了解Matter智能家居互聯(lián)協(xié)議

智能家居在現(xiàn)代生活中的重要性與日俱增，各類智能設(shè)備層出不窮。然而，由于市場(chǎng)趨于碎片化，完整的智能家居系統(tǒng)滲透率較低。很多物聯(lián)網(wǎng)廠商都有一套自己的生態(tài)系統(tǒng)，不同生態(tài)下的智能設(shè)備很難協(xié)同工作，這不僅嚴(yán)重制約了消費(fèi)者的選擇，影響其使用體驗(yàn)，也為設(shè)備廠商和開(kāi)發(fā)者增加了支持和維護(hù)不同生態(tài)（Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit）的成本。

為了打破行業(yè)現(xiàn)狀，推動(dòng)市場(chǎng)健康、良性發(fā)展，CSA連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟 （Connectivity Standards Alliance）聯(lián)合多家行業(yè)領(lǐng)先公司發(fā)起并推出了Matter智能家居互聯(lián)協(xié)議，旨在提高不同廠商智能家居產(chǎn)品間的兼容性和互操作性，解決通信協(xié)議紛繁復(fù)雜的碎片化問(wèn)題，打破多生態(tài)系統(tǒng)間的交互壁壘，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的無(wú)縫通信與協(xié)作。

Matter優(yōu)勢(shì)

沒(méi)有生態(tài)壁壘

當(dāng)用戶已經(jīng)適應(yīng)一個(gè)成熟的智能家居生態(tài)時(shí)，往往希望新增設(shè)備能夠直接加入現(xiàn)有系統(tǒng)，而非重新構(gòu)建一套新的生態(tài)。

在 Matter 推出之前，每家設(shè)備廠商生產(chǎn)的智能家居設(shè)備只能通過(guò)自己的 App 控制，無(wú)法和其他生態(tài)設(shè)備互聯(lián)。但通過(guò) Matter 協(xié)議，所有支持 Matter 的 App 和硬件設(shè)備均可輕松無(wú)縫互聯(lián)，協(xié)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?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的智能設(shè)備控制終端（如 iOS/安卓手機(jī)、語(yǔ)音助手、智能音箱等）均將支持 Matter 協(xié)議。用戶甚至不需要單獨(dú)的 Matter 設(shè)備 App，就可直接控制 Matter 設(shè)備。

更加自動(dòng)化

Matter 允許設(shè)備間直接進(jìn)行高效的通信，整個(gè)過(guò)程無(wú)需特定的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。例如，Matter 智能開(kāi)關(guān)或傳感器可以直接打開(kāi)/關(guān)閉 Matter 燈泡，而無(wú)需借助任何 App、云或其他特別操作。一旦完成配置，Matter 設(shè)備間的通信和控制都會(huì)直接在本地局域網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。

沒(méi)有通信壁壘

Matter 協(xié)議可以讓多種支持 IP 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備協(xié)同工作，如 Wi-Fi 和 Thread/802.15.4 設(shè)備。您的手機(jī)通過(guò) Matter 協(xié)議可以控制所有上述設(shè)備。

舉個(gè)例子，您可以將一個(gè) 802.15.4 傳感器設(shè)置為無(wú)需通過(guò) App 或云，就直接打開(kāi)/關(guān)閉一個(gè) Wi-Fi 燈泡。當(dāng)然，它也支持您通過(guò)手機(jī) App 進(jìn)行控制。Wi-Fi 和 Thread 設(shè)備之間通信時(shí)需要一個(gè)可以同時(shí)支持 Wi-Fi 和 802.15.4 協(xié)議的“Thread 邊界路由器”，它可以讓設(shè)備在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)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(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，因此即使在斷網(wǎng)情況下，設(shè)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(shè)備通過(guò)橋接方式接入 Matter 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

易于開(kāi)發(fā)

在 Matter 的支持下，設(shè)備廠商不再需要同時(shí)維護(hù)多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)或通過(guò)多種認(rèn)證，從而大大節(jié)省了時(shí)間和人力成本。

協(xié)議開(kāi)放

Matter 是一套開(kāi)放規(guī)范，由多家公司合作推出，極大加速了設(shè)備的評(píng)估和開(kāi)發(fā)流程。

設(shè)備自動(dòng)化

設(shè)備間的自動(dòng)化有助于讓智能家居系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)更加便利。例如，您僅需一個(gè) Matter 傳感器外加一個(gè) Matter 燈泡，就能構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的智能家居系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)對(duì)傳感器或燈泡的廠商沒(méi)有任何限制。

對(duì)于生產(chǎn)傳感器或開(kāi)關(guān)等智能家居設(shè)備配套產(chǎn)品的廠商而言，Matter 協(xié)議可以讓您專注于設(shè)計(jì)產(chǎn)品的核心功能，無(wú)需擔(dān)心設(shè)備之間的通信問(wèn)題。客戶也可以自行選擇任意品牌的智能設(shè)備（比如燈泡、風(fēng)扇等），盡情發(fā)揮想象力，定制自己的智能生態(tài)系統(tǒng)。

