解决物联网设备互操作性挑战

物质11 4月 2024

在智能家居应用领域，市场上已有多种物联网设备可供选择。然而，这些设备支持的协议种类繁多且复杂，导致不同品牌设备之间缺乏互操作性，为用户带来了不便。本文将介绍Matter协议在智能家居物联网设备中的特点和发展，以及由Arrow Electronics（艾睿电子）提供的集成解决方案，该方案结合了NXP（恩智浦）、Murata（村田）和ST（意法半导体）的技术。

不同的智能家居设备面临互操作性挑战

在智能家居和建筑领域，物联网设备通过多个本地网络互联，并连接到云端进行数据处理和存储。然而，由于缺乏统一的语言，用户体验并不理想，设备管理可能会变得复杂。目前，智能家居设备正面临互操作性挑战。用户可能需要连接市场上超过100种不同类型的物联网设备，这些设备可能使用30多种不同的协议，并通过有线及无线方式连接，这对物联网设备之间的互操作性带来了挑战。由连接标准联盟（CSA）推出的Matter协议提供了一种统一标准，可以简化并统一物联网连接，无论设备的平台和品牌如何。在智能家居中，连接的设备基于Wi-Fi、Thread或以太网技术运行，而Matter网络中的每个设备都有特定的角色，可以是终端设备、路由器/桥接器或控制器。 Matter项目的目标是简化制造商的开发工作，提高消费者的兼容性。其构建基于一个共同的理念：智能家居设备应该是安全、可靠并能够无缝互操作的。该项目基于互联网协议（IP），旨在促进智能家居设备之间、移动应用和云服务之间的通信。它定义了一套基于IP的特定网络技术，用于设备认证。 Matter为智能家居生态系统带来了互操作性，提升了消费者的可靠性，确保了安全性和隐私，并简化了物联网设备的开发过程。对于消费者而言，Matter能够让他们通过一个应用控制所有支持Matter协议的设备，从而改善用户体验。对于制造商而言，使用一套硬件设备即可满足所有用户需求。对于服务提供商而言，他们不再局限于特定制造商，可以选择来自更多制造商的产品。越来越多的开发者将重心放在Matter物联网设备平台上，因为Matter物联网设备具有跨品牌的互操作性。Matter可以实现在整个智能家居领域中的无缝通信。以前，开发者需要为他们的设备选择一个单一的智能平台（例如HomeKit、Alexa或Google Assistant），这影响了设备的兼容性和销售。而通过Matter技术，开发者可以使用统一平台跨品牌设计设备。例如，支持Matter的设备可以与Samsung SmartThings和Apple HomeKit兼容。许多以前支持HomeKit的硬件设备现在也支持Matter。与Matter合作意味着Apple HomeKit有了更多的硬件选择，并且开发者能够创建既运行如HomeKit设备，又能与现有的HomeKit应用程序、Siri及控制界面兼容的设备。采用Matter协议可以实现统一的开发框架。Matter为用户提供一个共享的智能家居界面，开发者可以使用同一平台构建支持Matter的设备，从而确保一致且响应迅速的本地连接。这一统一的开发框架简化了智能家居产品的创建过程。 Matter还提供了向后兼容性。它支持旧的HomeKit设备无缝集成到支持Matter的新设备中。用户可以继续使用现有的HomeKit设备与Matter设备一起协同工作，而不会受到干扰。总之，Matter提供了更广泛的生态系统、跨兼容性和统一的开发体验，使其成为开发者希望进入Apple Home生态系统的一个吸引人的选择。为了缩短产品开发周期，Arrow Electronics利用NXP、Murata和ST的解决方案开发了Matter生态系统参考设计。这些设计包括用于Thread板路由器的NXP的i.MX 8M和i.MX 93，用于无线电协处理器的Murata的Type 2FR和Type 2EL，用于Wi-Fi终端节点的Type ABR和Type 2HV，以及用于Thread/Wi-Fi终端节点的Type 2FR。此外，ST提供了用于OpenThread终端节点的STM32WB。下面，我将介绍这些解决方案的功能特点。

