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        利用Matter實現無縫智能家居連接

        作者:時間:2024-01-05來源:ST收藏

        引言

        本文引用地址:http://www.sonshinechristianacademy.com/article/202401/454507.htm

        如今我們家中的任何設備(包括門鈴、灑水器、車庫開門器、爐灶、洗衣機和壁爐等等)都可以通過互聯網進行連接和控制,因此這些設備的兼容性就成了我們打造高品質解決方案的過程中一個無法回避的問題。

        如何才能使這些生產廠商、通信技術與連接協議各不相同的設備協同工作,或是由同一臺中央家居輔助設備進行統一管理呢?

        這就是全新的連接標準需要解決的問題。

        了解的發展歷程

        回顧智能家居的發展史,有助于我們了解那些為的發展打下堅實基礎的關鍵技術。

        家庭用電問世后不久,工程界就興起了一種推動家務自動化和相關家電互聯的家居設計理念。早在1950年,全球首個智能家居解決方案就登上了《大眾機械》雜志的封面。顧名思義,“按鈕莊園(Push Button Manor)”可通過位于房屋墻壁、天花板和地板內的固定走線,實現各種開關、燈具以及家用電器等設施的按鈕式互聯。

        很快,到了1969年,西屋電器就利用自家的計算模塊打造出了第一款采用計算機控制方案的智能家居系統。這個名為“EchoIV”的原創設計系統于半個世紀之前在賓夕法尼亞州的匹斯堡首次亮相;該系統可以實現許多與現代化家庭助手(如Amazon的Echo)相同的控制操作和功能。

        在“按鈕莊園”和EchoIV智能家居解決方案當中,設計人員已經對如何利用智能連接的電子設備使家庭生活變得更加輕松、高效和愉悅有了十分完善的構思。但遺憾的是,當時的技術力遠遠無法實現他們的奇思妙想。

        1975年,PicoElectronics推出了一款名為的全新自動化協議,該協議后來成為了第一個得到廣泛應用的家居設備通信標準。通過電力線調制,X10協議成功打造出了一個由接入家用交流電源線路的設備組成的網絡。用戶可對控制器、定時器甚至墻上的燈具開關進行專門配置,以便控制燈泡、家電、恒溫器以及其他設備完成最常見的家居自動化任務。盡管結構簡單且功能有限,但X10系統卻深受大眾歡迎,且時至今日仍活躍在家居領域。

        能確保使用各種IP技術的智能家居和智能樓宇設備之間實現無縫交互。該標準可讓不同品牌的產品安全順暢地進行交互,同時保障數據隱私安全。Matter應用層能夠在開源交付和認證基礎架構中處理諸多應用,因而廣受業內歡迎。

        智能家居領域的最后一位重磅選手,即風靡全球的互聯網連接系統于20世紀80年代末正式登上了歷史舞臺。局域網和高速數據連接的出現為家居自動化行業開辟了一個充滿機遇的新世界,而這個世界正隨著各種無線標準、蜂窩連接和云計算的誕生而不斷發展和成熟。到了2010年,我們家中絕大部分的電子設備都能夠通過智能手機與互聯網直接或間接相連,從而拉開了物聯網(IoT)時代的序幕。

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        圖1 - 1950年至今的智能家居技術發展歷程。

        智能家居協議

        要理解Matter針對碎片化的智能家居市場不斷發展進化的過程,我們首先需要了解一下聯網設備的現狀以及各種適用于現代家居自動化的標準。

        以太網和Wi-Fi

        從最基本的層面來講,所有聯網設備都必須為終端用戶提供兩種關鍵特性,即安全性和易用性。從以往經驗來看,這兩種特性通常無法兼顧,因為安全性較高的設備往往難于進行設置和集成。我們可以根據應用的種類和數據吞吐量對市場進行進一步的劃分。需要以較高數據速率來播放流媒體視頻或音樂的設備在用電方面通常不會受到限制,而外設傳感器等數據速率要求較低的設備則往往采用電池供電的方式,且有時電池無法拆卸。為了滿足上述不同的設備需求,在過去十年間已有多種安全性和易用性都十分出色的通信技術應運而生。對于高吞吐量應用,有線以太網和Wi-Fi技術已變得無處不在。而對于低吞吐量應用,802.15.4標準則牢牢占據了主導地位(最常見于Thread和ZigBee架構)。

