CONTROL OF ESP32 MICROCONTROLLER USING MATTER PROTOCOL: SIMULATION OF IOT LIGHTING
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ni10202506062150
Jonatas Andrei Szinvelski
Resumo
Este artigo apresenta uma demonstração prática do funcionamento do protocolo Matter em um microcontrolador ESP32, configurado para atuar como uma smart light em um ambiente de Internet das Coisas (IoT). A implementação foi realizada com base no exemplo oficial fornecido pela equipe do projeto CHIP (Connected Home over IP), utilizando o conjunto de ferramentas Matter SDK. O principal objetivo é analisar o comportamento do protocolo Matter e compreender suas vantagens em relação a tecnologias convencionais como Wi-Fi, BLE e Thread, com foco na interoperabilidade e simplicidade de integração entre dispositivos inteligentes. A metodologia envolveu a compilação, o carregamento e a execução do exemplo de smart light no ESP32, além da realização de testes de pareamento e controle utilizando uma rede Thread simulada. Os resultados obtidos evidenciam que o protocolo Matter proporciona uma experiência de configuração mais padronizada e intuitiva, além de facilitar a comunicação entre dispositivos de diferentes fabricantes, abstraindo a complexidade dos protocolos subjacentes. A demonstração prática mostrou que é possível controlar a smart light via comandos externos com baixo tempo de resposta e alta confiabilidade na comunicação. Conclui-se que o Matter representa uma evolução significativa para aplicações em domótica, por permitir maior compatibilidade entre dispositivos, segurança embutida no protocolo e facilidade na expansão de redes IoT residenciais com esforço reduzido de integração.
Palavras-chave: Internet das Coisas, Protocolo Matter, Microcontrolador, Smart Device.
1 INTRODUÇÃO
O uso de tecnologias de Internet das Coisas (IoT) tem se tornado cada vez mais comum, especialmente com o avanço de soluções voltadas para casas inteligentes e cidades conectadas. Atualmente, dispositivos inteligentes utilizam diversos protocolos de comunicação sem fio, como Wi-Fi, Bluetooth, Thread e Zigbee, para possibilitar a troca de informações e a automação de tarefas. Apesar de cumprirem essa função, essas tecnologias frequentemente operam de forma independente, sem garantir interoperabilidade entre diferentes fabricantes e ecossistemas (IBM, 2024).
Essa diversidade de protocolos gera uma barreira significativa para a integração eficiente dos dispositivos em ambientes IoT, dificultando a gestão de redes heterogêneas e limitando a experiência do usuário final. Além disso, a ausência de um padrão universal para a comunicação sem fio em IoT acarreta desafios relacionados à segurança, escalabilidade e confiabilidade das redes, que se tornam ainda mais críticos à medida que o número de dispositivos conectados cresce exponencialmente (JAMSHED et al., 2022).
Para superar essas limitações, em 2019 foi criado o projeto Connected Home over IP, iniciativa liderada por grandes empresas como Apple, Amazon e Google, que resultou na formação da Connectivity Standards Alliance (CSA). Dessa colaboração nasceu o protocolo Matter, projetado para padronizar a comunicação entre dispositivos inteligentes, simplificar a integração, garantir segurança e promover confiabilidade na operação dos sistemas IoT (AMAZON, 2024; CSA, 2024).
Apesar do potencial do Matter, há ainda lacunas na compreensão de seu funcionamento prático em dispositivos de hardware amplamente usados, como o microcontrolador ESP32, popular em aplicações residenciais devido ao seu baixo custo e versatilidade. Compreender como o Matter opera neste contexto é fundamental para avaliar seus benefícios e desafios na implementação de soluções de automação residencial.
