基于PSoC 6 Matter的智能家居解決方案

近年來(lái)，智能家居產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了原有家居產(chǎn)業(yè)園區的轉型升級，同時(shí)，不斷擴大的智能家居市場(chǎng)需求，以及傳統家居產(chǎn)業(yè)的轉移，為很多地方布局新的智能家居產(chǎn)業(yè)園建設帶來(lái)了機會(huì )。在2019年底中國已成為全球最大的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，全球15億臺蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接設備中9.6億臺來(lái)自中國，占比64%。

摘要 隨著(zhù)智能家居設備數量的增加，不同產(chǎn)品、生態(tài)系統和協(xié)議之間的互操作性變得更加混亂。Matter 規范解決了這個(gè)困境。Matter是一個(gè)智能家居技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放標準，可以讓您的設備通過(guò)單一協(xié)議與任何Matter認證生態(tài)系統兼容，旨在為眾多智能家居應用提供設備制造商的指導。英飛凌科技、CSA聯(lián)盟以及包括谷歌和亞馬遜在內的280多家公司正在引領(lǐng)這個(gè)具有突破性的Matter標準，給智能家居解決方案提供了一種開(kāi)放、互操作和安全的方式來(lái)實(shí)現智能家居設備的集成和控制，為用戶(hù)提供更便捷、靈活和綜合的智能家居體驗
1 引言
近年來(lái)，智能家居產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了原有家居產(chǎn)業(yè)園區的轉型升級，同時(shí)，不斷擴大的智能家居市場(chǎng)需求，以及傳統家居產(chǎn)業(yè)的轉移，為很多地方布局新的智能家居產(chǎn)業(yè)園建設帶來(lái)了機會(huì )。在2019年底中國已成為全球最大的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，全球15億臺蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接設備中9.6億臺來(lái)自中國，占比64%。中國將成為全球最大的智能家居市場(chǎng)消費國，占據全球50%-60%的智能家居市場(chǎng)消費份額，利潤占據全球20%-30%的市場(chǎng)份額。根據預測，到2025年，中國智能家居市場(chǎng)的規模將達到數千億人民幣。智能家居產(chǎn)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。
但是多種IoT技術(shù)和眾多生態(tài)系統并存，互相競爭，彼此之間不能互聯(lián)互通也成為智能家居行業(yè)最大的弊病。對于消費者來(lái)說(shuō)，在購買(mǎi)智能家居設備時(shí)，很難確定這個(gè)設備是否跟自己選定的生態(tài)系統兼容，并且生態(tài)系統一旦選定就很難換成其他的廠(chǎng)家；對于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)人員需要針對要支持的生態(tài)系統開(kāi)發(fā)相應的產(chǎn)品，費時(shí)費力。Matter的出現就是解決各個(gè)生態(tài)系統之間的互通性，讓您的設備可以通過(guò)單一協(xié)議與任何Matter認證的生態(tài)系統兼容。Matter由CSA聯(lián)盟引入，這是一個(gè)由數百家為智能家居和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )建產(chǎn)品的公司組成的組織。Matter的目標是成為一個(gè)促進(jìn)技術(shù)采用和創(chuàng )新的互操作標準，逐步取代智能家居生態(tài)系統中的專(zhuān)有協(xié)議，簡(jiǎn)化配置和操作的復雜性，提高用戶(hù)的體驗。
2 Matter介紹
2.1 Matter標準介紹
Matter是一套基于IPV6的應用層協(xié)議，Matter采用了開(kāi)源軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）來(lái)實(shí)現，該工具包不僅包含規范的實(shí)現，還包括豐富的示例和可互操作的代碼。在OSI模型的上三層中，核心Matter協(xié)議適用于任何類(lèi)型的IPv6傳輸和網(wǎng)絡(luò )?？刂坪推渌僮魍ㄐ攀峭ㄟ^(guò)IPv6進(jìn)行的，而藍牙低功耗（Bluetooth? Low Energy）和NFC可以用于設備的配置。Matter具有靈活性和互操作性。它建立在多年來(lái)低功耗802.15.4網(wǎng)絡(luò )和Wi-Fi智能家居設備的挑戰和成功的基礎上。與Thread類(lèi)似，Matter構建在IPv6之上，它包括強大的加密功能，對設備類(lèi)型及其數據進(jìn)行了明確定義，并支持多個(gè)生態(tài)系統。
Matter還支持橋接其它智能家居技術(shù)，如Zigbee、藍牙Mesh和Z-Wave，這意味著(zhù)基于這些協(xié)議的設備可以通過(guò)橋接器作為Matter設備運行。

