英飛凌MCU PSoC™ 6為基礎的 Matter智能家居解決方案

Jan . 2024

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2019年底，中國已成為全球最大的物聯網市場，全球15億台蜂巢式網路連線設備中9.6億台來自中國，佔64%。國內智能家居產品和解決方案的普及程度不斷提高，消費者對智能家居設備的需求也不斷增加。根據預測，到2025年，中國智能家居市場的規模將達到數千億人民幣，將成為全球最大的智能家居市場消費國，佔據全球50%-60%的智能家居市場消費份額。

但多種IoT技術和眾多生態系統並存，互相競爭，彼此之間不能互聯互通也成為智能家居產業最大的弊病。對於消費者來說，在購買智能家居設備時，很難確定這個設備是否跟自己選定的生態系統兼容，並且生態系統一旦選定就很難換成其他的廠家；對於開發者來說，開發人員需要針對要支援的生態系統開發相應的產品，費時費力。 CSA聯盟發起的Matter的出現就是解決各個生態系統之間的互通性，讓設備可以透過單一協定與任何Matter認證的生態系統相容。

Matter是什麼

圖1 Matter協定與TCP/IP和OSI協定並列圖

Matter是一套基於IPV6的應用層協議，Matter採用了開源軟體開發工具包（SDK）來實現，該工具包不僅包含規範的實現，還包括豐富的範例和可互通的程式碼。在OSI模型的上三層中，核心Matter協定適用於任何類型的IPv6傳輸和網路。控制和其他操作通訊是透過IPv6進行的，而藍牙低功耗（Bluetooth® Low Energy）和NFC可以用於設備的配置。與Thread類似，Matter建構在IPv6之上，它包括強大的加密功能，對設備類型及其資料進行了明確定義，並支援多個生態系統。

Matter也支援橋接其它智能家居技術，如Zigbee、藍牙Mesh和Z-Wave，這意味著基於這些協定的裝置可以透過橋接器作為Matter裝置運作。

Matter標準的關鍵點

Matter比雲端對雲端連線具有更低的延遲和更高的可靠性，因為它是基於IP的本機連線協定。
較低的開發成本：只需建造一次，就可以在所有Matter認證的生態系統中使用。
資料模型是基於Zigbee的ZCL協定上擴展得到。
在所有支援Matter的設備上具有一致的設定體驗。
透過其他支援Matter的生態系統進行設備共享和控制。
支援多種不同硬體平台（Wi-Fi-Thread-Ethernet）的設備之間的互通性廣泛。
目前支援的通訊協定：Ethernet/Wi-Fi/Wi-Fi + BLE/Thread + BLE（BLE只用於配網）。
綁定配網：需要帶外資訊（配對碼、二維碼、NFC等）建立安全通路，單項認證設備，非對稱證書鏈。
通過DCL來存放公共訊息，部署在基於區塊鏈技術的平台上防止篡改。

Matter智能家居生態

圖2 Matter智慧家庭佈局範例

在Matter智能家居生態中，各種設備可以透過使用相同的Matter協定進行通訊和互動。這些設備可以包括智慧燈具、智能插座、溫度控制器、門鎖、攝像頭、揚聲器等。通過遵循Matter標準，這些設備能夠無縫協作，實現統一的使用者體驗和功能。
不同品牌和設備之間的互操作性是Matter生態的核心。無論來自不同廠商的設備或是不同類型的智能家居設備，只要它們都符合Matter標準，就能夠在同一個生態系統中相互連接和通訊。
Matter生態系統不僅限於單個設備，還可以擴展到多個設備、服務和平台的集合，這樣用戶可以通過添加更多的Matter設備來建立更為複雜和全面的智能家居系統。
Matter智能家居生態系統的目標是為用戶提供更便捷、靈活和綜合的智能家居體驗，通過建立一個統一的生態系統，Matter使用戶能夠選擇和使用各種Matter認證的設備，實現智能家居的整合和控制。

