Fi和以太網(wǎng)技術(shù)；它們采用了相同的標(biāo)準(zhǔn)且都需要遵循IEEE802.11規(guī)范，可為連接各類智能家居設(shè)備提供靈活且強大的技術(shù)支持。

圖2-現(xiàn)代智能家居的一個示例。

Matter

如圖3所示，Matter是一個高級標(biāo)準(zhǔn)層，它立足于使用以太網(wǎng)、Wi-Fi或Thread構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的IP連接設(shè)備。這個標(biāo)準(zhǔn)層的主要作用是實現(xiàn)設(shè)備、應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)硬件之間的兼容性和互操作性。

過去，低功耗的傳感器和控制設(shè)備必須借助專有的硬件集線器和應(yīng)用才能接入更大的家庭網(wǎng)絡(luò)或是互聯(lián)網(wǎng)。由于終端用戶所使用的硬件、軟件和連接選項五花八門，這會使生態(tài)系統(tǒng)變得支離破碎。舉個例子，某位房主可能會安裝Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，購買一款基于Zigbee的門鎖，并希望在自己的Apple手機上通過Amazon家庭助手來對其進行控制。他的要求并非不可實現(xiàn)，但解決方案并不完美；這一過程需要用到許多移動部件，且如果相關(guān)軟件或硬件在將來發(fā)生了任何變動，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會受到很大影響。

圖3  - Matter以及支撐其運行的IPv6、Wi-Fi、Thread、BLE和以太網(wǎng)技術(shù)。

而在Matter的幫助下，所有利益相關(guān)者都可確保自己的設(shè)備能夠協(xié)同運行，且能夠輕松實現(xiàn)互聯(lián)。

IEEE802.15.4和2.4-GHz網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

為滿足依靠電池供電的無線聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的相關(guān)需求，工作人員開發(fā)出了一些數(shù)據(jù)速率較低但能耗表現(xiàn)更佳的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如可針對低延遲、低速傳感器和控制應(yīng)用提供網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接的IEEE802.15.4等等。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許設(shè)備相互連接并在整個設(shè)備網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)。這樣，用戶即可在無需部署中央集線器或路由器的情況下，利用低功耗發(fā)射器實現(xiàn)遠程通信。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)誕生于2003年，所采用的是2.4GHz頻段。此類網(wǎng)絡(luò)通常被稱為無線個域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)，主要面向最高250Kb/s的數(shù)據(jù)速率以及10至30米的傳輸范圍。在家居自動化領(lǐng)域，此類網(wǎng)絡(luò)非常適合燈具開關(guān)或是采用電池供電的小型傳感器節(jié)點等簡單設(shè)備。用戶可利用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵崿F(xiàn)設(shè)備的相互連接，并利用成熟的加密技術(shù)為其提供安全保障。

第一個采用802.15.4標(biāo)準(zhǔn)并得到廣泛應(yīng)用的協(xié)議Zigbee誕生于2005年。該協(xié)議僅憑一個Zigbee集線器即可輕松集成到基于IP的傳統(tǒng)家庭網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，因此深受廣大物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商的歡迎。在將近二十年的時間里，Zigbee不斷發(fā)展完善并增添了諸多特性，例如更遠的應(yīng)用距離、更強的安全性能以及全新的路由拓?fù)涞鹊取?/p>

2016年，一個基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的新協(xié)議登上了歷史舞臺；它既擁有一些與Zigbee非常相似的特性，又擁有一些關(guān)鍵的獨到之處。這個新協(xié)議名為Thread，也可用于在2.4GHz頻段搭建低功耗的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。但這個協(xié)議的關(guān)鍵優(yōu)勢在于，它可以為Thread設(shè)備分配IP地址。只要網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中包含了所謂的“邊界路由器”（同時支持ThreadRadio技術(shù)的以太網(wǎng)或Wi-Fi設(shè)備），用戶即可使用基于互聯(lián)網(wǎng)的傳統(tǒng)工具來訪問Thread設(shè)備。這使得制造商和開發(fā)人員能夠在各種網(wǎng)絡(luò)和用戶應(yīng)用中實現(xiàn)設(shè)備的靈活連接。值得注意的是，不同于Zigbee，Thread與協(xié)議中決定終端用戶接口的最高層級——應(yīng)用層無關(guān)。這就要求開發(fā)人員針對給定的應(yīng)用打造專門的解決方案，而不是完全依賴預(yù)先確定好的規(guī)范。

