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智能家居中控屏 Zigbee + Matter 直连后台方案

一、客户需求

客户想采用瑞芯微 RK3568 的 Android 15 系统，开发 10.1 寸智能家居中控屏，采用 Zigbee + Matter 协议。Zigbee 采用涂鸦 ZSU 模组（买空片，未烧录涂鸦固件）。

ZSU 模组规格

项目	参数
芯片	Silicon Labs EFR32MG21A020F1024IM32-B
内核	ARM Cortex-M33，80 MHz
Flash / RAM	1024 KB / 96 KB
协议	IEEE 802.15.4 / Zigbee
频段	2.4 GHz（信道 11–26）
速率	250 Kbps
发射功率	最大 +20 dBm
天线	内置 PCB 天线（增益 1.36 dBi）
工作温度	-40℃ ~ 105℃
加密	AES 128/256 硬件加密

核心诉求

不经过涂鸦接口，直接接入我们后台。

关键前提

ZSU 模组为空片（未烧录涂鸦固件），可在 EFR32MG21 芯片上烧录任意固件，完全自主可控，不受涂鸦私有协议束缚。

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二、总体架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  RK3568 Android 15 (AOSP 定制固件)                           │
│                                                              │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │  系统应用层 (System App, Java/Kotlin)                   │ │
│  │                                                         │ │
│  │  ┌──────────────┐  ┌───────────────────────┐          │ │
│  │  │ 中控屏 UI App │  │ 网关管理服务           │          │ │
│  │  │ (10.1寸界面)  │  │ (GatewayService)      │          │ │
│  │  │ 设备列表/控制 │  │ - 配网管理 API        │          │ │
│  │  │ 场景/定时     │  │ - 设备状态管理        │          │ │
│  │  └──────────────┘  │ - MQTT 上报/指令分发  │          │ │
│  │                    │ - 与 Native 层 IPC    │          │ │
│  │                    └───────────┬───────────┘          │ │
│  └────────────────────────────────┼────────────────────────┘ │
│                                   │ AIDL/Binder              │
│  ┌────────────────────────────────▼────────────────────────┐ │
│  │  Native 守护进程层 (C/C++, init.rc 启动)                 │ │
│  │                                                         │ │
│  │  ┌──────────────┐  ┌───────────────────────┐          │ │
│  │  │ zigbee-core  │  │ matter-chip           │          │ │
│  │  │ (EZSP串口)   │  │ (Matter协议栈)        │          │ │
│  │  │ UART ↔ ZCL   │  │ Commissioning/控制    │          │ │
│  │  └──────────────┘  └───────────────────────┘          │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                              │
│  ┌──────────────┐                                           │
│  │ /dev/ttyS1   │ ← ZSU 模组 UART 串口                      │
│  └──────────────┘                                           │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘
                          │ MQTT
                          ▼
        ┌─────────────────────────────────────┐
        │  我们后端 (iot-device / iot-data)    │
        │  MQTT Broker (1883)                 │
        │  iot/devices/+/data   (数据上报)    │
        │  iot/devices/+/status (状态变更)    │
        │  iot/devices/+/command(指令下发)    │
        └─────────────────────────────────────┘

数据链路说明

1. Zigbee 子设备 通过 802.15.4 无线连接到 ZSU 模组（Coordinator）
2. Matter 设备 通过 WiFi 直连 RK3568 上的 Matter Controller
3. ZSU 模组通过 UART 串口与 RK3568 通信（EZSP 协议）
4. RK3568 网关代理将设备数据转换为标准 JSON，通过 MQTT 上报后端
5. 后端通过 MQTT command topic 下发指令，网关代理转换为 ZCL/Matter 命令

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三、ZSU 模组固件方案

EFR32MG21 烧录 Silicon Labs 官方 EmberZNet Zigbee Coordinator 固件，通过 EZSP（Ember Zigbee Serial Protocol） 与 RK3568 通信。

项目	方案
协议栈	Silicon Labs EmberZNet PRO（Zigbee 3.0 认证）
角色	Coordinator（协调器，网络中心节点）
通信接口	UART，使用 EZSP ASH 协议帧
固件来源	Silicon Labs Simplicity Studio 生成（免费，需注册 SL 账号）
配套工具	zigbee-herdsman（Node.js）或自研 C 库

优势：EmberZNet 是业界最成熟的 Zigbee 协议栈，兼容所有标准 Zigbee 3.0 设备（飞利浦 Hue、宜家、小米等标准子设备）。

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四、Matter 方案

RK3568 运行 Android 15，Matter 控制器直接运行在中控屏上，不需要 ZSU 模组参与（Matter 设备走 WiFi/Thread）。

项目	方案
Matter 协议栈	Google matter.js 或 Android CHIP SDK（官方推荐）
Commissioning	RK3568 上发起，扫码或 NFC 配网
Thread 支持	可选：若需 Thread Border Router，需第二颗 ZSU 模组或双协议栈固件
设备控制	中控屏本地直连 Matter 设备，不经过云