基於PSoC™ 6的Matter 方案

圖3 基於PSoC™ 6的Matter解決方案系統框圖

PSoC™ 6系列採用超低功耗架構構建，微控制器採用低功耗設計技術，非常適合電池供電應用。雙核心Arm® Cortex®-M4和Cortex-M0+架構使設計人員能夠同時優化功耗和性能。借助雙核心結構和可配置的記憶體和周邊保護單元，PSoC™ 6微控制器提供了由Arm的平台安全架構（PSA）定義的最高層級的保護。

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該方案為Matter生態系統展示了一個家庭的自動化演示，展示了智慧門鎖、人體感應感測器和智慧照明節點如何無縫協同工作，實現家庭自動化例程。
Matter生態系解決方案可以通過Ethernet、WI-FI和Thread 15.4三種協定進行通訊。解決方案展示了Matter over Wi-Fi和Matter over Thread。使用Matter over Wi-Fi進行通訊的智慧門鎖使用了PSoC™ 6作為應用處理器。示範中的安全元件採用了OPTIGA™ Trust M，配備了一個NFC讀卡器，並且使用AIROC™系列超低功耗藍牙® Wi-Fi組合模組
演示中的人體感應感測器節點使用了XENSIV™感測器系列中的60 GHz雷達感測器，透過Matter over Wi-Fi與PSoC™ 6和AIROC™ WI-FI進行連接，以傳輸人體存在狀態。
系統中的第三個節點是使用Matter over Thread進行通訊的照明節點。
當居住者靠近門時，正在執行Matter over Wi-Fi的60 GHz感測器會偵測到存在，並使用Matter over Thread觸發門廊燈的開啟。在此示範中，蘋果電視充當Matter中樞，完成所有的轉換工作，但也可以使用來自其他廠商的Matter中樞取代蘋果電視。
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™技術驅動的鍵盤上輸入PIN碼，或者可以使用像Apple Home應用程式這樣的行動應用程式打開門鎖。
在Apple Home應用程式中，當我們點擊解鎖時，可以看到門已解鎖。作為家庭自動化序列的一部分，當門解鎖時，客廳的燈光也會打開。這種類型的家庭自動化還可以觸發其他下游事件，例如關閉家庭安全系統或與恆溫器互動。
當使用者關閉門時，客廳中的人體感應感測器不再偵測到存在，門鎖將自動鎖上。然後，當居住者離開門口一段距離時，存在檢測會起作用，門廊燈將關閉。這個演示展示了Matter的重要性以及我們如何無縫連接不同的智能家居設備。
該演示支援Matter的多管理員功能，允許智能家居設備在蘋果和三星等智能家居系統供應商中同時運作。多重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、平台或應用程式。
此方案可讓您將照明、人體感應感測器或智慧門鎖節點新增至蘋果或三星智能家居系統中的任一系統。您可以無縫切換使用蘋果Home應用程式和三星SmartThings應用程序，以向Matter智能家居網路添加設備、控制設備並查看每個設備的狀態。您可以使用蘋果Home應用程式解鎖智慧門鎖，門的狀態將在三星SmartThings應用程式中更新。如果您所在的家庭成員使用iOS和Android設備的混合組合，這個功能會非常有用。
方案中的PSoC™ 6智慧門鎖程式碼和行動應用程式使用來自公共儲存庫的標準Matter SDK進行構建，展示了Matter如何簡化開發並提高智慧家居設備之間的互通性。

Matter作為一個開放的智慧家庭標準，具有廣泛的支援、真正的互通性、簡化的設備配置和控制，以及安全性和隱私保護等優勢，因此具備良好的前景和發展潛力。隨著越來越多的公司和設備製造商採用Matter標準，將形成一個龐大的生態系統，越來越多的設備類型和功能納入標準。除了傳統的智慧家庭設備，如燈光、開關、鎖、家電、安防設備、健康監測設備等設備類型均已加入到標準中，並且Matter的發展還會帶動雲服務和智能化能力的提升，為大家帶來便捷的智能家居體驗。

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