基于Matter协议跨生态交互空调器的设计与实现.pdf

1092023中国家电科技年会论文集0 引言在过去的这几年，家电智能化得到了空前的发展。随着物联网、大数据、人工智能等技术的飞速进步，智能家居也逐渐进入了千家万户。从过去的单品智能开始转向全屋智能，全屋智能最核心的三大要素：感知、交互、连接。在感知层面，增加各种传感器来实现室内的空间、空气、人物的感知监测1，来作为设备主动智能的参数输入。在交互层面，如今各种如语音交互、App交互、中控屏交互以及手势交互等技术，作为人机交互的桥梁，将人的意志向设备转移。而连接层面，就是要将各种孤立的智能设备通过有线或无线的通讯方式连接起来，使其接入互联网或局域网，以达到设备互联互基于Matter协议跨生态交互空调器的设计与实现陈伟杰1 王芳1 胡志娟1 韩东1 梁豪21.TCL空调器（中山）有限公司 广东中山 528427；2.深圳TCL新技术有限公司 广东深圳 518000摘 要：随着物联网和智能家居市场的快速发展，跨生态交互已经成为家居产品亟待解决的问题。智能家居市场的设备和生态系统存在碎片化问题，生态系统之间存在各种壁垒无法互联互通。用户在建立全屋智能系统时面临许多困难，需要为不同品牌的设备下载不同的生态应用程序，导致用户体验差。基于此，诞生了Matter协议。研究设计了一款基于Matter协议的跨生态交互空调器，对协议进行了解读、梳理了认证流程及软硬件的开发，以及Matter功能和性能的测试与验证。最后的实验表明，Matter协议在跨生态系统交互方面具有显著优势，设计的Matter协议空调器真正实现了生态系统之间的互联和互通，大大提高了用户体验，为智能家居行业提供了高效稳定的解决方案。研究为进一步完善和推广基于Matter协议的智能家居产品设计提供了有价值的参考。关键词：Matter；跨生态交互；空调器Design and implementation of cross-ecosystem interactive air conditioners based on the Matter protocolCHEN Weijie1 WANG Fang1 HU Zhijuan1 HAN Dong1 LIANG Hao21.TCL Air-Condition(Zhongshan)Co.,Ltd.Zhongshan 528427;2.Shenzhen TCL New Technology Co.,Ltd.Shenzhen 518000Abstract:With the rapid development of the Internet of Things(IoT)and the smart home market,cross-ecosystem interaction has emerged as an urgent issue to be addressed in home appliance products.The devices and ecosystems in the smart home market are fragmented,and various barriers exist between ecosystems,hindering interconnectivity and interoperability.Users face numerous challenges in building a whole-house smart system and the need to download different ecological apps for devices of different brands leads to a poor user experience.To address this,the Matter protocol was introduced.A cross-ecosystem interactive air conditioner based on the Matter protocol was designed.Through interpreting the protocol,sorting out the certification process,developing hardware and software,and testing and verifying Matters functions and performance.The final experiment shows that