Подключение ESP32 к умному дому по протоколу Matter

16.11.2023Вольтик.руИнтернет вещей, Программирование в Arduino IDE, Проекты на ESP8266 / EPS32, Умный дом на ArduinoКомментариев нет

Протокол Matter – это открытый стандарт для умного дома, разработанный для обеспечения совместимости и универсального взаимодействия между различными устройствами умного дома. Его целью является упрощение процесса подключения, управления и взаимодействия между устройствами, независимо от их бренда или производителя.

Роль протокола Matter в умном доме заключается в создании стандартизированной среды, где разнообразные устройства, такие как умные термостаты, замки, освещение, датчики и другие, могут легко общаться между собой без ограничений, основанных на технических особенностях или производителях. Это содействует прозрачной интеграции различных устройств и созданию более удобного и эффективного умного дома для пользователей.

Протокол Matter основан на стандартах IP (Internet Protocol), что делает его более доступным и удобным для использования в сетях IoT (Интернет вещей). Этот стандарт предоставляет универсальный язык для устройств, что обеспечивает совместимость между ними и позволяет им работать вместе без проблем совместимости или обмена данными.

Благодаря протоколу Matter у пользователей умного дома есть возможность легко добавлять новые устройства к своей сети, не беспокоясь о том, совместимы ли они с уже имеющимися устройствами. Этот стандарт содействует развитию умного дома, делая его более доступным, гибким и удобным для использования различных устройств в повседневной жизни.

Home Assistant – это популярная и мощная платформа для создания умного дома с открытым исходным кодом. Это программное обеспечение позволяет создавать централизованную систему управления для различных устройств в умном доме. Оно работает как центральный хаб, интегрируя и управляя устройствами различных производителей через единый интерфейс.

В данной статье мы рассмотрим процесс настройки Home Assistant, программирования ESP32 и подключения его к Home Assistant через протокол Matter. Мы шаг за шагом изучим, как настроить вашу систему Home Assistant для интеграции устройства на ESP32, программировать ESP32 для работы с протоколом Matter и успешно осуществить их взаимодействие с помощью Home Assistant.

Настройка Home Assistant и его поддержки для Matter

Установка VirtialBox

Для настройки Home Assistant нам понадобится платформа виртуализации, такая как VirtualBox. Это свободное программное обеспечение, которое позволяет создавать и запускать виртуальные машины на вашем компьютере. VirtualBox является удобным инструментом для создания изолированных сред, включая виртуальные экземпляры операционных систем, на которых можно запускать Home Assistant.

С его помощью мы создадим виртуальную машину, установим и запусти Home Assistant в виртуальной среде. Это обеспечит изоляцию системы Home Assistant от основного компьютера и позволит легко управлять настройками Home Assistant в виртуальной среде.

Создание виртуальной машины

Загрузите образ Home Assistant для VirtualBox и разархивируйте скаченный файл.
В VirtualBox создайте новую виртуальную машину. Рекомендуем выделить минимум 2 ГБ оперативной памяти , 2 ГБ хранилища 2 виртуальных процессора.
Выберите тип Linux и версию “Linux 2.6 / 3.x / 4.x (64-битная)”.
Выберите “Использовать существующий файл виртуального жесткого диска“, выберите распакованный файл VDI из скаченного ранее архива.
Отредактируйте настройки виртуальной машины, перейдите в раздел Система > Материнская плата. Выберите “Включить EFI”.
Затем перейдите в раздел Сеть > Адаптер 1. Выберите “Сетевой мост” и выберите ваш сетевой адаптер.
Затем перейдите в раздел Аудио и выберите Intel HD Audio как аудиоконтроллер.

Запустите виртуальную машину и дождитесь её загрузки, если все сделано правильно, то вы увидите следующий экран:

Подключение ESP32 к умному дому по протоколу Matter

После завершения настройки вы сможете получить доступ к Home Assistant по адресу homeassistant.local:8123. Если у вас установлена старая версия Windows или у вас более строгая сетевая конфигурация, вам может потребоваться получить доступ к Home Assistant по адресу homeassistant:8123 или http://X.X.X.X:8123 (замените X.X.X.X на ваш IP-адрес).

Установка поддержи Matter устройств в Home Assistant

Откройте страницу Home Asistant в вашем браузере.
Перейдите в Настройки > Устройства и сервисы.
В правом нижнем углу выберите кнопку “Добавить интеграцию“.
Из списка выберите “Добавить устройство Matter“, вы увидите следующее сообщение:

Далее, необходимо открыть приложение Home Assistant на вашем телефоне. Повторите шаги из предыдущего пункта, но уже на мобильном устройстве и дождитесь установки дополнения.

