最新研究报告，带你走进MATTER标准！

 

在今天的智能家居领域，新发布的Matter标准无疑是最大的亮点，它作为消费电子产品的通用语言，正在突破困扰智能家居领域多年的互操作性的瓶颈。

 

 

Matter标准是什么？它能做什么，不能做什么？它有何神奇之处，能让各大企业摒弃孤立的生态体系，转而支持开放的连接？开发符合Matter标准的产品和方案，在系统架构、芯片、软件和开发流程上，应该如何进行技术布局？……

 

如果你对这些有关Matter标准的问题充满了好奇，或者是希望借助这个新标准在未来智能家居安全互联领域有所建树，那么下面这份最新发布的研究报告，将给你一个完整的阐释。

 

《MATTER标准——让智能家居更智能》白皮书

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本文将节选《MATTER标准——让智能家居更智能》白皮书中有关Matter标准技术架构的精华章节，与大家分享，也欢迎大家下载完整中文版，仔细研读！

 

   

Matter标准明确如何使用现有的、广泛部署的标准和网络，从而实现互操作性。Matter标准不会创造新的网络环境。点击此处免费下载完整的1.0文档，其中包括内核规范、设备库规范和应用集群规范。文件共有1347页，内容丰富，技术信息密集，需要煮上一壶咖啡慢慢品读。但不用担心，本文将进行简要介绍。

 

核心架构

 

Matter标准的核心是定义了一种基于IPv6的通信协议，适用于智能家居应用。如图1所示， Matter标准是一个应用层，基于具有以太网、Wi-Fi和Thread网络的行业标准互联网协议栈构建。Matter标准网络中的每台设备都使用该协议栈的一个版本与其他设备交换消息。低功耗蓝牙 (Bluetooth LE) 也是协议栈的一部分，但它用于调试 (设置)，而不是数据通信。

 

 

图1:MATTER标准协议栈

 

Matter标准应用层由若干层组成，如下所示：

 

• 数据模型——维护应用层用于与设备交互的“名词和动词”数据结构。 

• 操作 (Action) ——构造由数据模型层定义的交互，即读写设备属性。

• 操作构架 (Action framing) ——将交互序列化为指定的二进制消息，并将其编码进行网络传输。

• 安全——对消息进行加密并附加身份验证代码。

• 消息——使用消息属性和路由信息构造有效负载格式。

• IP构架和传输管理——将消息发送到底层传输协议 (TCP或Matter标准的UDP消息可靠性协议)。

 

Matter标准的架构理念基于现有的独立于域的网络技术构建，在协议栈的顶部是域专用的层 (即数据模型和交互模型)。这种方法简化了添加和维护智能家居领域专用的设备定义、交互和行为。

 

基于MATTER标准的智能家居网络架构

 

 

图2:基于MATTER标准的智能家居网络原理图

 

图2展示了一个典型的智能家居场景，各种设备通过以太网、Wi-Fi和Thread连接。除了目前提供以太网和Wi-Fi连接的Wi-Fi路由器外，还有5类Matter标准和Thread标准产品：

 

• Matter标准控制器——智能音箱和集线器等设备直接与所有Matter标准设备进行通信。不同家居自动化平台的控制器可以共存并连接到相同的Matter标准设备。

• Matter标准高性能设备——通常通过Wi-Fi连接。

• Thread边界路由器——将Thread网格设备网络连接到家中的Wi-Fi或以太网网络。可能有多个边界路由器。

• Thread网格扩展器——常开、市电供电的边缘设备 (例如，灯开关) 有助于在全屋扩展Thread网格，在执行控制和传感功能的同时传输Thread网络流量。

• 低功耗设备——小型低功耗边缘设备通常由电池供电，甚至是纽扣电池，通常不能用作扩展器。

 

具有旧 (非Matter标准) 设备网络的家庭可能还有其它两种类型的组件。

 

• Matter标准桥——在Matter标准协议和传统网络协议之间进行转换。

• 传统设备网格节点——传统设备通过桥接功能连接到Matter标准，制造商通常将其集成到传统设备集线器中。

 

安全设备设置

 

搭建图2所示的网络既快速又简单。下文从用户的角度概要介绍了典型的设备设置过程。

 

• 打开设备并连接。

• 使用智能手机获取设备的设置ID (二维码、NFC或手动输入)。方法因设备而异。

• 其余的操作自动完成。该设备加入用户的家庭网络，由与家居自动化平台相关联的Matter标准控制器进行识别。

 

