Matter解決物聯(lián)網(wǎng)和智能家居難題

Matter是一種針對(duì)智能家居、住宅和商業(yè)建筑使用的單一統(tǒng)一連接標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)旨在為消費(fèi)者提供更好的體驗(yàn)，并減輕開(kāi)發(fā)人員的工作量，已經(jīng)逐漸受到廠商與使用者的關(guān)注。本文將為您介紹Matter技術(shù)的發(fā)展，以及Nordic在相關(guān)應(yīng)用推出的解決方案。

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徹底改變智能家居應(yīng)用生態(tài)的新標(biāo)準(zhǔn)

縱觀當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)和智能家居應(yīng)用，智能家居行業(yè)在過(guò)去十年中取得了巨大的增長(zhǎng)，一系列無(wú)線連接的智能設(shè)備涌入家庭，為家庭生活帶來(lái)自動(dòng)化和便利，像是可以連網(wǎng)的揚(yáng)聲器、燈泡和百葉窗，它們都可以通過(guò)智能手機(jī)或?qū)ｉT的家庭助理進(jìn)行遠(yuǎn)程激活。據(jù)估計(jì)，當(dāng)今世界約有1.75億個(gè)人在使用智能家居，預(yù)計(jì)到2025年將有超過(guò)130億智能家居設(shè)備在使用中。

然而，即使擁有所有最新的設(shè)備和創(chuàng)新，最終用戶在讓他們的設(shè)備可靠地通信、互連和協(xié)同工作時(shí)，仍然感到困惑和沮喪，許多由不同廠家所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在串聯(lián)上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)降低用戶的采用率，加大創(chuàng)新上的難度，難以實(shí)現(xiàn)互操作。

隨著家庭自動(dòng)化和智能家居行業(yè)多年來(lái)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種連接標(biāo)準(zhǔn)，其中包括Z-Wave和Zigbee，而藍(lán)牙和Wi-Fi等協(xié)議也發(fā)揮了重要作用。每個(gè)協(xié)議都開(kāi)辟了一個(gè)利基市場(chǎng)，但沒(méi)有一個(gè)協(xié)議能夠成功成為智能家居市場(chǎng)的默認(rèn)或主要標(biāo)準(zhǔn)，這反映在消費(fèi)者在設(shè)備級(jí)別體驗(yàn)的碎片化上。

有鑒于此，連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（Connectivity Standards Alliance, CSA）聯(lián)合了世界上最大的品牌，像是亞馬遜、蘋(píng)果、谷歌等公司，進(jìn)行Matter標(biāo)準(zhǔn)的倡議與開(kāi)發(fā)，這種集中式的標(biāo)準(zhǔn)化工作，將可確保制造商、設(shè)計(jì)師、消費(fèi)者和整個(gè)社會(huì)，都將從易于訪問(wèn)的技術(shù)中獲益。目前已經(jīng)有超過(guò)220家公司和2100名個(gè)人參與Matter標(biāo)準(zhǔn)的制定，Matter由于得到了世界上眾多大型科技公司的支持，這種新的統(tǒng)一連接標(biāo)準(zhǔn)，將徹底改變智能家居應(yīng)用的生態(tài)。

提升安全性與互操作的Matter技術(shù)

從設(shè)備到設(shè)備協(xié)議的角度來(lái)看，Matter標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)在概念上沒(méi)有太大區(qū)別，但主要區(qū)別則在于行業(yè)的采用、支持和動(dòng)力，因?yàn)槠渖婕八腥蚝椭匾纳鷳B(tài)系統(tǒng)，這是主要區(qū)別之一。特別是在2021年，將Matter集成到其產(chǎn)品中的公司數(shù)量大幅增加，如此一來(lái)，將增加最終客戶的互操作性選擇，Matter有可能成為智能家居事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

Matter的另一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別之一是建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）之上，IP可實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和可尋址性，并將互聯(lián)網(wǎng)帶入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。Matter可使用Thread、Wi-Fi或以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行消息傳輸，并可使用BLE來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)備的調(diào)試，Wi-Fi則可用于低帶寬和高帶寬應(yīng)用，將來(lái)還可以連接像是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。Matter規(guī)范還支持技術(shù)之間的橋接，以確?；ゲ僮餍裕ㄟ^(guò)橋接設(shè)備，使用者將可以保留現(xiàn)有的設(shè)備，并繼續(xù)推進(jìn)Matter的互操作性。

