支持 Matter 的智能家居单芯片系统 MCU 如何担当多元网络角色

2025 年，全球智能家居技术市场价值 1475 亿美元，预计 2034 年前的复合年增长率 (CAGR) 为 21.4%。这一增长部分得益于 Matter 标准实现了设备互操作性。

Matter 标准始于 2019 年的 IP 互联家居 (CHIP) 项目，这是一个由多家公司合作构建开源智能家居网络的联盟。该标准于 2022 年发布了 1.0 版，并于 2025 年 11 月发布了 1.5 版。其关键原则是承诺：获得 Matter 认证的产品可以相互连接，并且可以连接到由任何 Matter 联盟成员（包括 Google、Amazon、Apple 和 Samsung）制造的智能家居中枢。

每个新版本的标准都支持更多设备类型，使其能够通过 IPv6 以及低功耗、低延迟网络在本地连接，无需云网关。当前支持 Matter 的设备列表包括智能灯具和插座、家电、传感器、窗帘、空调和热泵机组、太阳能电池板、Wi-Fi 路由器、扬声器和视频播放器等。

消费者期望将此类设备添加到其智能家居网络时，能实现无缝连接并立即工作。为此，原始设备制造商 (OEM) 需要从一开始就将 Matter 架构集成到其产品中。

Matter 系统的构成

Matter 智能家居系统中的设备可能扮演以下一个或多个角色：网关、控制器、边缘节点、终端节点和桥接器。网关将系统连接到互联网，并使用 Wi-Fi 与控制器、边缘节点和桥接器交互。控制器向边缘节点和终端节点发送命令，而边缘节点和桥接器则只是在节点与网关或控制器之间路由信息，无需应用逻辑。

Matter 架构的另一个核心原则是通过低功耗射频 (RF) 通信实现高能效。蓝牙连接用于设备接入网络的初始调试，但网络本身由使用相同频段的其他协议组成。Matter 网络使用低功耗 Thread 协议来创建低延迟、自修复的网状网络。桥接器充当翻译器，将使用其他协议（如 Zigbee）的设备连接到网络中（图 1）。

图 1：Matter 智能家居网络包括网关（蓝圈）、控制器（浅蓝圈）、Thread 边界路由器（红圈）、桥接器（紫圈）、边缘节点（绿圈）和终端节点（橙圈）。（图片来源：NXP）

Matter 网络上的设备必须具备无线通信能力（窄带、Wi-Fi 或两者兼具）以及一个单片机 (MCU)，用于运行应用程序、管理通信并确保设备安全。通信协议的选择和 MCU 的规格取决于设备的网络角色、能耗特性及其对消费者的用途。例如，作为终端节点的智能灯泡可能结构简单，仅能接收并执行开/关命令，而路由器则复杂得多。

智能家居单芯片系统

Thread 边界路由器必须在 Matter 网络所期望的能效和低延迟，与管理 Thread 和 Wi-Fi 通信、设备安全和应用程序执行的复杂性之间取得平衡。NXP Semiconductor 的 RW61X Wi-Fi 6 Tri-Radio 在一颗芯片上集成了一个处理内核、一个能够在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段传输 20 MHz 信道的 Wi-Fi 无线电、一个用于调试和网状网络组网的窄带无线电以及一个用于管理设备密钥和信任配置的安全飞地，仅需 3.3 V 外部电源即可运行（图 2）。

图 2：RW61X Wi-Fi 6 Tri-Radio 采用 3.3 V 外部电源，可运行两个 Wi-Fi 无线电频段、一个窄带本地无线电、一个 260 MHz MCU 和板载安全功能。（图片来源：NXP ）

RW61X 的 MCU 子系统采用 260 MHz Arm® Cortex®-M33 内核，具有 TrustZone™-M 硬件安全和 1.2 MB 静态随机存取存储器 (SRAM)。该 MCU 可以通过串行外设接口 (SPI) 和通用异步收发器 (UART) 与设备通信，通过集成电路总线 (I²C) 接口与传感器通信，通过集成电路内置音频总线 (I²S) 接口与音频输入设备通信。精确时间协议 (PTP) 允许通过芯片 100 Mbps 以太网模块的物理层 (PHY) 实现网络同步。

