來源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard
(資料圖片)
無線智能家居自動化設備的設計者面臨的挑戰是缺乏廣泛的互操作性，這限制了無線智能家居生態系統的發展。例如，亞馬遜Alexa、蘋果HomeKit和谷歌Assistant設備，目前都在各自的自動化島嶼中運行。以太網、Thread、Insteon、SmartThings、Wi-Fi、Z-Wave和其他無線物聯網（IoT）協議在不同程度上也是如此。
設計多協議設備是一個潛在的解決方案，但它需要復雜的設計，延長了開發過程并增加了設備成本。此外，多協議設備只能部分地連接智能家居自動化的島嶼，因為各種協議在為用戶實現安全和隱私方面有不同的方法，使其設計和實施更加復雜。
為了解決這些問題，設計者可以求助于連接性標準聯盟的Matter 1.0規范，以連接自動化的島嶼，增強智能家居物聯網網絡的效用。Matter軟件套件還旨在簡化新設備的調試，并提供全面的安全和隱私。
本文首先簡要介紹了Matter作為Zigbee聯盟的IP互聯家庭（CHIP）項目的起源，以及它在連接性標準聯盟（CSA）中的現有地位的演變。然后，它審查了Matter的應用層軟件堆棧，該堆棧位于以太網、Wi-Fi、藍牙和Thread等協議之上。它還審查了Matter的安全和隱私工具。報告最后介紹了恩智浦半導體的幾個評估套件和開發板，以及相關的微控制器（MCU），它們可以加快使用Matter的可互操作無線智能家居設備的設計。
物質出現在CHIP中
一個典型的智能家居可能有超過100個物聯網設備，使用超過20個協議，創造了一個網絡巴別塔，各種自動化島嶼在其中孤立運行（圖1）。CHIP項目于2019年12月由Zigbee聯盟發起，旨在開發一個通用的軟件套件并連接各島嶼。CHIP成為聯盟的一個主要焦點，聯盟更名為CSA，CHIP項目也改名為Matter。Matter是基于互聯網協議（IP）的，并作為一種開源軟件規范提供，免收版權費。要獲得使用Matter的知識產權，需要加入CSA和Matter工作小組。Matter項目還定義了認證要求，并建立了一系列獨立的測試實驗室，因此設備可以被驗證為符合要求。
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圖1：一個典型的智能家居可以有超過100個物聯網設備，使用超過20種不同的協議，創造了許多自動化的島嶼。（圖片來源：NXP）
馬特在哪里？
Matter建立在IP層之上，并將其作為與基于IP的網絡如以太網、Thread和Wi-Fi進行通信的通用語言。通過使用IPv6，Matter可以與設備進行通信，而不需要翻譯器。Matter位于設備應用層之下，傳輸控制協議（TCP）層之上，通過它與通信堆棧中的IP層相連。Matter是一個可互操作的應用層解決方案，它由應用層以下的六個功能層構成，包括數據模型、交互模型、行動構架、安全、消息構架和路由，以及IP構架和傳輸管理。傳輸管理層處理與各個協議的聯系。在最初的版本中，Matter支持以太網、Thread、藍牙低能耗（BLE）和Wi-Fi。擴大其網絡連接的工作已經在進行中（圖2）。
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圖2：Matter使用IPv6與Wi-Fi、Thread、BLE和以太網設備通信，消除了對專用翻譯器的需求。（圖片來源：NXP）
確保安全操作是Matter部署的一個關鍵因素。Matter結合了認證碼和加密，以保持信息的保密性和準確性，并對數據源進行認證。它采用先進的加密標準（AES）128位密碼塊鏈消息驗證碼（CCM）加密，并采用128位AES密碼塊鏈（CBC）來保證安全。此外，它還采用了深度防御原則，為個別設備提供最合適的安全和隱私水平。分層方法優化了資源利用，并確保了通信的可用性、完整性和保密性。
物質網絡是什么樣子的？
Matter由CSA管理，在Apache 2.0下許可。CSA還維護著一個標準實現和應用的圖書館，成員可以用它來支持開發自己的符合Matter的設備。安全和用戶隱私是Matter的主要關注點，該庫確保在Matter設備范圍內實施安全的統一性。就硬件而言，Matter包括終端節點、邊緣節點、網關（也稱為控制器）、網橋和邊界路由器。由于網關和邊界路由器有時都被稱為 "集線器"（圖3），因此可能會出現混淆。當對一個設備有疑問時，最好的做法是弄清楚任何 "樞紐 "的具體功能。
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圖3：物質網絡包括網關、網橋和邊界路由器，以提供不同本地網絡的連接和與互聯網的連接。（圖片來源：NXP）
· 網關 - Matter網關通過提供與互聯網的連接支持對Matter設備的遠程訪問。一些已有的設備，如SmartThings、亞馬遜和谷歌的智能家居中樞，可以獲得軟件更新，把它們變成物質網關。Matter被指定為可以與制造商提供的通信功能（如云連接或遠程控制）一起存在，允許這些設備即使在作為Matter網絡的一部分運行時仍能使用其現有的通信能力。
· 橋接器 - 物質橋接器用于連接物質網絡和附近的無線網絡。不兼容Matter的設備可以通過橋接操作，與Matter網絡無縫連接。橋梁也有望通過使非物質兼容的節點和網絡輕松地集成到更大的物質網絡結構中來加速物質的采用。一些現有的設備可以被更新并與Matter兼容，從而能夠直接集成到Matter網絡中，而無需通過橋接。
