Raspberry Pi Pico Wで作るMatter対応スマートプラグ：Thread/BLE/CLA併用で相互運用性確保

部品と材料

開発環境・SDK・ライブラリ

• Matter SDK：connectedhomeip（v1.2以降推奨）
• Pico SDK：pico-sdk（C/C++ネイティブ開発）
• FreeRTOS：Matterスタック動作用（Pico SDK統合版）
• mbedTLS：暗号化/証明書管理（Matter SDK同梱）
• 開発ツール：VS Code + CMake + Ninja + OpenOCD（デバッグ）、または piotool
• 認証ツール：chip-tool（コミッショニング/クラスタ操作）、chip-cert（証明書生成）

プロジェクト概要

Raspberry Pi Pico WをメインMCUとし、Matter 1.2/1.3仕様に準拠したスマートプラグを開発します。Matterの最大の利点は「マルチエコシステム相互運用性」：Apple HomeKit、Google Home、Amazon Alexa、Samsung SmartThings、Home Assistant等、主要プラットフォーム全てでネイティブ対応可能になります。Thread/BLE/Wi-Fiの複数トランスポートを併用し、コミッショニング（初期設定）はBLE、運用通信はWi-Fi（またはThread Border Router経由でThread）というハイブリッド構成を実装します。

対応Matterクラスタ・機能

ハードウェア設計のポイント

電力計測：HLW8032

• UARTインターフェース（4800bps、パリティ偶数）でPico WのUART0/1に接続
• 外部シャント抵抗（1mΩ級）で電流検出、分圧抵抗で電圧検出
• 校正手順：既知負荷（白熱電球等）で電圧/電流/電力のゲイン調整
• サンプリングレート：約2Hz、RMS演算内蔵で高精度
• アイソレーション：HLW8032は非絶縁ICのため、MCU側は電源/信号ともにアイソレート必須（フォトカプラまたはデジタルアイソレータISO7741等）。本設計ではPico W側を「高電圧側基準」とし、USB/プログラミングインターフェースを物理分離するか、アイソレート付きプローブ使用で対応。

電源系：安全・効率・待機電力

• AC-DC：非絶縁バックコンバータ（BP5001等）または絶縁フライバック（LD5750等）で5V生成
• DC-DC：5V→3.3V、軽負荷効率重視（HT7833等LDO、またはMP2307等同期整流DC-DC）
• 待機電力目標：< 0.3W（Matter認証要件参考）
• MOV（バリスタ）でサージ吸収、X2コンデンサでコモンモードノイズ抑制
• ヒューズ（1A タイムラグ）をL線直列に配置

リレー駆動

• ローコイル電流（<10mA）のリレーを選定、Pico W GPIO（3.3V）でトランジスタ経由駆動
• フライホイールダイオード必須、スナバ回路（RC）でアーク抑制
• フェイルセーフ（通電でON）かフェイルセキュア（通電でOFF）か用途で選定。スマートプラグは通常フェイルセーフ

アンテナ・無線性能

• Pico Wオンボードアンテナ使用（基板エッジ配置、金属部品離隔）
• 金属筐体不可、プラスチック筐体でも厚み・誘電率で特性変化。実装後TRP/TIS測定推奨
• BLEコミッショニング用に近距離通信確保、Wi-Fi運用時はAPからのRSSI > -65dBm確保

ソフトウェアアーキテクチャ（Matter SDK on Pico W）

ビルドシステム構成

# CMakeLists.txt 抜粋
cmake_minimum_required(VERSION 3.13)
include($ENV{PICO_SDK_PATH}/external/pico_sdk_import.cmake)
project(pico_matter_smartplug C CXX ASM)
set(CMAKE_C_STANDARD 11)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
pico_sdk_init()

# Matter SDK をサブモジュールまたは外部参照で取り込み
add_subdirectory(${MATTER_SDK_PATH} matter_sdk)

# アプリケーション
add_executable(pico_matter_smartplug
    src/main.cpp
    src/app_task.cpp
    src/hlw8032_driver.cpp
    src/rgb_led.cpp
    src/button_handler.cpp
    src/power_monitor.cpp
    src/ota_handler.cpp
)

target_link_libraries(pico_matter_smartplug PRIVATE
    pico_stdlib
    pico_cyw43_arch_lwip_threadsafe_background
    pico_multicore
    Matter::Matter
    Matter::Platform
    Matter::Crypto
    Matter::Controllers
    # 必要なクラスタライブラリ
    Matter::Clusters::OnOff
    Matter::Clusters::ElectricalPowerMeasurement
    Matter::Clusters::ElectricalEnergyMeasurement
    Matter::Clusters::PowerSource
    Matter::Clusters::Descriptor
    Matter::Clusters::BasicInformation
    Matter::Clusters::OTASoftwareUpdate
)

pico_enable_stdio_usb(pico_matter_smartplug 1)
pico_enable_stdio_uart(pico_matter_smartplug 0)
pico_add_extra_outputs(pico_matter_smartplug)

メインタスク構成（FreeRTOSタスク）

• App Task (Core 0)：Matterスタックイベントループ、クラスタ属性更新、コミッショニング処理、OTA処理
• Network Task (Core 0, cyw43 arch内部)：Wi-Fi/BLEスタック、LwIP
• Sensor Task (Core 1)：HLW8032 UART読取 → 電力パラメータ計算 → Matter属性更新（ElectricalPowerMeasurementクラスタ） → 積算電力量累積（ElectricalEnergyMeasurement） → 閾値チェック（過電流/過電力アラート）
• UI Task (Core 1)：ボタン割り込み処理（長押し=ペアリングモード、短押し=トグル）、RGB LEDステータスマシン駆動

主要実装ファイル概要

1. main.cpp：ハードウェア初期化、FreeRTOSタスク生成、Matterスタック初期化（Matter::DeviceLayer::PlatformMgr().StartEventLoopTask()）
2. app_task.cpp：AppTaskクラス、Matterイベントハンドラ（OnDeviceEvent、OnPlatformEvent）、属性変更コールバック（OnAttributeChangeでOnOff制御受信→リレー駆動）
3. hlw8032_driver.cpp：UARTパーサー、校正パラメータ管理、定期読取タスク、Matter属性への書込み（DataModel::WriteAttribute）
4. power_monitor.cpp：積算電力量計算（Wh = Σ(W × Δt/3600)）、フラッシュ/ RTCメモリへの定期保存（電源断対策）、リセットコマンド処理
5. rgb_led.cpp：MatterステータスLEDパターン実装（仕様書Section 5.10準拠）
6. button_handler.cpp：ボタンデバウンス、長押し検出、アクション割当（工場出荷リセット、ペアリングモード、ローカルトグル）
7. ota_handler.cpp：Matter OTAイメージ検証・適用・ロールバック、ベンダー固有メタデータ対応