基于PSoC 6 Matter的智能家居解决方案

英飞凌科技资源中心(上海)有限公司   钱城都

摘要 随着智能家居设备数量的增加，不同产品、生态系统和协议之间的互操作性变得更加混乱。Matter 规范解决了这个困境。Matter是一个智能家居技术和物联网的开放标准，可以让您的设备通过单一协议与任何Matter认证生态系统兼容，旨在为众多智能家居应用提供设备制造商的指导。英飞凌科技、CSA联盟以及包括谷歌和亚马逊在内的280多家公司正在引领这个具有突破性的Matter标准，给智能家居解决方案提供了一种开放、互操作和安全的方式来实现智能家居设备的集成和控制，为用户提供更便捷、灵活和综合的智能家居体验

1 引言

近年来，智能家居产业的快速发展，推动了原有家居产业园区的转型升级，同时，不断扩大的智能家居市场需求，以及传统家居产业的转移，为很多地方布局新的智能家居产业园建设带来了机会。在2019年底中国已成为全球最大的物联网市场，全球15亿台蜂窝网络连接设备中9.6亿台来自中国，占比64%。中国将成为全球最大的智能家居市场消费国，占据全球50%-60%的智能家居市场消费份额，利润占据全球20%-30%的市场份额。根据预测，到2025年，中国智能家居市场的规模将达到数千亿人民币。智能家居产品和解决方案的普及程度不断提高，消费者对智能家居设备的需求也不断增加。

但是多种IoT技术和众多生态系统并存，互相竞争，彼此之间不能互联互通也成为智能家居行业最大的弊病。对于消费者来说，在购买智能家居设备时，很难确定这个设备是否跟自己选定的生态系统兼容，并且生态系统一旦选定就很难换成其他的厂家；对于开发者来说，开发人员需要针对要支持的生态系统开发相应的产品，费时费力。Matter的出现就是解决各个生态系统之间的互通性，让您的设备可以通过单一协议与任何Matter认证的生态系统兼容。Matter由CSA联盟引入，这是一个由数百家为智能家居和物联网创建产品的公司组成的组织。Matter的目标是成为一个促进技术采用和创新的互操作标准，逐步取代智能家居生态系统中的专有协议，简化配置和操作的复杂性，提高用户的体验。

2 Matter介绍

2.1 Matter标准介绍

Matter是一套基于IPV6的应用层协议，Matter采用了开源软件开发工具包（SDK）来实现，该工具包不仅包含规范的实现，还包括丰富的示例和可互操作的代码。在OSI模型的上三层中，核心Matter协议适用于任何类型的IPv6传输和网络。控制和其他操作通信是通过IPv6进行的，而蓝牙低功耗（Bluetooth® Low Energy）和NFC可以用于设备的配置。Matter具有灵活性和互操作性。它建立在多年来低功耗802.15.4网络和Wi-Fi智能家居设备的挑战和成功的基础上。与Thread类似，Matter构建在IPv6之上，它包括强大的加密功能，对设备类型及其数据进行了明确定义，并支持多个生态系统。

Matter还支持桥接其它智能家居技术，如Zigbee、蓝牙Mesh和Z-Wave，这意味着基于这些协议的设备可以通过桥接器作为Matter设备运行。

图1 Matter协议与TCP/IP和OSI协议并列图

2.2 Matter标准的关键点

• Matter比云对云连接具有更低的延迟和更高的可靠性，因为它是基于IP的本地连接协议。 
• 较低的开发成本：只需构建一次，就可以在所有Matter认证的生态系统中使用。
• 数据模型是基于Zigbee的ZCL协议上扩展得到。
• 在所有支持Matter的设备上具有一致的设置体验。 
• 通过其他支持Matter的生态系统进行设备共享和控制。
• 支持多种不同硬件平台（Wi-Fi-Thread-Ethernet）的设备之间的互操作性广泛。
• 目前支持的通信协议：Ethernet/Wi-Fi/Wi-Fi + BLE/Thread + BLE(BLE只用于配网)
• 绑定配网：需要带外信息(配对码、二维码、NFC等)建立安全通路，单项认证设备，非对称证书链
• 通过DCL来存放公共信息，部署在基于区块链技术的平台上防止篡改

2.3 Matter智能家居生态介绍

• 在Matter智能家居生态中，各种设备可以通过使用相同的Matter协议进行通信和互动。这些设备可以包括智能灯具、智能插座、温度控制器、门锁、摄像头、扬声器等。通过遵循Matter标准，这些设备能够无缝协作，实现统一的用户体验和功能。

• 不同品牌和设备之间的互操作性是Matter生态的核心。无论来自不同厂商的设备还是不同类型的智能家居设备，只要它们都符合Matter标准，就能够在同一个生态系统中相互连接和通信。

• Matter生态系统不仅限于单个设备，还可以扩展到多个设备、服务和平台的集合，这样用户可以通过添加更多的Matter设备来构建更为复杂和全面的智能家居系统。

• Matter智能家居生态系统的目标是为用户提供更便捷、灵活和综合的智能家居体验，通过建立一个统一的生态系统，Matter使用户能够选择和使用各种Matter认证的设备，实现智能家居的集成和控制。