the Matter protocol holds significant advantages in cross-ecosystem interactions.The designed Matter protocol-based air conditioner truly realizes interconnectivity and communication between ecosystems,greatly improving the user experience,and providing an efficient and stable solution for the smart home industry.This research provides valuable references for further improvement and popularization of smart home product designs based on the Matter protocol,with minor text modifications.Keywords:Matter;Cross-ecosystem interaction;Air conditioner中图分类号：TN911;TN913 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.027作者简介：陈伟杰，本科学历。研究方向：家电智能化研究。E-mail：。110 2023中国家电科技年会论文集通。而从目前来看，不同品牌间智能家居协议各自不同，品牌A的设备无法接入品牌B的生态，这种现象尤为常见。当前全屋智能的互联互通也仅是厂商公司内自己产品的互联互通，用户要想实现全屋智能首先遇到的就是生态壁垒的问题。基于这个行业痛点，CSA联盟在2022年10月发布了Matter标准协议，是开放的、统一的应用层协议。旨在实现跨类型、跨设备、跨品牌、跨生态的高效互联互通2，为全场景的全屋智能疏通管道。本文基于行业痛点和Matter标准提出了一种Matter协议的跨生态连接交互空调器设计方法。首先回顾了现有的空调器系统设计方法和跨生态交互技术，分析了其局限性和挑战。接下来，提出了一种基于Matter协议的空调系统架构，并详细介绍了系统各组成部分。然后，进行了实验评估，以验证所提出系统的性能、兼容性和稳定性。最后，讨论了实验结果的意义，并探讨了可能的改进和未来应用。1 现有技术与挑战现有的智能空调器主要采用如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等通信协议，通过与智能手机或智能家居中心进行连接，实现远程监控和控制功能。此外，基于人工智能和大数据的控制策略也广泛应用于智能空调器中，以实现更高效的能源管理和舒适度调节3。为实现跨生态交互，多个厂商和组织已提出了各种标准和协议。例如，AllJoyn、Thread和Apple的HomeKit等技术均有助于实现智能家居设备之间的互联互通。然而，这些技术仍存在互操作性限制，尤其是在不同生态系统之间。跨生态交互的局限和挑战主要有以下几点：（1）不同厂商和生态系统之间的标准和协议差异可能导致设备兼容性问题，从而影响用户体验。（2）部分现有跨生态交互技术尚未达到广泛应用的成熟度，可能存在稳定性、安全性等方面的问题。（3）随着物联网设备数量的快速增长，如何实现可扩展的、低成本的跨生态交互方案是一个关键挑战。2 系统架构设计2.1 Matter 介绍Matter标准协议1.0版本在2022年10月发布，是由CSA联盟开发的一种开放、统一的物联网标准。它提供了 一套统一的应用层协议，旨在实现各种智能家居设备之间的互操作性。通过使用Matter协议，设备厂商可以降低开发成本，同时确保设备能够与各大生态系统（如Apple HomeKit、Google Home等）无缝集成4。Matter协议框架如图1所示。2.2 系统架构设计本文提出了一种基于Matter协议的空调系统架构（如图2所示），包括以下主要组成部分：空调主控制器、传感器模块、执行器模块、Matter协议适配器和生态系统接口。包括以下组成：（1）空调主控制器：负责整个空调系统的运行和管理，包括处理传感器数据、实施控制策略和与外部生态系统通信等功能。（2）传感器模块：包括室内外温度、湿度传感器等，用于实时监测环境参数，为控制策略提供数据支持。（3）外设模块：包括压缩机、风扇和调温阀等设备，根据主控制器的指令实施相应动作，进行空调运行控制。