Diante deste cenário, este trabalho tem como objetivo analisar a implementação e funcionamento do protocolo Matter em dispositivos baseados no microcontrolador ESP32, utilizando uma aplicação prática de automação residencial com lâmpada inteligente. A pesquisa justifica-se pela relevância do Matter como padrão emergente no mercado de IoT, que pode facilitar a integração entre dispositivos e contribuir para o avanço da automação residencial com maior segurança e simplicidade para o usuário final.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Protocolo Comunicação Matter
Protocolo Matter é um voltado para interoperabilidade entre dispositivos destinados a ecossistemas de casas inteligentes. Matter é um conjunto SDK de código aberto e possuí a capacidade ser executado em qualquer tipo de transporte com a rede IPv6, porem isso não impede que se comunique com redes de baixa frequência como Bluetooth. (CSA,2024)
O protocolo Matter é implementado na camada de aplicação, desta forma ele opera em uma camada superior aos protocolos de comunicação como WiFi, Bluetooth, Thread, Internet, entre outros. Por conta disto consegue oferecer essa interoperabilidade entre dispositivos de fabricantes diferentes e que utilizem tecnologias de comunicação diferentes em uma rede de casa inteligente. De forma reduzida ele abstrai o meio físico de comunicação e permite que os dispositivos possam se comunicar de forma transparente. Na Figura 8 apresenta um comparativo entre o modelo TCP/IP, modelo OSI e o Protocolo Matter, com isso podemos entender onde o Protocolo Matter foi desenvolvido para operar, fazendo uma correlação entre as camadas dos modelos. (CSA,2024)
Figura 1 – Camadas Matter, TCP/IP e OSI
A equipe do Google Home Developers reforça os benefícios da implementação do protocolo Matter em dispositivos voltados para casa inteligente, porém para que seja possível que uma rede seja criada e o dispositivos interajam é necessário que o dispositivo seja compatível com este protocolo, caso um dispositivo não tenha o protocolo Matter nativo ele apenas poderá se comunicar através de dispositivos chamados bridges que faram a ponte entre o protocolo do dispositivo e a rede Matter.
O Matter é flexível e interoperável. Criado após anos de desafios e sucessos de redes 802.15.4 de baixa potência, assim como Dispositivos de casa inteligente com Wi-Fi. Como Thread, Matter builds sobre o IPv6. Ela inclui uma criptografia forte, modelagem bem definida de tipos de dispositivos e seus dados, e o suporte para vários administradores do ecossistema. (GOOGLE, 2024)
Quando falamos em disponibilidade Matter em dispositivos de casa inteligente como lâmpadas, assistentes virtuais, interruptores e tomadas, para que seja possível identificar se possuem de forma nativa o protocolo Matter é adicionado a logo do protocolo na caixa ou no produto conforme a Figura 9. (CSA,2024)
2.2 Microcontrolador ESP32 WROOM
Os sistemas embarcados surgiram em meados de 1960, com a aparição do AGC (Apollo Guidance Computer), primeiro sistema embarcado desenvolvido para controlar espaçonaves Apollo onde sua construção é utilizando portas lógica, com a evolução da tecnologia foram sendo introduzidos processadores que aumentou significativamente o desempenho. (CHASE, 2007)
Atualmente os sistemas embarcados estão presentes em diversas aplicações do nosso dia a dia, como por exemplo em televisões, satélites, sistemas bélicos, equipamentos industriais, veículos, e entre outros dispositivos. O que permitiu a expansão do uso destes sistemas embarcados é a sua versatilidade, pois os sistemas embarcados podem ser definidos como computadores otimizados para uma aplicação especifica, visando características como consumo, tamanho físico, custo e desempenho. (CHASE, 2007)
Os sistemas embarcados são elementos fundamentais no ambiente IoT pois a capacidade de tornar objetos inteligentes é devido ao desenvolvimento dos sistemas embarcados específicos para aplicações domesticas, que permite a execução de controle e troca de informações de forma remota.
2.2.1 Microcontrolador ESP32
ESP32 é uma placa microcontrolador (MCU) desenvolvido pela Espressif Systems e possuí tecnologias integradas de WiFi e Bluetooth, com isso consegue rodar perfeitamente em aplicações de baixo custo, este modelo é amplamente usado nos ambientes IoT pois consegue realizar a comunicação de dispositivos como sensores inteligentes e transmitir esses dados para uma rede. Comercialmente a placa mais popular é chamada ESP32WROOM, na Figura 3 temos um uma imagem de um exemplar de dispositivo microcontrolador ESP32WROOM. (ESPRESSIF,2024)
Figura 2 – Microcontrolador ESP32WROOM
3 METODOLOGIA
Para o desenvolvimento do projeto, foram utilizados os seguintes componentes e ferramentas: o microcontrolador ESP32-WROOM-32, o firmware exemplo de lâmpada (light) do ESP-Matter SDK disponibilizado pela Espressif e o ambiente de desenvolvimento Visual Studio Code rodando em WSL (Windows Subsystem for Linux) com Ubuntu. O framework ESP-IDF e o SDK ESP-Matter foram instalados dentro do ambiente WSL, seguindo a documentação oficial da Espressif. Para o controle remoto do dispositivo, foi utilizado o aplicativo móvel Espressif Rainmaker.
O circuito físico contou com um LED conectado a um pino digital do ESP32, protegido por um resistor de 220Ω, e um botão físico (BOOT do próprio ESP32) que serve como controle local do LED. A alimentação foi fornecida por uma fonte USB de 5V, e o desenvolvimento ocorreu em um computador com sistema operacional Windows.
