基于RW612的Matter ZigBee Bridge和OTBR实现

NXP管管

背景
旨在推动智能家居设备间更便捷更安全互连互控的Matter标准使得基于IPv6协议的各类产品，如WiFi、OpenThread等得以很好的融合。但如何兼容海量存量智能家居市场，尤其是如何将那些不支持IPv6协议的诸如ZigBee，Z-Wave等非Matter设备接入统一的Matter环境就成为十分紧迫且重要的议题。


就技术角度而言，只有借助桥接Bridge机制才能实现Matter和Non-Matter协议之间的转换，从而将ZigBee，Z-Wave等非Matter设备接入Matter网络，实现互连互控。出于成本考虑，桥接Bridge功能可以整合到Matter设备中，比如在MatterOverWiFi上实现Bridge Cluster的功能，通过对加入ZigBee Coordinator的ZB节点动态分配端点（EndPoint）的方式将其映射为Matter设备，从而使得Matter Controller（如树莓派RaspberryPi或手机App）可以对其像标准的Matter设备一样进行操控。


Matter ZigBee Bridge技术路线


Matter Bridge需要配合Non-Matter设备的网关，比如ZigBee Coordinator才能将ZigBee设备映射为Matter设备。就NXP的三模无线协议（Wifi/BLE/802.15.4）MCU RW612而言，考虑到RW612需要支持Matter OTBR，并且出于实际应用中的性能考虑，不希望其片上802.15.4共享OpenThread和ZigBee协议，因此需要外接一颗K32W061完成ZigBee Coordinator的功能。


Matter ZigBee Bridge方案实现

图1 RW612的EVK板外接K32061 ZigBee Coordinator

NXP的RW612采用ARM Cortext-M33核，主频260MHz，片上RAM高达1.2MB，用户可根据需要灵活选用不同容量的外部Flash。如图1 所示：RW612作为MatterOverWiFi设备加入Matter网络，片上的802.15.4模块实现Matter OTBR功能， MatterOverThread节点，如Lighting和Switch等都可以通过该RW612的OTBR接入Matter网络；同时通过RW612的UART外接K32061 ZigBee Coordinator，当ZigBee设备加入该Coordinator时，后者将入网信息一并传递给RW612的Bridge模块，后者就可以通过Matter标准中的Bridge Cluster为接入这个Zigbee Coordinator的所有ZigBee设备动态分配端点（EndPoint）从而将其映射为标准的Matter设备，这样作为Non-Matter的ZigBee设备就可以被Matter Controller控制（如Light的ZR）或上报属性（如ZED的Sensor）。


本文重点介绍图2中红色虚框的部分，即Matter ZigBee Bridge功能模块，OTBR的具体实现可参考https://openthread.io/guides/border-router?hl=zh-cn

图2 NXP Matter ZigBee Bridge + OTBR 实现

Matter ZB Bridge软件架构分为两个部分（如图3所示）：Matter Bridge模块和对Bridged Matter Devices的控制（即图中Bridged Interface），前者是如何为加入到ZB Coordinator的ZB节点动态分配EP，以便于Matter Controller的控制或收集上报事件，后者是从设备控制的角度，通过Matter的CLI用户接口命令，控制ZB Coordinator建立ZigBee网络（Form ZB Network），允许ZB节点加入网络（Permit Join），Factory Reset该ZB网络，将入网ZB节点退网（Leave/Remove ZB node），枚举入网的ZB节点等功能。

图3 Matter Zigbee Bridge软件架构

Matter Zigbee Bridge的具体工作流程如图4所示：

图4 RW612 Bridge通过Coordinator控制ZR/ZED的入网流程

ZB设备在加入ZB Coordinator时广播的Device Announce消息被ZB Coordinator收到后转发给RW612，后者通过UART让ZB Coordinator向该ZB设备发Simple Descriptor Req uest命令，该ZB设备随之回复Simple Descriptor Response，ZB Coordinator同样将收到的这个Response消息转发给RW612，由RW612解析其负载中的Input Cluster List（如图5所示）