注：EFR32MG21 同时支持 Zigbee 和 Thread（均为 802.15.4），但同一时刻只能运行其中一种固件。若需 Thread Border Router，需用第二颗模组。一期建议 Matter 走 WiFi，二期再评估 Thread。

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五、网关代理 App 部署形态

5.1 结论

不采用独立安装的普通 App，以 Android 系统级服务方式集成到 AOSP 嵌入式固件中。

RK3568 运行的是客户自编译的 AOSP（Android Open Source Project），网关代理作为系统内置服务，而非用户可卸载的普通 App。

5.2 三层架构

层	形态	语言	职责	升级频率
Native 守护进程	C/C++ 可执行文件，init.rc 启动	C/C++	EZSP 串口通信、ZCL 命令、CHIP SDK	极少
系统应用 (GatewayService)	编译进 AOSP 的 System App	Java/Kotlin	配网管理、设备状态、MQTT 上报、指令分发	中等
中控屏 UI App	System App，可独立 OTA	Java/Kotlin	10.1 寸触控界面	较高

5.3 为什么选系统应用而非独立 App

对比项	独立 App	系统应用（推荐）
开机自启	需监听 BOOT_COMPLETED，可能被杀	随系统启动，不会被杀
串口访问	需 USB Host 或反射，权限受限	直接读写 /dev/ttyS1，system 权限
Matter Commissioning	需 Google Play Services	系统级集成 CHIP SDK，不依赖 GPS
网络稳定性	后台被杀则设备离线	作为系统服务常驻，设备永远在线
OTA 升级	APK 独立升级	系统应用也可独立 OTA（无需刷固件）
用户体验	用户可误删	不可卸载，出厂内置

5.4 Native 守护进程

用 C/C++ 实现底层协议栈，编译为 Native 可执行文件，通过 init.rc 配置开机启动：

# device/rockchip/rk3568/init.gateway.rc
service zigbee_core /system/bin/zigbee-core /dev/ttyS1 115200
    class main
    user system
    group system
    oneshot
    seclabel u:r:gateway_service:s0

service matter_chip /system/bin/matter-chip --controller
    class main
    user system
    group system inet
    seclabel u:r:gateway_service:s0

职责：

• zigbee-core：EZSP 串口通信、Zigbee 设备配对/控制、ZCL 命令收发
• matter-chip：基于 Google CHIP (C++) SDK，Matter Commissioning 和设备控制

为什么用 C/C++ 而非 Java：

• EmberZNet 的 EZSP 库是 C 语言
• Google Matter SDK 官方实现是 C++
• 串口实时通信 C 更高效，延迟低

5.5 系统应用 (GatewayService)

编译进 AOSP 的 System App，通过 AIDL/Binder 与 Native 进程通信：

// 网关管理服务
public class GatewayService extends IGatewayService.Stub {
    // Zigbee 配网
    public int startPermitJoin(int duration) { ... }
    public List<ZigbeeDevice> getPairedDevices() { ... }
    public int removeDevice(String ieeeAddr) { ... }

    // Matter 配网
    public String generateMatterQRCode() { ... }
    public int commissionDevice(String payload) { ... }

    // 指令下发
    public int sendCommand(String deviceId, String command, JSONObject params) { ... }

    // 与后端 MQTT 通信
    private MqttClient mqttClient;
    private void reportToServer(String deviceId, String data) { ... }
}

5.6 嵌入式开发要求

问题	回答
是否需要 Android 嵌入式开发能力？	是。需编译 AOSP 固件、配置 init.rc、编写 SELinux 规则
是否需要改 Linux 内核？	通常不需要，RK3568 的 UART 驱动内核已支持
是否需要硬件原理图？	需要，确认 ZSU 模组的 UART 接到 RK3568 的哪个串口
开发环境	Ubuntu + AOSP 源码 + RK3568 SDK（瑞芯微提供）
调试方式	ADB + 串口日志 + Wireshark 抓 Zigbee 包

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六、后端需要做的工作

6.1 已有可复用的基础设施

已有能力	复用方式
MQTT Broker + topic 规范	网关 App 直接按 iot/devices/{id}/data 格式上报
device 表 + platform 字段	新增 zigbee/matter 平台值
device_data_record 时序存储	数据格式不变，直接入库
指令下发 MQTT command topic	网关 App 订阅后转换为 Zigbee/Matter 指令

