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了解Matter智能家居互联协议

Rokr_wireless_t 来源:启明云端科技 作者:启明云端科技 2022-08-10 15:27 次阅读

智能家居在现代生活中的重要性与日俱增,各类智能设备层出不穷。然而,由于市场趋于碎片化,完整的智能家居系统渗透率较低。很多物联网厂商都有一套自己的生态系统,不同生态下的智能设备很难协同工作,这不仅严重制约了消费者的选择,影响其使用体验,也为设备厂商和开发者增加了支持和维护不同生态(Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit)的成本。

为了打破行业现状,推动市场健康、良性发展,CSA连接标准联盟 (Connectivity Standards Alliance)联合多家行业领先公司发起并推出了Matter智能家居互联协议,旨在提高不同厂商智能家居产品间的兼容性和互操作性,解决通信协议纷繁复杂的碎片化问题,打破多生态系统间的交互壁垒,实现智能设备的无缝通信与协作。

Matter优势

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没有生态壁垒

当用户已经适应一个成熟的智能家居生态时,往往希望新增设备能够直接加入现有系统,而非重新构建一套新的生态。

在 Matter 推出之前,每家设备厂商生产的智能家居设备只能通过自己的 App 控制,无法和其他生态设备互联。但通过 Matter 协议,所有支持 Matter 的 App 和硬件设备均可轻松无缝互联,协同工作。

目前,亚马逊、苹果、谷歌和三星等公司均已宣布支持 Matter。这意味着我们日常生活中常见的智能设备控制终端(如 iOS/安卓手机、语音助手、智能音箱等)均将支持 Matter 协议。用户甚至不需要单独的 Matter 设备 App,就可直接控制 Matter 设备。

更加自动化

Matter 允许设备间直接进行高效的通信,整个过程无需特定的转发设备。例如,Matter 智能开关或传感器可以直接打开/关闭 Matter 灯泡,而无需借助任何 App、云或其他特别操作。一旦完成配置,Matter 设备间的通信和控制都会直接在本地局域网络中实现。

没有通信壁垒

Matter 协议可以让多种支持 IP 网络的设备协同工作,如 Wi-Fi 和 Thread/802.15.4 设备。您的手机通过 Matter 协议可以控制所有上述设备。

举个例子,您可以将一个 802.15.4 传感器设置为无需通过 App 或云,就直接打开/关闭一个 Wi-Fi 灯泡。当然,它也支持您通过手机 App 进行控制。Wi-Fi 和 Thread 设备之间通信时需要一个可以同时支持 Wi-Fi 和 802.15.4 协议的“Thread 边界路由器”,它可以让设备在两个网络之间进行通信。

值得一提的是,由于上述所有通信都在本地 Wi-Fi 或 Thread 网络中进行,因此即使在断网情况下,设备仍可正常工作。

Matter 还可以帮助目前的一些存量 Zigbee 或 Bluetooth LE Mesh 设备通过桥接方式接入 Matter 生态网络。

易于开发

在 Matter 的支持下,设备厂商不再需要同时维护多个生态系统或通过多种认证,从而大大节省了时间和人力成本。

协议开放

Matter 是一套开放规范,由多家公司合作推出,极大加速了设备的评估和开发流程。

设备自动化

设备间的自动化有助于让智能家居系统的联动更加便利。例如,您仅需一个 Matter 传感器外加一个 Matter 灯泡,就能构建一个简单的智能家居系统,而且该系统对传感器或灯泡的厂商没有任何限制。

对于生产传感器或开关等智能家居设备配套产品的厂商而言,Matter 协议可以让您专注于设计产品的核心功能,无需担心设备之间的通信问题。客户也可以自行选择任意品牌的智能设备(比如灯泡、风扇等),尽情发挥想象力,定制自己的智能生态系统。

自定义功能

如今,Matter 规范支持的设备类型、属性、命令越来越丰富,而且还支持自定义属性。用户能够基于 Matter 实现丰富的功能。

Matter数据模型

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Node(节点):节点通常被定义为一个具有某些功能的网络可寻址实体,具有唯一性。用户可以看到的智能设备实体,比如说照明系统,就是一个节点。

Endpoint(端点):端点可以被想象为一个可提供某种或某些服务的虚拟设备,每个节点可以拥有多个端点。比如,我们照明系统节点就拥有不止一个端点,Dimmable Light 和 On/Off Light 都是照明系统节点的端点。

Endpoint是Matter协议中控制node的最小单位,其中包含了3个属性:

Cluster:多个常用操作组合为一个可复用的模块,分为服务器和客户端,例如灯和开关。

Attribute:表示可以读取或写入的内容,例如On/Off表示设备的开关状态。Attribute 既可以长期有效,也可以在设备重启之后失效;读写权限也可设置为“只读”或“可读可写”。

Matter 规范中的 Attribute 支持丰富的数据类型:包括典型值、布尔值、整数(有符号/无符号)、浮点数、枚举数、字符串,甚至集合(列表或数据结构)。

Command:代表触发Cluster进行某种行为的命令,例如打开、关闭。

针对Endpoint中的属性Matter规范提供了一系列的标准,用户可以从列表中找到适合自己设备的配置。

Endpoint 0

每个节点的第一个端点 Endpoint 0 用于提供一些适用于整个节点的服务,因此需要保留。Endpoint 0 的设备类型为“根节点”。作为一个特殊的 Endpoint,它提供了一些适用于整个节点的 Cluster,包括:

Basic Information Cluster Server(基本信息 Cluster 服务器):提供有关节点的基本信息,如固件版本、制造商等。

ACL Cluster Server(ACL Cluster 服务器):允许配置可访问控制此节点的其他节点列表。

Network Commissioning Cluster Server(网络调试 Cluster 服务器):允许在节点上配置网络(Wi-Fi、以太网、Thread 等)。

Matter绑定

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用户可以(通过 Matter 手机 App)使用DNS协议将来自不同厂商的不同设备绑定起来。

如上图绑定之后开关就可以获取后灯泡的细节信息,从而实现不借助任何云或手机App,直接通过本地网络即可进行交互。

Matter设备认证

Matter 设备通过公钥基础设施 PKI (Public Key Infrastructure) 进行身份识别与认证。

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每个 Matter 节点都有自己的节点操作证书 NOC (Node Operational Certificate)。NOC 证书采用 X.509 格式标准,内含一个可用于识别某个节点的唯一标识符,即节点操作标识符(节点 ID)。

当某个 Matter 节点同时处于多个不同生态系统中时,该节点将拥有多个 NOC 证书(在每个生态系统中都有对应的证书)。NOC 证书和节点 ID 仅在所处的生态系统中有效,这里所描述的生态系统,在Matter 协议中被称为 Matter Fabric。

一个 Matter 节点拥有的资源(即 CPU/RAM)决定了它最多可同时支持多少个 Fabric。每个 Matter Fabric 也会有其对应的根证书 (Root CA Certificate),用于验证 Fabric 中各节点的身份,即各节点的 NOC 证书。

Matter设备配网

新设备一旦上电,将通过 BLE 或 DNS-sd 服务进行广播。控制器接收到广播时,会尝试基于配对码与设备建立加密会话。这个过程被称为 Matter 的密码认证会话建立 (Password Authenticated Session Establishment, PASE)。通常情况下,在 PASE 过程中,App 需要通过扫描二维码来获取设备的唯一配对码。

建立 PASE 会话后,控制器将验证设备的 DAC 证书。如果通过验证,则会签发一个新的 NOC,并将其安装至设备。此外,控制器还会告知设备需要加入的 Wi-Fi 或 Thread 网络。设备配网完成后,PASE 会话将被关闭。此后,所有通信都将受到证书的保护。这种新的会话也被称为 Matter 的证书认证会话建立 (Certificate Authenticated Session Establishment, CASE)。

Matter访问控制列表(ACL, Access Control List)

每个 Matter 节点都有一个访问控制列表 (ACL, Access Control List) ,规定了在这个 Matter Fabric 中,何种设备可以在此 Matter 节点上执行何种操作,比如在节点 x 上的 Cluster y 上具有可读/可写/可调用权限。

当一个 Matter 手机 App 控制 Matter 网络中的灯泡时:

·灯泡将获得一系列由 ACL 定义的权限。

·此后,灯泡在执行任何操作之前,将首先通过手机 App 的 NOC 证书和安装在灯泡上的受信根 CA 证书,来验证手机 App 的身份。

·接着,灯泡将检查 ACL,确认此手机 App 是否具有控制灯泡操作的权限。

Matter桥接设备

Matter 桥接设备可以让非 Matter 设备加入 Matter 生态系统,允许用户无差别得控制自己的 Matter 和非 Matter 设备。

在 Matter 生态系统中,非 Matter 设备可以作为“被桥接设备”节点,通过桥接设备完成其他协议(如 Zigbee)和 Matter 协议之间的映射,从而与系统中的 Matter 设备进行通信。

下面是一个 Matter 桥接设备的数据模型示例。

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·Endpoint 0 中的设备类型为 Bridge。PartsList 字段列出桥接设备的所有端点,每个端点代表一个非 Matter 设备。

·每个端点上的 Descriptor(描述符)Cluster 可以提供有关特定被桥接设备的信息。

ESP-Matter

ESP Matter 是乐鑫 ESP32 系列 SoC 的官方 Matter 开发框架。它建立在开源 Matter SDK之上,并提供简化的 API、常用外围设备、用于安全、制造和生产的工具和实用程序,并附有详尽的文档。它包含丰富的生产参考,旨在简化 Matter 产品的开发过程,使用户能够在最短的时间内投入生产。

乐鑫Matter文档:

https://docs.espressif.com/projects/esp-matter/en/main/esp32/

乐鑫支持Matter的芯片

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1. 支持 Wi-Fi 的 ESP32、ESP32-C 和 ESP32-S 等系列 SoC 和模组,均可用于开发 Matter Wi-Fi 终端设备。

2. 集成 IEEE 802.15.4 (Thread/Zigbee) 的 ESP32-H 系列 SoC 和模组,可用于开发 Matter Thread 终端设备。

3. 将 ESP32-H 系列 SoC 与乐鑫 Wi-Fi SoC 相组合,可搭建 Thread 边界路由器,连通 Thread 与 Wi-Fi 网络;也可搭建 Matter-Zigbee 桥接设备,连通 Matter 与非 Matter 网络。

4. 使用一颗同时支持 Wi-Fi 和 Bluetooth LE 的单芯片,即可搭建 Matter-BLE Mesh 桥接设备,实现 Matter 网络与 Bluetooth LE Mesh 设备的互联互通。

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审核编辑 :李倩

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原文标题:小明带你一文快速了解Matter智能家居互联协议

文章出处:【微信号:wireless-tag,微信公众号:启明云端科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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