图5 Simple Descriptor Response内容

图5中该入网ZB节点包含On/Off，Level Control和Color Control三个Cluster，说明这是个Color Light设备，如没有Color Control Cluster，则该ZB就为Dimmable Light，若没有Level Control Cluster，则该ZB就是OnOff Light。


图4最后一步所示，用户可根据需要将入网的ZB设备上相关的Clusters与ZB Coordinator进行绑定（Binding），这样当该Cluster下某些属性Attributes的状态发生变化，如开On变成关Off时，就会发消息给与之绑定的ZB Coordinator，由后者将该属性状态变化消息上报给RW612。


Matter ZigBee Bridge使用说明
1. 生成RW612的烧录Image
1.1 从 https://github.‍com‍/NXP/matter/tree/v1.3.0.0-tag-nxp下载Matter代码：
a) git clone -b v1.3.0.0-tag-nxp https://‍github‍.com/NXP/matter.git
b) cd matter && git submodule update –init --progress


1.2 从 https://github.‍com‍/nxp-appcodehub‍/dm-matter-zigbee-bridge-rw612 下载MatterZigbee Bridge代码
a) git clone: https://github.com/nxp-‍appcodehub‍/dm-matter-zigbee-bridge-rw612
b) 将对应目录下的文件覆盖前面1.1步骤中对应目录下


1.3 在/matter目录下执行：
a)

1. source ./scripts/activate.sh && cd
   
2. 
   
3. examples/bridge-app/nxp/rt/rw61x/

复制代码

b)

1. gn gen --args="chip_enable_wifi=true chip_enable_openthread=true
   
2. 
   
3. chip_enable_matter_cli=true is_sdk_2_15=true
   
4. 
   
5. openthread_root="//third_party/connectedhomeip/third_party/openthread/ot-nxp/openthread-br" enable_bridge=true
   
6. 
   
7. rt_nvm_component="littlefs"" out/debug

复制代码

c)

1. ninja -C out/debug

复制代码

最后在out/debug下生成chip-rw61x-bridge-example文件，添加.axf后缀，使用MCUXpresso IDE v11.9.x烧录到RW612中。


2. 烧录K32W061 Zigbee Coordinator


为确保RW612与K32W061的UART通讯稳定可靠，将JN-AN-1247缺省的波特率由1000000bps改为115200bps再进行编译，然后将Binaries\ControlBridge_Full_GpProxy_115200\ControlBridge_Full_GpProxy_115200.bin使用DK6Programmer.exe烧入K32W061中。


3. 建立Matter ZigBee Bridge的运行环境


3.1 将RW612作为MatterOverWiFi设备加入Matter的Controller，以树莓派为例：

1. $ chip-tool pairing ble-wifi 1 SSID Passwd 20202021 3840

复制代码

这里的SSID是WiFi路由器AP的服务集合标识（Service Set Identifier），Passwd为对应的密码。当RW612成功加入时，会在树莓派的Console上打印的 Matter信息靠近结尾附近有：


“Device commissioning completed with success”


3.2 创建Openthread边缘路由器(OTBR:Openthread Border Router）
在RW612的CLI中依次输入下列命令：

1. >otcli dataset init new
   
2. 
   
3. >otcli dataset panid 0xabcd   --- 0xabcd can be changed to other value
   
4. 
   
5. >otcli dataset channel 25       --- 25 can be changed between 11~26
   
6. 
   
7. >otcli dataset commit active
   
8. 
   
9. >otcli ifconfig up
   
10. 
    
11. >otcli thread start
    
12. 
    
13. >otcli state                              --- must wait till “leader” state appears
    
14. 
    
15. >otcli dataset active –x           --- thread dataset used in chip-tool similar to following : 0e08000000000001000035060004001fffe002088711152e77458a490708fdcbf744a91020cb05100c208752e1bd2586f0a87ed481890312030f4f70656e5468726561642d633130640410d60d95cb5db1044086f7813e66de19020c0402a0f7f80102abcd0003000019

复制代码

3.3 将MatterOverThread设备加入RW612 OTBR


以K32W148的Lighting App为例，在K32W148上按下SW2，该设备的串口打印：“Started BLE Advertising”


