在智能照明产品设计中实施Matter协议的经验教训

作者：Stanley Ezeh，中央应用工程师，富昌电子

连接标准联盟（CSA）是一个由 550 家消费设备制造商和芯片公司组成的联盟，它定义了 Matter 标准，其愿景是让智能家居设备的控制变得简单、可靠和安全：用户首选的应用程序，例如亚马逊的 Alexa、Google Home 或苹果的 Siri，将能够控制家中的任何经过 Matter 认证的设备，无论哪个品牌制造。Matter 协议将支持各种常见的智能家居产品，包括照明和电气设备、暖通空调控制、窗帘和遮阳帘、安防传感器、门锁、包括电视在内的媒体设备、既是设备又是应用的控制器，以及桥接器，如图 1 所示。据 CSA 的说法，将新设备接入 Matter 网络将像扫描联网智能手机上的二维码或轻触手机建立NFC连接一样简单。

正如 CSA 网站所说，“Matter 是智能设备可靠协作的认证标志，消除了购买过程中的不确定性。这种信任让您可以从更广泛的您喜爱的品牌中进行选择，并为您带来安全、无缝的智能家居体验。”


图 1：带有 Matter 标志的设备可以相互通信。

CSA Matter 计划得到了消费电子行业巨头的支持，包括苹果、三星、谷歌、亚马逊、Signify、LG、华为和 Oppo：似乎不太可能出现任何竞争对手来与其竞争。因此，家居自动化产品设计者很可能很快就会被要求将 Matter 技术应用到新产品设计中。设计者可能还需要在现有产品上增加Matter支持。

在启动 Matter 设计项目之前，工程师可以从富昌电子的早期经验中学习。这家位于波兰格但斯克的嵌入式工程卓越中心（CoE）与芯片公司意法半导体和恩智浦半导体紧密合作，为照明行业的客户开发了符合 Matter 标准的原型和量产设计。CoE 的经验表明，虽然 Matter 协议在很大程度上实现了为开发人员提供即插即用技术的承诺，但仍有一些重要的硬件和软件因素需要考虑。

Matter 协议的基本特征

据 CSA 的说法，Matter 协议是“统一的、开源的、应用层连接标准”，如图 2 所示。这意味着它依赖于传输数据的物理传输网络，同时又独立于这些网络。根据设计，Matter 协议与 Thread、Wi-Fi® 和以太网传输网络兼容。可以使用低功耗蓝牙® 连接将终端设备与 Thread 或 Wi-Fi 网络配对，但不能用于传输 Matter 数据。

该标准使用互联网协议第6版（IPv6）作为 Matter 设备的通用语言。


图 2：Matter 技术的架构，显示它作为独立于物理传输网络的应用层运行。  

Matter 规范详细说明了实现 Matter 应用和传输层堆栈所需的一切。Matter 项目的源代码可从 CSA 的GitHub 页面 github.com/project-chip 下载。

Matter 开发项目的目标是创建一种可广泛部署在各种智能家居设备上的协议，不仅是那些具有强大计算能力的设备，如 Wi-Fi 路由器或智能电视，还包括智能灯泡、门铃和灯开关等通常基于微控制器的产品。

正如 Matter GitHub 页面所述，“这些协议通过利用IP技术并能够在低能力设备上实现，具有广泛的可部署性和可访问性。”Matter 规范还支持 Linux® 操作系统（适用于具有更高计算能力的设备）和 FreeRTOS 操作系统（适用于资源受限的设备）。

SoC制造商对Matter支持的现状

Matter 技术的许多实现将在微控制器环境中进行。理论上，OEM 可以选择将 Matter 软件移植到任何选择的片上系统 (SoC)，因为该协议旨在与硬件无关，尽管该规范要求无线更新能（OTA）力，而这本身需要外部闪存。

但截至 2024 年初，一些 MCU 制造商为 Matter 技术提供了广泛的支持；其他则根本不支持。

为什么这很重要？从理论上讲，毕竟，设计人员能够从 github.com/project-chip 下载 Matter 源代码到他们的目标硬件，协议软件的核心可以进行优化，以适应几乎任何具有至少 500 KB 可用存储容量的 MCU。

实际上，对于任何不是 Matter 专家的工程师来说，这都是非常困难的。更好的方法是使用该 MCU 制造商为任何给定 MCU 编译的 Matter 软件开发套件（SDK）。但这样一来，设计人员就会遇到 Matter 兼容 MCU 稀缺的问题。一家迅速采取行动，将 Matter 兼容性构建到其 MCU 产品中的制造商是意法半导体。

ST的 SDK 通过其 X-CUBE-Matter 软件开发套件为 32 位 MCU 环境提供了优化和简化的 Matter 协议实现。ST 也在快速推进工作，以在整个 STM32 生态系统中建立对 Matter 的支持。例如，设计实施需要对设备进行详细描述。这可以使用 Zigbee Cluster Library (ZCL) Advanced Platform (ZAP) 工具来完成。CSA 是 Zigbee 标准和 Matter 协议的发布者。