RW61X 芯片支持基于 Wi-Fi 6 的 Matter-over-Wi-Fi，以提升网络性能和能效。RW61X 的内置射频功率放大器 (PA) 和低噪声放大器 (LNA) 结合了 125 mW 的发射功率，确保了稳定的通信。3 级 Wi-Fi 保护接入 (WPA) 提供了加密和安全性。

这些芯片还可通过低功耗蓝牙或 IEEE 802.15.4 支持 Matter-over-Thread。它们还获得蓝牙 5.2 和 5.4 认证，支持多种蓝牙操作模式，包括高速 2 Mbps 模式、通过编码 PHY 在更远距离上以较低速率传输数据的远程模式，以及广播扩展模式。在广播扩展模式下，设备可以广播更大的数据包，可以更容易被发现。这种窄带无线电模块同样使用射频 PA 和 LNA 来实现 32 mW 的发射功率。

在 RW61X 芯片中，安全性（Matter 智能家居生态系统的重要组成部分）通过 EdgeLock 安全飞地进行管理。这个防篡改硬件通过设备的证书、加密密钥和身份对其进行认证，从而建立信任根。安全引导、调试和更新保护，硬件加密，以及物理不可克隆功能 (PUF)，有助于 RW61X 芯片满足物联网平台安全评估标准 (SESIP) 3 级保证和平台安全架构 (PSA) 3 级认证框架要求。

用于终端节点的低功耗芯片

虽然 RW61X 芯片可以作为 Thread 边界路由器、智能家居中枢和边缘节点，但像传感器和门锁这样的电池供电终端节点则需要简单得多的架构。NXP 的 MCX W 系列单片机针对高能效的 Matter-over-Thread 和 Zigbee 通信进行了优化（图 3）。

图 3：NXP Semiconductors MCX W 系列单片机将窄带无线电、专用处理内核和存储器与 96 MHz MCU 结合在一起。（图片来源：NXP）

MCX W 系列 MCU 拥有一个专用于低功耗蓝牙和 IEEE 802.15.4 无线电的处理内核和存储器，以及一个 96 MHz 的 Arm Cortex-M33 主处理器，主处理器自带 1 MB 到 2 MB 的闪存和 128 KB 到 256 KB 的 RAM。与 RW61X 芯片一样，MCX W 系列 MCU 通过带有 EdgeLock2GO 云支持的 EdgeLock 安全飞地处理安全。其稳健的设计能够确保终端节点设备在 -40°C 至 125°C 的宽温度范围内保持连接。

除了用于终端节点设备，MCX W 系列 MCU 还可以与 RW61X 及类似芯片配对使用。在此配置中，MCX W 系列的独立无线电子系统卸载了连接任务，并释放主 CPU 来执行主要应用程序。配对后，MCX W 系列 MCU 在智能家居中枢、家用电器和网关中扮演着重要角色。

供应链智慧

面对如此多的可选组件及其可能的配置方案，智能家居网络和产品设计人员可能会感到不知所措。像 RW61X 芯片和 MCX W 系列 MCU 这样的产品，凭借其在智能家居网络中胜任多种角色的能力，可以提供帮助。

设计人员可以通过面向物联网优化的 Zephyr 实时操作系统 (RTOS)，借助 MCUXpresso IDE / MCUXpresso for Visual Studio Code 以及 NXP 的应用代码中心获取编码支持。他们还可以利用像 FRDM-RW612 这样的低成本开发板（图 4）制作设计原型。

图 4：低成本 FRDM-RW612 开发板简化了使用 RW61x 芯片进行 Thread 边界路由器和 Matter 控制器设计的原型开发。（图片来源：NXP）

除了这些开发板、全系 RW61X 芯片和 MCX W 系列 MCU 外，NXP 的产品组合还包括在智能家居设备和应用中用于与其互补的其他组件。智能家居技术设计人员可以利用 NXP 的网站找到其设计所需的所有产品，以及相关的技术信息和教育资源。

结语

智能家居应用市场持续增长，部分原因是 Matter 网络协议实现了跨平台互操作性。像 NXP 的 RW61X 芯片系列和 MCX W 系列 MCU 这样的硬件组件，专为为智能家居组网而设计，可以胜任多种互补的网络角色。设计人员能够一站式获取丰富多样的产品、齐全的智能家居组件技术资料库及教育资源，从而更高效地打造下一代智能家居。