На этом настройка Home Assistent завершена и можно приступать к программированию ESP32!

Настройка Arduino IDE

Давайте рассмотрим, как программировать ESP32 для его интеграции в умный дом по протоколу Matter. Для примера, мы будем управлять одноканальным реле, подключенным к ESP32. Это реле может управлять, например, лампой или другим устройством. В качестве ESP32 мы будем использовать модуль NodeMCU 32S.

Для начала работы в Arduino IDE с ESP32 необходимо установить поддержку для этой платформы, а также библиотеку Matter. Вот как это сделать:

Установка поддержки для ESP32

Запустите Arduino IDE.
Найдите и откройте окно “Настройки” (Preferences).
В поле “Дополнительные ссылки для менеджера плат” (Additional Boards Manager URLs) добавьте ссылку на плату ESP32: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json
Перейдите в “Инструменты” (Tools) -> “Плата” (Board) -> “Менеджер плат” (Board Manager).
В поиске введите “ESP32”. Найдите платформу ESP32 от Espressif Systems и нажмите “Установить”.

Убедитесь, что версия платы ESP32 составляет 2.0.11. Это критически важно, так как эта библиотека содержит предварительно скомпилированные файлы!
Включите поддержку C++17 для Arduino:
- Найдите файл platform.txt для платы ESP32. В Windows он расположен по следующему пути: C:\Users\<USER>\AppData\Local\Arduino15\packages\esp32\hardware\esp32\2.0.11\platform.txt
- Внутри platform.txt найдите раздел “ESP32 Support Start section” и ключ “compiler.cpp.flags.esp32“. Измените -std=gnu++11 на -std=gnu++17. Сделайте то же самое для ESP32S3 и ESP32C3, если вы используете ESP32-S3/ESP32-C3.
- Перезапустите Arduino IDE.

Установка библиотеки Matter

Скачайте архив с библиотекой
Перейдите в меню “Скетч” (Sketch) -> “Подключить библиотеку” (Include Library) -> “Добавить .ZIP библиотеку” (Add .ZIP Library).
Выберите скачанный архив с библиотекой на вашем компьютере и нажмите “Открыть“.

После этого библиотека будет добавлена в Arduino IDE.

Программирование ESP32 для работы по протоколу Matter

Следующий скетч представляет собой пример использования ESP32 для создания устройства, подключенного к сети Matter, которое управляет реле:

#include "Matter.h"
#include <app/server/OnboardingCodesUtil.h>
#include <credentials/examples/DeviceAttestationCredsExample.h>

using namespace chip;
using namespace chip::app::Clusters;
using namespace esp_matter;
using namespace esp_matter::endpoint;

// Пин, к которому подключено реле
const int RELAY_GPIO = 13;

// Кластер и идентификатор атрибута, используемые устройством освещения Matter
const uint32_t CLUSTER_ID = OnOff::Id;
const uint32_t ATTRIBUTE_ID = OnOff::Attributes::OnOff::Id;

// Идентификатор и атрибут, которые будут назначены устройству Matter
uint16_t light_endpoint_id = 0;
attribute_t *attribute_ref;

// Callback функция для прослушивания различных событий устройства, связанных, например, с процессом настройки. Оставлена пустыой для простоты
static void on_device_event(const ChipDeviceEvent *event, intptr_t arg) {}

// Обработчик запросов на обновление атрибута.
// При запросе на обновление проверяется путь (кластер, атрибут)
// Если он соответствует атрибуту света, реле меняет свое состояние на новое.
static esp_err_t on_attribute_update(attribute::callback_type_t type, uint16_t endpoint_id, uint32_t cluster_id,
                                     uint32_t attribute_id, esp_matter_attr_val_t *val, void *priv_data) 
{
    if (type == attribute::PRE_UPDATE && endpoint_id == light_endpoint_id &&
        cluster_id == CLUSTER_ID && attribute_id == ATTRIBUTE_ID) 
    {
        // Мы получили запрос на обновление атрибута света вкл/выкл!
        bool new_state = val->val.b;
        digitalWrite(RELAY_GPIO, new_state);
    }

return ESP_OK;
}

void setup() 
{
    Serial.begin(115200);
    pinMode(RELAY_GPIO, OUTPUT);

// Включение отладочных сообщений
    esp_log_level_set("*", ESP_LOG_DEBUG);

// Настройка узла Matter
    node::config_t node_config;
    node_t *node = node::create(&node_config, on_attribute_update, nullptr);

// Настройка кластера/атрибутов света Matter с значениями по умолчанию
    on_off_light::config_t light_config;
    light_config.on_off.on_off = false;
    light_config.on_off.lighting.start_up_on_off = false;
    endpoint_t *endpoint = on_off_light::create(node, &light_config, ENDPOINT_FLAG_NONE, nullptr);