圖1 Matter協(xié)議與TCP/IP和OSI協(xié)議并列圖

2.2 Matter標準的關(guān)鍵點(diǎn)
? Matter比云對云連接具有更低的延遲和更高的可靠性，因為它是基于IP的本地連接協(xié)議。 
? 較低的開(kāi)發(fā)成本：只需構建一次，就可以在所有Matter認證的生態(tài)系統中使用。
? 數據模型是基于Zigbee的ZCL協(xié)議上擴展得到。
? 在所有支持Matter的設備上具有一致的設置體驗。 
? 通過(guò)其他支持Matter的生態(tài)系統進(jìn)行設備共享和控制。
? 支持多種不同硬件平臺（Wi-Fi-Thread-Ethernet）的設備之間的互操作性廣泛。
? 目前支持的通信協(xié)議：Ethernet/Wi-Fi/Wi-Fi + BLE/Thread + BLE(BLE只用于配網(wǎng))
? 綁定配網(wǎng)：需要帶外信息(配對碼、二維碼、NFC等)建立安全通路，單項認證設備，非對稱(chēng)證書(shū)鏈
? 通過(guò)DCL來(lái)存放公共信息，部署在基于區塊鏈技術(shù)的平臺上防止篡改
2.3 Matter智能家居生態(tài)介紹
? 在Matter智能家居生態(tài)中，各種設備可以通過(guò)使用相同的Matter協(xié)議進(jìn)行通信和互動(dòng)。這些設備可以包括智能燈具、智能插座、溫度控制器、門(mén)鎖、攝像頭、揚聲器等。通過(guò)遵循Matter標準，這些設備能夠無(wú)縫協(xié)作，實(shí)現統一的用戶(hù)體驗和功能。
? 不同品牌和設備之間的互操作性是Matter生態(tài)的核心。無(wú)論來(lái)自不同廠(chǎng)商的設備還是不同類(lèi)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(gè)生態(tài)系統中相互連接和通信。
? Matter生態(tài)系統不僅限于單個(gè)設備，還可以擴展到多個(gè)設備、服務(wù)和平臺的集合，這樣用戶(hù)可以通過(guò)添加更多的Matter設備來(lái)構建更為復雜和全面的智能家居系統。
? Matter智能家居生態(tài)系統的目標是為用戶(hù)提供更便捷、靈活和綜合的智能家居體驗，通過(guò)建立一個(gè)統一的生態(tài)系統，Matter使用戶(hù)能夠選擇和使用各種Matter認證的設備，實(shí)現智能家居的集成和控制。

圖2 Matter智能家居布局示例

3 基于PSoC?的Matter 方案介紹
3.1 PSoC?介紹
PSoC? 6系列采用超低功耗架構構建，微控制器采用低功耗設計技術(shù)，非常適用于電池供電應用。雙核Arm? Cortex?-M4和Cortex-M0+架構使設計人員能夠同時(shí)優(yōu)化功耗和性能。借助雙核結構和可配置的內存和外設保護單元，PSoC? 6微控制器提供了由Arm的平臺安全架構（PSA）定義的最高級別的保護。
設計人員可以利用該微控制器豐富的模擬和數字外設，為創(chuàng )新的系統組件（如MEMS傳感器、電子墨水顯示器）創(chuàng )建自定義模擬前端（AFE）或數字接口。PSoC? 6微控制器采用最新一代行業(yè)領(lǐng)先的CAPSENSE?電容感應技術(shù)，實(shí)現了穩健可靠的現代觸摸和手勢界面。搭配Infineon的AIROC? Wi-Fi、AIROC? Bluetooth?或AIROC?組合無(wú)線(xiàn)模塊，PSoC? 6微控制器是安全、低功耗、功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的完美解決方案。
3.2 方案介紹