（4）Matter协议模组：将空调主控制器的通信接口与Matter协议进行适配，实现与外部生态系统的互操作性。（5）支持Matter的App：在我司原有生态App的基础上，集成Matter SDK，实现对Matter设备的配网、控制、同步、分享等操作。（6）生态系统接口：与各大生态系统（如Apple HomeKit、Google Home等）无缝集成，为用户提供统一的控制和管理入口。在基于Matter协议的空调系统架构中，空调主控制器根据传感器模块采集的数据制定控制策略，并通过执行器模块实施相应动作。同时，主控制器通过Matter协议适配器与外部生态系统进行通信，实现远程监控和控制功能。用户可以通过生态系统接口轻松控图1 Matter协议框架图2 Matter空调器整体设计框架 1112023中国家电科技年会论文集制空调器，无需关注不同品牌和生态系统之间的差异。3 详细设计3.1 Matter 二维码设计Matter协议的一个重要特征便是扫描二维码配网，因此根据Matter协议的要求，需要确定二维码的参数：版本号、厂家ID、产品ID、会话ID、passcode等，在CSA系统上申请厂家ID，产品ID根据我司单品和型号自行定义2个字节参数，会话ID和passcode由随机数生成保证不重复。再下载Matter源代码，编译chip-tool工具，使用Matter提供的命令将以上参数填入即可生成“MT：”开头的二维码字符串。二维码需要写入至Wi-Fi模组，但Wi-Fi模组贴片生产与二维码粘贴不在相同生产工位，难以保证二维码与模组一一对应，因此设计一种方法，将二维码粘贴与机身，整机正产时将扫描二维码内容，通过红外发送给空调电控，空调电控软件再通过uart传输给Wi-Fi模组，即可实现Wi-Fi模组与二维码的一对一绑定，确保下一步配网的成功。Matter二维码示例如图3所示。图3 Matter二维码示例3.2 配网设计采用Matter标准的二维码配网机制，通过二维码扫码或输入配对码配网流程，如图4所示，设计具体流程如下：（1）首先在整机生产时将Matter二维码张贴于空调机身，增加二维码扫码和烧录流程，将二维码信息烧录至空调主控制器，主控制器再将二维码信息通过uart串口传输给Matter协议模组。（2）使用支持Matter生态的App扫码机身上的二维码或者输入配对码解密获得VID（vindorID）、PID（productID）、passcode和鉴别器等信息。（3）通过蓝牙广播搜索空调器Matter模组，发送passcode、鉴别器、公钥等信息给模组，模组根据passcode与存储的passcode进行身份验证。（4）验证通过则双方建立PASE通道，在此过程中，控制器和设备通过加密算法生成公钥和私钥，并计算共享密钥。然后设备和控制器开始使用共享密钥进行加密通信。（5）设备与控制器之间通过PASE通道进行加密通信，包括传输网络凭据、建立长期安全通道等操作。（6）App将手机所连接Wi-Fi的SSID和密码通过PASE通道发送给模组，模组收到网络凭证后连接网络，并将连接状态通知App。（7）设备连接Wi-Fi网络后，将与App建立CASE通道，通过CASE通道验证身份通过后会生成一个会话密钥，用于App和模组之间后续的加解密安全通信。图4 配网流程设计3.3 软件设计软件设计包括空调电控软件设计、Wi-Fi模组软件设计、公司生态App软件设计。空调电控MCU软件设计主要是要实现根据二维码红外协议接收二维码信息和存储到Flash，再通过uart通讯将二维码信息传输给Wi-Fi模组。为保证在量产时可以鉴别出是否有烧录二维码，同时需实现在空调上电时，判断是否有写入二维码，若无则在双八数码管显示特殊符号。电控与Wi-Fi模组通过uart协议将控制指令的下发和上报实现对空调的控制。Wi-Fi模组固件实现从电控获取二维码信息，并根据Matter标准二维码解密算法将二维码信息解密获得产品ID、厂家ID、会话ID和passcode等，集成Matter标准SDK和源码，编写Matter配网逻112 2023中国家电科技年会论文集辑、控制逻辑、OTA逻辑、协议栈以及相关安全特性如加密和设备验证，增加Matter证书有无烧入判断逻辑，并且对第三方Matter的App配网和控制进行适配调试。为保证公司生态App能够对设计的Matter空调器兼容使用并且可以连接其他Matter的设备，需要开发实现Matter空调器的配网、控制、OTA、分享、状态上报等功能。CSA联盟提供了Matter SDK，公司生态App集成Matter SDK即可借助其能力实现对Matter设备的配网接入。