産業用IoTアプリケーション向けのWirelessHARTの進展と実装の探求

紹介

Highway Addressable Remote Transducer (HART) は、プロセス産業で広く使用されている有線通信プロトコルです。4,000万台以上のデバイスが展開されており、HART は 4-20 mA のアナログ電流ループを介したデジタル通信のグローバル標準であり、センサーやアクチュエーターなどのフィールド機器を分散制御システムと接続します。

WirelessHARTは、既存のHARTシステムとの後方互換性を維持しつつ、HARTにワイヤレス機能を追加する最初の産業用メッシュプロトコルとして2007年に導入されました。WirelessHARTは、世界的に利用可能な2.4 GHz周波数帯域に限定された標準的な802.15.4無線トランシーバーを使用します。プロトコルスタックの上位層では、WirelessHARTは産業用途の厳しい要求、例えば低遅延、決定性、堅牢性、およびセキュリティを満たすために、802.15.4規格に対して多数の適応や拡張を含んでいます。以下のセクションでは、WirelessHARTの概要を示します。

WirelessHART: システムアーキテクチャと動作

WirelessHARTシステムは図1に示されており、次のコンポーネントが含まれています:

WirelessHARTネットワークは、通常セキュリティマネージャーおよびネットワークマネージャーの役割を果たすゲートウェイを中心に形成されます。これにより、ワイヤレスネットワークを初期化し、新しいフィールドデバイスが設置される際に追加されます。セキュリティマネージャーとしては、セキュリティキーの生成、保存、管理、およびネットワークアクセスリストの維持と制御を担当します。ネットワークマネージャーとしては、ワイヤレスメッシュネットワーク全体の無線送信時間スケジュールや周波数ホッピングシーケンス、通信ルートを中央で整理する役割を担います。また、トポロジーの管理、ネットワークの健全性の監視、フィールドデバイス間のルートの適応を行う責任もあります。

結果として得られるワイヤレスネットワークは、冗長性があり、自己組織化し、自己修復可能で適応性のあるメッシュネットワークであり、ネットワークマネージャーによって集中管理が可能です。集中型の構成により、堅牢性、遅延、決定性、バッテリー寿命など、さまざまなニーズに合わせた最適化が可能です。例えば、堅牢性を高めるために、WirelessHART は以下の技術を提供します:

WirelessHART の導入以来、プロセス産業では WirelessHART プロトコルを展開および使用するためのいくつかのガイドラインおよびベストプラクティスが開発されてきました。例えば、送信範囲に関しては、障害物がある場合でも 30m の範囲で単一ホップ通信が可能ですが、障害物がない場合やマルチホップ通信設定では、さらに長い範囲が実現可能です。同様に、スター トポロジの場合、100ms 未満のネットワーク遅延が達成可能ですが、達成される遅延は一般的にネットワークのサイズやトポロジに依存します。最後に、ネットワークのサイズは、パフォーマンスに影響を及ぼすことなく 80 デバイスまでスケールすることができますが、例えば遅延、スループット、またはバッテリー寿命などのパフォーマンスのトレードオフを伴いながら、250 デバイスまでさらに拡大することが可能です。

WirelessHART プロトコルスタック

WirelessHARTのOSI通信スタックは図2に示されています。

WirelessHARTの物理層は、図3に示されているように、802.15.4 (2006)標準を使用し、世界的に対応可能な15のチャネルのみを使用するように制限されています。これにより、異なる国でのWirelessHARTデバイスの設計、認証プロセス、および展開が大幅に簡素化され、国ごとの特定の設定変更が不要になります。WirelessHARTは、幅2 MHzのRFチャネルを5 MHz間隔で使用し、最大送信電力は10 dBmです。Offset Quadrature Phase Shift Keying (OQPSK)変調方式を使用し、データ速度は250 kbpsです。最後に、Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)を使用することで、RF干渉やチャネルフェージングに対して無線標準の耐性を向上させています。

混雑した2.4 GHz周波数帯域で堅牢な産業用通信を実現するために、WirelessHARTは以下の技術を使用しています: WirelessHARTのMAC層は、タイムディビジョン多重アクセス（TDMA）を使用して衝突のない決定論的な通信を実現します。プロトコルは周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）を活用し、各タイムスロット後に異なるワイヤレスチャネルで通信を行います。さらに、プロトコルは混雑が激しく、性能が悪いワイヤレスチャネルを除外することをサポートします。

混雑した2.4 GHz周波数帯域で堅牢な産業グレードの通信を実現するために、WirelessHARTは以下の技術を使用します。WirelessHARTのMAC層は、タイムディビジョン多元接続 (TDMA) を使用して衝突のない決定論的な通信を実現します。このプロトコルは周波数ホッピングスペクトラム拡散 (FHSS) を活用し、各タイムスロットごとに異なる無線チャンネルで通信を行います。そして最後に、このプロトコルは混雑が激しく性能が低下している無線チャンネルを除外することをサポートします。

