Matter 標準智慧家庭裝置中的單晶片系統和微控制器在網狀網路中扮演多種角色

2025 年的全球智慧家庭技術的市值將達到 1,475 億美元，預計到 2034 年，複合年成長率 (CAGR) 將達到 21.4%。此成長有一部分是由 Matter 標準的互通性所推動。

Matter 於 2019 年以 Connected Home over IP (CHIP) 專案之名啟動。此專案是由多家公司組成的聯盟，致力於開發開源智慧家庭網路。Matter 於 2022 年推出 1.0 版本，並於 2025 年 11 月發布 1.5 版本。此標準的一項關鍵原則是，符合 Matter 認證的產品可以相互連接，並可連接到任何 Matter 聯盟成員 (包括 Google、Amazon、Apple、Samsung) 生產的智慧家庭中樞。

此標準每次升級都能支援更多裝置類型，因此能夠透過 IPv6 和低功率、低延遲的網路，進行本機連線，而無需雲端閘道器。目前支援 Matter 的裝置包括智慧燈具和插座、家電、感測器、窗飾、空調和熱幫浦單元、太陽能板、Wi-Fi 路由器、揚聲器、影片播放裝置等。

消費者希望在智慧家庭網路中添加這些裝置時，能夠達到順暢的連線和功能性。若要實現這點，OEM 廠商必須在產品開發時就將 Matter 架構納入。

Matter 系統的構成

在 Matter 智慧家庭系統中的裝置會有以下一個或多個作用：閘道器、控制器、邊緣節點、終端節點、橋接器。閘道器將系統連至網際網路，並使用 Wi-Fi 與控制器、邊緣節點、橋接器介接。控制器向邊緣節點和終端節點發送命令，而邊緣節點和橋接器只是在節點和閘道器或控制器之間路由訊息，不使用邏輯。

Matter 架構的另一個關鍵原則是透過低功率射頻 (RF) 通訊達到高能效。藍牙連接用於將裝置初始調試至網路，網路本身由使用相同頻段的其他協定組成。Matter 網路使用低能耗 Thread 協定建立低延遲、自行修復的網狀網路。橋接器充當轉譯器，使用其他協定 (如 Zigbee) 將裝置連接至網路 (圖 1)。

圖 1：Matter 智慧家庭網路包含閘道器 (藍色圓圈)、控制器 (淺藍)、Thread 邊界路由器 (紅)、橋接器 (紫)、邊緣節點 (綠) 和終端節點 (橘)。(圖片來源：NXP)

Matter 網路上的裝置必須具備無線通訊能力 (窄頻、Wi-Fi，或兩者兼具)，以及微控制器單元 (MCU) 來執行應用、管理通訊，並確保裝置的安全。MCU 的通訊協定和規格，將依據裝置的網路角色、能耗特性，以及對消費者的用途進行選擇。例如，在終端節點的智慧燈泡可能具有簡單的架構，允許接收和執行開／關命令，而路由器則要複雜得多。

智慧家庭單晶片系統

Matter 網路期望高能效和低延遲，而管理 Thread 和 Wi-Fi 通訊、裝置安全性，以及應用執行則較複雜，Thread 邊界路由器必須在這些條件之間取得平衡。NXP Semiconductors 的 RW61X Wi-Fi 6 三頻無線電在單一晶片中結合處理核心、支援 2.4 GHz 與 5 GHz 頻帶 20 MHz 傳輸通道的 Wi-Fi 無線電、用於調試與網狀網路的窄頻無線電，以及管理裝置金鑰與信任佈署的安全隔離區，並可透過 3.3 V 的外接電源運作 (圖 2)。

圖 2：RW61X Wi-Fi 6 三頻無線電採用 3.3 V 外接電源供電，執行兩個 Wi-Fi 無線電頻帶、一個窄頻本機無線電、一個 260 MHz MCU，以及板載安全性。(圖片來源：NXP)

RW61X 的 MCU 子系統採用 260 MHz Arm® Cortex®-M33 核心，具有 TrustZone™-M 硬體安全性和 1.2 MB 靜態隨機存取記憶體 (SRAM)。MCU 可透過序列週邊介面 (SPI) 和通用型異步收發器 (UART) 與裝置通訊，透過積體電路匯流排 (I²C) 與感測器通訊，並透過積體電路間音訊匯流排 (I²S) 與音訊輸入裝置通訊。精準時間協定 (PTP) 允許透過晶片的 100 Mbps 乙太網路模組的實體層 (PHY) 進行網路同步。