// Сохранение ссылки на атрибут on/off. Он будет использован для чтения значения атрибута позже.
    attribute_ref = attribute::get(cluster::get(endpoint, CLUSTER_ID), ATTRIBUTE_ID);

// Сохранение сгенерированного идентификатора конечной точки
    light_endpoint_id = endpoint::get_id(endpoint);

// Настройка DAC (это хорошее место также для установки пользовательских данных, паролей и т. д.)
    esp_matter::set_custom_dac_provider(chip::Credentials::Examples::GetExampleDACProvider());

// Запуск устройства Matter
    esp_matter::start(on_device_event);

// Печать кодов, необходимых для настройки устройства Matter
    PrintOnboardingCodes(chip::RendezvousInformationFlags(chip::RendezvousInformationFlag::kBLE));
}

void loop() 
{
    // Оставляем функций пустой
}

#include "Matter.h"

#include <app/server/OnboardingCodesUtil.h>

#include <credentials/examples/DeviceAttestationCredsExample.h>

using namespace chip;

using namespace chip::app::Clusters;

using namespace esp_matter;

using namespace esp_matter::endpoint;

// Пин, к которому подключено реле

const int RELAY_GPIO = 13;

// Кластер и идентификатор атрибута, используемые устройством освещения Matter

const uint32_t CLUSTER_ID = OnOff::Id;

const uint32_t ATTRIBUTE_ID = OnOff::Attributes::OnOff::Id;

// Идентификатор и атрибут, которые будут назначены устройству Matter

uint16_t light_endpoint_id = 0;

attribute_t *attribute_ref;

// Callback функция для прослушивания различных событий устройства, связанных, например, с процессом настройки. Оставлена пустыой для простоты

static void on_device_event(const ChipDeviceEvent *event, intptr_t arg) {}

// Обработчик запросов на обновление атрибута.

// При запросе на обновление проверяется путь (кластер, атрибут)

// Если он соответствует атрибуту света, реле меняет свое состояние на новое.

static esp_err_t on_attribute_update(attribute::callback_type_t type, uint16_t endpoint_id, uint32_t cluster_id,

uint32_t attribute_id, esp_matter_attr_val_t *val, void *priv_data)

{

if (type == attribute::PRE_UPDATE && endpoint_id == light_endpoint_id &&

cluster_id == CLUSTER_ID && attribute_id == ATTRIBUTE_ID)

{

// Мы получили запрос на обновление атрибута света вкл/выкл!

bool new_state = val->val.b;

digitalWrite(RELAY_GPIO, new_state);

}

return ESP_OK;

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

pinMode(RELAY_GPIO, OUTPUT);

// Включение отладочных сообщений

esp_log_level_set("*", ESP_LOG_DEBUG);

// Настройка узла Matter

node::config_t node_config;

node_t *node = node::create(&node_config, on_attribute_update, nullptr);

// Настройка кластера/атрибутов света Matter с значениями по умолчанию

on_off_light::config_t light_config;

light_config.on_off.on_off = false;

light_config.on_off.lighting.start_up_on_off = false;

endpoint_t *endpoint = on_off_light::create(node, &light_config, ENDPOINT_FLAG_NONE, nullptr);

// Сохранение ссылки на атрибут on/off. Он будет использован для чтения значения атрибута позже.

attribute_ref = attribute::get(cluster::get(endpoint, CLUSTER_ID), ATTRIBUTE_ID);

// Сохранение сгенерированного идентификатора конечной точки

light_endpoint_id = endpoint::get_id(endpoint);

// Настройка DAC (это хорошее место также для установки пользовательских данных, паролей и т. д.)

esp_matter::set_custom_dac_provider(chip::Credentials::Examples::GetExampleDACProvider());

// Запуск устройства Matter

esp_matter::start(on_device_event);

// Печать кодов, необходимых для настройки устройства Matter

PrintOnboardingCodes(chip::RendezvousInformationFlags(chip::RendezvousInformationFlag::kBLE));

}

void loop()

{

// Оставляем функций пустой

}

Разбор кода

Подключение необходимых библиотек и пространств имен

Этот код подключает необходимые библиотеки и пространства имен для работы с Matter и ESP32.

