無線標(biāo)準(zhǔn)Matter成為智能家居設(shè)備的新動力

儒卓力無線產(chǎn)品經(jīng)理Torsten Killinger

智能家居設(shè)備因為缺乏通信功能和安全性而令需求停滯不前，但全新Matter標(biāo)準(zhǔn)即將改變這種情況。

2019年12月，全新的開放式智能家居標(biāo)準(zhǔn)Project Connected Home over IP(CHIP 項目)亮相，支持企業(yè)包括亞馬遜、蘋果、谷歌、三星和 Zigbee 聯(lián)盟(現(xiàn)稱為連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟 (CSA))等眾多領(lǐng)先科技企業(yè)。2021年5月，他們制定了第一個規(guī)范，并將 CHIP 項目命名為 Matter。2022年10月，Matter 1.0的發(fā)布標(biāo)志著首批設(shè)備認(rèn)證的開始。第一個更新版本 Matter 1.1已在 2023年5月18日發(fā)布，CSA已經(jīng)宣布將每年兩次采納新的標(biāo)準(zhǔn)版本。

參與 Matter 的企業(yè)都在追求幾個目標(biāo)，包括通過提高不同供應(yīng)商的智能家居設(shè)備之間的互操作性，以實現(xiàn)無縫集成和控制。為此，Matter支持多種通信技術(shù)，如 Wi-Fi、以太網(wǎng)和Thread。用戶也可以使用藍(lán)牙，快速方便地將新設(shè)備集成到現(xiàn)有的Matter網(wǎng)絡(luò)中。

用戶還可以通過互聯(lián)網(wǎng)直接安全地連接智能家居設(shè)備，而無需額外的設(shè)備或組件。此外，使用Matter的設(shè)備能夠在不同平臺和應(yīng)用之間實現(xiàn)無縫通信，提升了智能家居市場的互通性和便捷性 。

多管理員操作是一項有趣的功能。每個支持Matter的智能家居生態(tài)系統(tǒng)都具有配對模式，Matter設(shè)備不再只與一個控制裝置綁定，而是可以通過多個系統(tǒng)并行訪問。例如，一名用戶使用iPhone把一臺智能電視添加到Apple Home，其他家庭成員或室友也可以通過安卓智能手機(jī)上的Google Home應(yīng)用程序使用它。

圖 1：各個Matter設(shè)備可通過 Apple Home、Amazon Alexa、Google Home 和Samsung SmartThings相互對話。（圖片來源：microstock77/stock.adobe.com）

除了互操作性之外，Matter還有許多其他優(yōu)勢。其中包括易用性：憑借友好的用戶界面，用戶無需使用大量應(yīng)用程序和平臺就能控制智能家居設(shè)備。此外，Matter還能整合未來的技術(shù)和創(chuàng)新，迎合未來的趨勢。

跨供應(yīng)商的設(shè)備數(shù)據(jù)交換

Matter基于IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這使得所有設(shè)備都能獨立聯(lián)網(wǎng)，它的通用數(shù)據(jù)模型還有利于各種智能家居設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。處于同一物理網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以直接相互通信，而無需集線器或其他類型的網(wǎng)關(guān)。

圖 2：Matter協(xié)議層 (圖片來源：Nordic Semiconductor)

通過Wi-Fi/WLAN (IEEE 802.11)、Thread(IEEE 802.15.4)和以太網(wǎng)/局域網(wǎng)(IEEE 802.3)等開放標(biāo)準(zhǔn)，Matter 支持廣泛的設(shè)備。第四個新增標(biāo)準(zhǔn)是低功耗藍(lán)牙(BLE)，允許智能手機(jī)或平板電腦在安裝過程中與 Matter 設(shè)備建立初始無線連接，目前許多供應(yīng)商都已采用這種方法。例如，新的無線局域網(wǎng)(WLAN)揚聲器打開后，會自動顯示在供應(yīng)商的應(yīng)用程序中。然后，智能手機(jī)通過藍(lán)牙向揚聲器發(fā)送 WLAN 訪問數(shù)據(jù)，確保揚聲器可以登錄家庭網(wǎng)絡(luò)。

在 Thread 和 Wi-Fi 之間進(jìn)行通信需要所謂的 Matter 邊界路由器。一些供應(yīng)商已經(jīng)發(fā)布了結(jié)合 Matter 控制器和邊界路由器的產(chǎn)品，如 Apple TV 4K、Apple Homepod Mini、三星 SmartThings Hub，以及眾多亞馬遜 Echo 設(shè)備。