在過去的幾年中，Thread得到了持續(xù)的支持和發(fā)展，而這要得益于它所采用的各種成熟的開源標(biāo)準(zhǔn)。2019年，包括Apple、Google、Samsung和Amazon在內(nèi)的幾家規(guī)模最大的消費品制造企業(yè)宣布成立聯(lián)盟，以求利用Thread、Wi-Fi和低功耗藍牙(BLE)等技術(shù)來改善智能家居設(shè)備之間的互操作性和兼容性。他們推出的新系統(tǒng)被命名為“ProjectCHIP”（ConnectedHomeoverIP，意為“利用IP連接家庭”），它的誕生可能對家居自動化的未來起到?jīng)Q定性的作用。2021年，剛剛成立的連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(CSA)將ProjectCHIP重新命名為“Matter”。

圖4 -無線聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向Matter演進的歷史。

MATTER有哪些優(yōu)勢？

Matter能確保使用各種IP技術(shù)的智能家居和智能樓宇設(shè)備之間實現(xiàn)無縫交互。該標(biāo)準(zhǔn)可讓不同品牌的產(chǎn)品安全順暢地進行交互，同時保障數(shù)據(jù)隱私安全。

?低功耗解決方案，適合電池供電設(shè)備

?綜合生態(tài)系統(tǒng)，便于快速開發(fā)

?支持多種無線通信協(xié)議，滿足Matter要求

?可靠的安全性能和數(shù)據(jù)隱私機制，可為消費者提供有效的保護

低功耗藍牙(BLE)與配網(wǎng)

藍牙技術(shù)經(jīng)常被稱作是實現(xiàn)Matter應(yīng)用的重要一環(huán)。盡管藍牙技術(shù)中確實涵蓋了網(wǎng)絡(luò)功能，但Matter生態(tài)系統(tǒng)只是將該技術(shù)用于配置，且并未將其視為不可或缺的元素。雖然用戶可以通過多種方式配置Matter設(shè)備并將其添加到網(wǎng)絡(luò)中，但BLE無疑是最簡單易用的方式之一。確切地說，低功耗藍牙(BLE)無線協(xié)議是一種易于實現(xiàn)的輕量級解決方案，可在將硬件設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)之前與之進行安全通信。用戶可以通過任何智能手機或是其他支持BLE功能的硬件執(zhí)行Wi-Fi認(rèn)證、設(shè)置甚至真實性檢查。他們只需用手機相機掃描設(shè)備的二維碼，系統(tǒng)就會自動完成其余的步驟。如今，利用BLE完成接入的方法已受到許多制造商的青睞；該方法幾乎可以保證用戶能夠順利連接到新購置的設(shè)備。

意法半導(dǎo)體提供易于使用的先進低功耗藍牙解決方案包含片上系統(tǒng)(SoC)、巴倫、以及STM32微控制器，輔以豐富的評估和開發(fā)環(huán)境，可加快上市時間。

圖5-可展示各類不同設(shè)備的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

MATTER的發(fā)展歷程

考慮到智能家居連接漫長的發(fā)展史，人們將Matter演進的過程中涉及到的一些組織弄混也就不足為奇了。2002年，為了回應(yīng)Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的早期開發(fā)成果，一些公司聚在一起組成了Zigbee聯(lián)盟。他們提出了“開發(fā)、改進和推廣能夠使所有對象安全連接與互動的通用開放標(biāo)準(zhǔn)，從而引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的創(chuàng)新與協(xié)作熱潮”的明確目標(biāo)。當(dāng)時，Zigbee協(xié)議堪稱物聯(lián)網(wǎng)連接領(lǐng)域當(dāng)仁不讓的行業(yè)先驅(qū)。然而，Zigbee聯(lián)盟并不滿足于僅僅關(guān)注802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，很快就將目光轉(zhuǎn)移到了其他領(lǐng)域，例如綠色能源、家庭娛樂以及Zigbee框架之外的應(yīng)用等等。因此在2021年，該聯(lián)盟改組為連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(CSA)。