#include "Matter.h"

#include <app/server/OnboardingCodesUtil.h>

#include <credentials/examples/DeviceAttestationCredsExample.h>

using namespace chip;

using namespace chip::app::Clusters;

using namespace esp_matter;

using namespace esp_matter::endpoint;

Определение констант и переменных

Здесь определяются константы и переменные, которые будут использоваться в дальнейшем. RELAY_GPIO – это номер GPIO-пина, к которому подключено реле. CLUSTER_ID и ATTRIBUTE_ID – это идентификаторы кластера и атрибута, которые используются устройством освещения Matter. light_endpoint_id – это идентификатор конечной точки, который будет назначен устройству Matter. attribute_ref – это ссылка на атрибут “on_off”, который будет использоваться для чтения и обновления значения атрибута.

const int RELAY_GPIO = 13;

const uint32_t CLUSTER_ID = OnOff::Id;

const uint32_t ATTRIBUTE_ID = OnOff::Attributes::OnOff::Id;

uint16_t light_endpoint_id = 0;

attribute_t *attribute_ref;

Обработчик событий устройства

Этот обработчик событий устройства оставлен пустым для простоты. Он может быть использован для прослушивания различных событий устройства, связанных, например, с процессом настройки.

1	static void on_device_event(const ChipDeviceEvent *event, intptr_t arg) {}

Обработчик обновления атрибута

Этот обработчик обновления атрибута вызывается, когда происходит запрос на обновление атрибута. Он проверяет, соответствует ли путь (кластер, атрибут) атрибуту света. Если это так, реле меняет свое состояние на новое.

static esp_err_t on_attribute_update(attribute::callback_type_t type, uint16_t endpoint_id, uint32_t cluster_id,

uint32_t attribute_id, esp_matter_attr_val_t *val, void *priv_data)

{

if (type == attribute::PRE_UPDATE && endpoint_id == light_endpoint_id &&

cluster_id == CLUSTER_ID && attribute_id == ATTRIBUTE_ID)

{

bool new_state = val->val.b;

digitalWrite(RELAY_GPIO, new_state);

}

return ESP_OK;

}

Функция setup()

Создание узла Matter, который является корнем модели данных.

1 2	node::config_t node_config; node_t *node = node::create(&node_config, on_attribute_update, nullptr);

Задаём стандартный тип устройства on_off_light. Все стандартные типы устройств доступны в заголовочном файле esp_matter_endpoint.h. Каждый тип устройства имеет набор настроек по умолчанию, которые также могут быть специфичными.

on_off_light::config_t light_config;

light_config.on_off.on_off = false;

light_config.on_off.lighting.start_up_on_off = false;

endpoint_t *endpoint = on_off_light::create(node, &light_config, ENDPOINT_FLAG_NONE, nullptr);

В этой часть осуществляется настройка и запуск протокола Matter

attribute_ref = attribute::get(cluster::get(endpoint, CLUSTER_ID), ATTRIBUTE_ID);

light_endpoint_id = endpoint::get_id(endpoint);

esp_matter::set_custom_dac_provider(chip::Credentials::Examples::GetExampleDACProvider());

esp_matter::start(on_device_event);

Эта строка генерирует и выводит в монитор порта ссылку на QR-код, который понадобиться нам позже для подключения устройства

1	PrintOnboardingCodes(chip::RendezvousInformationFlags(chip::RendezvousInformationFlag::kBLE));

Спаривание устройства

Финальным этапом подключения ESP32 к умному дому является процесс спаривания устройства. Для этого, после загрузки скетча, необходимо открыть монитор порта в Arduino IDE и просмотреть журнал вывода. В журнале будет содержаться ссылка на QR-код, сгенерированный ESP32. Скопируйте эту ссылку и вставьте ее в адресную строку браузера. Таким образом, откроется QR-код, необходимый для спаривания устройства.

В мобильном приложении Home Assistant перейдите в раздел настроек и выберите пункт “Devices and services“. В правом нижнем углу экрана найдите кнопку “Add Integration“. Нажмите на нее и используйте функцию сканирования QR-кода с камеры устройства. После этого ESP32 будет успешно подключен к Home Assistant. В мобильном приложении и на веб-интерфейсе появится кнопка для управления реле, которое управляется ESP32.

В заключение, подключение устройств на базе ESP32 к умному дому через протокол Matter предоставляет возможности эффективного управления домашней средой. Реализация этого подключения, начиная с настройки Home Assistant до программирования ESP32, позволяет создать гибкую и интегрированную систему умного дома. Возможность управления устройствами через мобильное приложение Home Assistant открывает широкий спектр возможностей для контроля и управления умным домом из любой точки мира.

Интеграция ESP32 с Home Assistant по протоколу Matter – это только начало возможностей, которые предоставляет подключение устройств к умному дому. С развитием технологий интернета вещей (IoT), эта область становится все более доступной и интуитивно понятной для создания умных и инновационных решений в домашней автоматизации.

Вольтик.ру

Вольтик - это слаженная команда амбициозных и заядлых инженеров. Мы создали этот проект с целью вовлечения вас, талантливых и начинающих профессионалов, в увлекательный мир мейкерской микроэлектроники!