ZAP 工具使开发人员能够：

· 根据ZCL规范执行SDK特定的定制化生成，包括所有全局工件、常量、类型、ID等
· 为设计人员提供用户界面，以选择特定的应用程序配置、集群、属性、命令

ST 正在将 ZAP 工具集成到 STM32CubeMX 中间件中，为 Matter 实施提供简化的开发环境。

Matter 设计项目中遇到的常见挑战

位于格但斯克的富昌电子卓越中心（CoE）在将 Matter 功能嵌入智能照明产品方面积累了丰富的经验，使用意法半导体STM32WB5MMG 2.4 GHz 无线 MCU 模块作为硬件基础，如图 3 所示。此 ST 模块支持 Thread 和低功耗蓝牙网络。CoE 的经验表明，虽然 Matter 规范旨在方便开发人员和终端用户，但仍存在一些工程师需要注意的缺陷。


图3：STM32WB5MMG模块采用紧凑的7.3 mm x 11 mm x 1.4 mm 86针LGA封装。

存储器使用：Matter 协议往往会占用大量 RAM。Matter 规范 v1.1 版改进了 1.0 版的这一缺点，预计未来版本会更好。但对于设计人员来说，在所选硬件目标中仔细指定 RAM 容量非常重要。

减少对 MCU RAM 资源依赖的有效方法是在外部安全元件（例如 NXP EdgeLock® SE051H）中实现 Matter 协议的加密和其他安全功能，如图 4 所示。SE051H 提供扩展的 Matter 支持，包括：

· 提供设备认证证书和基于证书的身份验证
· 通用标准 EAL 6+ 认证
· 通过 NFC 进行设备调试和轻松 Wi-Fi 配对
· 使用 NXP Matter 产品认证机构生成 Matter 凭证
· 使用 NXP EdgeLock 2GO 服务在 NXP 或客户工厂进行凭证预注入
· 全面支持 Matter 调试中的加密，包括 SPAKE2+
· 经过安全认证的保护，以及面向未来的解决方案，在防篡改 IC 和可更新小程序中提供安全密钥存储


图 4：恩智浦OM-SE051ARD-H 是一款适用于 EdgeLock SE051H 安全元件的 Arduino 板兼容开发套件，它集成了 NFC 功能，可简化智能家居中 Matter 设备的安全接入。

认证：始终是嵌入式开发团队的难题，而且由于需要独立于 Thread 或 Wi-Fi 认证流程来单独验证 Matter 兼容性，使得认证过程更加复杂，如图5所示。


图 5：Thread 或 Wi-Fi 兼容设备的 Matter 认证工作流程。

使用意法半导体器件（例如 STM32WB5 系列的无线 MCU）在这方面很有帮助：ST 发布了 Matter 认证手册，并提供第三方认证支持。此外，一些 ST 器件（包括 STM32WB5MMG 模块）已预先认证为符合 RF 和蓝牙标准，其证书可以直接转移到终端产品而无需额外验证。

尽管如此，每个 Matter 认证终端产品的制造商都必须在 CSA 注册：注册需要支付大量费用。此外，CSA 通过称为产品认证机构 (PAA) 的代理提供某些 ID 凭证、设备认证证书和证书声明。设备 ID 使生产单元能够被 Matter 固件识别。

获取这些设备认证凭证可能会成为开发过程中的瓶颈。

连接性：在 Matter 协议 1.0 版中，CoE 遇到了线程连接间歇性丢失的问题。原因有很多，包括上面强调的 RAM 问题。此外，当 Thread 设备断电然后重新启动时，需要向主机网络重新注册其安全凭证。

这些问题已在 Matter 固件 v1.1 版中得到修复。这意味着开发人员应确保他们使用的是 Matter 规范的最新版本。考虑到自首个 Matter 规范发布以来的时间较短，出现错误的可能性并不令人惊讶。开发人员可以期待在未来几个月和几年内会有多个更新发布。

开始实施 Matter 设计

对于基于 MCU 的设计，截至2024年上半年，意法半导体、恩智浦、英飞凌、瑞萨和乐鑫科技的产品已经提供 Matter 软件支持。

想要开始实施 Matter 认证产品设计的设计人员可以使用 ST 开发套件，例如图 5 中用于 STM32WB5MMG 模块的 STM32WB5MM-DK Discovery 套件。富昌电子的嵌入式工程卓越中心（CoE）可以提供基于在STM32WB5MMG上实现Matter协议的经验的详细指导。


图 6：意法半导体的 STM32WB5MM-DK Discovery套件为开发 Matter 认证设备提供了丰富的开发环境。