RW61X 晶片支援 Wi-Fi 6 的 Matter-over-Wi-Fi 技術，可提高網路連線效率和電源效率。RW61X 內建 RF 功率放大器 (PA) 和低雜訊放大器 (LNA)，結合 125 mW 的發射功率，確保通訊穩定。Wi-Fi Protected Access (WPA) Level 3 提供加密和安全性。

Matter-over-Thread 也支援透過低功耗藍牙或 IEEE 802.15.4 進行傳輸。這些晶片已通過 Bluetooth 5.2 與 5.4 認證，並支援多種藍牙工作模式，包括：2 Mbps 高速模式；使用編碼實體層的遠距模式 (以較慢的傳輸速率換取更遠的通訊距離)；以及廣播擴展模式，讓裝置能廣播更大的數據封包以利搜尋發現。此窄頻無線電模組還採用 RF 功率放大器和低雜訊放大器，達到 32 mW 的發射功率。

在 RW61X 晶片中，透過 EdgeLock 安全隔離區管理安全性。安全性是 Matter 智慧家庭生態系統重要的一部份。此防篡改硬體透過憑證、加密金鑰、身分辨識，對裝置進行認證，建立信任根。RW61X 晶片具備安全啟動、除錯、更新保護；硬體加密；以及實體不可複製功能 (PUF)，有助於其滿足物聯網平台安全評估標準 (SESIP) Level 3 保證和平台安全架構 (PSA) Level 3 認證框架的要求。

終端節點的低功率晶片

儘管 RW61X 晶片可以作為 Thread 邊界路由器、智慧家庭中樞、邊緣節點，但感測器和門鎖等電池供電終端節點需要更簡單的架構。NXP 的 MCX W 系列微控制器針對節能型 Matter-over-Thread 和 Zigbee 通訊經過最佳化 (圖 3)。

圖 3：NXP Semiconductors 的 MCX W 系列微控制器將窄頻無線電、專用處理核心和記憶體整合在一個 96 MHz 的 MCU 中。(圖片來源：NXP)

MCX W 系列 MCU 具有專用於低功耗藍牙和 IEEE 802.15.4 無線電的處理核心和記憶器，以及 96 MHz Arm Cortex-M33 主處理器，該處理器包含 1 MB 至 2 MB 快閃記憶體和 128 KB 至 256 KB RAM。如同 RW61X 晶片，MCX W 系列 MCU 透過 EdgeLock 安全隔離區處理安全性，並支援 EdgeLock2GO 雲端服務。其堅固的設計確保終端節點裝置在 -40°C 至 125°C 的寬廣溫度範圍內保持連線。

MCX W 系列 MCU 除了可用於終端節點裝置，還可以與 RW61X 和類似的晶片配對。在這種配置下，MCX W 系列的獨立無線電子系統卸載連線任務，釋放主 CPU 以執行主要應用。MCX W 系列 MCU 配對使用時，在智慧家庭中樞、家電、閘道器中扮演重要角色。

供應鏈智慧

智慧家庭網路和產品的可用組件數量龐大，且有各種不同的配置組合，設計人員可能會為此退縮。RW61X 晶片和 MCX W MCU 等產品能在智慧家庭網路勝任多種角色，有助於設計。

設計人員可以透過 MCUXpresso IDE/MCUXpresso for Visual Studio Code 和 NXP 的 Application Code Hub 取得針對物聯網最佳化的 Zephyr 即時作業系統 (RTOS) 支援編碼作業。此外，還可以使用低成本的開發板 (如 FRDM-RW612 (圖 4)) 製作原型設計。

圖 4：低成本 FRDM-RW612 開發板簡化使用 RX61x 晶片的 Thread 邊界路由器和 Matter 控制器設計的原型製作。(圖片來源：NXP)

除了這些開發板、全系列 RW61X 晶片和 MXC W 系列 MCU 之外，NXP 的產品組合還包括其他組件，可與智慧家庭裝置和應用相輔相成。智慧家庭技術的設計人員能在 NXP 網站上找到設計所需的所有產品，以及相關的技術資訊和教育資源。

結論

智慧家庭應用市場持續成長，部分原因是 Matter 網路協定的跨平台互通性促成。專為智慧家庭網路設計的硬體元件，例如 NXP 的 RW61X 系列晶片和 MCX W 系列 MCU，可以在網路中提供多種互補的功能。設計人員可以取用集中在同一處的豐富市售產品、完整的智慧家庭組件技術資料庫，以及教育資源，設計新一代智慧家庭。