如何使用物质来连接智能家居自动化的岛屿
发布时间：2023-2-23 10:03
发布者：eechina
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来源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 无线智能家居自动化设备的设计者面临的挑战是缺乏广泛的互操作性，这限制了无线智能家居生态系统的发展。例如，亚马逊Alexa、苹果HomeKit和谷歌Assistant设备，目前都在各自的自动化岛屿中运行。以太网、Thread、Insteon、SmartThings、Wi-Fi、Z-Wave和其他无线物联网（IoT）协议在不同程度上也是如此。 设计多协议设备是一个潜在的解决方案，但它需要复杂的设计，延长了开发过程并增加了设备成本。此外，多协议设备只能部分地连接智能家居自动化的岛屿，因为各种协议在为用户实现安全和隐私方面有不同的方法，使其设计和实施更加复杂。 为了解决这些问题，设计者可以求助于连接性标准联盟的Matter 1.0规范，以连接自动化的岛屿，增强智能家居物联网网络的效用。Matter软件套件还旨在简化新设备的调试，并提供全面的安全和隐私。 本文首先简要介绍了Matter作为Zigbee联盟的IP互联家庭（CHIP）项目的起源，以及它在连接性标准联盟（CSA）中的现有地位的演变。然后，它审查了Matter的应用层软件堆栈，该堆栈位于以太网、Wi-Fi、蓝牙和Thread等协议之上。它还审查了Matter的安全和隐私工具。报告最后介绍了恩智浦半导体的几个评估套件和开发板，以及相关的微控制器（MCU），它们可以加快使用Matter的可互操作无线智能家居设备的设计。 物质出现在CHIP中 一个典型的智能家居可能有超过100个物联网设备，使用超过20个协议，创造了一个网络巴别塔，各种自动化岛屿在其中孤立运行（图1）。CHIP项目于2019年12月由Zigbee联盟发起，旨在开发一个通用的软件套件并连接各岛屿。CHIP成为联盟的一个主要焦点，联盟更名为CSA，CHIP项目也改名为Matter。Matter是基于互联网协议（IP）的，并作为一种开源软件规范提供，免收版权费。要获得使用Matter的知识产权，需要加入CSA和Matter工作小组。Matter项目还定义了认证要求，并建立了一系列独立的测试实验室，因此设备可以被验证为符合要求。 
图1：一个典型的智能家居可以有超过100个物联网设备，使用超过20种不同的协议，创造了许多自动化的岛屿。（图片来源：NXP） 马特在哪里？ Matter建立在IP层之上，并将其作为与基于IP的网络如以太网、Thread和Wi-Fi进行通信的通用语言。通过使用IPv6，Matter可以与设备进行通信，而不需要翻译器。Matter位于设备应用层之下，传输控制协议（TCP）层之上，通过它与通信堆栈中的IP层相连。Matter是一个可互操作的应用层解决方案，它由应用层以下的六个功能层构成，包括数据模型、交互模型、行动构架、安全、消息构架和路由，以及IP构架和传输管理。传输管理层处理与各个协议的联系。在最初的版本中，Matter支持以太网、Thread、蓝牙低能耗（BLE）和Wi-Fi。扩大其网络连接的工作已经在进行中（图2）。 
图2：Matter使用IPv6与Wi-Fi、Thread、BLE和以太网设备通信，消除了对专用翻译器的需求。（图片来源：NXP） 确保安全操作是Matter部署的一个关键因素。Matter结合了认证码和加密，以保持信息的保密性和准确性，并对数据源进行认证。它采用先进的加密标准（AES）128位密码块链消息验证码（CCM）加密，并采用128位AES密码块链（CBC）来保证安全。此外，它还采用了深度防御原则，为个别设备提供最合适的安全和隐私水平。分层方法优化了资源利用，并确保了通信的可用性、完整性和保密性。 物质网络是什么样子的？ Matter由CSA管理，在Apache 2.0下许可。CSA还维护着一个标准实现和应用的图书馆，成员可以用它来支持开发自己的符合Matter的设备。安全和用户隐私是Matter的主要关注点，该库确保在Matter设备范围内实施安全的统一性。就硬件而言，Matter包括终端节点、边缘节点、网关（也称为控制器）、网桥和边界路由器。由于网关和边界路由器有时都被称为 "集线器"（图3），因此可能会出现混淆。当对一个设备有疑问时，最好的做法是弄清楚任何 "枢纽 "的具体功能。 