        自20世紀70年代初問世以來,以太網就一直是主流的網絡技術,并與互聯網協議(IP)一同成為了構成整個互聯網的重要技術支柱。以太網采用IEEE802.3標準,常用于構建支持計算機通過有線連接以較高數據速率相互通信的局域網(LAN)。在智能家居的應用范圍內,視頻攝像頭、電視和家庭助手等一些設備可直接通過有線方式接入以太網LAN。

        而Wi-Fi則可被視為以太網的無線擴展,使用戶無需借助任何物理電纜即可完成局域網的搭建。如今,大多數家庭都同時應用了Wi-Fi和以太網技術;它們采用了相同的標準且都需要遵循IEEE802.11規范,可為連接各類智能家居設備提供靈活且強大的技術支持。

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        圖2-現代智能家居的一個示例。

        Matter

        如圖3所示,Matter是一個高級標準層,它立足于使用以太網、Wi-Fi或Thread構建網絡的IP連接設備。這個標準層的主要作用是實現設備、應用與網絡硬件之間的兼容性和互操作性。

        過去,低功耗的傳感器和控制設備必須借助專有的硬件集線器和應用才能接入更大的家庭網絡或是互聯網。由于終端用戶所使用的硬件、軟件和連接選項五花八門,這會使生態系統變得支離破碎。舉個例子,某位房主可能會安裝Wi-Fi網絡,購買一款基于Zigbee的門鎖,并希望在自己的Apple手機上通過Amazon家庭助手來對其進行控制。他的要求并非不可實現,但解決方案并不完美;這一過程需要用到許多移動部件,且如果相關軟件或硬件在將來發生了任何變動,系統的穩定性就會受到很大影響。

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        圖3  - Matter以及支撐其運行的IPv6、Wi-Fi、Thread、BLE和以太網技術。

        而在Matter的幫助下,所有利益相關者都可確保自己的設備能夠協同運行,且能夠輕松實現互聯。

        IEEE802.15.4和2.4-GHz網狀網絡

        為滿足依靠電池供電的無線聯網設備的相關需求,工作人員開發出了一些數據速率較低但能耗表現更佳的網絡協議,例如可針對低延遲、低速傳感器和控制應用提供網狀網絡連接的IEEE802.15.4等等。網狀網絡允許設備相互連接并在整個設備網絡內傳遞數據。這樣,用戶即可在無需部署中央集線器或路由器的情況下,利用低功耗發射器實現遠程通信。IEEE802.15.4標準誕生于2003年,所采用的是2.4GHz頻段。此類網絡通常被稱為無線個域網絡(WPAN),主要面向最高250Kb/s的數據速率以及10至30米的傳輸范圍。在家居自動化領域,此類網絡非常適合燈具開關或是采用電池供電的小型傳感器節點等簡單設備。用戶可利用網狀網絡拓撲實現設備的相互連接,并利用成熟的加密技術為其提供安全保障。

        第一個采用802.15.4標準并得到廣泛應用的協議Zigbee誕生于2005年。該協議僅憑一個Zigbee集線器即可輕松集成到基于IP的傳統家庭網絡當中,因此深受廣大物聯網設備制造商的歡迎。在將近二十年的時間里,Zigbee不斷發展完善并增添了諸多特性,例如更遠的應用距離、更強的安全性能以及全新的路由拓撲等等。

        2016年,一個基于802.15.4標準的新協議登上了歷史舞臺;它既擁有一些與Zigbee非常相似的特性,又擁有一些關鍵的獨到之處。這個新協議名為Thread,也可用于在2.4GHz頻段搭建低功耗的網狀網絡。但這個協議的關鍵優勢在于,它可以為Thread設備分配IP地址。只要網狀網絡中包含了所謂的“邊界路由器”(同時支持ThreadRadio技術的以太網或Wi-Fi設備),用戶即可使用基于互聯網的傳統工具來訪問Thread設備。這使得制造商和開發人員能夠在各種網絡和用戶應用中實現設備的靈活連接。值得注意的是,不同于Zigbee,Thread與協議中決定終端用戶接口的最高層級——應用層無關。這就要求開發人員針對給定的應用打造專門的解決方案,而不是完全依賴預先確定好的規范。

        在過去的幾年中,Thread得到了持續的支持和發展,而這要得益于它所采用的各種成熟的開源標準。2019年,包括Apple、Google、Samsung和Amazon在內的幾家規模最大的消費品制造企業宣布成立聯盟,以求利用Thread、Wi-Fi和低功耗藍牙(BLE)等技術來改善智能家居設備之間的互操作性和兼容性。他們推出的新系統被命名為“ProjectCHIP”(ConnectedHomeoverIP,意為“利用IP連接家庭”),它的誕生可能對家居自動化的未來起到決定性的作用。2021年,剛剛成立的連接標準聯盟(CSA)將ProjectCHIP重新命名為“Matter”。

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        圖4 -無線聯網設備向Matter演進的歷史。

        MATTER有哪些優勢?