O desenvolvimento da aplicação foi dividido em quatro etapas principais: configuração do ambiente de desenvolvimento; adaptação e compilação do firmware; provisionamento e controle via aplicativo; e, por fim, testes de funcionamento.
Inicialmente, o ambiente foi configurado utilizando o Visual Studio Code em Windows, com o WSL Ubuntu para oferecer um ambiente Linux. Em seguida, o firmware exemplo light do ESP-Matter SDK foi adaptado para controlar o LED e responder ao acionamento do botão físico. Após a gravação do firmware no ESP32, o dispositivo foi provisionado utilizando o aplicativo Espressif Rainmaker, que permitiu o controle remoto via smartphone por meio do pareamento com código QR gerado pelo firmware, conforme os padrões do protocolo Matter.
Por fim, foram realizados testes para validar o funcionamento do dispositivo, tanto via botão físico quanto pelo aplicativo, confirmando a conformidade da aplicação com o protocolo Matter.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES OU ANÁLISE DOS DADOS
Para avaliação de uso e desempenho foi montado o projeto e aplicado na pratica, o foco sendo avaliar a facilidade de integração e a capacidade de atender a proposta de funcionalidade do projeto. Na figura 3 demonstra o circuito utilizado para implementar o projeto.
Figura 3 – Circuito Utilizado para Testes.
Após a alimentação, o dispositivo inicia o processo de comissionamento, ficando disponível para configuração via aplicativo Espressif Rainmaker, que permite a conexão e controle do dispositivo em quatro etapas básicas: inicialização do aplicativo, escaneamento do QR Code padrão do dispositivo Matter, adição ao grupo de controle e acesso aos comandos disponíveis.
Primeira etapa: Inicialização de Aplicativo Rainmaker
Iniciar o aplicativo logo irá aparecer a tela inicial do Rainmaker, com isso é necessário adicionar um dispositivo (Add Device) e selecionar o grupo que este dispositivo fará parte dentro do aplicativo, sendo esta uma divisão organizacional do próprio Rainmaker. Na figura 4 e 5 mostra o painel inicial e a seção de grupos do aplicativo Rainmaker.
Figura 4 e 5 – Aplicativo Rainmaker.
Segunda Etapa: Comissionamento
Após selecionar o grupo, será necessario scanear o QR Code de dispostivo, este QR Code é padronizado nos exemplos disponibilizados pela SDK Matter, porém se tratando de dispositivos comerciais cada dispositivo terá seu próprio QR Code. Na figura 6 mostra o QR Code utilizado no exemplo.
Figura 6 – QR Code Dispositivo Matter.
Terceira Etapa: Adicionar ao grupo e finalização de configuração
Em seguida estemos nas etapas finais de configuração, sendo apenas necessario adicionar o dispositivo e com isso ele estara disponivel para ser acessado na tela inicial do aplicativo. Conforme demonstrado na figura 7 e 8 a tela de inclusão de dispositivo após escanear do QR Code e o dispositivo smart adicionado ao aplicativo.
Figura 7 e 8 – Adicionar Dispositivo e Dispositivo Configurado.
Quarta Etapa: Controle do dispositvo matter através do aplicativo
Com o dispositivo devidamente configurado podemos acessa-lo e com isso termos acesso aos comandos disponiveis, onde neste exemplo apenas será explorado a função ON/OFF, porem este projeto tem a possibilidade de controle de intensidade e temperatura da cor.
O controle do LED foi testado utilizando duas formas de acionamento: pelo botão físico integrado ao ESP32 (botão BOOT) e pelo botão virtual presente no aplicativo Rainmaker. A Figura 9 mostra o painel de controle do dispositivo no app, com o comando ON/OFF utilizado para ligar e desligar o LED.
Figura 9 – Painel do dispositivo matter
Com intuito de avaliar o que acontece com o dispositivo Matter, podemos verificar a saída do monitor do ESP32 mostra quando ocorre cada comando. Na figura 10 mostra a saída do monitor serial enquanto ocorre o comissionamento do ESP32 com aplicativo Rainmaker.
Figura 10 – Monitor Serial Comissionamento.
Como existes duas formas de acionamento do LED que pode ocorrer via botão físico ou botão virtual, temos abaixo as imagens relativas aos registros quando ocorre cada evento. Na figura 11 a saída do monitor do ESP32 quando o LED é apagado vião botão físico.
Figura 11 – Saída Monitor Serial Evento Físico.