由于当前Matter的设备类型并没有Air Condition（空调器）类别，故而采用Thermostat device（恒温器）作为设备配网后的设备类别，其中官方未定义的空调器所需的Cluster（功能集群），则自行开发定义非标准功能集群。软件上增加Matter业务模块，承接Matter空调器的上层业务逻辑，以及增加Matter SDK Lib，承载Matter核心能力的支持。3.4 生产设计Matter空调器配网方式依赖机身独立的配网二维码实现，意味着机身需要粘贴Matter二维码，这决定了需对原有生产线进行改造。本文软件逻辑是将二维码信息通过空调器电控板传输给Wi-Fi模组。因此，在产线生产前，需生成二维码并打印标贴纸，产线增加二维码标贴粘贴岗位，将二维码粘贴于机身。下一道工序增加二维码扫描和红外发码工装设备。将空调器通上电源，工装设备扫描粘贴于机身的二维码贴纸，并将信息通过红外发送模块发送给空调器的红外接收模块，见显示板上的未获取到Matter二维码的特殊标志消失，则二维码信息写入成功。空调器将电控模块获取到的二维码信息通过uart发送Wi-Fi模块，则实现了完整的Matter二维码生产写入流程工序（如图5所示）。图5 生产流程设计4 实验验证 为了验证设计开发的Matter空调器跨生态联网交互能力，从功能和性能两个温度进行测试验证。功能方面主要针对Apple home、Google home、Amazon Alexa、Samsung SmartThings等四大生态及我司原生App的配网、控制、分享、重连等功能性测试。性能方面则是基于我司原生App，主要验证配网稳定性、在线稳定性、控制稳定性、OTA稳定性、重连稳定性等。4.1 功能测试第三方家居生态均成功扫描Matter二维码实现空调器的配网和控制功能，界面如图6所示。由图6可知，由于Matter协议暂时不支持空调器类型的设备，仅支持恒温器类型的设备，通过第三方生态配网后，可控制的功能较少，仅开关机、温度调节、模式调节，若要更多空调器功能的控制体验，需接入我司原生App。由图7可见，除了Matter定义的恒温器标准功能外，同时还实现了非标准功能，如风速控制、节能控制、睡眠控制、摆风控制、灯光控制等，丰富了控制体验。由于Matter当前为1.0版本，Matter协议本身和第三方生态在Matter协议支持上仍存在较多兼容性、稳定性、体验性的问题，需要持续优化改善。图7 我司原生App控制界面4.2 性能测试为了充分验证Matter Wi-Fi模组及协议的可靠性和稳定性，对设备的配网稳定性、在线稳定性、控制稳定性、OTA稳定性、重连稳定性进行压力测试。所有稳定性测试均使用我司原生App测试。如表1所示，为配网稳定性测试，分别验证强网和弱网下，我司原生App在安卓环境和IOS环境不同的配网成功率和平均耗时，在强网下，配网成功率大于97%。弱网下，配网成功率大于90%。整体来 a)Apple Home b)Amazon Alexa c)Goole Home d)Samsung SmartThings图6 第三方App控制界面 1132023中国家电科技年会论文集看，设计的Matter空调器配网成功率高，配网消耗时长也在用户可接受范围内。表1 配网稳定性测试测试项测试次数（次）成功次数（次）成功率（%）平均耗时（s）安卓配网-强网58357798.9723.73安卓配网-弱网59053290.1741.86IOS配网-强网55053497.2049.49IOS配网-弱网52247891.5774.43表2、表3为控制稳定性测试，即对功能的控制操作压力测试指令下发成功失败情况，可见，无论在局域网下还是广域网下，亦或是强网或弱网下，控制指令成功率和状态同步的成功率都表现非常好，成功率均在96%以上。表2 局域网控制稳定性测试项测试次数（次）成功次数（次）成功率（%）强网下控制1453145399.90弱网下控制1154112197.22强网下状态同步71670999.05弱网下状态同步54553898.72表3 广域网控制稳定性测试项测试次数（次）成功次数（次）成功率（%）强网控制1140112999.04弱网控制1122108196.35强网状态同步599599100.00弱网状态同步53853298.88表4为在线稳定性测试，旨在测试设备联网后在线的稳定性，离线的次数以及是否能够恢复在线。除局域网的弱网下，7天内出现6次离线外，其余均未出现过离线现象。