【導讀】連接標準聯盟（CSA）是一個由 550 家消費設備制造商和芯片公司組成的聯盟，它定義了 Matter 標準，其愿景是讓智能家居設備的控制變得簡單、可靠和安全：用戶首選的應用程序，例如亞馬遜的 Alexa、Google Home 或蘋果的 Siri，將能夠控制家中的任何經過 Matter 認證的設備，無論哪個品牌制造。
連接標準聯盟（CSA）是一個由 550 家消費設備制造商和芯片公司組成的聯盟，它定義了 Matter 標準，其愿景是讓智能家居設備的控制變得簡單、可靠和安全：用戶首選的應用程序，例如亞馬遜的 Alexa、Google Home 或蘋果的 Siri，將能夠控制家中的任何經過 Matter 認證的設備，無論哪個品牌制造。Matter 協議將支持各種常見的智能家居產品，包括照明和電氣設備、暖通空調控制、窗簾和遮陽簾、安防傳感器、門鎖、包括電視在內的媒體設備、既是設備又是應用的控制器，以及橋接器，如圖 1 所示。據 CSA 的說法，將新設備接入 Matter 網絡將像掃描聯網智能手機上的二維碼或輕觸手機建立NFC連接一樣簡單。
正如 CSA 網站所說，“Matter 是智能設備可靠協作的認證標志，消除了購買過程中的不確定性。這種信任讓您可以從更廣泛的您喜愛的品牌中進行選擇，并為您帶來安全、無縫的智能家居體驗。”
圖 1：帶有 Matter 標志的設備可以相互通信。
CSA Matter 計劃得到了消費電子行業巨頭的支持，包括蘋果、三星、谷歌、亞馬遜、Signify、LG、華為和 Oppo：似乎不太可能出現任何競爭對手來與其競爭。因此，家居自動化產品設計者很可能很快就會被要求將 Matter 技術應用到新產品設計中。設計者可能還需要在現有產品上增加Matter支持。
在啟動 Matter 設計項目之前，工程師可以從富昌電子的早期經驗中學習。這家位于波蘭格但斯克的嵌入式工程卓越中心（CoE）與芯片公司意法半導體和恩智浦半導體緊密合作，為照明行業的客戶開發了符合 Matter 標準的原型和量產設計。CoE 的經驗表明，雖然 Matter 協議在很大程度上實現了為開發人員提供即插即用技術的承諾，但仍有一些重要的硬件和軟件因素需要考慮。
Matter 協議的基本特征
據 CSA 的說法，Matter 協議是“統一的、開源的、應用層連接標準”，如圖 2 所示。這意味著它依賴于傳輸數據的物理傳輸網絡，同時又獨立于這些網絡。根據設計，Matter 協議與 Thread、Wi-Fi? 和以太網傳輸網絡兼容。可以使用低功耗藍牙? 連接將終端設備與 Thread 或 Wi-Fi 網絡配對，但不能用于傳輸 Matter 數據。
該標準使用互聯網協議第6版（IPv6）作為 Matter 設備的通用語言。
圖 2：Matter 技術的架構，顯示它作為獨立于物理傳輸網絡的應用層運行。
Matter 規范詳細說明了實現 Matter 應用和傳輸層堆棧所需的一切。Matter 項目的源代碼可從 CSA 的GitHub 頁面 github.com/project-chip 下載。
Matter 開發項目的目標是創建一種可廣泛部署在各種智能家居設備上的協議，不僅是那些具有強大計算能力的設備，如 Wi-Fi 路由器或智能電視，還包括智能燈泡、門鈴和燈開關等通常基于微控制器的產品。
正如 Matter GitHub 頁面所述，“這些協議通過利用IP技術并能夠在低能力設備上實現，具有廣泛的可部署性和可訪問性。”Matter 規范還支持 Linux? 操作系統（適用于具有更高計算能力的設備）和 FreeRTOS 操作系統（適用于資源受限的設備）。
SoC制造商對Matter支持的現狀
Matter 技術的許多實現將在微控制器環境中進行。理論上，OEM 可以選擇將 Matter 軟件移植到任何選擇的片上系統 (SoC)，因為該協議旨在與硬件無關，盡管該規范要求無線更新能（OTA）力，而這本身需要外部閃存。
但截至 2024 年初，一些 MCU 制造商為 Matter 技術提供了廣泛的支持；其他則根本不支持。
為什么這很重要？從理論上講，畢竟，設計人員能夠從 github.com/project-chip 下載 Matter 源代碼到他們的目標硬件，協議軟件的核心可以進行優化，以適應幾乎任何具有至少 500 KB 可用存儲容量的 MCU。
實際上，對于任何不是 Matter 專家的工程師來說，這都是非常困難的。更好的方法是使用該 MCU 制造商為任何給定 MCU 編譯的 Matter 軟件開發套件（SDK）。但這樣一來，設計人員就會遇到 Matter 兼容 MCU 稀缺的問題。一家迅速采取行動，將 Matter 兼容性構建到其 MCU 產品中的制造商是意法半導體。