满足广泛应用需求的应用处理器

NXP的i.MX 8M系列应用处理器基于Arm® Cortex®-A53和Cortex-M4核心，具备先进的音频、语音和视频处理能力，适用于从消费级家用音频到工业楼宇自动化和移动计算的各种应用场景。 i.MX 8M支持高质量视频，提供完整的4K UltraHD分辨率和HDR技术（Dolby Vision、HDR10和HLG）。它能够提供高水准的专业音频保真度，支持超过20个音频通道，每个通道支持高达384KHz，还具备DSD512音频功能。该处理器支持无风扇操作，具备低成本散热系统、更长的电池寿命，并提供灵活的内存选项。其最新的高速接口带来了灵活的连接能力。此外，NXP通过其10年和15年的产品长期供货计划提供全面支持。i.MX 8应用处理器是NXP EdgeVerse™边缘计算平台的一部分。 NXP的i.MX 93应用处理器通过集成的EdgeLock®安全区域（secure enclave）提供高效的机器学习（ML）加速和高级安全性，以支持能效卓越的边缘计算。这是i.MX系列中首款集成可扩展的Arm Cortex-A55核心的产品，提升了Linux®边缘应用的性能和效率，同时配备Arm Ethos™-U65微型神经处理单元（microNPU），为开发者构建更强大、具有成本效益且节能的机器学习应用提供支持。 i.MX 93处理器采用了NXP创新的Energy Flex架构，优化了工业、物联网和汽车设备的性能与效率。该SoC提供了一组丰富的外围设备，专为汽车、工业和消费电子物联网市场细分领域设计。作为EdgeVerse™智能边缘解决方案组合的一部分，i.MX 93系列的产品通过了消费电子、工业、扩展工业和汽车应用的认证，并受到NXP产品长期供货计划的支持。

高度集成的无线网络控制器模块

村田的 Type ABR 是一个小型模块（集成了 PCB 天线），基于 NXP 88MW320(无线微控制器)，支持 Wi-Fi® 802.11 b/g/n，最高物理层数据速率为 72.2 Mbps。它配备了 200MHz ARM Cortex-M4F MCU，用于主机端应用。Type ABR 模块的尺寸仅为 22.0 x 19.0 x 2.4 mm（典型值），集成了 PCB 天线和 U.FL 接口。该模块配备最高 2MB 的 SPI 闪存，支持 UART Wi-Fi 主机接口和 GPIO 控制，已通过 FCC/IC 认证，并可提供 CE 测试报告。 Type ABR 通过其集成的 ARM Cortex-M4F MCU 简化了独立消费类应用的实现。借助 NXP 强大的 EZ-Connect™ 工具 (WMSDKA)，客户可以快速且轻松地定制他们的解决方案。除了独立的 WMSDKA 配置外，NXP 还提供了 MCUXpresso 集成解决方案，可与村田的 ABR mikroBUS EVB 和 LPCXpresso55S16/28/69 开发板配合使用。Type ABR 模块通过简单的串行接口（由 WMSDKA 固件支持）为 NXP LPC MCU 提供 WLAN 链路支持。村田的 Type 2EL 是一个小型、高性能模块，基于 NXP IW612 组合芯片组，支持 Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 和 Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE + 802.15.4。其 Wi-Fi® 部分支持最高 601Mbps 的数据速率，Bluetooth® 部分支持最高 2Mbps 的数据速率。WLAN 部分支持 SDIO v3.0 DDR50 接口，而 Bluetooth® 部分支持高速 4 线 UART 接口以及用于音频数据的 PCM 接口。Type 2EL 模块采用极小的屏蔽外形封装，非常适合用于尺寸和功耗敏感的应用场景，例如物联网应用、便携式无线系统、网关等。另一方面，村田的 Type 2FR/2FP 是一款无主机模块，结合了 MCU 和 Wi-Fi/BLE/Thread 功能，基于 NXP RW612/RW610 芯片组。它配备内置的 260MHz Arm® Cortex® M33 MCU，结合了 802.11 a/b/g/n/ac/ax、BLE 5.3 和 Thread（仅限 2FR）。模块的最大尺寸仅为 12.0 x 11.0 x 1.5 mm，支持以太网 802.3（有线）、SDIO 3.0（WLAN）、USB-OTG、I2C、I2S、SPI、USART，并获得 FCC/IC/TELEC（参考）认证（待定）和 CE 传导测试报告（待定）。模块还提供单天线或双天线（独立 BLE/（仅限 Thread-2FR））配置，以及 U.FL 接口 PCB 天线或村田定制的 PCB 走线天线选项。村田还提供了 Type 2FR 评估套件 (EVK)，标配一个重置按钮、两个用户自定义按钮和五个可配置 LED。EVK 的板载 PCB 天线待认证，包含 PIR 动作传感器和温度 I2C 传感器。支持 mikro-BUS、Arduino、PMOD、I2C 扩展接口，以及 USB 调试/控制台、USB OTG、ARM 10 针接口（SWD 或 JTAG）、通过跳线配置的启动控制、带 32 KHz 慢速时钟的 QSPI 闪存、电流测量跳线（阻值选项）和以太网端口。 Type 2HV 是村田最新的低成本 IoT Wi-Fi®/BT 无主机模块，集成了无线连接和网络协议栈，提供超低功耗，为 IoT 应用提供了理想选择。Type 2HV 集成了最高运行频率为 160MHz 的超低功耗 32 位 ARM MCU，能够轻松实现独立的消费类应用，具备 2MB 闪存和 288KB RAM 存储器。模块提供多种通信接口，包括 UART/I2C/SPI 和多种 GPIO。Type 2HV SDK 允许客户快速且轻松地定制其解决方案。

