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了解Matter智能家居互聯協議

智能家居在現代生活中的重要性與日俱增,各類智能設備層出不窮。然而,由于市場趨于碎片化,完整的智能家居系統滲透率較低。很多物聯網廠商都有一套自己的生態系統,不同生態下的智能設備很難協同工作,這不僅嚴重制約了消費者的選擇,影響其使用體驗,也為設備廠商和開發者增加了支持和維護不同生態(Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit)的成本。

為了打破行業現狀,推動市場健康、良性發展,CSA連接標準聯盟 (Connectivity Standards Alliance)聯合多家行業領先公司發起并推出了Matter智能家居互聯協議,旨在提高不同廠商智能家居產品間的兼容性和互操作性,解決通信協議紛繁復雜的碎片化問題,打破多生態系統間的交互壁壘,實現智能設備的無縫通信與協作。

Matter優勢

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沒有生態壁壘

當用戶已經適應一個成熟的智能家居生態時,往往希望新增設備能夠直接加入現有系統,而非重新構建一套新的生態。

在 Matter 推出之前,每家設備廠商生產的智能家居設備只能通過自己的 App 控制,無法和其他生態設備互聯。但通過 Matter 協議,所有支持 Matter 的 App 和硬件設備均可輕松無縫互聯,協同工作。

目前,亞馬遜、蘋果、谷歌和三星等公司均已宣布支持 Matter。這意味著我們日常生活中常見的智能設備控制終端(如 iOS/安卓手機、語音助手、智能音箱等)均將支持 Matter 協議。用戶甚至不需要單獨的 Matter 設備 App,就可直接控制 Matter 設備。

更加自動化

Matter 允許設備間直接進行高效的通信,整個過程無需特定的轉發設備。例如,Matter 智能開關或傳感器可以直接打開/關閉 Matter 燈泡,而無需借助任何 App、云或其他特別操作。一旦完成配置,Matter 設備間的通信和控制都會直接在本地局域網絡中實現。

沒有通信壁壘

Matter 協議可以讓多種支持 IP 網絡的設備協同工作,如 Wi-Fi 和 Thread/802.15.4 設備。您的手機通過 Matter 協議可以控制所有上述設備。

舉個例子,您可以將一個 802.15.4 傳感器設置為無需通過 App 或云,就直接打開/關閉一個 Wi-Fi 燈泡。當然,它也支持您通過手機 App 進行控制。Wi-Fi 和 Thread 設備之間通信時需要一個可以同時支持 Wi-Fi 和 802.15.4 協議的“Thread 邊界路由器”,它可以讓設備在兩個網絡之間進行通信。

值得一提的是,由于上述所有通信都在本地 Wi-Fi 或 Thread 網絡中進行,因此即使在斷網情況下,設備仍可正常工作。

Matter 還可以幫助目前的一些存量 Zigbee 或 Bluetooth LE Mesh 設備通過橋接方式接入 Matter 生態網絡。

易于開發

在 Matter 的支持下,設備廠商不再需要同時維護多個生態系統或通過多種認證,從而大大節省了時間和人力成本。

協議開放

Matter 是一套開放規范,由多家公司合作推出,極大加速了設備的評估和開發流程。

設備自動化

設備間的自動化有助于讓智能家居系統的聯動更加便利。例如,您僅需一個 Matter 傳感器外加一個 Matter 燈泡,就能構建一個簡單的智能家居系統,而且該系統對傳感器或燈泡的廠商沒有任何限制。

對于生產傳感器或開關等智能家居設備配套產品的廠商而言,Matter 協議可以讓您專注于設計產品的核心功能,無需擔心設備之間的通信問題??蛻粢部梢宰孕羞x擇任意品牌的智能設備(比如燈泡、風扇等),盡情發揮想象力,定制自己的智能生態系統。

自定義功能

如今,Matter 規范支持的設備類型、屬性、命令越來越豐富,而且還支持自定義屬性。用戶能夠基于 Matter 實現豐富的功能。

Matter數據模型

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Node(節點):節點通常被定義為一個具有某些功能的網絡可尋址實體,具有唯一性。用戶可以看到的智能設備實體,比如說照明系統,就是一個節點。

Endpoint(端點):端點可以被想象為一個可提供某種或某些服務的虛擬設備,每個節點可以擁有多個端點。比如,我們照明系統節點就擁有不止一個端點,Dimmable Light 和 On/Off Light 都是照明系統節點的端點。

Endpoint是Matter協議中控制node的最小單位,其中包含了3個屬性:

Cluster:多個常用操作組合為一個可復用的模塊,分為服務器和客戶端,例如燈和開關。

Attribute:表示可以讀取或寫入的內容,例如On/Off表示設備的開關狀態。Attribute 既可以長期有效,也可以在設備重啟之后失效;讀寫權限也可設置為“只讀”或“可讀可寫”。