綜合安全性

供應(yīng)商使用Matter 標(biāo)準(zhǔn)的另一個重要目標(biāo)是提高安全性，保護(hù)用戶隱私免受攻擊。當(dāng)黑客試圖通過互聯(lián)網(wǎng)訪問智能家居設(shè)備時，這些設(shè)備往往沒有得到充分保護(hù)，運行過時的軟件，使用可預(yù)測的密碼，幾乎無法抵御攻擊者的入侵。

因此，安全問題是人們不購買智能家居設(shè)備的首要原因： 2022 年 9 月Bitkom 委托進(jìn)行的一項調(diào)查顯示，47% 的非用戶擔(dān)心黑客攻擊，37% 的用戶擔(dān)心個人數(shù)據(jù)濫用，而29% 的用戶則擔(dān)心隱私泄露。

為了解決這些問題，在開發(fā) Matter 的過程中，已經(jīng)根據(jù)“設(shè)計安全(Secure by Design)”原則考慮了安全要求：設(shè)備認(rèn)證證書(DAC)通過保證硬件確實來自原始供應(yīng)商來防止偽造，還提供了由官方認(rèn)證機(jī)構(gòu)簽署的供應(yīng)商證書。此外，還有防竊聽通信和安全控制。通過 PKI 加密和強大的安全協(xié)議，Matter 可保證用戶隱私和安全。

巿面上仍只有少數(shù)設(shè)備

不過，盡管 Matter具有很多優(yōu)點，但巿面上的設(shè)備數(shù)量仍然有限。由于 Matter 仍然處于相對較新的階段，兼容設(shè)備的選擇仍然受到限制，更多設(shè)備或軟件更新 (適用于具有 IEEE 802.15.4 收發(fā)器功能的現(xiàn)有設(shè)備) 的推出尚需時日。例如，許多基于 ZigBee 的設(shè)備都有望獲得軟件更新，前提是其內(nèi)部存儲器足夠大，能夠支持固件無線更新 (FOTA)。

鑒于新標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢，一旦更多的智能家居供應(yīng)商推出相應(yīng)的產(chǎn)品，市場上就會迅速涌現(xiàn)支持 Matter 的設(shè)備。由于 Matter 技術(shù)的先進(jìn)性和易用性，使得采用專有連接技術(shù)的其他智能家居設(shè)備難有光明前景。畢竟，終端用戶不可能愿意為邊界路由器、協(xié)議和設(shè)備配置文件而煩惱，他們更愿意在簡單設(shè)置后，通過同一界面操作盡可能多的設(shè)備。

Matter提供互聯(lián)網(wǎng)連接、離線功能和跨設(shè)備控制能力，使得產(chǎn)品供應(yīng)商擺脫了開發(fā)過程中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。與此同時，這也使得供應(yīng)商在差異化方面的選擇更少。就散熱閥而言，這可能受到致動器電機(jī)的體積、儲能裝置的尺寸和顯示屏的影響限制。因此，在重新設(shè)計產(chǎn)品轉(zhuǎn)向Matter協(xié)議時，最好對產(chǎn)品進(jìn)行外形改造提升，向買家表明這是一款極具創(chuàng)新性的產(chǎn)品。這就是顯示屏作為人機(jī)界面真正發(fā)揮作用的地方。

支持Matter的芯片和模塊

儒卓力的產(chǎn)品組合中已包括眾多用于開發(fā) Matter 設(shè)備的產(chǎn)品，相應(yīng)的芯片和模塊供應(yīng)商包括英飛凌(Infineon)、Nordic Semiconductor、松下(Panasonic)和InsightSiP。

作為 CSA組織成員，英飛凌提供支持 Matter 的組件，如 PSoC-6系列。PSoC 62 和PSoC 64與Wi-Fi IC結(jié)合使用時，均可支持 Matter。一般來說，任何支持 Matter 的 Wi-Fi IC均可使用。如果使用英飛凌的 CYW43439、CYW43012 或 CYW4373，集成開發(fā)環(huán)境 ModusToolbox 完全支持編程。還可用于將 Matter 棧導(dǎo)入并映射到PSoC-6器件。

2024年3月，英飛凌發(fā)布了支持 Matter over Thread 的CYW30739芯片。此外，它還將在Matter 網(wǎng)絡(luò)中使用方便的低功耗藍(lán)牙調(diào)試。該芯片可能只會提供給部份選定的供應(yīng)商，不過，儒卓力可提供集成該芯片的大眾市場模塊給感興趣的客戶。