6.2 需新增的后端工作

模块	内容	工作量
A. 网关设备注册	RK3568 中控屏作为"网关设备"注册到 device 表（platform=gateway），下挂子设备通过 gateway_id 关联	1-2 天
B. Zigbee 配网管理 API	开启/关闭 Permit Join、查询已配对子设备列表、删除子设备	2-3 天
C. Matter 配网 API	生成 Commissioning QR Code、接收 commissioning 回调、设备列表同步	3-4 天
D. MQTT 数据处理补全	当前 deviceDataHandler 只有日志，补全实际写入 device_data_record 的逻辑	1-2 天
E. 属性映射	Zigbee Cluster（如开闭 0006、亮度 0008）→ 平台功能点（switch、brightness）；Matter Cluster → 功能点	2-3 天
F. 指令下发适配	平台指令 → Zigbee ZCL 命令 / Matter 命令格式转换（在网关 App 侧实现，后端只需透传 JSON）	1 天
G. 设备分组/场景	Zigbee Group 管理、本地场景表	2 天（可选，一期可不做）
合计（后端）		12-17 人天

6.3 数据库变更

-- device 表新增网关关联字段
ALTER TABLE device ADD COLUMN gateway_id BIGINT NULL COMMENT '网关设备ID' AFTER owner_id;
ALTER TABLE device ADD INDEX idx_device_gateway (gateway_id);

-- 新增 Zigbee 设备属性映射表
CREATE TABLE device_zigbee_endpoint (
  id BIGINT PRIMARY KEY COMMENT '主键ID',
  device_id BIGINT NOT NULL COMMENT '设备ID',
  endpoint TINYINT NOT NULL COMMENT 'Zigbee Endpoint',
  cluster_id INT NOT NULL COMMENT 'Cluster ID',
  cluster_name VARCHAR(50) COMMENT 'Cluster名称',
  attribute_id INT NOT NULL COMMENT 'Attribute ID',
  attribute_name VARCHAR(50) COMMENT 'Attribute名称',
  data_type VARCHAR(20) COMMENT '数据类型',
  create_time DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COMMENT='Zigbee设备属性映射表';

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七、客户端（RK3568 网关代理）工作量

模块	内容	工作量
EZSP 串口通信	与 ZSU 模组 UART 通信，解析 ASH 帧	3-4 天
Zigbee 设备管理	Permit Join、配对回调、属性上报、指令下发	4-5 天
Matter Controller	集成 CHIP SDK，Commissioning、设备控制	4-5 天
MQTT 客户端	连接后端 Broker，上报数据/订阅指令	1-2 天
协议转换层	Zigbee ZCL ↔ 平台 JSON 格式互转	2-3 天
合计（客户端）		14-19 人天

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八、工作分工

层	负责方	工作量	依赖
AOSP 固件定制	客户硬件团队	1-2 周	RK3568 SDK、硬件原理图
Native 协议层（C/C++）	可外包/自研	2-3 周	EmberZNet SDK、CHIP SDK
系统应用（GatewayService）	我们开发	2-3 周	Native 层接口定义
中控屏 UI App	我们开发	3-4 周	GatewayService API
后端 API	我们开发	2-3 周	无依赖，可并行

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九、分阶段实施计划

第一期（MVP，6-8 周）

• ZSU 烧录 EmberZNet Coordinator 固件
• RK3568 网关 App 实现 Zigbee 设备配对 + MQTT 上报
• 后端补全 MQTT 数据处理 + Zigbee 配网 API
• 支持：开关、调光、传感器三类标准 Zigbee 设备

第二期（3-4 周）

• RK3568 集成 Matter Controller
• 后端 Matter 配网 API
• 支持 WiFi Matter 设备

第三期（可选）

• Thread Border Router（需第二颗 ZSU 或双协议栈方案）
• 本地场景引擎
• 设备分组

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十、总工作量

模块	工作量
后端	12-17 人天
客户端（RK3568 网关代理）	14-19 人天
AOSP 固件定制（客户方）	1-2 周
合计（我方）	26-36 人天

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十一、结论

ZSU 空片方案完全可行且推荐。核心优势：

1. 绕过涂鸦生态锁定，Zigbee 链路完全自主
2. EFR32MG21 + EmberZNet 是业界成熟方案，子设备兼容性好
3. 我们后端已有 MQTT 基础设施，主要工作量在网关 App 和配网 API
4. Matter 走 RK3568 原生 Android，不依赖 ZSU
5. 网关代理以系统级服务集成到 AOSP 固件，开机自启、不可卸载、稳定可靠

前置确认事项

客户需提供：

• RK3568 AOSP SDK 及编译环境
• 硬件原理图（确认 ZSU 模组 UART 接口）
• 是否有 Android 嵌入式开发能力（若无，可退而求其次用普通 App + root 权限方案）