Matter旨在確保設(shè)備和信息的安全和私密性，同時(shí)仍然易于使用，基礎(chǔ)是建立在確保使用完全透明的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與Matter聯(lián)系起來(lái)。Matter嚴(yán)格的安全和隱私原則為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)安全基準(zhǔn)，用于保護(hù)新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以及保護(hù)數(shù)據(jù)和信息交易。此外，Matter協(xié)議和數(shù)據(jù)模型涵蓋了從設(shè)備到移動(dòng)和云通信的核心操作功能。

Matter規(guī)范的“多管理”功能，將使連接的設(shè)備能夠被多個(gè)智能家居生態(tài)系統(tǒng)輕松控制。Multi-Admin將客戶從單一供應(yīng)商的圍墻花園中解放出來(lái)，讓他們可以根據(jù)喜好自由混合搭配。例如，可以選擇使用Apple Siri和Amazon Alexa語(yǔ)音助手之一，甚至同時(shí)使用它們來(lái)控制Nest恒溫器。

滿足智能家居應(yīng)用所需的軟件和硬件

Nordic半導(dǎo)體對(duì)智能家居市場(chǎng)的投入由來(lái)已久，由于Nordic看到每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都有不同的解決方案，這給作為制造商的Nordic和客戶都帶來(lái)了挑戰(zhàn)，不幸的是，它也會(huì)給最終消費(fèi)者帶來(lái)困惑和挫敗感。

有了Matter及其所有領(lǐng)先生態(tài)系統(tǒng)的支持，Nordic相信Matter有潛力滿足智能家居市場(chǎng)的需求。Nordic半導(dǎo)體是Bluetooth LE和Thread的領(lǐng)先供應(yīng)商，這些技術(shù)也將用于Matter規(guī)范。因此，從技術(shù)的角度來(lái)看，為Nordic的器件提供對(duì)Matter的支持將極具意義。

Nordic為Matter開(kāi)發(fā)者提供軟件和硬件，其中最值得推薦的是nRF52840或nRF5340系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），以及這兩種器件的開(kāi)發(fā)套件，包括可在線免費(fèi)獲取的nRF Connect SDK，該SDK包括Matter的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)GitHub獲得，并針對(duì)Nordic SoC進(jìn)行了優(yōu)化，其中還包括針對(duì)門鎖、燈泡、開(kāi)關(guān)和溫濕度偵測(cè)的示例，它們?yōu)橛脩籼峁┝艘粋€(gè)起點(diǎn)，并進(jìn)一步簡(jiǎn)化了基于Matter的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。Nordic并與Google、Assa Abloy、Eve和Leedarson合作創(chuàng)建了一個(gè)智能家居演示，展示了基于Matter的語(yǔ)音控制、門鎖、恒溫器和燈泡。Nordic并在YouTube、優(yōu)酷與DevZone上提供眾多的免費(fèi)資源。

高度集成的多協(xié)議系統(tǒng)級(jí)芯片

Nordic推出的nRF52840系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），是一款具有完全協(xié)議并發(fā)能力的多協(xié)議藍(lán)牙5.2 SoC，可同時(shí)支持低功耗藍(lán)牙、藍(lán)牙Mesh、NFC、Thread和Zigbee、802.15.4、ANT和2.4 GHz專有協(xié)議棧。nRF52840 SoC是nRF52系列中最先進(jìn)的一員，它可以滿足需要協(xié)議并發(fā)性、豐富外圍設(shè)備和復(fù)雜應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。它并為閃存和RAM提供了充足的內(nèi)存，而這些正是高要求應(yīng)用的必備條件。

nRF52840基于帶有浮點(diǎn)單元的32位ARM Cortex-M4 CPU，主頻為64 MHz。內(nèi)置NFC-A標(biāo)簽可用于簡(jiǎn)化的配對(duì)和支付解決方案。該芯片內(nèi)置ARM TrustZone CryptoCell密碼算法單元，可獨(dú)立于CPU高效執(zhí)行密碼算法任務(wù)。它有許多數(shù)字外設(shè)和接口，如高速SPI和QSPI接口，用于連接到外部閃存和顯示器，PDM和I2S連接數(shù)字麥克風(fēng)和音頻。此外還有一個(gè)全速USB設(shè)備，用于數(shù)據(jù)傳輸和作為電源為電池充電，并通過(guò)精密的片上自適應(yīng)電源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了極低的功耗。

Nordic的另一款nRF5340 SoC則是可支持低功耗藍(lán)牙、藍(lán)牙Mesh、NFC、Thread和Zigbee的雙核藍(lán)牙5.2 SoC。nRF5340是全球首款擁有兩個(gè)Arm Cortex-M33處理器的無(wú)線連接SoC，擁有兩個(gè)靈活的處理器、先進(jìn)的功能，以及高速SPI、QSPI、USB與最高105℃的工作溫度，還結(jié)合了更高的性能、內(nèi)存和集成度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)電流的最小化。使其成為低功耗音頻、專業(yè)照明、高級(jí)可穿戴設(shè)備和其他復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。

