如何使用 Matter 連接智慧家庭自動化孤島

無線智慧家庭自動化裝置的設計人員正面臨缺乏廣泛互操作性的挑戰，這點將限制無線智慧家庭生態系統的發展。例如，Amazon Alexa、Apple HomeKit 和 Google 助理裝置目前都是運行於各自的自動化孤島。乙太網路、Thread、Insteon、SmartThings、Wi-Fi、Z-Wave 及其他無線物聯網 (IoT) 協定在不同程度上也是如此。

設計多協定裝置是一種可能可行的解決方案，但這種方法在設計上較為複雜，不僅開發過程更長，裝置成本也更高。此外，由於各個協定會使用不同的方法來實作安全性及使用者的隱私性，因此多協定裝置只能連接一部分的智慧家庭自動化孤島，進一步提高設計和實作的複雜度。

要解決這些問題，設計人員可藉助連線標準聯盟的 Matter 1.0 規範來連接自動化孤島，提高智慧家庭 IoT 網路的實用性。此外，Matter 軟體套件還可簡化新裝置的試運轉，並提供全方位的安全性與隱私性。

本文首先將簡要介紹 Matter 的起源，講述它如何從 Zigbee 聯盟的 Connected Home over IP (CHIP) 專案成為連線標準聯盟 (CSA) 的最新規範，接著探討 Matter 位於乙太網路、Wi-Fi、藍牙和 Thread 等協定上的應用層軟體堆疊，此外還有關於 Matter 的安全性和隱私工具的介紹。最後，本文將介紹 NXP Semiconductors 的多款評估套件、開發板和相關的微控制器 (MCU)，以及如何使用 Matter 更快設計出具互操作性的無線智慧家庭裝置。

Matter 由 CHIP 而生

一個典型的智慧家庭可能擁有超過 100 個 IoT 裝置，並使用超過 20 個協定，各個獨立運作的自動化孤島將建立出一座網路塔 (圖 1)。CHIP 專案由 Zigbee 聯盟於 2019 年 12 月發起，旨在開發一個通用的軟體套件並連通各個孤島。CHIP 逐漸成為 Zigbee 聯盟的主要焦點，後來聯盟將名稱變更為 CSA，CHIP 專案也更名為 Matter。Matter 以網際網路通訊協定 (IP) 為基礎，是一個免權利金的開源軟體標準。CSA 成員和 Matter 工作小組，需要取得智慧財產權才能使用 Matter。此外，Matter 專案還定義了認證要求，並設立了一系列獨立的測試實驗室來驗證裝置是否符合標準。

圖 1：一個典型的智慧家庭可能擁有超過 100 個 IoT 裝置，使用超過 20 個不同的協定，從而建立出許多自動化孤島。(圖片來源：NXP)

Matter 的應用位置

Matter 建構於 IP 層之上，並將其用作與 IP 型網路進行通訊的通用語言，像是乙太網路、Thread 及 Wi-Fi。透過使用 IPv6，Matter 可與裝置通訊，無需使用轉換器。Matter 位於裝置應用層之下，傳輸控制協定 (TCP) 層之上，並透過 TCP 層連結至通訊堆疊中的 IP 層。Matter 是一個具互操作性的應用層解決方案，在應用層之下劃分六個功能層，包括資料模型、互動模型、動作影格、安全性、訊息影格與路由，以及 IP 影格與傳輸管理。傳輸管理層負責處理通往個別協定的鏈路。初版 Matter 支援乙太網路、Thread、低功耗藍牙 (BLE) 和 Wi-Fi。目前，擴展網路連線能力的工作已在著手進行 (圖 2)。

圖 2：Matter 使用 IPv6 與 Wi-Fi、Thread、BLE 及乙太網路裝置進行通訊，因此無需使用專門的轉換器。(圖片來源：NXP)

部署 Matter 的關鍵是確保安全性。Matter 將身分驗證碼與加密功能互相結合，以維持訊息的機密性、準確性和驗證資料來源。Matter 採用先進加密標準 (AES) 128 密碼區塊鏈訊息驗證碼 (CCM) 和 128 位元 AES 密碼區塊鏈 (CBC) 進行加密。此外，它還採取了深度防禦原則，為個別裝置提供最適當安全性與隱私性級別。這種分層方法不僅能最佳化資源使用率，還可確保通訊的可用性、完整性和機密性。

Matter 網路的構成

Matter 由 CSA 管理，並根據 Apache 2.0 取得授權。此外，CSA 還為標準實作和應用維護了一個專屬程式庫，可幫助成員自行開發支援 Matter 的裝置。安全性與使用者隱私是 Matter 的主要關注焦點，此程式庫可確保各 Matter 裝置在實作安全性方面高度一致。在硬體方面，Matter 包括終端節點、邊緣節點、閘道器 (也稱為控制器)、橋接器和邊界路由器。閘道器和邊界路由器有時都稱為「集線器」，因此可能會產生混淆 (圖 3)。若對裝置有疑問，最好的作法是釐清「集線器」的具體功能。

圖 3：Matter 網路包括閘道器、橋接器和邊界路由器，可連接不同的區域網路以及網際網路。(圖片來源：NXP)