多功能双核多协议无线微控制器

ST 的 STM32WB 系列是一款基于 STM32WB 微控制器的双核多协议无线微控制器，支持蓝牙®低功耗 (Bluetooth® Low Energy)、Zigbee®、Thread® 和 Matter 连接功能。STM32WB 无线微控制器由一颗运行频率为 64 MHz 的 Arm® Cortex®-M4 内核（应用处理器）和一颗运行频率为 32 MHz 的 Arm® Cortex®-M0+ 内核（网络处理器）构成，提供了一个自给自足的解决方案。这些微控制器采用系统级芯片（SoC）封装，集成了连接功能和通用微控制器。 STM32WB 提供经过认证的蓝牙®低功耗 5.4 无线射频堆栈、蓝牙 SIG 配置文件以及符合 V1.0 标准的 Mesh 拓扑结构。STM32WB SDK 还支持用于蓝牙®低功耗解决方案的主控制器接口（HCI），包括 Zephyr 和 Arm Cordio 堆栈。STM32WB 支持 IEEE 802.15.4 标准（Zigbee 和 Thread）以及 IEEE 802.15.4 MAC 层，允许设计者采用任何专有协议。 STM32WB 同样支持 Zigbee（Zigbee PRO 2017），优化了占用空间以适应所有的 Zigbee 网络拓扑结构。Zigbee 的 RFD 和 FFD 覆盖了终端设备、协调器和路由器等角色。此外，它还支持 OpenThread，集成到所有 MTD、FTD 和边界路由器中，覆盖了沉睡终端设备（SED）、路由器及领导角色，支持网关基础架构。这系列微控制器提供多种经过认证的配置，能够从尺寸和 OTA 功能方面增加设计灵活性，实现平台优化。 STM32WB MCU 支持 Matter 协议，其中蓝牙®低功耗被用于设备配网过程，并可与 Thread 协议在动态并发模式下同时运行。STM32WB 多协议 MCU 能够在并发模式下同时运行基于蓝牙®低功耗 5.4 和 802.15.4 的无线协议、Zigbee 或 OpenThread 协议。这种能力便于设备在安装和配置过程中更轻松地进行管理，大大提升了整体用户体验。 STM32WB MCU 的集成解决方案不仅具备连接功能，还包括一个无线应用 MCU 处理器，从而简化设计工作。借助蓝牙®低功耗 5.4 技术，可以开发出具有超过 10 dBm 输出功率的创新设备，扩展远距离通信范围，支持设备通信广播扩展，延长电池续航时间，确保快速可靠的数据传输，提高应用效率（评估得分达 407 CoreMark），并保护知识产权和隐私（通过 SESIP3 认证）。成熟的 STM32Cube 生态系统加速了产品的上市时间。