图2 Matter智能家居布局示例

3 基于PSoC™的Matter 方案介绍

3.1 PSoC™介绍

PSoC™ 6系列采用超低功耗架构构建，微控制器采用低功耗设计技术，非常适用于电池供电应用。双核Arm® Cortex®-M4和Cortex-M0+架构使设计人员能够同时优化功耗和性能。借助双核结构和可配置的内存和外设保护单元，PSoC™ 6微控制器提供了由Arm的平台安全架构（PSA）定义的最高级别的保护。

设计人员可以利用该微控制器丰富的模拟和数字外设，为创新的系统组件（如MEMS传感器、电子墨水显示器）创建自定义模拟前端（AFE）或数字接口。PSoC™ 6微控制器采用最新一代行业领先的CAPSENSE™电容感应技术，实现了稳健可靠的现代触摸和手势界面。搭配Infineon的AIROC™ Wi-Fi、AIROC™ Bluetooth®或AIROC™组合无线模块，PSoC™ 6微控制器是安全、低功耗、功能丰富的物联网产品的完美解决方案。

3.2 方案介绍

图3  基于PSoC™ 6的Matter解决方案系统框图

• 该方案为Matter生态系统展示了一个家庭的自动化演示，展示了智能门锁、人体感应传感器和智能照明节点如何无缝协同工作，实现家庭自动化例程。

• Matter生态系统解决方案可以通过Ethernet、WIFI和Thread 15.4三种协议进行通信。该解决方案展示了Matter over WiFi和Matter over Thread。使用Matter over Wi-Fi进行通信的智能门锁使用了PSoC™ 6作为应用处理器。演示中的安全元件采用了OPTIGA™ Trust M，配备了一个NFC读卡器，并且使用AIROC™系列超低功耗蓝牙® Wi-Fi组合模块

• 演示中的人体感应传感器节点使用了XENSIV™传感器系列中的60 GHz雷达传感器，通过Matter over Wi-Fi与PSoC™ 6和AIROC™ WIFI进行连接，以传输人体存在状态。

• 系统中的第三个节点是一个使用Matter over Thread进行通信的照明节点。

• 当居住者靠近门时，正在运行Matter over Wi-Fi的60 GHz传感器会检测到存在，并使用Matter over Thread触发门廊灯的开启。在此演示中，苹果电视充当Matter中枢，完成所有的转换工作，但也可以使用来自其他厂商的Matter中枢替代苹果电视。

• 解锁门的方法有三种：可以使用来自CIPURSE™系列的NFC卡，可以在由PSoC™ 6上运行的CAPSENSE技术驱动的键盘上输入PIN码，或者可以使用像Apple Home应用程序这样的移动应用程序打开门锁。

• 在Apple Home应用程序中，当我们点击解锁时，可以看到门被解锁。作为家庭自动化序列的一部分，当门解锁时，客厅的灯光也会打开。这种类型的家庭自动化还可以触发其他下游事件，比如关闭家庭安全系统或与恒温器进行互动。

• 当用户关闭门时，客厅中的人体感应传感器不再检测到存在，门锁将自动锁上。然后，当居住者离开门口一段距离时，存在检测会起作用，门廊灯将关闭。这个演示展示了Matter的重要性以及我们如何无缝连接不同的智能家居设备。

• 该演示支持Matter的多管理员功能，允许智能家居设备在苹果和三星等智能家居系统供应商中同时运行。多管理员功能为您提供了配置智能家居的灵活性，无需强制选择单一的控制器、平台或应用程序。

• 该方案允许您将照明、人体感应传感器或智能门锁节点添加到苹果或三星智能家居系统中的任一系统中。您可以无缝切换使用苹果Home应用程序和三星SmartThings应用程序，以向Matter智能家居网络添加设备、控制设备并查看每个设备的状态。您可以使用苹果Home应用程序解锁智能门锁，门的状态将在三星SmartThings应用程序中更新。如果您所在的家庭成员使用iOS和Android设备的混合组合，这个功能会非常有用。

• 方案中的PSoC™ 6智能门锁代码和移动应用程序使用来自公共存储库的标准Matter SDK进行构建，展示了Matter如何简化开发并提高智能家居设备之间的互操作性。

4 结语

Matter作为一个开放的智能家居标准，具有广泛的支持、真正的互操作性、简化的设备配置和控制，以及安全性和隐私保护等优势，因此具备良好的前景和发展潜力。CSA联盟在中国成立了CMGC联盟，通过组织和积极参与线下活动，将联盟成员联合起来并推广Matter联盟技术。随着越来越多的公司和设备制造商采用Matter标准，将形成一个庞大的生态系统，越来越多的设备类型和功能纳入标准中。除了传统的智能家居设备，如灯光、开关、锁、家电、安防设备、健康监测设备等设备类型均已加入到标准中，并且Matter的发展还会带动云服务和智能化能力的提升，为大家带来更便捷的智能家居体验。

参考文献

[1] CSA. The Foundation for connected Things,[EB/OL].[2023-06-02].https://csa-iot.org/all-solutions/matter/,2023

[2] CSA. connectedhomeip,[EB/OL].[2023-06-02].https://github.com/project-chip/connectedhomeip,2023

[3] Infineon. Getting started with Matter over Wi-Fi on PSoC™ 6 MCUs in ModusToolbox™,[EB/OL].[2023-06-02].https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN237138_Getting_Started_with_Matter_over_Wi-Fi_on_PSoC6_MCUs_in_ModusToolbox-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c869190210187029c453e134c,2023

[4] Lily Li , Kai Cui .中国物联网连接规模预测，2022—2026[EB/OL].[2023-06-02]. https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=CHC49950922.