下文提供了设备设置过程幕后情况的更多细节。

 

• 客户实际安装一台新的Matter标准设备，通常通过连接操作或安装电池来完成。

• 使用智能手机应用或其他支持Matter标准的设备，客户通过扫描二维码、NFC或手动输入等方式输入设置ID。(设备专用) 

• 如有必要，用户将设备置于调试模式。(设备专用) 

• 然后应用连接到设备，通常通过低功耗蓝牙 (Bluetooth LE ) 连接。

• 在幕后，Matter标准根据其分布式合规设备总帐 (Distributed Compliance Ledger) 对设备进行身份验证，并执行其他安全相关功能。

• 在身份验证后，Matter标准通过低功耗蓝牙连接发送网络凭证 (用于Thread或 Wi-Fi)。

• 然后，该设备加入客户的网络，智能家居平台的家居Matter标准控制器开始使用它。

 

已经连接到客户家居自动化平台的供应商可预先配置网络凭证，无需“扫描二维码”。在这种情况下，唯一的手动操作是连接设备并将其打开。设置过程非常简单。

 

设置完成后，用户可通过相同的流程将Matter标准设备与其他智能家居平台连接起来。可通过Matter标准的多管理员功能实现，让用户可以控制哪些应用可以访问哪些设备。

 

设备类别

 

Matter标准于2023年初推出，客户需要知道哪些类别的设备最先进入市场。Matter标准根据15年累积的设备定义，基于Zigbee集群库制定了设备规范和应用集群规范。尽管 Zigbee为Matter标准提供了良好的开端，但设备规范比较复杂、难以制定、测试缓慢， 有时还存在争议。Matter标准将功能域的初始集群限制在少数高优先级、常用设备类型， 这种做法非常睿智。一些分析师希望在第一个版本中涵盖更多设备，但我们很高兴Matter标准团队更重视质量，而不是设备覆盖率。从长远来看，在添加更多设备之前应确保核心功能正常运行。Matter 1.0支持7种设备类别:

• 照明和电气控制

• 控制器和桥

• 窗帘

• 门锁

• 暖通空调控制

• 电视和媒体设备

• 安全传感器

 

连接标准联盟计划每半年更新一次Matter标准规范，添加新设备和功能，我们无需等待太久便能看到新设备。工作组目前正在处理下列新设备类别：

• 摄像头

• 家电——白色家电

• 能源管理

• 环境感测和控制

• 运动和状态感测

• 机器人吸尘器

• 接入点

• 门窗传感器

• 安全传感器——检测烟雾、一氧化碳

 

某些设备类型可能需要比预期更长的时间才能添加。例如，与安全有关的传感器和告警器通常需要额外的认证。但Matter标准承诺定期更新升级，因此我们预计设备覆盖率将稳步增长。

 

认证

 

标准设立机构向符合正式认证要求的产品颁发标识。产品上有Matter标准标识则表明符合 Matter标准规范，并通过了独立实验室关于与其它Matter标准产品互操作性的测试。认证仅适用于连接标准联盟成员，由全球多家独立测试机构授权。Matter标准认证还需要Wi-Fi和Thread等相关认证的证明。csa-iot.org上的认证产品列表对所有人开放。选择 Matter标准为项目类型。

 

传统设备——MATTER标准桥接

 

拥有一个或多个非Matter标准设备生态体系的智能家居爱好者预计将继续使用现有设备， 同时逐渐采用Matter标准设备。缺乏对传统产品的支持可能会很大程度阻碍已有智能家居设备的用户选择Matter设备，而Matter标准需要迎合他们的需求。

 

Matter标准规范包括“桥接”功能，如图3所示，它使制造商能够构建在Matter标准协议和传统设备协议之间转换的设备。桥的两端分别与Matter标准和传统协议 (如Zigbee或 Z-Wave) 进行通信。如图所示，如果Matter标准桥支持传统协议，就可以同时支持制造商 现有的专用应用。

 

许多特性和功能都能够轻松转换，例如开关灯。然而，专用设备功能通常很难 (或不可能) 映射到可互操作的Matter标准模型上，因此协议转换通常不完整。桥开发人员可以选择使用制造商专用的集群和设备类型向Matter标准生态体系公开独特的功能，尽管这种方法可能会产生兼容性问题。我们预计Zigbee桥比其他生态体系更易构建，也更全面，因为Matter标准利用了Zigbee的集群和设备规范，因此需要进行的转换更少。