ST的 SDK 通過其 X-CUBE-Matter 軟件開發套件為 32 位 MCU 環境提供了優化和簡化的 Matter 協議實現。ST 也在快速推進工作，以在整個 STM32 生態系統中建立對 Matter 的支持。例如，設計實施需要對設備進行詳細描述。這可以使用 Zigbee Cluster Library (ZCL) Advanced Platform (ZAP) 工具來完成。CSA 是 Zigbee 標準和 Matter 協議的發布者。
ZAP 工具使開發人員能夠：
· 根據ZCL規范執行SDK特定的定制化生成，包括所有全局工件、常量、類型、ID等
· 為設計人員提供用戶界面，以選擇特定的應用程序配置、集群、屬性、命令
ST 正在將 ZAP 工具集成到 STM32CubeMX 中間件中，為 Matter 實施提供簡化的開發環境。
Matter 設計項目中遇到的常見挑戰
位于格但斯克的富昌電子卓越中心（CoE）在將 Matter 功能嵌入智能照明產品方面積累了豐富的經驗，使用意法半導體STM32WB5MMG 2.4 GHz 無線 MCU 模塊作為硬件基礎，如圖 3 所示。此 ST 模塊支持 Thread 和低功耗藍牙網絡。CoE 的經驗表明，雖然 Matter 規范旨在方便開發人員和終端用戶，但仍存在一些工程師需要注意的缺陷。
圖3：STM32WB5MMG模塊采用緊湊的7.3 mm x 11 mm x 1.4 mm 86針LGA封裝。
存儲器使用：Matter 協議往往會占用大量 RAM。Matter 規范 v1.1 版改進了 1.0 版的這一缺點，預計未來版本會更好。但對于設計人員來說，在所選硬件目標中仔細指定 RAM 容量非常重要。
減少對 MCU RAM 資源依賴的有效方法是在外部安全元件（例如 NXP EdgeLock? SE051H）中實現 Matter 協議的加密和其他安全功能，如圖 4 所示。SE051H 提供擴展的 Matter 支持，包括：
· 提供設備認證證書和基于證書的身份驗證
· 通用標準 EAL 6+ 認證
· 通過 NFC 進行設備調試和輕松 Wi-Fi 配對
· 使用 NXP Matter 產品認證機構生成 Matter 憑證
· 使用 NXP EdgeLock 2GO 服務在 NXP 或客戶工廠進行憑證預注入
· 全面支持 Matter 調試中的加密，包括 SPAKE2+
· 經過安全認證的保護，以及面向未來的解決方案，在防篡改 IC 和可更新小程序中提供安全密鑰存儲
圖 4：恩智浦OM-SE051ARD-H 是一款適用于 EdgeLock SE051H 安全元件的 Arduino 板兼容開發套件，它集成了 NFC 功能，可簡化智能家居中 Matter 設備的安全接入。
認證：始終是嵌入式開發團隊的難題，而且由于需要獨立于 Thread 或 Wi-Fi 認證流程來單獨驗證 Matter 兼容性，使得認證過程更加復雜，如圖5所示。
圖 5：Thread 或 Wi-Fi 兼容設備的 Matter 認證工作流程。
使用意法半導體器件（例如 STM32WB5 系列的無線 MCU）在這方面很有幫助：ST 發布了 Matter 認證手冊，并提供第三方認證支持。此外，一些 ST 器件（包括 STM32WB5MMG 模塊）已預先認證為符合 RF 和藍牙標準，其證書可以直接轉移到終端產品而無需額外驗證。
盡管如此，每個 Matter 認證終端產品的制造商都必須在 CSA 注冊：注冊需要支付大量費用。此外，CSA 通過稱為產品認證機構 (PAA) 的代理提供某些 ID 憑證、設備認證證書和證書聲明。設備 ID 使生產單元能夠被 Matter 固件識別。
獲取這些設備認證憑證可能會成為開發過程中的瓶頸。
連接性：在 Matter 協議 1.0 版中，CoE 遇到了線程連接間歇性丟失的問題。原因有很多，包括上面強調的 RAM 問題。此外，當 Thread 設備斷電然后重新啟動時，需要向主機網絡重新注冊其安全憑證。
這些問題已在 Matter 固件 v1.1 版中得到修復。這意味著開發人員應確保他們使用的是 Matter 規范的最新版本。考慮到自首個 Matter 規范發布以來的時間較短，出現錯誤的可能性并不令人驚訝。開發人員可以期待在未來幾個月和幾年內會有多個更新發布。
開始實施 Matter 設計
對于基于 MCU 的設計，截至2024年上半年，意法半導體、恩智浦、英飛凌、瑞薩和樂鑫科技的產品已經提供 Matter 軟件支持。
想要開始實施 Matter 認證產品設計的設計人員可以使用 ST 開發套件，例如圖 5 中用于 STM32WB5MMG 模塊的 STM32WB5MM-DK Discovery 套件。富昌電子的嵌入式工程卓越中心（CoE）可以提供基于在STM32WB5MMG上實現Matter協議的經驗的詳細指導。
圖 6：意法半導體的 STM32WB5MM-DK Discovery套件為開發 Matter 認證設備提供了豐富的開發環境。
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