        Matter能確保使用各種IP技術的智能家居和智能樓宇設備之間實現無縫交互。該標準可讓不同品牌的產品安全順暢地進行交互,同時保障數據隱私安全。

        ?低功耗解決方案,適合電池供電設備

        ?綜合生態系統,便于快速開發

        ?支持多種無線,滿足Matter要求

        ?可靠的安全性能和數據隱私機制,可為消費者提供有效的保護

        低功耗藍牙(BLE)與配網

        藍牙技術經常被稱作是實現Matter應用的重要一環。盡管藍牙技術中確實涵蓋了網絡功能,但Matter生態系統只是將該技術用于配置,且并未將其視為不可或缺的元素。雖然用戶可以通過多種方式配置Matter設備并將其添加到網絡中,但BLE無疑是最簡單易用的方式之一。確切地說,低功耗藍牙(BLE)無線協議是一種易于實現的輕量級解決方案,可在將硬件設備接入網絡之前與之進行安全通信。用戶可以通過任何智能手機或是其他支持BLE功能的硬件執行Wi-Fi認證、設置甚至真實性檢查。他們只需用手機相機掃描設備的二維碼,系統就會自動完成其余的步驟。如今,利用BLE完成接入的方法已受到許多制造商的青睞;該方法幾乎可以保證用戶能夠順利連接到新購置的設備。

        意法半導體提供易于使用的先進低功耗藍牙解決方案包含片上系統(SoC)、巴倫、以及M32微控制器,輔以豐富的評估和開發環境,可加快上市時間。

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        圖5-可展示各類不同設備的系統拓撲結構。

        MATTER的發展歷程

        考慮到智能家居連接漫長的發展史,人們將Matter演進的過程中涉及到的一些組織弄混也就不足為奇了。2002年,為了回應Zigbee標準的早期開發成果,一些公司聚在一起組成了Zigbee聯盟。他們提出了“開發、改進和推廣能夠使所有對象安全連接與互動的通用開放標準,從而引領物聯網行業的創新與協作熱潮”的明確目標。當時,Zigbee協議堪稱物聯網連接領域當仁不讓的行業先驅。然而,Zigbee聯盟并不滿足于僅僅關注802.15.4標準,很快就將目光轉移到了其他領域,例如綠色能源、家庭娛樂以及Zigbee框架之外的應用等等。因此在2021年,該聯盟改組為連接標準聯盟(CSA)。

        2019年,多家公司聯合打造了“利用IP連接家庭”項目(CHIP);這個新成果的誕生,為碎片化的家居自動化市場帶來了終極的標準。Amazon、Apple、Google、Samsung以及Zigbee聯盟(不久更名為CSA)是這個項目的發起者,他們所關注的重點是盡量提升智能家居設備(包括主電源插頭、電燈和開關、門鎖、恒溫器和暖通空調控制器、百葉窗和遮陽簾、家庭安全傳感器、電視和流媒體視頻播放器等等)的兼容性和易用性。

        隨后,ProjectCHIP于2021年被重新命名為Matter,同時IKEA、華為和Schneider等一些公司加入了聯盟,且CSA也完成了更名。

        Matter是第一個真正實現各類聯網設備協同運作的協議。在最高層級上,Google、Apple、Facebook和Amazon可以提供支持Matter的智能助手。各大設備供應商已將Matter協議應用到了自家的智能手機、平板電腦和其他電子控制器當中。家居自動化設備制造商正在制造兼容Matter的開關、傳感器和家電。而像意法半導體這樣的集成電路公司正在將Matter協議納入自己的芯片設計當中,以確保該協議與Wi-Fi無線電、BLE無線電以及其他重要硬件特性相兼容。

