智慧家庭:為什麼‘Matter’很重要?

作者 : Skip Ashton,英飛凌科技顧問工程師

Matter可以協助各位讀者的咖啡機和智慧音箱等物聯網裝置之間輕鬆地相互傳遞資訊。如此一來,終端使用者便無需閱讀複雜的使用手冊,或是成為物聯網連線專家...

最近在物聯網(Internet of Things;IoT)以及智慧家庭(smart home)有關的新聞中,讀者們或許曾經留意過‘Matter’這個字眼。2022年國際消費性電子展(CES 2022)展中,Matter無處不在,智慧家庭生態系在推出新品時,免不了都要提到Matter。

Matter可以協助各位讀者們的咖啡機和智慧音箱等物聯網裝置之間輕鬆地相互傳遞資訊。如此一來,終端使用者便無需閱讀複雜的使用手冊,或是成為物聯網連線專家。本文介紹何謂Matter、它的開發歷程,以及英飛凌科技(Infineon Technologies)等業界廠商如何在Wi-Fi和Thread等無線技術上支援Matter。

Matter是一項新的物聯網標準,無論各位的智慧家庭裝置製造商是誰、使用哪一種底層連接技術,它都將讓這些裝置擁有更佳的互通性、安全性和易用性。未來,大家將能享有截然不同的智慧家庭裝置使用體驗!

由於市場中的各大業者意識到現有智慧家庭存在「高牆花園」(wall gardens)­的封閉平台現象,將不利於產品開發公司或消費者,遂萌生出Matter計畫。蘋果(Apple)、亞馬遜(Amazon)以及Google之間的生態系統各自為政,裝置製造商和消費者只能選邊站,不然就得在家中使用各自獨立的系統。

除了這個難題,無線裝置使用的技術之間不相容,又是另一項重大挑戰:裝置製造商必須根據應用屬性,分別選擇使用Wi-Fi、藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy;BLE)或Thread/ZigBee over 802.15.4等技術,例如智慧門鎖可能使用Wi-Fi,燈泡使用Thread或ZigBee等等。

各家業者使用多種無線技術,產生了使用閘道器或橋接器的需求。在連接標準聯盟(Connectivity Standards Alliance;CSA)標準組織的支持下,Apple、Amazon及Google等智慧家庭生態系統巨頭推動了想讓Matter成為智慧家庭解決方案的熱忱,並促使數百家業者響應,合作開發規範以及開放來源軟體、進行各項測試和認證。

智慧家庭中的IoT裝置各自使用不同協議,不僅導致消費者困惑;不同資料速率的無線技術混搭使用,即使是精通技術的工程師也感到頭疼。

​​​開發Matter不單只是開發另一項標準,還包括:

  • Matter規範本身的內容,包括一個裝置工具庫以及應用程式功能。
  • 在Github線上軟體原始碼代管服務平台上提供開源軟體,讓所有人都可使用Matter。
  • 測試和認證活動,包括用以驗證和認證裝置的測試工具,通過後方能在產品上使用Matter標誌。

Matter建立在標準的網際網路協定IPv6之上,不受限於底層的通訊媒介,同時允許不同的應用之間相互傳遞資訊,無論某項應用是否採用Wi-Fi發送資料,而另一項應用透用Thread來接收。該計劃一開始將會採用Wi-Fi、乙太網路(Ethernet)和Thread (這是一種建立在IEEE 802.15.4無線裝置上的低功率、低資料傳輸率網路)等技術來支援Matter。Matter還提供標準的橋接功能,允許ZigBee裝置及其他已部署的裝置顯示為原生Matter裝置,確保消費者能夠隨著Matter的普及而持續使用這些裝置。

而對於消費者來說,來自Apple、Google、Amazon與生態系中其他供應商的公開發佈顯示,在2022年以軟體更新的方式開始對Matter提供原生支援以及提高其易用性,這是個大好消息。消費者將能便利且安全地在家中加入燈泡等這一類新的Matter裝置,並與其他Matter裝置流暢地進行互動。消費者可以放心購買新裝置,因為這些裝置將能夠與家中的現有裝置互連互通。

Matter也為裝置製造商另闢蹊徑。製造商不必再根據他們所要連接的生態系統而支援不同的無線技術和協定。擁有來自各大品牌的支援,意味著裝置製造商可以在他們的新產品中使用Matter流暢地進行安裝和操作,從而提高客戶滿意度,並降低產品和支援成本。