圖3  基于PSoC? 6的Matter解決方案系統框圖

? 該方案為Matter生態(tài)系統展示了一個(gè)家庭的自動(dòng)化演示，展示了智能門(mén)鎖、人體感應傳感器和智能照明節點(diǎn)如何無(wú)縫協(xié)同工作，實(shí)現家庭自動(dòng)化例程。
? Matter生態(tài)系統解決方案可以通過(guò)Ethernet、WIFI和Thread 15.4三種協(xié)議進(jìn)行通信。該解決方案展示了Matter over WiFi和Matter over Thread。使用Matter over Wi-Fi進(jìn)行通信的智能門(mén)鎖使用了PSoC? 6作為應用處理器。演示中的安全元件采用了OPTIGA? Trust M，配備了一個(gè)NFC讀卡器，并且使用AIROC?系列超低功耗藍牙? Wi-Fi組合模塊
? 演示中的人體感應傳感器節點(diǎn)使用了XENSIV?傳感器系列中的60 GHz雷達傳感器，通過(guò)Matter over Wi-Fi與PSoC? 6和AIROC? WIFI進(jìn)行連接，以傳輸人體存在狀態(tài)。
? 系統中的第三個(gè)節點(diǎn)是一個(gè)使用Matter over Thread進(jìn)行通信的照明節點(diǎn)。
? 當居住者靠近門(mén)時(shí)，正在運行Matter over Wi-Fi的60 GHz傳感器會(huì )檢測到存在，并使用Matter over Thread觸發(fā)門(mén)廊燈的開(kāi)啟。在此演示中，蘋(píng)果電視充當Matter中樞，完成所有的轉換工作，但也可以使用來(lái)自其他廠(chǎng)商的Matter中樞替代蘋(píng)果電視。
? 解鎖門(mén)的方法有三種：可以使用來(lái)自CIPURSE?系列的NFC卡，可以在由PSoC? 6上運行的CAPSENSE技術(shù)驅動(dòng)的鍵盤(pán)上輸入PIN碼，或者可以使用像Apple Home應用程序這樣的移動(dòng)應用程序打開(kāi)門(mén)鎖。
? 在A(yíng)pple Home應用程序中，當我們點(diǎn)擊解鎖時(shí)，可以看到門(mén)被解鎖。作為家庭自動(dòng)化序列的一部分，當門(mén)解鎖時(shí)，客廳的燈光也會(huì )打開(kāi)。這種類(lèi)型的家庭自動(dòng)化還可以觸發(fā)其他下游事件，比如關(guān)閉家庭安全系統或與恒溫器進(jìn)行互動(dòng)。
? 當用戶(hù)關(guān)閉門(mén)時(shí)，客廳中的人體感應傳感器不再檢測到存在，門(mén)鎖將自動(dòng)鎖上。然后，當居住者離開(kāi)門(mén)口一段距離時(shí)，存在檢測會(huì )起作用，門(mén)廊燈將關(guān)閉。這個(gè)演示展示了Matter的重要性以及我們如何無(wú)縫連接不同的智能家居設備。
? 該演示支持Matter的多管理員功能，允許智能家居設備在蘋(píng)果和三星等智能家居系統供應商中同時(shí)運行。多管理員功能為您提供了配置智能家居的靈活性，無(wú)需強制選擇單一的控制器、平臺或應用程序。
? 該方案允許您將照明、人體感應傳感器或智能門(mén)鎖節點(diǎn)添加到蘋(píng)果或三星智能家居系統中的任一系統中。您可以無(wú)縫切換使用蘋(píng)果Home應用程序和三星SmartThings應用程序，以向Matter智能家居網(wǎng)絡(luò )添加設備、控制設備并查看每個(gè)設備的狀態(tài)。您可以使用蘋(píng)果Home應用程序解鎖智能門(mén)鎖，門(mén)的狀態(tài)將在三星SmartThings應用程序中更新。如果您所在的家庭成員使用iOS和Android設備的混合組合，這個(gè)功能會(huì )非常有用。
? 方案中的PSoC? 6智能門(mén)鎖代碼和移動(dòng)應用程序使用來(lái)自公共存儲庫的標準Matter SDK進(jìn)行構建，展示了Matter如何簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)并提高智能家居設備之間的互操作性。
4 結語(yǔ)
Matter作為一個(gè)開(kāi)放的智能家居標準，具有廣泛的支持、真正的互操作性、簡(jiǎn)化的設備配置和控制，以及安全性和隱私保護等優(yōu)勢，因此具備良好的前景和發(fā)展潛力。CSA聯(lián)盟在中國成立了CMGC聯(lián)盟，通過(guò)組織和積極參與線(xiàn)下活動(dòng)，將聯(lián)盟成員聯(lián)合起來(lái)并推廣Matter聯(lián)盟技術(shù)。隨著(zhù)越來(lái)越多的公司和設備制造商采用Matter標準，將形成一個(gè)龐大的生態(tài)系統，越來(lái)越多的設備類(lèi)型和功能納入標準中。除了傳統的智能家居設備，如燈光、開(kāi)關(guān)、鎖、家電、安防設備、健康監測設備等設備類(lèi)型均已加入到標準中，并且Matter的發(fā)展還會(huì )帶動(dòng)云服務(wù)和智能化能力的提升，為大家帶來(lái)更便捷的智能家居體驗。
參考文獻
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