在线稳定性也表现出了比较好的效果，并未出现频繁离线且长时间离线的现象。表4 在线稳定性测试项测试时长（h）离线次数（次）单次离线时长（s）局域网-强网7240/局域网-弱网6离线时长小于130广域网-强网0/广域网-弱网0/表5为设备重连稳定性测试，目的是测试设备在设备断电重启、路由器断电重启、网络重启后重连的成功率。进行了超过500次和1000次的压力测试，设备断电重启网络重连成功率为100%，其余场景未能100%实际为短暂离线，过一段时间会自动恢复，在用户无感知的情况下，实际亦是100%自动重连。由此可见，开发Matter空调器重连稳定性极高。表6为OTA稳定性测试，测试对Matter Wi-Fi模组固件的各种异常情况下OTA成功率和耗时，由表6可见，成功率均在98%以上。因固件包较大，OTA耗时相对传统Wi-Fi固件较长，但仍在用户可接受范围内。表6 OTA稳定性测试项测试次数（次）成功次数（次）成功率（%）耗时（s）强网OTA1167116499.70173.2弱网OTA49249199.79173.2升级中断设备电25325098.81/升级中断路由器电25925898.16/从整体性能测试结果来看，稳定性较为可靠，但仍有少量Matter协议软件包本身存在的待优化修复项，成熟度还需提高。而从功能测试角度来，虽实现了跨生态配网控制，但作为空调器的控制界面，第三方生态App的功能相对我司原生App来说较少，难以满足消费者实际需要。因此消费者若要使用空调完整功能，仍需下载厂家原生态App，要求不高则可使用第三方生态App配网控制。不过，从长远来看，空调器作为室内数量最多的家电之一，相信Matter及支持Matter的生态App会越来越完善，消费者体验越来越好。5 结论本文针对智能家居跨生态互联互通的行业痛点，提出了一种基于Matter协议的跨生态连接交互空调器设计方法。首先回顾了现有的空调器系统设计方法和跨生态交互技术，分析了其局限性和挑战。接着，提出了一种基于Matter协议的空调系统架构，并详细介绍了系统各组成部分。最后，进行了功能和性能的测试，以验证所提出系统的性能、兼容性和稳定性。根据本文研究，得出以下结论：（1）基于Matter协议设计的跨生态空调器成功实现了与Apple Home、Google Home、Amazon Alexa以及Samsung SmartThings等四大生态系统的互联互通。通过集成Matter SDK，提供了一个开放、统一的应用层协议来实现各种智能家居设备之间的互操作性。（2）实验验证表明，所提出的Matter空调器在配网成功率、在线稳定性、控制稳定性、重连稳定性以及OTA稳定性等方面均表现出较好的性能。在功能测试方面，虽然第三方生态App的控制功能相对较少，但用户仍可通过我司原生APP实现空调器的完整功能控制。（3）通过优化生产流程设计，实现了Matter二维码的生成、机表5 设备重连稳定性测试项测试次数（次）成功次数（次）成功率（%）广域网-设备断电重启505505100广域网-路由器断电重启1031102999.8广域网-网络重启94989594.3局域网-设备断电重启505505100局域网-路由器断电重启54153498.7114 2023中国家电科技年会论文集身粘贴、二维码扫描工装设备通过红外发送给空调器电控的一对一绑定等全生产流程的设计。此外，Matter协议的产品开发在各种证书如CD证书、PAA证书、DAC证书等证书的获取和写入的流程上仍可以探索出一条更高效的路径。尽管所提出的基于Matter协议的空调器系统已经在功能和性能方面取得了一定的成果，但仍存在Matter协议软件包本身的待优化修复项，以及第三方生态App的功能完善程度有待提高等挑战。展望未来，随着Matter协议和支持Matter协议的生态App不断完善，消费者在使用基于Matter协议的全屋智能家电时将获得更好的体验。参考文献1 陈伟杰,周浩,陈妃味.毫米波雷达在空调器上的应用研究J.家电科技,2021(05):118-121.2 卢梦琪.Matter标准智能家居生态割裂的终结者？N.中国电子报,2022-03-22(005).3 苏静茹,赵向阳,杨宏.智能家居互联互通标准化研究J.标准科学,2023(06):58-63.4 刘长箭.Matter协议的研究与实现D.上海:华东师范大学,2022.5 本期专题：Matter来了，Whats the Matter?J.电子产品世界,2022,29(11):2.6 Matter安全性：让智能家居设备的隐私权成为设计基础J.电子产品世界,2022,29(11):5-6.