此时在树莓派的Console上运行：

1. chip-tool pairing ble-thread 2 hex: 0e08000000000001000035060004001fffe002088711152e77458a490708fdcbf744a91020cb05100c208752e1bd2586f0a87ed481890312030f4f70656e5468726561642d633130640410d60d95cb5db1044086f7813e66de19020c0402a0f7f80102abcd0003000019  20202021 3840

复制代码

当在树莓派的Console上Matter打印信息靠近结尾附近出现：


“Device commissioning completed with success”


说明K32W148已成功加入RW612的OTBR，此时可在树莓派的Console上运行：


$chip-tool onoff toggle 2 1


这里chip-tool后的第一个参数onoff是On/Off cluster，第二个参数是Toggle命令（也可以是On或Off命令），第三个参数2是该K32W148入网时使用的NodeID=2，最后一个参数1是OnOff Cluster所在的端点EndPoint值。


上述命令可以点亮K32W148上的LED，再次执行该命令将关闭该LED。


3.4 运行Matter ZigBee Bridge


在RW612的CLI上依次运行下述命令：首先将ZB Coordinator置为出厂模式，然后在11频道上建立ZigBee网络并使能加网:

1. > zb-erasepdm        ---  erase currently used Zigbee channel, skip this if want to
   
2. 
   
3. continue on existing channel
   
4. 
   
5. > zb-nwk-form 11    --- can be any value between 11~26 as valid Zigbee channel
   
6. 
   
7. > zb-nwk-pjoin 255    --- 255 to enable and 0 to disable permit join

复制代码

这时将一个出厂模式的ZR彩灯（ColorLight）上电，很快就会在RW612的串口打印中出现：
Add Color Light
Node Type=3,Short=0x18d4,MAC=0x158d00031f1742,EP=12928
这里的EP=12928就是该ZB彩灯在Matter网络中被动态分配的端点，如果有更多的ZB节点加入，则会有更多的动态EP依次递增的（12929,12930…）被分配给这些ZB设备。


此时，被分配了动态EP的ZB节点就从Non-Matter设备变成了Matter设备，通过在树莓派上运行chip-tool实现对其OnOff、LevelControl及ColorControl Cluster下各属性的控制：

1. $
   
2. 
   
3. chip-tool onoff toggle 1 12928
   
4. 
   
5. $ chip-tool
   
6. 
   
7. levelcontrol move-to-level 2 1 1 1 1 12928
   
8. 
   
9. $ chip-tool
   
10. 
    
11. colorcontrol move-to-hue 32 1 1 1 1 1 12928
    
12. 
    
13. $ chip-tool
    
14. 
    
15. colorcontrol move-to-saturation 64 1 1 1 1 12928
    
16. 
    
17. $ chip-tool
    
18. 
    
19. colorcontrol move-to-color-temperature 128 1 1 1 1 12928
    
20. 
    
21. $ chip-tool
    
22. 
    
23. colorcontrol move-to-color 30000 60000 1 1 1 1 12928

复制代码

在上述各例子中：chip-tool后第一个参数是已注册到Matter Bridge中的cluster，如onoff/levelcontrol/colorcontrol，接下去的各参数具体含义可通过:
chip-tool cluster command方式获取，如：
chip-tool colorcontrol move-to-hue就会返回:

1. Hue Direction TransitionTime OptionsMask OptionsOverride destination-id endpoint-id-ignored-for-group-commands

复制代码

对于Sensor这类ZED设备，通常这些节点的Cluster在入网时与ZB Coordinator进行了绑定（Binding），使得这些ZED具有相应的属性汇报功能，若某个属性状态发生变化就会自动上报，使RW612也同步获知。


小结
NXP 三合一无线协议MCU RW612+K32W061的Matter ZigBee Bridge和OTBR方案是目前业界第一款融合了Matter ZigBee Bridge和OTBR的解决方案，具有系统简单，性价比高等优点。


此外，本文中这种RW612和K32W061的组合有两套独立的802.15.4接口，在Dual-PAN应用场景下，相比使用单一802.15.4接口时OpenThread与ZigBee在不同PAN之间频繁切换不可避免导致的丢包，本方案不存在频段切换的问题，从而完全避免了这种局限性。这种优势在大网络LNT环境下尤其明显。

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