Matter 1.0規範預計將於2022年秋季發表,初期可支援Wi-Fi、Thread和乙太網路,以及Bluetooth LE,為裝置進行安裝與調校入網。Matter雖然並未支援ZigBee,但可支援執行Matter-over-Wi-Fi或Thread的ZigBee Bridge裝置。例如,英飛凌科技是支援在自家平台上進行開發Matter的業者之一,目前其Wi-Fi產品(如PSoC6+43012)已能執行Matter,開發團隊現正對Matter-over-Thread for 15.4產品(30739)進行收尾工作,並且積極地將Matter整合到其產品開發藍圖中。而在提升安全性方面,英飛凌的OPTIGA Trust-M產品建議可納入Matter裝置,以便受到最佳的硬體式安全保障。此外,還能處理製造商對裝置安全性認證的要求,協助製造商免於到了生產線上還要進行設定工作。

Matter如何運作

首先說明一下Matter的背景,好讓各位讀者們更明白Matter的含義。什麼是應用層?從電腦網路開放式系統互連模型(Open System Interconnection Model;OSI)的7個層級來看,在最上面也最接近終端使用者的就是應用層。在我們日常生活中使用HTTP作為應用層,並在網路瀏覽器中呈現資訊。然而,各位瀏覽器的使用者,可以自由解譯和調整所顯示的內容。倘若瀏覽器顯示的是德文網頁,各位可以按下設定鈕把德文改成英文(反之亦然)。

應用層對於裝置之間傳遞資訊來說有其重要性,裝置無法依賴使用者的解釋,而是需要完全理解另一個裝置給予的訊息或命令。就像是指定電燈開關應該如何與燈泡進行通訊,或是恒溫器該怎麼跟暖氣裝置進行通訊。

Matter規範的基礎架構。

Matter如何定義其應用層?Matter定義了許多部份,主要可以分為三大領域:

  • 為消費者安裝和設定裝置;
  • 裝置之間如何相互收發訊息,以及這些訊息的內容;
  • 裝置與這些互動的安全要求。

Matter為這些領域一一定義標準,將建立可靠的裝置對裝置互通性,讓消費者使用時更安心。接下來我們將逐一更深入介紹這些領域。

安裝和設定裝置需要執行多個步驟。首先是在消費者的家用網路中安裝裝置。利用Apple、Google、Amazon和其他業者支援的簡單配對機制,便能完成這個動作,這樣在各位選擇使用的家庭生態系統中,將以其安全性和身份來辨識裝置,通過驗證後才會加入網路。一旦安全地加入裝置後,消費者便能為裝置命名、與其他裝置配對,接著設定常規操作,像是安排恒溫器的運作時間或燈泡亮度。完成後,裝置便能正常運作。

Matter還訂定了應用層的訊息傳遞、資料類型和格式以及安全性。這聽起來很簡單,背後卻要以ZigBee資料模型多年來發展出的裝置定義為基礎,而ZigBee資料模型正是Matter的基礎。例如恒溫器必須支援冷暖空調,但也要選擇性地支援在場感應、每週使用時間表或使用者可設定自動定時。這些功能的行為和訊息傳遞已完全加以定義,冷暖空調製造商可以加入這些功能,並且瞭解會在iPhone、Android裝置或是Alexa聲控智慧音箱等一般的使用者介面裝置中內建相關的使用者控制項目。

Matter代表了大幅提高裝置的安全性,落實多項最佳實務內容。最重要的是,在製造裝置過程中會載入認證,用於驗證裝置已經通過Matter認證,而且是由經過認證的製造商在合乎規範的情況下進行製造。一旦將裝置加入網路後,裝置便會收到操作認證,因而能在網路內建立安全通訊。Matter也要求所有的裝置支援安全的無線傳輸下載(over-the-air;OTA)軟體更新功能,這樣萬一裝置發生問題,便能進行升級和增補。

在2022年將會公佈更多關於Matter的消息,數百萬件產品將透過軟體更新的方式來支援Matter,再加上在這一年下半年推出的新裝置預計也將會支援Matter。在全球各大品牌業者允諾支持這項統一標準的情況下,預計Matter將在智慧家庭領域獲得快速地採用。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年7月號雜誌

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