解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備互操作性難題的方案

在智能家居應(yīng)用中，市面上已經(jīng)出現(xiàn)各式各樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，但這些設(shè)備之間所支持的協(xié)議較為多樣且復(fù)雜，導(dǎo)致不同品牌的設(shè)備往往不具備互操作性，造成用戶在使用上的困擾。本文將為您介紹用于智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的Matter協(xié)議的特性與發(fā)展，以及由艾睿電子統(tǒng)合NXP、Murata、ST的整體解決方案。

不同智能家居設(shè)備面臨著互操作性挑戰(zhàn)

智能家居和樓宇中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過多個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)相互連接，并連接到云端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲。但如果沒有統(tǒng)一的語言，用戶體驗(yàn)就不是最佳的，并且設(shè)備管理可能會很復(fù)雜。

目前的智能家居設(shè)備正面臨著互操作性挑戰(zhàn)，用戶可能需要連接市面上超過100種以上的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備可能采用超過30種以上的協(xié)議，并采用有線和無線方式進(jìn)行連接，這都對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的互操作性帶來挑戰(zhàn)。

Matter協(xié)議是由連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（Connectivity Standards Alliance, CSA）推出，提供了一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)來簡化和統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)連接，無論設(shè)備的平臺和品牌如何。在智能家居中，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基于Wi-Fi、Thread或以太網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行，每個(gè)設(shè)備在Matter網(wǎng)絡(luò)中都有特定的角色，這些設(shè)備可以是終端設(shè)備、路由器／網(wǎng)橋或控制器。

Matter項(xiàng)目的目標(biāo)是簡化制造商的開發(fā)并提高消費(fèi)端的兼容性，該項(xiàng)目圍繞一個(gè)共同信念而建立，即智能家居設(shè)備應(yīng)該安全、可靠且無縫使用。該項(xiàng)目以互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）為基礎(chǔ)，旨在實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備、移動應(yīng)用程序和云服務(wù)之間的通信，并為設(shè)備認(rèn)證定義一組特定的基于IP的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

Matter可為智能家居生態(tài)系統(tǒng)帶來互操作性，提高消費(fèi)者的可靠性，確保安全和隱私，并簡化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)流程。對于消費(fèi)者來說，Matter幫助他們可使用一個(gè)App控制所有支持Matter協(xié)議的設(shè)備，提升了操控體驗(yàn)；對于廠商來說，使用一套硬件就可以滿足所有的用戶的需求；對于服務(wù)商來說，從此可不再限制于特定的廠商，可在更多的廠商中選擇產(chǎn)品。

有越來越多的開發(fā)者更看重Matter物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺，這是因?yàn)镸atter物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具備跨品牌的互操作性，Matter可實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能家居領(lǐng)域的無縫通信，以往開發(fā)人員必須為其設(shè)備選擇單一智能平臺（例如HomeKit、Alexa或Google Assistant），這種選擇影響了兼容性和銷售。借助Matter技術(shù)，開發(fā)人員可以使用跨品牌的統(tǒng)一平臺來設(shè)計(jì)他們的設(shè)備。例如，支持Matter的設(shè)備可以與Samsung SmartThings和Apple HomeKit配合使用。

許多以往支持HomeKit的硬件也開始支持Matter，與Matter的合作意味著Apple HomeKit擁有更多硬件選擇，開發(fā)人員可以創(chuàng)建像HomeKit設(shè)備一樣運(yùn)行的設(shè)備，并保持與現(xiàn)有HomeKit應(yīng)用程序、Siri和控制界面的兼容性。

采用Matter可以統(tǒng)一開發(fā)框架，Matter為用戶提供共享的智能家居界面，開發(fā)人員可以使用同一平臺構(gòu)建支持Matter的設(shè)備，確保一致且響應(yīng)靈敏的本地連接，這種統(tǒng)一的開發(fā)框架簡化了創(chuàng)建智能家居產(chǎn)品的過程。

Matter并具有向后兼容性，Matter允許舊的HomeKit設(shè)備與支持Matter的新設(shè)備無縫集成，用戶可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的HomeKit設(shè)備和Matter設(shè)備，而不會造成中斷。

綜上所述，Matter提供了更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)、交叉兼容性和一致的開發(fā)體驗(yàn)，使其成為旨在進(jìn)入Apple Home生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)者具有吸引力的選擇。

為了縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，艾睿電子使用NXP、Murata、ST的解決方案開發(fā)了Matter生態(tài)系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)。其中使用了NXP用于Thread板路由器的i.MX 8M和i.MX 93，以及Murata用于無線協(xié)同處理器的Type 2FR和Type 2EL，用于Wi-Fi端節(jié)點(diǎn)的Type ABR和Type 2HV，以及用于Thread/Wi-Fi端節(jié)點(diǎn)的Type 2FR，還有ST用于OpenThread終端節(jié)點(diǎn)的STM32WB，以下將為您介紹這些解決方案的功能特性。

