跟著巨頭走,Matter協議霸氣登場

前言

越來越多國際知名大廠紛紛加入Matter聯盟,使用Matter協議進行產品開發,當產品通過Matter聯盟認證,產品就可以標示Matter標章,消費者購買產品時,可以查看是否有Matter聯盟標章,如果產品擁有標章代表產品通訊可以互通,消費者不需要考慮購買的廠商及設備聯通性問題,本篇博文為大家介紹Matter協議。

何謂Matter?

Matter的前生為Project CHIP,於2019年12月,由Amazon、Apple、Google 與 Zigbee 聯盟共同發起的「Project Connected Home over IP, Project CHIP 」計畫 ,成立目標為開發與制定一套基於IPv6協議的智能家居互聯協議標準,以提升智能居家產品間的相容性,並強化隱私安全的保護。

於2021年5月11日,ZigBee聯盟( Zigbee Alliance )改名為「連接標準聯盟」(Connectivity Standards Alliance, CSA),而 Project CHIP正式改名為「Matter」。網路上搜尋Matter相關資訊,關鍵字輸入「Matter Protocol」或「Matter r協議」,如果需要程式相關資訊需至Github上找尋,Github網站搜尋「Connectivity Standards Alliance」能看到「project-chip/connectedhomeip」專案,或透過connectedhomeip連結直接進入Github。

Matter協議的關鍵屬性,需要滿足以下幾點:

  • 簡易性:易於購買和使用,簡化互聯體驗。
  • 互操作性:產品可以跨品牌生態協同操作,提供更大的兼容性。
  • 可靠性:響應要迅速且一致。
  • 安全性:保持精簡功能的同時具備更高的安全性
    • 每個加入網路的裝置皆需經過驗證
    • 訊息傳遞需加密和驗證
    • 使用認證的標準加密算法
    • 空中安全更新(Over-the-Air, OTA)
  • 靈活性:用戶可以設置和控制來自不同生態系統的設備。


Matter預計2021 年底通過認證設備如下:

  • 照明和電氣(例如,燈泡、燈具、控制裝置、插頭、插座)
  • HVAC 控制裝置(例如,恆溫器、空調裝置)
  • 訪問控制裝置(例如,門鎖、車庫門)
  • 安全和安保(例如,傳感器、探測器、安全系統)
  • 窗簾/窗簾
  • 電視
  • Access points
  • Bridges

Matter採用三種主流傳輸技術,分別為Thread、Wi-Fi及Bluetooth Low Energy (BLE);Thread網路,具備IPv6、低功耗及網狀網路(Mesh)等功能,而且當內部節點出問題時,也能夠自我修復內部網路節點連接,確保每一個節點都可以送收資料;Wi-Fi網路具備大頻寬及低延遲,能用於傳輸影像,也是做為Thread連上網際網路的通道;BLE已經成為智能手機的標準配備,目前市售佔絕大數智能居家產品支援BLE傳輸,而在Matter透過掃描QR code的方式讓手機自動連接BLE,免除使用者需要搜尋藍牙裝置名稱的煩惱與時間,透過BLE將新設備設定Wi-Fi 或Thread 加入Matter協議網路內。

 

►Matter協議的架構

Matter協議的架構概覽如下圖(取自Connectivity Standards Alliance, CSA ):

  • 應用層(Application layer):定義裝置的高階業務邏輯,例如:照明應用可能包括開/關燈泡及設置顏色的功能。
  • 資料模型結構(Data Model Structure):描述設備各種功能的數據基元(Primitive),以及與應用層互動的資料結構。
  • 互動模型(Interaction Model Actions):資料模型結構中讀取或寫入屬性的一組行動。
  • 動作框架層(Action Framing Layer):使用交互模型構建操作后,它將被框成規定包裝的二進位格式。
  • 安全層(Security):進行加密和簽名,以確保數據包的發送方和接收方都對數據進行保護和驗證。
  • 訊息框架(Message Framing)和路由(Routing):消息層構建具有必需和可選標頭字段的payload格式;紀錄消息的屬性及路由訊息。
  • IP框架(IP Framing)和傳輸管理層(Transport Management):發送到所需的傳輸底層傳輸協議。

►Matter網路架構流程示意

1. 下圖(取自Connectivity Standards Alliance, CSA ),控制端可以是手機、TV及智能音箱等設備,需要先連接家中的Wi-Fi Router,圖中添加一個Matter溫度計產品進入家中Matter網路內,裝置需先開啟BLE廣播,讓控制端進行BLE連線。

2. 下圖(取自Connectivity Standards Alliance, CSA ),BLE連接完成後,透過zcl (ZigBee Cluster Library)指令設定Network,將Wi-Fi Router SSID及密碼填入指令內,讓裝置連接至家中Wi-Fi Router,此時已加入Matter網路。

3. 下圖(取自Connectivity Standards Alliance, CSA ),當Matter溫度計加入Matter網路之後,BLE即可斷線,Matter內部就使用IP進行通訊。

4. 下圖(取自Connectivity Standards Alliance, CSA ),Thread基於IPv6傳輸通訊,也是Matter三大主流通訊協議之一,加入Matter協議網路內,原先產品連接到雲端的功能不受限制。

5. 下圖(取自Connectivity Standards Alliance, CSA ),Matter協議保障內部通訊,未限制設備到雲端的通信,控制器和Bridge可以其他協議鏈接,像是家中舊有的產品協議。




► Matter SDK
提供控制端

Matter SDK提供控制端工具「CHIP Tool」,除了使用手機控制之外,也能透過電腦進行通訊,方便開發及驗證,相關Tool如下:

  • Python based Device Controller
    • Python CHIP 控制器,允許將 Matter 設備投入網絡並使用 Zigbee Cluster Library (ZCL) 消息與其進行通信,下圖為Github截圖。  
                             
  • CHIPTool
    • 與設備進行通訊,內部包含一些指令操作範例。
  • Android CHIPTool
    • 提供Android範例程式及安裝教學。
    • 掃描Matter產品提供的QR code並顯示資訊。
    • 調試Matter設備(Wi-Fi設備及Thread設備) 。
    • 向 CHIP 設備發送開/關cluster請求。
  • Darwin CHIPTool
    • 提供iOS App範例程式。
    • 內部使用藍牙操作。
    • 向 CHIP 設備發送開/關cluster請求


小結

透過以上講解,因該已經對於Matter協議有初步的了解,未來Matter協議將會是市場主流,如果想要先測試Matter產品的聯通性,可以進入Matter Github內的example開始建置環境及測試,本篇博文到這裡,期待下一篇博文吧!

 

參考資料

Github:project-chip/connectedhomeip

RECORDING: The Future of IoT is Now – Project Connected Home over IP

Connectivity Standards Alliance



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