2019年，多家公司聯(lián)合打造了“利用IP連接家庭”項目(CHIP)；這個新成果的誕生，為碎片化的家居自動化市場帶來了終極的標(biāo)準(zhǔn)。Amazon、Apple、Google、Samsung以及Zigbee聯(lián)盟（不久更名為CSA）是這個項目的發(fā)起者，他們所關(guān)注的重點是盡量提升智能家居設(shè)備（包括主電源插頭、電燈和開關(guān)、門鎖、恒溫器和暖通空調(diào)控制器、百葉窗和遮陽簾、家庭安全傳感器、電視和流媒體視頻播放器等等）的兼容性和易用性。

隨后，ProjectCHIP于2021年被重新命名為Matter，同時IKEA、華為和Schneider等一些公司加入了聯(lián)盟，且CSA也完成了更名。

Matter是第一個真正實現(xiàn)各類聯(lián)網(wǎng)設(shè)備協(xié)同運作的協(xié)議。在最高層級上，Google、Apple、Facebook和Amazon可以提供支持Matter的智能助手。各大設(shè)備供應(yīng)商已將Matter協(xié)議應(yīng)用到了自家的智能手機、平板電腦和其他電子控制器當(dāng)中。家居自動化設(shè)備制造商正在制造兼容Matter的開關(guān)、傳感器和家電。而像意法半導(dǎo)體這樣的集成電路公司正在將Matter協(xié)議納入自己的芯片設(shè)計當(dāng)中，以確保該協(xié)議與Wi-Fi無線電、BLE無線電以及其他重要硬件特性相兼容。

這種關(guān)于Matter標(biāo)準(zhǔn)的垂直整合正是該協(xié)議應(yīng)用如此廣泛，且有可能改變智能家居連接格局的主要原因。這將是智能家居第一次能夠達到我們在可持續(xù)發(fā)展、能源節(jié)約和便利性方面設(shè)下的較高水平的目標(biāo)。例如，房主和電力供應(yīng)商可根據(jù)實際的家用電器數(shù)據(jù)共同商討節(jié)能目標(biāo)和相關(guān)的激勵措施。此外，用戶還可以借助自動化的調(diào)度、報告和功能定制來優(yōu)化電器性能，以確保達到上述目標(biāo)。最終，Matter生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的用戶將享受到更優(yōu)的性能、定制化的使用體驗以及更低的整體成本，而其他利益相關(guān)者也可以達到各自的可持續(xù)發(fā)展和盈利目標(biāo)。

MATTER將擁有長久的生命力

我們花費了將近75年的時間，終于打造出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)最初的智能家居愿景的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。憑借基于成熟連接標(biāo)準(zhǔn)的IP尋址的強大性能和穩(wěn)定性，Matter可在眾多應(yīng)用中確保有線設(shè)備與無線設(shè)備的互操作性。這將使消費者和制造商都能夠從中獲益：消費者能夠得到無縫的使用體驗以及順暢的設(shè)置過程；制造商則無需打造一個完全封閉的產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)，而是可以在設(shè)計人員和開發(fā)人員的幫助下，依靠第三方應(yīng)用將產(chǎn)品快速推向市場。

如圖6所示，一套圍繞Matter打造的智能家居將包含Wi-Fi設(shè)備、有線設(shè)備、Thread設(shè)備以及互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。消費者可將智能家居助手用作Matter控制器，并通過低功耗藍牙(BLE)低功耗技術(shù)將新設(shè)備輕松接入自家網(wǎng)絡(luò)。