滿足廣泛應(yīng)用需求的應(yīng)用處理器

NXP的i.MX 8M系列應(yīng)用處理器是基于Arm Cortex-A53和Cortex-M4內(nèi)核，具有先進(jìn)的音頻、語音和視頻處理功能，適用于從消費(fèi)類家用音頻到工業(yè)樓宇自動化及移動計(jì)算等廣泛應(yīng)用。

i.MX 8M支持高品質(zhì)視頻，提供全4K UltraHD分辨率和HDR（Dolby Vision、HDR10和HLG），可提供高水平的專業(yè)音頻保真度，具有20多個(gè)音頻通道，每個(gè)通道384KHz，支持DSD512音頻功能，適用于無風(fēng)扇運(yùn)行，散熱系統(tǒng)成本低，電池使用壽命較長，并具有靈活的存儲器選項(xiàng)，其最新的高速接口可提供靈活連接，NXP并提供10年和15年產(chǎn)品長期供貨計(jì)劃的全面支持，i.MX 8應(yīng)用處理器是NXP EdgeVerse邊緣計(jì)算平臺的一部分。

NXP的i.MX 93應(yīng)用處理器則是通過集成的EdgeLock安全區(qū)域提供高效的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）加速和高級安全，以支持高能效的邊緣計(jì)算。i.MX 93應(yīng)用處理器是i.MX系列中首個(gè)集成了可擴(kuò)展的Arm Cortex-A55內(nèi)核的產(chǎn)品，有助于提高Linux邊緣應(yīng)用及Arm Ethos-U65 microNPU的性能與能效，助力開發(fā)人員打造功能更強(qiáng)大、更具成本效益、更節(jié)能的ML應(yīng)用。

i.MX 93處理器采用NXP創(chuàng)新的Energy Flex架構(gòu)，可優(yōu)化工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和汽車設(shè)備的性能與能效。SoC針對汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分市場提供豐富的外設(shè)。作為EdgeVerse智能邊緣解決方案的一部分，i.MX 93系列提供消費(fèi)電子、工業(yè)、擴(kuò)展工業(yè)和汽車級認(rèn)證的產(chǎn)品，并由NXP產(chǎn)品長期供貨計(jì)劃提供支持。

高度集成的無線網(wǎng)絡(luò)控制器模塊

Murata的Type ABR則是基于NXP 88MW320（無線微控制器）的小型模塊（集成PCB天線），支持Wi-Fi 802.11 b/g/n高達(dá)72.2 Mbps PHY數(shù)據(jù)速率，并具有用于主機(jī)端應(yīng)用的集成200MHz ARM Cortex-M4F MCU。Type ABR的尺寸僅有22.0 x 19.0 x 2.4 mm（典型），集成PCB天線和U.FL連接器，模塊上的SPI閃存高達(dá)2MB，支持UART Wi-Fi主機(jī)接口和GPIO控制，通過FCC/IC認(rèn)證，并可提供CE測試報(bào)告。

Type ABR通過其集成的ARM Cortex-M4F MCU輕松實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的消費(fèi)類應(yīng)用，通過NXP強(qiáng)大的EZ-Connect工具（WMSDKA）允許客戶快速、輕松地定制他們的解決方案。除了獨(dú)立的WMSDKA配置外，NXP還提供MCUXpresso集成解決方案，其中可與Murata的ABR mikroBUS EVB與LPCXpresso55S16/28/69開發(fā)板搭配使用。Type ABR模塊可通過WMSDKA固件支持的簡單串行接口，為NXP LPC MCU提供WLAN鏈路。

Murata Type 2EL是一款基于NXP IW612組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac/ax，以及Bluetooth 5.3 BR/EDR/LE + 802.15.4，支持高達(dá)601Mbps Wi-Fi上的PHY數(shù)據(jù)速率和Bluetooth上的2Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口，Bluetooth部分支持高速4線UART接口和用于音頻數(shù)據(jù)的PCM。Type 2EL模塊采用令人印象深刻的小型屏蔽外形尺寸封裝，有助于集成到尺寸和功耗敏感的應(yīng)用中，例如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、手持無線系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)等。

Murata的Type 2FR/2FP則是一款MCU結(jié)合Wi-Fi/BLE/Thread的無主機(jī)模塊，采用NXP RW612/RW610芯片組，內(nèi)置260 MHz Arm Cortex M33 MCU，結(jié)合802.11 a/b/g/n/ac/ax，以及BLE 5.3與Thread（僅限2FR），最大尺寸僅有12.0 x 11.0 x 1.5 mm，支持以太網(wǎng)802.3（有線）、SDIO 3.0（WLAN）、USB-OTG、I2C、I2S、SPI、USART，并支持FCC/IC/TELEC“參考”認(rèn)證（待定）與CE施行測試報(bào)告（待定），提供單或雙（獨(dú)立BLE/（僅限Thread-2FR））天線配置，以及U.FL連接PCB天線或Murata定制的PCB走線天線選項(xiàng)。