图3：物质网络包括网关、网桥和边界路由器，以提供不同本地网络的连接和与互联网的连接。（图片来源：NXP） · 网关 - Matter网关通过提供与互联网的连接支持对Matter设备的远程访问。一些已有的设备，如SmartThings、亚马逊和谷歌的智能家居中枢，可以获得软件更新，把它们变成物质网关。Matter被指定为可以与制造商提供的通信功能（如云连接或远程控制）一起存在，允许这些设备即使在作为Matter网络的一部分运行时仍能使用其现有的通信能力。 · 桥接器 - 物质桥接器用于连接物质网络和附近的无线网络。不兼容Matter的设备可以通过桥接操作，与Matter网络无缝连接。桥梁也有望通过使非物质兼容的节点和网络轻松地集成到更大的物质网络结构中来加速物质的采用。一些现有的设备可以被更新并与Matter兼容，从而能够直接集成到Matter网络中，而无需通过桥接。 · 边界路由器 - 边界路由器是专门设计用来将线程网络和设备（如运动、门窗传感器）整合到Matter网络中的。Thread是一个在IEEE 802.15.4物理层（PHY）上运行的低功率无线IP协议。由于802.15.4与Wi-Fi不兼容，将设备更新为边界路由器更为复杂。这种情况将得到改变。恩智浦等制造商已经推出了结合支持Wi-Fi 6、蓝牙5.2和802.15.4的设备，简化了边界路由器和其他Matter设备的设计。除了连接网络外，一些边界路由器还有一个用于智能家居控制的接口。 设计Matter网元 构建一个物质网络需要几种类型的设备，包括传感器和执行器等终端节点，智能照明、智能锁、供暖通风和空调（HVAC）控制等边缘节点，以及一系列网关、边界路由器和桥接器将其连接起来。恩智浦为每一种类型的Matter网元提供全系列的开发硬件，同时在GitHub上提供大量材料，包括Matter平台支持和应用实例，以加快开发进程（表1）。 
表1：恩智浦为Matter平台提供的部分开发环境。(表格来源：恩智浦，由作者修改) 末端节点 终端节点Matter平台的开发者可以利用IOTZTB-DK06开发环境，使用K32W0x MCU平台，如K32W041AZ（图4）。该环境包括创建独立的终端节点所需的硬件和软件，以及一个三单元的示范网络--包括一个控制桥、开关节点和光/传感器节点。 K32W041AZ MCU采用Arm®Cortex®-M4 MCU设计，具有640千字节（KB）的板载闪存和152KB的静态随机存取存储器（SRAM），为下一代超低电流多协议无线设备供电，并支持BLE 5.0和Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4。除了超低的发射和接收功耗外，这些MCU还可以支持复杂的应用和空中（OTA）更新，而无需外部存储器。 
图4：IOTZTB-DK06平台包括一个开关节点（左边）、控制桥（中间）和光/传感器节点（右边）。（图片来源：NXP） 边缘节点 i.MX RT1170 EVK为Matter边缘节点提供了一个集成开发平台。该评估套件建立在一个六层的pc板上，采用通孔元件，以获得更好的电磁兼容性（EMC）性能，它包括关键元件和接口，以加快开发项目（图5）。它基于i.MX RT1170 Crossover MCU系列，其中包括MIMXRT1176CVM8A，并可与上述IOTZTB-DK06结合使用。双核i.MX RT1170以1千兆赫（GHz）的速度运行在Cortex-M7内核上，以400兆赫（MHz）的速度运行在Arm Cortex-M4上。它支持几个先进的安全功能，包括。 · 安全引导 · 内联加密引擎 (IEE) · 即时 AES 解密 (OTFAD) · 高性能的密码学 · 主动和被动的防篡改检测 
图5：i.MX RT1170 EVK可用于开发Matter边缘节点设备。（图片来源：NXP） 此外，MIMXRT1170-EVK可与OM-A5000ARD Arduino开发套件一起使用，以实现安全。这个Arduino开发套件基于A5000，这是一个随时可用的安全物联网认证器，包括一个IC级别的信任根。A5000可以安全地存储和提供凭证，并执行加密操作，以保证关键通信和认证的安全。它被设计用于一系列物联网安全用例，如设备对设备的认证，与公共/私有云的安全连接，以及防伪保护。为了支持安全解决方案的快速开发，A5000预装了用于应用认证和安全的软件。 网关、边界路由器和网桥 当需要更复杂的设计，如网关、边界路由器和桥接器时，设计者可以转向i.MX 8M Mini EVKB。该评估板支持i.MX 8M微型应用处理器系列，如恩智浦的MIMX8MM5CVTKZAA（图6）。 
图6：i.MX 8M Mini EVKB支持开发Matter网关、边界路由器和桥接器。（图片来源：NXP） i.MX 8M Mini应用处理器在系统连接和内存接口灵活性方面具有广泛的能力，使其既适用于富含媒体的消费和嵌入式工业应用，也适用于需要电源效率和高性能的非富含媒体的一般用途应用。 8MMINILPD4-EVKB评估板可以与上述的IOTZTB-DK006和OM-A5000ARD一起使用。加上K32W061升级板和一个USB加密狗，就可以快速组装一个小型无线Matter网络，用于测试和开发多协议应用。 结语 互操作性对于物联网设备的终端用户来说至关重要，无论供应商、平台或生态系统如何。Matter是一个开源的软件规范，专门用于连接智能家居环境中的许多自动化岛屿，同时也确保安全和隐私。如图所示，Matter网络由各种设备组成，包括终端节点、边缘节点、网关、边界路由器和桥接器。对于希望快速启动设计的设计人员，恩智浦为整个Matter器件提供了广泛的软件和硬件开发平台系列。 |
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