基于Matter標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)和智能家居解決方案

Matter解決物聯(lián)網(wǎng)和智能家居難題

Matter是一種針對智能家居、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)旨在為消費者提供更好的體驗，并減輕開發(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)在過去十年中取得了巨大的增長，一系列無線連接的智能設(shè)備涌入家庭，為家庭生活帶來自動化和便利，像是可以連網(wǎng)的揚聲器、燈泡和百葉窗，它們都可以通過智能手機或?qū)ｉT的家庭助理進行遠(yuǎn)程激活。據(jù)估計，當(dāng)今世界約有1.75億個人在使用智能家居，預(yù)計到2025年將有超過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，仍然感到困惑和沮喪，許多由不同廠家所開發(fā)的產(chǎn)品在串聯(lián)上經(jīng)常會出現(xiàn)問題，這些問題會降低用戶的采用率，加大創(chuàng)新上的難度，難以實現(xiàn)互操作。

隨著家庭自動化和智能家居行業(yè)多年來的發(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。每個協(xié)議都開辟了一個利基市場，但沒有一個協(xié)議能夠成功成為智能家居市場的默認(rèn)或主要標(biāo)準(zhǔn)，這反映在消費者在設(shè)備級別體驗的碎片化上。

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、蘋果、谷歌等公司，進行Matter標(biāo)準(zhǔn)的倡議與開發(fā)，這種集中式的標(biāo)準(zhǔn)化工作，將可確保制造商、設(shè)計師、消費者和整個社會，都將從易于訪問的技術(shù)中獲益。目前已經(jīng)有超過220家公司和2100名個人參與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)議的角度來看，Matter標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)在概念上沒有太大區(qū)別，但主要區(qū)別則在于行業(yè)的采用、支持和動力，因為其涉及所有全球和重要的生態(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，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上的標(biāo)準(zhǔn)。

Matter的另一個關(guān)鍵區(qū)別之一是建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）之上，IP可實現(xiàn)可擴展性和可尋址性，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)進行消息傳輸，并可使用BLE來簡化設(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，以確保互操作性，通過橋接設(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，同時仍然易于使用，基礎(chǔ)是建立在確保使用完全透明的開放標(biāo)準(zhǔn)，來將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與Matter聯(lián)系起來。Matter嚴(yán)格的安全和隱私原則為開發(fā)人員提供了一個安全基準(zhǔn)，用于保護新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以及保護數(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，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語音助手之一，甚至同時使用它們來控制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)體對智能家居市場的投入由來已久，由于Nordic看到每個生態(tài)系統(tǒng)都有不同的解決方案，這給作為制造商的Nordic和客戶都帶來了挑戰(zhàn)，不幸的是，它也會給最終消費者帶來困惑和挫敗感。

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)的角度來看，為Nordic的器件提供對Matter的支持將極具意義。

Nordic為Matter開發(fā)者提供軟件和硬件，其中最值得推薦的是nRF52840或nRF5340系統(tǒng)級芯片（SoC），以及這兩種器件的開發(fā)套件，包括可在線免費獲取的nRF Connect SDK，該SDK包括Matter的開源實現(xiàn)，可通過GitHub獲得，并針對Nordic SoC進行了優(yōu)化，其中還包括針對門鎖、燈泡、開關(guān)和溫濕度偵測的示例，它們?yōu)橛脩籼峁┝艘粋€起點，并進一步簡化了基于Matter的新產(chǎn)品的開發(fā)。Nordic并與Google、Assa Abloy、Eve和Leedarson合作創(chuàng)建了一個智能家居演示，展示了基于Matter的語音控制、門鎖、恒溫器和燈泡。Nordic并在YouTube、優(yōu)酷與DevZone上提供眾多的免費資源。

高度集成的多協(xié)議系統(tǒng)級芯片

Nordic推出的nRF52840系統(tǒng)級芯片（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)簽可用于簡化的配對和支付解決方案。該芯片內(nèi)置ARM TrustZone CryptoCell密碼算法單元，可獨立于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，并通過精密的片上自適應(yīng)電源管理系統(tǒng)，實現(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Arm Cortex-M33處理器的無線連接SoC，擁有兩個靈活的處理器、先進的功能，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，同時實現(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)用處理器還針對性能進行了優(yōu)化，且可以使用電壓頻率調(diào)節(jié)功能以128M或64 MHz時鐘頻率運行。它有1 MB的閃存、512 KB的RAM，一個浮點單元（FPU）、一個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，并針對低功耗和效率（101 CoreMark/mA）進行了優(yōu)化，它有256 KB的閃存和64 KB的RAM。

可擴展的統(tǒng)一軟件開發(fā)套件

Nordic的nRF Connect SDK則是nRF5340 SoC的軟件開發(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、庫和硬件驅(qū)動程序。

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

為了開發(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配件開發(fā)套件的獨特集成，用于使用HomeKit over Thread和HomeKit over Bluetooth Low Energy開發(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)品同時在單個芯片上運行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，它簡化了從一個應(yīng)用到另一個應(yīng)用的移植模塊、庫和驅(qū)動程序，從而減少了開發(fā)時間。通過使開發(fā)人員能夠為其應(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的開發(fā)套件，此套件內(nèi)置單板開發(fā)所需的一切工具。這款開發(fā)套件支持使用多種無線協(xié)議進行產(chǎn)品開發(fā)。它支持低功耗藍(lán)牙，具有2 Mbps高數(shù)據(jù)吞吐量、廣播擴展和長距離等功能。藍(lán)牙Mesh、Thread和Zigbee之類的網(wǎng)格協(xié)議可以與低功耗藍(lán)牙同時運行，從而使得智能手機能夠配網(wǎng)、入網(wǎng)、配置和控制Mesh節(jié)點，還支持NFC、ANT、802.15.4和2.4 GHz專有協(xié)議。

nRF5340 DK可通過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)備擴展板連接。

結(jié)語

Matter技術(shù)的應(yīng)用正在推動物聯(lián)網(wǎng)和智能家居領(lǐng)域的發(fā)展，讓不同品牌的設(shè)備能夠進行互通和互動，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。Nordic推出了支持Matter技術(shù)的高度集成SoC，以及相關(guān)的開發(fā)工具套件，將可加快客戶的產(chǎn)品開發(fā)速度，積極搶進物聯(lián)網(wǎng)和智能家居市場。

編輯：黃飛

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