 

 

图3:MATTER标准桥

 

恩智浦的领导地位——芯片和和软件

 

十多年来，恩智浦一直支持技术创新，使Matter标准成为可能。2012年，飞思卡尔半导体(现恩智浦半导体) 成为Thread Group的创始公司之一。自2015年与飞思卡尔合并以来， 恩智浦一直是Thread标准的主要贡献者。恩智浦认识到需要一个通用的、基于IP的智能家居应用层，并于2019年与其他几家大型企业携手创建了“IP互联家居项目”(CHIP)， 后更名为Matter。如今，恩智浦的Matter标准产品组合体现了基于开放标准的一致行业领先战略。

 

恩智浦和其他供应商生产的精密芯片使嵌入式互联产品“融入我们周围的世界中”，让Matter标准成功问世。智能家居技术的“融入”，嵌入式器件必须体积小、功耗低 (通常由电池供电)、安全、支持无线，并且能够运行IP网络协议栈和应用软件。此外，平台还要价格低廉，符合现有的消费电子产品价格区间，而不会大幅提高价格。70美元智能灯开关的时代即将结束。

 

Matter标准芯片需要具有以下四个特点：

• 支持Matter标准——具有片上无线网络、安全性、“物理世界”接口以及充足的 处理能力、内存和闪存的SoC

• 方便嵌入——小型低功耗平台，可轻松集成到家中的所有设备

• 安全——可简化Matter标准开发和Thread产品认证的安全子系统，前期设计采纳而非后期插件

• 完整的解决方案——芯片、开发板和基于Matter标准的软件包，“开箱即用”

 

我们深入研究一下恩智浦基于Matter标准的产品组合，了解芯片如何适用于现实世界的智能家居产品，并概要介绍开发过程。

 

图4列出了恩智浦的Matter标准芯片产品组合，并展示了芯片如何映射到本白皮书“基于 Matter标准的智能家居架构”部分定义的五个Matter设备类别。

 

 

图4：恩智浦面向MATTER和THREAD的芯片

 

图4的最上方是高性能Matter标准平台。开发人员将i.MX 8M Mini微处理器 (MPU) 与各种无线芯片相结合，具体取决于Thread应用的类型和产品的价格目标。双芯片无线灵活性延伸至下一个性能较低的选项，即i.MX RT“跨界”微控制器 (MCU)。跨界MCU为低功耗、 低成本产品提供了MPU级性能。恩智浦还提供4种单芯片Matter标准平台，具有各种性能 和无线选项，适用于要求低功耗、小尺寸和低成本的应用。

 

恩智浦为Matter标准应用开发了领先的三频技术，提供完全集成的Wi-Fi、Thread和低功耗蓝牙双芯片和单芯片配置。IW612三频芯片，与i.MX 8M Mini MPU相结合，创建了完整的平台，适用于Matter标准控制器和其他高性能应用。对于低功耗、低成本的产品 (如Thread边界路由器)，恩智浦最近发布了单芯片、三频RW612。三频技术通过集成的硬 件和软件、预先设计的无线共存逻辑和快速的监管认证，简化并加速了无线平台的开发。

 

恩智浦为定义Matter标准安全规范做出了重要贡献，是为Matter标准认证平台提供所有芯片、软件、参考设计和服务的第一批半导体公司，助力客户构建和部署安全产品。

 

恩智浦为客户提供全套的安全技术。例如，恩智浦是Matter标准产品的一个认证机构， 能够为Matter标准产品颁发产品认证证书。

 

此外，恩智浦还可以将凭证预注入嵌入式安全芯片和验证芯片，通过无线方式 (OTA) 安全地交付凭证，并通过EdgeLock 2GO服务协助证书部署和配置。对于消费电子制造商来说， 恩智浦的预认证平台和服务可加速开发、简化认证、简化部署、减少对企业内部安全专业知识的需求，并限制管理开销。

 

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本文作者

 

 

《MATTER 标准：让智能家居更智能》研究报告的作者为Bill Curtis，Moor Insights & Strategy工业物联网和物联网技术驻场分析师。想要了解Bill有关Matter标准发展趋势的更多洞见，请参阅这篇博文>>