自定義功能

如今，Matter 規(guī)范支持的設(shè)備類型、屬性、命令越來(lái)越豐富，而且還支持自定義屬性。用戶能夠基于 Matter 實(shí)現(xiàn)豐富的功能。

Matter數(shù)據(jù)模型

Node（節(jié)點(diǎn)）：節(jié)點(diǎn)通常被定義為一個(gè)具有某些功能的網(wǎng)絡(luò)可尋址實(shí)體，具有唯一性。用戶可以看到的智能設(shè)備實(shí)體，比如說(shuō)照明系統(tǒng)，就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

Endpoint（端點(diǎn)）：端點(diǎn)可以被想象為一個(gè)可提供某種或某些服務(wù)的虛擬設(shè)備，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以擁有多個(gè)端點(diǎn)。比如，我們照明系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)就擁有不止一個(gè)端點(diǎn)，Dimmable Light 和 On/Off Light 都是照明系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的端點(diǎn)。

Endpoint是Matter協(xié)議中控制node的最小單位，其中包含了3個(gè)屬性：

Cluster：多個(gè)常用操作組合為一個(gè)可復(fù)用的模塊，分為服務(wù)器和客戶端，例如燈和開(kāi)關(guān)。

Attribute：表示可以讀取或?qū)懭氲膬?nèi)容，例如On/Off表示設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。Attribute 既可以長(zhǎng)期有效，也可以在設(shè)備重啟之后失效；讀寫權(quán)限也可設(shè)置為“只讀”或“可讀可寫”。

Matter 規(guī)范中的 Attribute 支持豐富的數(shù)據(jù)類型：包括典型值、布爾值、整數(shù)（有符號(hào)/無(wú)符號(hào)）、浮點(diǎn)數(shù)、枚舉數(shù)、字符串，甚至集合（列表或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。

Command：代表觸發(fā)Cluster進(jìn)行某種行為的命令，例如打開(kāi)、關(guān)閉。

針對(duì)Endpoint中的屬性Matter規(guī)范提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以從列表中找到適合自己設(shè)備的配置。

Endpoint 0

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的第一個(gè)端點(diǎn) Endpoint 0 用于提供一些適用于整個(gè)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)，因此需要保留。Endpoint 0 的設(shè)備類型為“根節(jié)點(diǎn)”。作為一個(gè)特殊的 Endpoint，它提供了一些適用于整個(gè)節(jié)點(diǎn)的 Cluster，包括：

Basic Information Cluster Server（基本信息 Cluster 服務(wù)器）：提供有關(guān)節(jié)點(diǎn)的基本信息，如固件版本、制造商等。

ACL Cluster Server（ACL Cluster 服務(wù)器）：允許配置可訪問(wèn)控制此節(jié)點(diǎn)的其他節(jié)點(diǎn)列表。

Network Commissioning Cluster Server（網(wǎng)絡(luò)調(diào)試 Cluster 服務(wù)器）：允許在節(jié)點(diǎn)上配置網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi、以太網(wǎng)、Thread 等）。

Matter綁定

用戶可以（通過(guò) Matter 手機(jī) App）使用DNS協(xié)議將來(lái)自不同廠商的不同設(shè)備綁定起來(lái)。

如上圖綁定之后開(kāi)關(guān)就可以獲取后燈泡的細(xì)節(jié)信息，從而實(shí)現(xiàn)不借助任何云或手機(jī)App，直接通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)即可進(jìn)行交互。

Matter設(shè)備認(rèn)證

Matter 設(shè)備通過(guò)公鑰基礎(chǔ)設(shè)施 PKI （Public Key Infrastructure） 進(jìn)行身份識(shí)別與認(rèn)證。

每個(gè) Matter 節(jié)點(diǎn)都有自己的節(jié)點(diǎn)操作證書 NOC （Node Operational Certificate）。NOC 證書采用 X.509 格式標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)含一個(gè)可用于識(shí)別某個(gè)節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)符，即節(jié)點(diǎn)操作標(biāo)識(shí)符（節(jié)點(diǎn) ID）。

當(dāng)某個(gè) Matter 節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)不同生態(tài)系統(tǒng)中時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將擁有多個(gè) NOC 證書（在每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中都有對(duì)應(yīng)的證書）。NOC 證書和節(jié)點(diǎn) ID 僅在所處的生態(tài)系統(tǒng)中有效，這里所描述的生態(tài)系統(tǒng)，在Matter 協(xié)議中被稱為 Matter Fabric。

一個(gè) Matter 節(jié)點(diǎn)擁有的資源（即 CPU/RAM）決定了它最多可同時(shí)支持多少個(gè) Fabric。每個(gè) Matter Fabric 也會(huì)有其對(duì)應(yīng)的根證書 （Root CA Certificate），用于驗(yàn)證 Fabric 中各節(jié)點(diǎn)的身份，即各節(jié)點(diǎn)的 NOC 證書。

Matter設(shè)備配網(wǎng)