該應(yīng)用處理器還針對(duì)性能進(jìn)行了優(yōu)化，且可以使用電壓頻率調(diào)節(jié)功能以128M或64 MHz時(shí)鐘頻率運(yùn)行。它有1 MB的閃存、512 KB的RAM，一個(gè)浮點(diǎn)單元（FPU）、一個(gè)8 KB的雙向關(guān)聯(lián)高速緩存和DSP指令。網(wǎng)絡(luò)處理器的主頻為64 MHz，并針對(duì)低功耗和效率（101 CoreMark/mA）進(jìn)行了優(yōu)化，它有256 KB的閃存和64 KB的RAM。

可擴(kuò)展的統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)套件

Nordic的nRF Connect SDK則是nRF5340 SoC的軟件開(kāi)發(fā)套件，用于構(gòu)建低功耗藍(lán)牙、Wi-Fi、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)、藍(lán)牙Mesh、Thread、Zigbee和Matter產(chǎn)品的軟件開(kāi)發(fā)套件提供完整的解決方案，集成了Zephyr RTOS和范圍廣泛的應(yīng)用示例、應(yīng)用程序協(xié)議、協(xié)議棧、庫(kù)和硬件驅(qū)動(dòng)程序。

nRF Connect SDK是一個(gè)可擴(kuò)展的統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)套件，用于構(gòu)建基于Nordic所有nRF52、nRF53、nRF70和nRF91系列無(wú)線器件的產(chǎn)品。它為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)可擴(kuò)展的框架，用于為內(nèi)存受限的設(shè)備構(gòu)建大小優(yōu)化的軟件，以及為更高級(jí)的設(shè)備和應(yīng)用構(gòu)建功能強(qiáng)大且復(fù)雜的軟件。

為了開(kāi)發(fā)低功耗藍(lán)牙、Wi-Fi、藍(lán)牙Mesh、Thread、Zigbee和Matter產(chǎn)品，nRF Connect SDK包含所有需要的軟件，包括協(xié)議棧。nRF Connect SDK還提供了HomeKit配件開(kāi)發(fā)套件的獨(dú)特集成，用于使用HomeKit over Thread和HomeKit over Bluetooth Low Energy開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。它是一種高度優(yōu)化的解決方案，可讓電池供電的產(chǎn)品同時(shí)在單個(gè)芯片上運(yùn)行HomeKit附件協(xié)議（HAP）和應(yīng)用程序固件。

nRF Connect SDK為Nordic所有的器件和軟件組件提供單一代碼庫(kù)，它簡(jiǎn)化了從一個(gè)應(yīng)用到另一個(gè)應(yīng)用的移植模塊、庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序，從而減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間。通過(guò)使開(kāi)發(fā)人員能夠?yàn)槠鋺?yīng)用挑選和選擇必要的軟件組件，可以保證高內(nèi)存效率。

nRF5340 DK則是nRF5340 SoC的開(kāi)發(fā)套件，此套件內(nèi)置單板開(kāi)發(fā)所需的一切工具。這款開(kāi)發(fā)套件支持使用多種無(wú)線協(xié)議進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。它支持低功耗藍(lán)牙，具有2 Mbps高數(shù)據(jù)吞吐量、廣播擴(kuò)展和長(zhǎng)距離等功能。藍(lán)牙Mesh、Thread和Zigbee之類的網(wǎng)格協(xié)議可以與低功耗藍(lán)牙同時(shí)運(yùn)行，從而使得智能手機(jī)能夠配網(wǎng)、入網(wǎng)、配置和控制Mesh節(jié)點(diǎn)，還支持NFC、ANT、802.15.4和2.4 GHz專有協(xié)議。

nRF5340 DK可通過(guò)接頭連接器和邊緣連接器使用所有的模擬和數(shù)字接口，以及GPIO端口。該套件與Arduino Uno Rev3硬件兼容，這意味著它可以輕松與外部設(shè)備擴(kuò)展板連接。

結(jié)語(yǔ)

Matter技術(shù)的應(yīng)用正在推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和智能家居領(lǐng)域的發(fā)展，讓不同品牌的設(shè)備能夠進(jìn)行互通和互動(dòng)，提高了物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的互操作性，增加了使用者的方便性和體驗(yàn)。Nordic推出了支持Matter技術(shù)的高度集成SoC，以及相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具套件，將可加快客戶的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，積極搶進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和智能家居市場(chǎng)。

編輯：黃飛

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