        這種關于Matter標準的垂直整合正是該協議應用如此廣泛,且有可能改變智能家居連接格局的主要原因。這將是智能家居第一次能夠達到我們在可持續發展、能源節約和便利性方面設下的較高水平的目標。例如,房主和電力供應商可根據實際的家用電器數據共同商討節能目標和相關的激勵措施。此外,用戶還可以借助自動化的調度、報告和功能定制來優化電器性能,以確保達到上述目標。最終,Matter生態系統內的用戶將享受到更優的性能、定制化的使用體驗以及更低的整體成本,而其他利益相關者也可以達到各自的可持續發展和盈利目標。

        MATTER將擁有長久的生命力

        我們花費了將近75年的時間,終于打造出了一種能夠實現最初的智能家居愿景的標準化技術。憑借基于成熟連接標準的IP尋址的強大性能和穩定性,Matter可在眾多應用中確保有線設備與無線設備的互操作性。這將使消費者和制造商都能夠從中獲益:消費者能夠得到無縫的使用體驗以及順暢的設置過程;制造商則無需打造一個完全封閉的產品生態系統,而是可以在設計人員和開發人員的幫助下,依靠第三方應用將產品快速推向市場。

        如圖6所示,一套圍繞Matter打造的智能家居將包含Wi-Fi設備、有線設備、Thread設備以及互聯網網關。消費者可將智能家居助手用作Matter控制器,并通過低功耗藍牙(BLE)低功耗技術將新設備輕松接入自家網絡。

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        圖6-利用Matter打造的智能家居。

        對于傳統設備,用戶可通過兩種方案將其接入現代化的Matter系統。如果該設備支持通過Wi-Fi、以太網或Thread進行基于IP的通信,則制造商將可以為其提供兼容Matter的升級路徑。如果該設備使用的是非IP通信系統,則用戶可利用Matter提供的專用總線橋路徑將其整合到Matter生態系統中。因此無論怎樣,我們都能找到一個統一的智能家居協議,并有效緩解用戶對現有硬件面臨淘汰的擔憂。

        盡管新冠疫情的爆發阻礙了Matter的推廣,但目前該平臺已重新恢復了上升勢頭,且市場能見度正在與日俱增。Matter設備是CES2023上的一個重頭戲;我們預計,該平臺的擴張速度將超過其他所有智能家居連接生態系統擴張速度的總和。

        根據圖7所示的2023年Statista預測結果,智能家居在所有細分市場中的收益都在穩步增長。最重要的是,每個細分市場都是我們提升Matter兼容性的首選目標。在CSA和消費電子領域大多數重要品牌的共同推動下,我們似乎可以斷定:在未來幾十年內,Matter將成為事實上的家居自動化標準。Matter設備是CES2023上的一個主要關注點;我們預計,該平臺的擴張速度將超過其他所有智能家居連接生態系統擴張速度的總和。

        意法半導體投資打造了一套面向各類Matter設備的完整產品組合;該產品組合提供了針對電池供電設備的低功耗解決方案、支持快速開發的綜合生態系統以及多協議無線支持,并具有業界領先的質量保證。這種目標明確的支持能夠顯示出廣大芯片制造商和硬件設計人員對Matter的重視程度。

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        圖7 -2017年至2027年的各細分市場智能家居預測收益(由Statista提供)。

        MATTER和意法半導體

        在打造Matter硬件時,必須確保其滿足以下最低要求:

        ?最低1MB的Flash存儲器和200KB的RAM(CSA推薦數據)

        ?支持Wi-Fi、以太網或是Thread連接

        ?需支持IPv6以及TCP或UDP協議

        ?可通過低功耗藍牙(BLE)或標準網絡配置接入

        ?可運行包含必要加密算法的Matter協議應用程序

        為了滿足上述要求并提供一個一站式的綜合性Matter開發平臺,意法半導體推出了M32WB系列器件。這些芯片可以滿足將Matter產品推向市場所涉及到的全部要求。

        與意法半導體所有的微控制器產品一樣,我們的雙核多協議無線M32WB微控制器也得到了熱門STM32Cube開發平臺的支持,從而使用戶能夠有效簡化器件配置、使用成熟的驅動程序庫,并可利用開發工具來加快器件的開發進程。此外,意法半導體還可提供功能齊全的示例項目,其中將包含可用于邊界路由器、終端設備以及將Matter與非Matter技術橋接的即用型示例代碼。終端設備示例將包含低功耗藍牙接入和Thread連接。

        意法半導體將為使用Matter標準的開發人員提供堅定的支持,并會繼續擴大Matter標準微控制器的產品線。

        更多詳細信息:https://share.eepw.com.cn/share/download/id/391382



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