Após o evento podemos conseguimos avaliar a resposta no dispositivo ESP32 executando o comando de apagar o LED. Na figura 12 temos uma imagem do circuito após realizar o comando.
Figura 12 – Dispositivo com LED apagado após comando pelo botão físico.
Para testes via botão virtual foi enviado comando através do aplicativo Rainmaker. Conforme mostrado na Figura 13 o painel do aplicativo Rainmaker indicando que foi passado o comando de ligar LED.
Figura 13 – Dispositivo com LED aceso após comando pelo aplicativo
Para validar o comportamento do ESP32, abaixo temos a saída do monitor serial representando o registro do comando recebido e imagens do dispositivo operando. Na figura 14 mostra a saída do monitor serial recebendo o comando enviado pelo aplicativo Rainmaker.
Figura 14. Saída Monitor Serial Botão Virtual
Com isso temos que o LED foi acesso através do aplicativo. Na figura 15 temos o circuito do ESP32 onde executa o comando de acender o LED.
Figura 15. Dispositivo com LED aceso após comando pelo aplicativo
Durante os testes, foram observadas as mensagens exibidas no monitor serial do ESP32, tanto no momento do comissionamento quanto na execução dos comandos físicos e virtuais.
O Quadro 1 resume os testes realizados, métodos empregados e resultados obtidos, todos dentro do esperado, confirmando a eficácia da integração do protocolo Matter no dispositivo ESP32.
Quadro 1 – Resumo dos Testes Realizados
| Teste Realizado | Método | Resultado Esperado | Resultado Obtido |
| Comissionamento via QR Code | App Rainmaker | Dispositivo adicionado | Sucesso |
| Controle via botão físico | BOOT do ESP32 | LED liga/desliga | Sucesso |
| Controle via app | Botão ON/OFF virtual | LED liga/desliga | Sucesso |
5 CONCLUSÃO/CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este estudo demonstrou a viabilidade de implementar um dispositivo compatível com o protocolo Matter utilizando o microcontrolador ESP32. A principal vantagem observada foi a agilidade no processo de integração com assistentes virtuais, evidenciada pela simplicidade do provisionamento via QR Code, eliminando a necessidade de configurações manuais complexas comuns em outras tecnologias.
Durante a implementação, enfrentaram-se desafios relacionados à configuração do ambiente de desenvolvimento e à compreensão da estrutura modular do SDK ESP-Matter, indicando que, embora acessível, a curva de aprendizado inicial requer familiaridade com ferramentas de desenvolvimento embarcado.
A solução proposta mostrou-se funcional e replicável, oferecendo um caminho acessível para desenvolvedores interessados em explorar o ecossistema Matter. Para trabalhos futuros, recomenda-se a expansão da aplicação para múltiplos dispositivos conectados, a utilização de novos clusters (como LevelControl ou ColorControl) e testes com diferentes assistentes virtuais comerciais, além de uma análise comparativa de desempenho entre protocolos de conectividade.
REFERÊNCIAS
(INTERNATIONAL BUSINESS MACHINE CORPORATION (IBM). O que é a Internet das Coisas (IoT)?. Disponível em: https://www.ibm.com/br-pt/topics/internet-of-things. Acesso em: 10 de março de 2025.
CONNECTIVITY STANDARDS ALLIANCE (CSA). Matter. Disponível em: https://csa-iot.org/pt/all-solutions/matter/. Acesso em: 10 de março de 2025.
AMAZON WEB SERVICE (AWS). Adotando o padrão Matter para fabricantes de dispositivos de IoT. Disponível em: https://docs.aws.amazon.com/pt_br/prescriptive-guidance/latest/strategy-matter-standard/introduction.html. Acesso em: 10 de março de 2025.
ESPRESSIF SYSTEMS. ESP-Matter SDK. Disponível em: https://github.com/espressif/esp-matter. Acesso em: 8 de fevereiro de 2025.
ESPRESSIF SYSTEMS. Getting Started Guide. Disponível em: https://docs.espressif.com/projects/esp-matter/en/latest/. Acesso em: 20 de fevereiro de 2025.
GITHUB. Matter Light Example. Disponível em: https://github.com/espressif/esp-matter/tree/main/examples/light. Acesso em: 8 de fevereiro de 2025.
ESPRESSIF. Rainmaker App Documentation. Disponível em: https://rainmaker.espressif.com/. Acesso em: 8 de fevereiro de 2025.
JAMSHED, Muhammad Ali et al. Challenges, applications, and future of wireless sensors in Internet of Things: A review. IEEE Sensors Journal, v. 22, n. 6, p. 5482-5494, 2022.)