• 閘道器 – Matter 閘道器提供網際網路連線，支援遠端存取 Matter 裝置。某些舊有的裝置，例如 SmartThings、Amazon 和 Google 的智慧家庭集線器，可透過軟體更新轉為 Matter 閘道器。Matter 被設計為可與製造商提供的通訊功能共存 (例如雲端連線或遠端控制)，這些裝置即使作為 Matter 網路的一部分運作，也仍能使用既有的通訊功能。
• 橋接器 – Matter 橋接器用於將 Matter 網路與附近的無線網路相連。與 Matter 不相容的裝置可透過橋接器運作，並順暢地使用 Matter 網路。此外，橋接器有望加速 Matter 的應用，可讓與 Matter 不相容的節點及網路輕鬆整合至更大的 Matter 網路結構中。某些現有的裝置可透過更新變得與 Matter 相容，無需經由橋接器連接便可直接整合至 Matter 網路。
• 邊界路由器 – 邊界路由器專門用來將 Thread 網路和動作感測器、門窗感測器等裝置，整合至 Matter 網路中。Thread 是一種運作於 IEEE 802.15.4 實體層 (PHY) 之上的低功耗無線 IP 協定。由於 802.15.4 與 Wi-Fi 不相容，將裝置更新為邊界路由器比較複雜。但這種情況已有所改變。NXP 等製造商已經推出了支援 Wi-Fi 6、藍牙 5.2 和 802.15.4 的裝置，簡化了邊界路由器及其他 Matter 裝置的設計。除了連結網路之外，某些邊界路由器還具有智慧家庭控制介面。

Matter 網路元件的設計

建構 Matter 網路需要使用多種裝置，包括終端節點 (如感測器和致動器)、邊緣節點 (如智慧型照明、智慧鎖、HVAC 暖通空調控制器)，以及一系列互連所有裝置的閘道器、邊界路由器和橋接器。NXP 為每種 Matter 網路元件都提供了一系列完備的開發硬體，以及多種 GitHub 材料，包括 Matter 平台支援與應用範例，可幫助加快開發速度 (表 1)。

表 1：NXP 針對 Matter 平台精選的開發環境。(表格來源：NXP，經作者修改)

終端節點

Matter 平台終端節點的開發人員，可使用 K32W0x MCU 平台 (如 K32W041AZ) 的 IOTZTB-DK06 開發環境 (圖 4)。該環境包括建立獨立終端節點所需的軟硬體，以及一個含控制橋接器、交換器節點和光／感測器節點的三單元展示網路。

K32W041AZ MCU 設計有專用 Arm® Cortex®-M4 MCU，具有 640 KB 板載快閃記憶體和 152 KB 靜態隨機存取記憶體 (SRAM)，可驅動下一代超低電流多協定無線裝置，並支援 BLE 5.0 與 Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4。除了超低的收發功耗以外，這些 MCU 還支援複雜的應用與空中 (OTA) 更新，而無需搭配外部記憶體。

圖 4：IOTZTB-DK06 平台含有交換器節點 (左)、控制橋接器 (中) 和光／感測器節點 (右)。(圖片來源：NXP)

邊緣節點

i.MX RT1170 EVK 為 Matter 邊緣節點提供了整合式開發平台。這款評估套件建構於一片以通孔元件提高電磁相容性 (EMC) 效能的六層式電路板上，內含可加速開發專案的關鍵元件與介面 (圖 5)。此套件以 i.MX RT1170 Crossover MCU 系列 (如 MIMXRT1176CVM8A) 為基礎，並可與上述的 IOTZTB-DK06 搭配使用。i.MX RT1170 以雙核心運作，一是 Cortex-M7 核心，運作頻率為 1 GHz；一是 Arm Cortex-M4，運作頻率為 400 MHz。此產品支援多種高級安全功能，包括：

• 安全啟動
• 內聯型加密引擎 (IEE)
• 即時式 AES 解密 (OTFAD)
• 高效能加密
• 主動與被動篡改偵測

圖 5：i.MX RT1170 EVK 可用於開發 Matter 邊緣節點裝置。(圖片來源：NXP)

此外，MIMXRT1170-EVK 可搭配 OM-A5000ARD Arduino 開發套件進行安全加密。這款 Arduino 開發套件以 A5000 驗證器為基礎。A5000 是一款現成的安全 IoT 驗證器，可在 IC 層級提供信任根，不僅能安全地儲存和佈建憑證，還能執行加密作業，確保關鍵通訊和身分驗證的安全性。A5000 可用於多種 IoT 安全使用案例，例如裝置對裝置驗證、公用雲／私有雲安全連線以及防偽保護。為了協助快速開發安全性解決方案，A5000 還預裝了應用驗證與安全性軟體。

閘道器、邊界路由器和橋接器

如需閘道器、邊界路由器及橋接器等更為複雜的設計時，設計人員可改用 i.MX 8M Mini EVKB。這款評估板支援 i.MX 8M Mini 應用處理器系列，例如 NXP 的 MIMX8MM5CVTKZAA (圖 6)。

圖 6：i.MX 8M Mini EVKB 可協助開發 Matter 閘道器、邊界路由器和橋接器。(圖片來源：NXP)

i.MX 8M Mini 應用處理器在系統連線能力和記憶體介面靈活性方面的功能廣泛，使其既適用於具有富媒體的消費性與嵌入式工業應用，也適用於非富媒體、需要高電源效率及高效能的一般用途應用。

8MMINILPD4-EVKB 評估板可與上述的 IOTZTB-DK006 及 OM-A5000ARD 搭配使用。若再增添 K32W061 的升級板和 USB 硬體鎖，則可快速建立小型無線 Matter 網路，實現多協定應用的測試和開發。

結論

無論廠商、平台或生態系統為何，互操作性對 IoT 裝置的最終使用者而言非常重要。Matter 是一個開源軟體標準，專用於連接智慧家庭環境中的許多自動化孤島，同時確保安全及隱私。如本文所述，Matter 網路由多種裝置組成，包括終端節點、邊緣節點、閘道器、邊界路由器與橋接器。針對希望快速動手設計的設計人員，NXP 提供了一系列廣泛的軟體與硬體開發平台，適用於所有 Matter 裝置。

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