Murata也推出Type 2FR評估套件（EVK），具有復(fù)位按鈕與兩個(gè)用戶定義的按鈕，以及5個(gè)可配置LED，EVK的板載PCB天線即將獲得認(rèn)證，內(nèi)置PIR運(yùn)動和溫度I2C傳感器，支持mikro-BUS、Arduino、PMOD、I2C、擴(kuò)展接口，以及USB調(diào)試／控制臺、USB OTG，具有ARM 10針接口（SWD或JTAG），可通過跳線配置啟動控制，具有QSPI閃存與32 KHz慢速時(shí)鐘、電流測量跳線（電阻選項(xiàng)）、以太網(wǎng)端口。

Type 2HV則是Murata最新的低成本物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi/BT無主機(jī)模塊，它集成了無線連接和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，提供超低功耗，使其成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。Type 2HV憑借高達(dá)160MHz的集成超低功耗32位ARM MCU，輕松實(shí)現(xiàn)獨(dú)立消費(fèi)類應(yīng)用，并具有2MB閃存和288KB RAM內(nèi)存。它提供多種通信接口，包括UART/I2C/SPI和各種GPIO，Type 2HV SDK允許客戶快速輕松地定制他們的解決方案。

用途多樣的雙核多協(xié)議無線微控制器

ST的STM32WB系列是雙核多協(xié)議無線STM32WB微控制器，支持Bluetooth Low Energy、Zigbee、Thread和Matter連接，STM32WB無線微控制器基于以64 MHz運(yùn)行的Arm?Cortex‐M4內(nèi)核（應(yīng)用處理器）和以32 MHz運(yùn)行的Arm Cortex‐M0+內(nèi)核（網(wǎng)絡(luò)處理器），是一種自給自足型解決方案。該系列微控制器采用片上系統(tǒng)（SoC）封裝，其中嵌入了連接功能和一個(gè)通用微控制器。

STM32WB提供經(jīng)過認(rèn)證的Bluetooth Low Energy 5.4無線電協(xié)議棧、Bluetooth SIG配置文件，以及符合V1.0標(biāo)準(zhǔn)的Mesh拓?fù)?。STM32WB SDK還支持面向Bluetooth Low Energy解決方案（包括Zephyr和Arm Cordio協(xié)議棧）的主機(jī)控制器接口（HCI）。STM32WB支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（Zigbee和Thread），以及IEEE 802.15.4 MAC層，支持設(shè)計(jì)人員采用任何專有協(xié)議。

STM32WB還支持Zigbee（Zigbee PRO 2017），其占用空間經(jīng)過優(yōu)化，可支持所有Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。Zigbee RFD和FFD涵蓋了終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器和路由器角色。此外，還支持OpenThread，該技術(shù)已加入到所有MTD、FTD和邊界路由器中。它涵蓋了休眠終端設(shè)備（SED）、路由器和領(lǐng)導(dǎo)者角色，因此也支持網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。該系列微控制器提供多種經(jīng)過認(rèn)證的配置，可在尺寸和OTA功能方面提高設(shè)計(jì)自由度，從而實(shí)現(xiàn)平臺優(yōu)化。

STM32WB MCU支持Matter協(xié)議，在Matter網(wǎng)絡(luò)中，Bluetooth Low Energy用于調(diào)試設(shè)備，它可以在動態(tài)并發(fā)模式下與Thread協(xié)議同時(shí)運(yùn)行。STM32WB多協(xié)議MCU可以在并發(fā)模式下同時(shí)運(yùn)行Bluetooth Low Energy 5.4與802.15.4無線協(xié)議、Zigbee或OpenThread協(xié)議。這有助于在安裝和配置過程中更方便地管理設(shè)備，顯著提升整體用戶體驗(yàn)。

STM32WB MCU集成式解決方案不僅具有連接功能，還包括無線應(yīng)用MCU處理器，可簡化設(shè)計(jì)工作，可借助Bluetooth Low Energy 5.4技術(shù)打造創(chuàng)新設(shè)備，輸出功率超出10 dBm，可擴(kuò)展遠(yuǎn)端通信范圍，支持設(shè)備通信廣播擴(kuò)展，延長電池壽命，可確?？焖?、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，提升應(yīng)用效率（測評分?jǐn)?shù)達(dá)到407 CoreMark），并保護(hù)IP和隱私（已通過SESIP3認(rèn)證），提供成熟的STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)，可加快產(chǎn)品上市速度。

結(jié)語

通過Matter協(xié)議的推出，解決了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的互操作性問題，將有助于提高用戶采用這些設(shè)備的意愿，可望加速智能家居等應(yīng)用的普及，市場發(fā)展將極具潛力。艾睿電子集成了NXP、Murata與ST的解決方案，并推出多款參考設(shè)計(jì)，將可加快客戶開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的速度，若想知道更多細(xì)節(jié)，請直接與艾睿電子聯(lián)系。