· 邊界路由器 - 邊界路由器是專門設計用來將線程網絡和設備（如運動、門窗傳感器）整合到Matter網絡中的。Thread是一個在IEEE 802.15.4物理層（PHY）上運行的低功率無線IP協議。由于802.15.4與Wi-Fi不兼容，將設備更新為邊界路由器更為復雜。這種情況將得到改變。恩智浦等制造商已經推出了結合支持Wi-Fi 6、藍牙5.2和802.15.4的設備，簡化了邊界路由器和其他Matter設備的設計。除了連接網絡外，一些邊界路由器還有一個用于智能家居控制的接口。
設計Matter網元
構建一個物質網絡需要幾種類型的設備，包括傳感器和執行器等終端節點，智能照明、智能鎖、供暖通風和空調（HVAC）控制等邊緣節點，以及一系列網關、邊界路由器和橋接器將其連接起來。恩智浦為每一種類型的Matter網元提供全系列的開發硬件，同時在GitHub上提供大量材料，包括Matter平臺支持和應用實例，以加快開發進程（表1）。
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表1：恩智浦為Matter平臺提供的部分開發環境。(表格來源：恩智浦，由作者修改)
末端節點
終端節點Matter平臺的開發者可以利用IOTZTB-DK06開發環境，使用K32W0x MCU平臺，如K32W041AZ（圖4）。該環境包括創建獨立的終端節點所需的硬件和軟件，以及一個三單元的示范網絡--包括一個控制橋、開關節點和光/傳感器節點。
K32W041AZ MCU采用Arm?Cortex?-M4 MCU設計，具有640千字節（KB）的板載閃存和152KB的靜態隨機存取存儲器（SRAM），為下一代超低電流多協議無線設備供電，并支持BLE 5.0和Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4。除了超低的發射和接收功耗外，這些MCU還可以支持復雜的應用和空中（OTA）更新，而無需外部存儲器。
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圖4：IOTZTB-DK06平臺包括一個開關節點（左邊）、控制橋（中間）和光/傳感器節點（右邊）。（圖片來源：NXP）
邊緣節點
i.MX RT1170 EVK為Matter邊緣節點提供了一個集成開發平臺。該評估套件建立在一個六層的pc板上，采用通孔元件，以獲得更好的電磁兼容性（EMC）性能，它包括關鍵元件和接口，以加快開發項目（圖5）。它基于i.MX RT1170 Crossover MCU系列，其中包括MIMXRT1176CVM8A，并可與上述IOTZTB-DK06結合使用。雙核i.MX RT1170以1千兆赫（GHz）的速度運行在Cortex-M7內核上，以400兆赫（MHz）的速度運行在Arm Cortex-M4上。它支持幾個先進的安全功能，包括。
· 安全引導
· 內聯加密引擎 (IEE)
· 即時 AES 解密 (OTFAD)
· 高性能的密碼學
· 主動和被動的防篡改檢測
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圖5：i.MX RT1170 EVK可用于開發Matter邊緣節點設備。（圖片來源：NXP）
此外，MIMXRT1170-EVK可與OM-A5000ARD Arduino開發套件一起使用，以實現安全。這個Arduino開發套件基于A5000，這是一個隨時可用的安全物聯網認證器，包括一個IC級別的信任根。A5000可以安全地存儲和提供憑證，并執行加密操作，以保證關鍵通信和認證的安全。它被設計用于一系列物聯網安全用例，如設備對設備的認證，與公共/私有云的安全連接，以及防偽保護。為了支持安全解決方案的快速開發，A5000預裝了用于應用認證和安全的軟件。
網關、邊界路由器和網橋
當需要更復雜的設計，如網關、邊界路由器和橋接器時，設計者可以轉向i.MX 8M Mini EVKB。該評估板支持i.MX 8M微型應用處理器系列，如恩智浦的MIMX8MM5CVTKZAA（圖6）。
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圖6：i.MX 8M Mini EVKB支持開發Matter網關、邊界路由器和橋接器。（圖片來源：NXP）
i.MX 8M Mini應用處理器在系統連接和內存接口靈活性方面具有廣泛的能力，使其既適用于富含媒體的消費和嵌入式工業應用，也適用于需要電源效率和高性能的非富含媒體的一般用途應用。
8MMINILPD4-EVKB評估板可以與上述的IOTZTB-DK006和OM-A5000ARD一起使用。加上K32W061升級板和一個USB加密狗，就可以快速組裝一個小型無線Matter網絡，用于測試和開發多協議應用。
結語
互操作性對于物聯網設備的終端用戶來說至關重要，無論供應商、平臺或生態系統如何。Matter是一個開源的軟件規范，專門用于連接智能家居環境中的許多自動化島嶼，同時也確保安全和隱私。如圖所示，Matter網絡由各種設備組成，包括終端節點、邊緣節點、網關、邊界路由器和橋接器。對于希望快速啟動設計的設計人員，恩智浦為整個Matter器件提供了廣泛的軟件和硬件開發平臺系列。