新設(shè)備一旦上電，將通過(guò) BLE 或 DNS-sd 服務(wù)進(jìn)行廣播。控制器接收到廣播時(shí)，會(huì)嘗試基于配對(duì)碼與設(shè)備建立加密會(huì)話。這個(gè)過(guò)程被稱為 Matter 的密碼認(rèn)證會(huì)話建立 （Password Authenticated Session Establishment， PASE）。通常情況下，在 PASE 過(guò)程中，App 需要通過(guò)掃描二維碼來(lái)獲取設(shè)備的唯一配對(duì)碼。

建立 PASE 會(huì)話后，控制器將驗(yàn)證設(shè)備的 DAC 證書。如果通過(guò)驗(yàn)證，則會(huì)簽發(fā)一個(gè)新的 NOC，并將其安裝至設(shè)備。此外，控制器還會(huì)告知設(shè)備需要加入的 Wi-Fi 或 Thread 網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備配網(wǎng)完成后，PASE 會(huì)話將被關(guān)閉。此后，所有通信都將受到證書的保護(hù)。這種新的會(huì)話也被稱為 Matter 的證書認(rèn)證會(huì)話建立 （Certificate Authenticated Session Establishment， CASE）。

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

每個(gè) Matter 節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)訪問(wèn)控制列表 （ACL， Access Control List） ，規(guī)定了在這個(gè) Matter Fabric 中，何種設(shè)備可以在此 Matter 節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行何種操作，比如在節(jié)點(diǎn) x 上的 Cluster y 上具有可讀/可寫/可調(diào)用權(quán)限。

當(dāng)一個(gè) Matter 手機(jī) App 控制 Matter 網(wǎng)絡(luò)中的燈泡時(shí)：

·燈泡將獲得一系列由 ACL 定義的權(quán)限。

·此后，燈泡在執(zhí)行任何操作之前，將首先通過(guò)手機(jī) App 的 NOC 證書和安裝在燈泡上的受信根 CA 證書，來(lái)驗(yàn)證手機(jī) App 的身份。

·接著，燈泡將檢查 ACL，確認(rèn)此手機(jī) App 是否具有控制燈泡操作的權(quán)限。

Matter橋接設(shè)備

Matter 橋接設(shè)備可以讓非 Matter 設(shè)備加入 Matter 生態(tài)系統(tǒng)，允許用戶無(wú)差別得控制自己的 Matter 和非 Matter 設(shè)備。

在 Matter 生態(tài)系統(tǒng)中，非 Matter 設(shè)備可以作為“被橋接設(shè)備”節(jié)點(diǎn)，通過(guò)橋接設(shè)備完成其他協(xié)議（如 Zigbee）和 Matter 協(xié)議之間的映射，從而與系統(tǒng)中的 Matter 設(shè)備進(jìn)行通信。

下面是一個(gè) Matter 橋接設(shè)備的數(shù)據(jù)模型示例。

·Endpoint 0 中的設(shè)備類型為 Bridge。PartsList 字段列出橋接設(shè)備的所有端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)代表一個(gè)非 Matter 設(shè)備。

·每個(gè)端點(diǎn)上的 Descriptor（描述符）Cluster 可以提供有關(guān)特定被橋接設(shè)備的信息。

ESP-Matter

ESP Matter 是樂(lè)鑫 ESP32 系列 SoC 的官方 Matter 開(kāi)發(fā)框架。它建立在開(kāi)源 Matter SDK之上，并提供簡(jiǎn)化的 API、常用外圍設(shè)備、用于安全、制造和生產(chǎn)的工具和實(shí)用程序，并附有詳盡的文檔。它包含豐富的生產(chǎn)參考，旨在簡(jiǎn)化 Matter 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程，使用戶能夠在最短的時(shí)間內(nèi)投入生產(chǎn)。

樂(lè)鑫Matter文檔：

https://docs.espressif.com/projects/esp-matter/en/main/esp32/

樂(lè)鑫支持Matter的芯片

1. 支持 Wi-Fi 的 ESP32、ESP32-C 和 ESP32-S 等系列 SoC 和模組，均可用于開(kāi)發(fā) Matter Wi-Fi 終端設(shè)備。

2. 集成 IEEE 802.15.4 （Thread/Zigbee） 的 ESP32-H 系列 SoC 和模組，可用于開(kāi)發(fā) Matter Thread 終端設(shè)備。

3. 將 ESP32-H 系列 SoC 與樂(lè)鑫 Wi-Fi SoC 相組合，可搭建 Thread 邊界路由器，連通 Thread 與 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)；也可搭建 Matter-Zigbee 橋接設(shè)備，連通 Matter 與非 Matter 網(wǎng)絡(luò)。

4. 使用一顆同時(shí)支持 Wi-Fi 和 Bluetooth LE 的單芯片，即可搭建 Matter-BLE Mesh 橋接設(shè)備，實(shí)現(xiàn) Matter 網(wǎng)絡(luò)與 Bluetooth LE Mesh 設(shè)備的互聯(lián)互通。

審核編輯 ：李倩