Matter 規范中的 Attribute 支持豐富的數據類型:包括典型值、布爾值、整數(有符號/無符號)、浮點數、枚舉數、字符串,甚至集合(列表或數據結構)。

Command:代表觸發Cluster進行某種行為的命令,例如打開、關閉。

針對Endpoint中的屬性Matter規范提供了一系列的標準,用戶可以從列表中找到適合自己設備的配置。

Endpoint 0

每個節點的第一個端點 Endpoint 0 用于提供一些適用于整個節點的服務,因此需要保留。Endpoint 0 的設備類型為“根節點”。作為一個特殊的 Endpoint,它提供了一些適用于整個節點的 Cluster,包括:

Basic Information Cluster Server(基本信息 Cluster 服務器):提供有關節點的基本信息,如固件版本、制造商等。

ACL Cluster Server(ACL Cluster 服務器):允許配置可訪問控制此節點的其他節點列表。

Network Commissioning Cluster Server(網絡調試 Cluster 服務器):允許在節點上配置網絡(Wi-Fi、以太網、Thread 等)。

Matter綁定

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用戶可以(通過 Matter 手機 App)使用DNS協議將來自不同廠商的不同設備綁定起來。

如上圖綁定之后開關就可以獲取后燈泡的細節信息,從而實現不借助任何云或手機App,直接通過本地網絡即可進行交互。

Matter設備認證

Matter 設備通過公鑰基礎設施 PKI (Public Key Infrastructure) 進行身份識別與認證。

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每個 Matter 節點都有自己的節點操作證書 NOC (Node Operational Certificate)。NOC 證書采用 X.509 格式標準,內含一個可用于識別某個節點的唯一標識符,即節點操作標識符(節點 ID)。

當某個 Matter 節點同時處于多個不同生態系統中時,該節點將擁有多個 NOC 證書(在每個生態系統中都有對應的證書)。NOC 證書和節點 ID 僅在所處的生態系統中有效,這里所描述的生態系統,在Matter 協議中被稱為 Matter Fabric。

一個 Matter 節點擁有的資源(即 CPU/RAM)決定了它最多可同時支持多少個 Fabric。每個 Matter Fabric 也會有其對應的根證書 (Root CA Certificate),用于驗證 Fabric 中各節點的身份,即各節點的 NOC 證書。

Matter設備配網

新設備一旦上電,將通過 BLE 或 DNS-sd 服務進行廣播??刂破鹘邮盏綇V播時,會嘗試基于配對碼與設備建立加密會話。這個過程被稱為 Matter 的密碼認證會話建立 (Password Authenticated Session Establishment, PASE)。通常情況下,在 PASE 過程中,App 需要通過掃描二維碼來獲取設備的唯一配對碼。

建立 PASE 會話后,控制器將驗證設備的 DAC 證書。如果通過驗證,則會簽發一個新的 NOC,并將其安裝至設備。此外,控制器還會告知設備需要加入的 Wi-Fi 或 Thread 網絡。設備配網完成后,PASE 會話將被關閉。此后,所有通信都將受到證書的保護。這種新的會話也被稱為 Matter 的證書認證會話建立 (Certificate Authenticated Session Establishment, CASE)。

Matter訪問控制列表(ACL, Access Control List)

每個 Matter 節點都有一個訪問控制列表 (ACL, Access Control List) ,規定了在這個 Matter Fabric 中,何種設備可以在此 Matter 節點上執行何種操作,比如在節點 x 上的 Cluster y 上具有可讀/可寫/可調用權限。

當一個 Matter 手機 App 控制 Matter 網絡中的燈泡時:

·燈泡將獲得一系列由 ACL 定義的權限。

·此后,燈泡在執行任何操作之前,將首先通過手機 App 的 NOC 證書和安裝在燈泡上的受信根 CA 證書,來驗證手機 App 的身份。

·接著,燈泡將檢查 ACL,確認此手機 App 是否具有控制燈泡操作的權限。

Matter橋接設備

Matter 橋接設備可以讓非 Matter 設備加入 Matter 生態系統,允許用戶無差別得控制自己的 Matter 和非 Matter 設備。

在 Matter 生態系統中,非 Matter 設備可以作為“被橋接設備”節點,通過橋接設備完成其他協議(如 Zigbee)和 Matter 協議之間的映射,從而與系統中的 Matter 設備進行通信。

下面是一個 Matter 橋接設備的數據模型示例。

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·Endpoint 0 中的設備類型為 Bridge。PartsList 字段列出橋接設備的所有端點,每個端點代表一個非 Matter 設備。

·每個端點上的 Descriptor(描述符)Cluster 可以提供有關特定被橋接設備的信息。

ESP-Matter

ESP Matter 是樂鑫?ESP32?系列 SoC 的官方 Matter 開發框架。它建立在開源 Matter SDK之上,并提供簡化的 API、常用外圍設備、用于安全、制造和生產的工具和實用程序,并附有詳盡的文檔。它包含豐富的生產參考,旨在簡化 Matter 產品的開發過程,使用戶能夠在最短的時間內投入生產。

(轉載自:www.elecfans.com/d/1875749.html)

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