WirelessHARTデバイス間の通信は、10msのタイムスロット内で行われます。各タイムスロット中に、送信デバイスはデータパケットを送信し、受信デバイスからの確認応答を待ちます。このプロトコルは、図4に示されているように、設定可能な数のタイムスロットを割り当ててスーパーフレームを形成し、これを周期的に繰り返します。スーパーフレームはネットワークマネージャーによって一元的に制御されており、各タイムスロットは送信デバイスおよび受信デバイスに割り当てられると同時に、通信が行われる無線チャネルも割り当てられます。この結果得られるタイムスロットおよびチャネルの割り当ては、各フィールドデバイスに配布され、個別の無線スケジューリングに利用されます。さらに、この標準には、メッセージのブロードキャストやキャリアセンスマルチプルアクセス（CSMA）を使用したコンテンション方式による複数の送信機でのタイムスロット共有といった機能もサポートされています。

WirelessHARTのネットワーク層は、堅牢なメッシュネットワークを確立するために複数のルーティングメカニズムをサポートしています。以下にそのうちの2つのメカニズムを示します:

WirelessHARTのネットワーク層は、ネットワークマネージャーがネットワーク全体のF/TDMAスケジュールやグラフルーティングを完全に制御できるため、高度に構成可能なプロトコルとなっています。例えば、ネットワークマネージャーはルーティング方式とMAC層の両方を最適化することで、低遅延を達成し、全体的な堅牢性を向上させることができます。遅延を最適化する際には、ネットワークをスター型トポロジーに制限したり、F/TDMAスケジュールに基づいてルーティンググラフ内の関心あるルートを優先することが可能です。同様に、堅牢性を向上させる際には、ネットワークマネージャーがデバイスに複数のタイムスロットを使用させたり、同じ送信に対してルートの多様性を追加することができます。

WirelessHARTのトランスポート層は、エンドツーエンドの確認応答と自動再送要求（ARQ）によって、ホストアプリケーションとフィールドデバイス間で接続指向の通信を提供します。さらに、WirelessHARTは、オーバーヘッドを軽減したい場合に適した確認応答なしの接続レス通信もサポートしています。

WirelessHARTのアプリケーション層はコマンド応答型の通信を採用していますが、一方向のデータ公開、自発的通知、大容量データのブロック転送など、その他の通信方式もサポートしています。コマンド指向の通信モードにおいて、HARTアプリケーション層は旧来のHARTデバイスとの互換性を確保します。通信では以下の種類のコマンドが使用されます:

WirelessHARTにおけるセキュリティ

WirelessHARTは、OSIスタックの複数のレベルで128ビットAES暗号化を使用してセキュリティを提供します。ネットワーク層では、すべてのメッセージがエンドツーエンドで保護され、メッセージの機密性、送信元の真正性、およびデータの完全性が確保されます。さらに、ネットワーク内のすべてのデバイスが共有する共通のキーが使用され、メッセージのブロードキャストを可能にします。個々のデバイスには、コミッショニング時に個別のキーが割り当てられ、さらに高い保護レベルを提供するために定期的に更新されます。また、コミッショニングプロセスやワイヤレス携帯機器との通信も保護されています。ネットワーク層のセキュリティに加えて、MAC層もメッシュネットワーク内の連続した通信ホップ間でデータの完全性を提供します。

Silicon Labs SoCを使用したWirelessHARTの実装

Silicon Labsは、WirelessHART製品を実現する基盤として使用可能なワイヤレスSoC、例えばEFR32MG24を提供しています。この特定のSoCには、802.15.4準拠の2.4 GHz無線トランシーバが含まれており、WirelessHARTで使用されるOQPSK DSSSモード動作時の感度が-105.4 dBmです。EFR32MG24の1536 kBフラッシュと256 kB RAMにより、ワイヤレススタックとアプリケーションを単一のSoCに統合することが可能であり、低BOMコストを実現します。また、このSoCは、Host、Network Co-Processor（NCP）、Radio Co-Processor（RCP）モードで動作し、さまざまなアーキテクチャをサポートします。ソフトウェア面では、Silicon LabsはRAIL（Radio Abstraction Interface Layer）ライブラリのための簡潔で使いやすいプログラミングフレームワークを提供しており、EFR32ラジオのハードウェアレベルカスタマイズへ最も直接的なインターフェースを提供します。

概要

WirelessHARTは、プロセスオートメーション、制御、および監視システムで使用される産業用標準です。802.15.4ラジオトランシーバーを使用しながらも、直接スペクトラム拡散、周波数ホッピングなどの数々の適応が追加されています。これにより、RF干渉やチャネルフェージングの影響を軽減し、産業用アプリケーションの厳しい要件を満たすことが可能となります。さらに、集中管理されたメッシュネットワークであることで、WirelessHARTはネットワーク内のワイヤレスノード間の冗長ルートをサポートし、堅牢性の要件を達成することができます。最後に、WirelessHARTは有線HARTとの後方互換性を維持しており、既存のデバイス、コマンド、ソフトウェアツールをサポートしています。IoTソリューションプロバイダーとして、Silicon LabsのSoC、EFR32MG24などは、WirelessHARTデバイスを実装するために必要なハードウェアおよびソフトウェア機能を備えています。