圖6-利用Matter打造的智能家居。

對于傳統(tǒng)設(shè)備，用戶可通過兩種方案將其接入現(xiàn)代化的Matter系統(tǒng)。如果該設(shè)備支持通過Wi-Fi、以太網(wǎng)或Thread進行基于IP的通信，則制造商將可以為其提供兼容Matter的升級路徑。如果該設(shè)備使用的是非IP通信系統(tǒng)，則用戶可利用Matter提供的專用總線橋路徑將其整合到Matter生態(tài)系統(tǒng)中。因此無論怎樣，我們都能找到一個統(tǒng)一的智能家居協(xié)議，并有效緩解用戶對現(xiàn)有硬件面臨淘汰的擔(dān)憂。

盡管新冠疫情的爆發(fā)阻礙了Matter的推廣，但目前該平臺已重新恢復(fù)了上升勢頭，且市場能見度正在與日俱增。Matter設(shè)備是CES2023上的一個重頭戲；我們預(yù)計，該平臺的擴張速度將超過其他所有智能家居連接生態(tài)系統(tǒng)擴張速度的總和。

根據(jù)圖7所示的2023年Statista預(yù)測結(jié)果，智能家居在所有細分市場中的收益都在穩(wěn)步增長。最重要的是，每個細分市場都是我們提升Matter兼容性的首選目標(biāo)。在CSA和消費電子領(lǐng)域大多數(shù)重要品牌的共同推動下，我們似乎可以斷定：在未來幾十年內(nèi)，Matter將成為事實上的家居自動化標(biāo)準(zhǔn)。Matter設(shè)備是CES2023上的一個主要關(guān)注點；我們預(yù)計，該平臺的擴張速度將超過其他所有智能家居連接生態(tài)系統(tǒng)擴張速度的總和。

意法半導(dǎo)體投資打造了一套面向各類Matter設(shè)備的完整產(chǎn)品組合；該產(chǎn)品組合提供了針對電池供電設(shè)備的低功耗解決方案、支持快速開發(fā)的綜合生態(tài)系統(tǒng)以及多協(xié)議無線支持，并具有業(yè)界領(lǐng)先的質(zhì)量保證。這種目標(biāo)明確的支持能夠顯示出廣大芯片制造商和硬件設(shè)計人員對Matter的重視程度。

圖7 -2017年至2027年的各細分市場智能家居預(yù)測收益（由Statista提供）。

MATTER和意法半導(dǎo)體

在打造Matter硬件時，必須確保其滿足以下最低要求：

?最低1MB的Flash存儲器和200KB的RAM（CSA推薦數(shù)據(jù)）

?支持Wi-Fi、以太網(wǎng)或是Thread連接

?需支持IPv6以及TCP或UDP協(xié)議

?可通過低功耗藍牙(BLE)或標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)配置接入

?可運行包含必要加密算法的Matter協(xié)議應(yīng)用程序

為了滿足上述要求并提供一個一站式的綜合性Matter開發(fā)平臺，意法半導(dǎo)體推出了STM32WB系列器件。這些芯片可以滿足將Matter產(chǎn)品推向市場所涉及到的全部要求。

與意法半導(dǎo)體所有的微控制器產(chǎn)品一樣，我們的雙核多協(xié)議無線STM32WB微控制器也得到了熱門STM32Cube開發(fā)平臺的支持，從而使用戶能夠有效簡化器件配置、使用成熟的驅(qū)動程序庫，并可利用開發(fā)工具來加快器件的開發(fā)進程。此外，意法半導(dǎo)體還可提供功能齊全的示例項目，其中將包含可用于邊界路由器、終端設(shè)備以及將Matter與非Matter技術(shù)橋接的即用型示例代碼。終端設(shè)備示例將包含低功耗藍牙接入和Thread連接。

意法半導(dǎo)體將為使用Matter標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)人員提供堅定的支持，并會繼續(xù)擴大Matter標(biāo)準(zhǔn)微控制器的產(chǎn)品線。

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