英飛凌的安全芯片(如 Optiga Trust)是每個 Matter 認(rèn)證設(shè)備必須具備的客戶特定登錄信息的理想信任錨。

與英飛凌一樣，Nordic Semiconductor 也是 CSA組織成員，針對Matter提供各種芯片，如nRF52840、nRF5340 和全新的 nRF54 系列，以及 Nordic 在 Wi-Fi 領(lǐng)域的最新產(chǎn)品 nRF7002。nRF54 系列于 2024 年上市(圖 3)，采用最先進(jìn)的安全技術(shù)，是未來 Matter 設(shè)備的理想之選。它專為 PSA 第三級認(rèn)證而設(shè)計，具有基于物理不可克隆功能 (PUF)的信任根、安全啟動、固件更新和存儲，以及加密加速、側(cè)信道保護(hù)和篡改檢測等功能。

圖 3：Nordic Semiconductor 的 nRF54 系列具有 Matter over Thread 功能和先進(jìn)的安全技術(shù)，于 2024 年上市。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

nRF54H20 配備兩個運作頻率高達(dá) 320 MHz 的 Arm Cortex-M33 處理器，用于處理計算密集型應(yīng)用和無線電通信，并且具有兩個 RISC-V 協(xié)處理器，用于處理超低功耗任務(wù)和軟件定義外設(shè)。2 MB 閃存可在大多數(shù)基于 Matter 的應(yīng)用中實現(xiàn) FOTA，而無需額外的外部存儲器。

nRF54系列以及 nRF5340 和 nRF52840 使用Matter over Thread，而 nRF7002 則使用Matter over Wi-Fi。當(dāng)與上述低功耗藍(lán)牙SoC 中的一個結(jié)合使用時，它還可用于在 Matter 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行便捷的低功耗藍(lán)牙調(diào)試。

Nordic nRF Connect SDK v2.4支持各種應(yīng)用開發(fā)，包括基于最新 Matter 1.1 版本的應(yīng)用。其中包括帶響應(yīng)的定期廣告(PAwR)。此外，它還允許接收定期廣告的設(shè)備也向發(fā)送方發(fā)送響應(yīng)信息，從而創(chuàng)建雙向通信并實現(xiàn)大型一對多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

此外，Nordic 還在 Github 上提供 KNX 集成，以滿足工業(yè)樓宇服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。這將幫助企業(yè)保持未來在智能家居和智能樓宇SoC供應(yīng)商中的領(lǐng)先地位。

松下提供基于 Nordic Semiconductor 芯片的 Matter 模塊。在 Matter over Wi-Fi 領(lǐng)域，PAN9028具有兩個型款：帶有或不帶有集成電源管理集成電路(PMIC)。用于電池供電設(shè)備的 PMIC(無論應(yīng)用是否提供無線電)也是 Nordic 發(fā)展非常迅速的產(chǎn)品類型。

PAN9019和PAN9019A分別是新型 Wi-Fi6 和 Wi-Fi6E 模塊。這兩種模塊都使用 Matter over Wi-Fi；PAN9019A 還能使用Matter over Thread。PAN1770 和 PAN1780是單純Matter over Thread模塊。它們基于 Nordic 的 BLE 芯片 nRF52840。松下于 2023 年 12 月宣布推出一款基于 Nordic nRF5340 的PAN1783模塊。它是市場上最小的基于nRF5340模塊之一，并提供底座天線或芯片天線。

InsightSiP的模塊也使用 Nordic 芯片：例如，基于 nRF5340 的 ISP2053-AX。它使用了 Matter-over-Thread 連接，基于 nRF52840 的 ISP1807-LR 也是如此。InsightSiP 的模塊還包括晶體和認(rèn)證，由于體積極小而廣受歡迎。得益于已獲專利的內(nèi)部天線，它們看起來仍像一塊芯片。

對于價格敏感型設(shè)備，儒卓力提供來自創(chuàng)新微的類似模塊，創(chuàng)新微已被列為 Nordic 的官方模塊合作伙伴。例如，基于 Nordic nRF5340 的 MS-45SF11 就具備 Matter 功能。該產(chǎn)品也采用了 Matter-over-Thread 工藝。創(chuàng)新微全新旗艦產(chǎn)品MS12SF1模塊同時內(nèi)置 nRF5340 和Wi-Fi協(xié)同芯片 nRF7002，是首批通過兩個芯片同時支持 Matter over Thread (nRF5340) 和 Matter over Wi-Fi (nRF7002) 的組合模塊之一。在2024年三季度，創(chuàng)新微還將推出以nRF54L15 為內(nèi)核的ME54BS01模塊，該產(chǎn)品以高算力的M33主核搭載1.5M NVM (Non-Volatile Memory), 是 Matter-over-Thread 的最優(yōu)之選。

儒卓力將聯(lián)手Nordic與創(chuàng)新微，在6月5日舉辦一場線上研討會，介紹nRF54系列以及ME54BS01模塊，詳情請關(guān)注儒卓力官方微信號。