20万台もの対応デバイスが強み、3ホップまでのメッシュに対応する「WirelessHART」

WirelessHARTのもとになった「HART」

　今週紹介する「WirelessHART」は、LPWAというよりは「FAN（Factory Area Network）」、あるいは「FieldBus」として分類されることが多い。

　ただし、LPWAの要件を満たさないかというと、そうでもない。何しろIEEE 802.15.4をそのまま使っているので低消費電力だし、工場などでの利用が前提とされ、敷地内ではあっても屋外での利用も想定されていて、ワイドエリアもサポートしているあたりから、LPWAの仲間として扱っても差し障りないと筆者は考えている。

　では、なぜこれがLPWAとして分類されないかというと、何しろLPWAという概念が生まれる前から普及していて、先に書いたFANやFieldBus、あるいはWireless Sensor Networkなどにカテゴリー分けされていたため、今さらLPWAとする必要もないと判断されたのかもしれない。

　さて、そのWirelessHARTという名前からも分かるように、大元は「HART（Highway Addressable Remote Transducer）」という規格で、これを無線化したものとなる。HARTを開発したのは米Rosemountであり、正確には不明ながら、その時期は、おおむね80年代中盤とされている。

HARTの物理層は「Bell 202」という2線式モデム

　WirelessHARTのもとになったHARTそのものは、プロトコル層の名称で、物理層は「Bell 202」という2線式のモデムであった。要するに4～20mAのカレントループを利用した電話線そのものである。

　この電話線のインフラを利用し、デジタルデータの上にアナログ信号を通すことで音声通話やデータ通信が行われていたわけだ。これをそのまま流用してデータ通信を行うなら、「Bell 202をそのまま使えばいいじゃないか」となりそうな話である。

　ただし、HARTではこれに加えて、アナログデータの送信も可能だった。要するに、4～20mAの電流値をサポートするので、例えばリニアな温度センサーを繋いで0℃で4mA、100℃で20mAと設定してやった上で、電流値を測って値が読み取れる、というような仕組みも用意されていた。

　今だったら、こんな仕組みはむしろ不便だろう。高速かつ高精度な「ADC（Analog Digital Converter）」が簡単に手に入るし、温度センサーにADCを取り付けてデジタルで値を拾うことも簡単だ。さらに言えば、最初からADCを内蔵して、デジタルで温度データが取れる温度センサーも多数出ている。だが、まだ80年代には、アナログデータをそのまま送れる方が便利だった、という時代背景を考えれば、これは納得できる点だ。

HARTのプロトコル層はシンプルなMaster/Slave方式

　ここまでは物理層の話だが、HARTのメインであるプロトコル層は、基本的にはシンプルなMaster/Slave方式である。要するにネットワーク上にMaster（基本は1台だが、Primary/Secondaryの2つのMasterを置くことも許される）があり、同じネットワークにぶら下がるSlave機器に対してCommand（Request）を送ると、Slaveがこれに対してResponseを返すという方式だ。I2CやUSBなど、実装例も多い。

　先に電話線がベースと書いた通り、基本はPoint-to-Pointでの接続、つまりMasterとSlaveが1:1で繋がる。ただし、Secondary Masterを追加したり、複数台のSlaveを同じネットワークにぶら下げる（Multi Dropモードと呼ばれ、オプション扱い）ことも可能だった。

　Commandには、大きくUniversal/Common Practice/Device Specificの3種類があり、Universalは全てのMaster/Slaveがサポートすべきもの、Common Practiceは必須ではない（のでオプション扱い）が多くの機器でサポートされているもの、Device Specificは、もう名前の通りである。

　この当時だから、相互互換性を維持するといった意識はまだ低く、個別での対応が多くなるのは致し方ないところだ。それでも、実はあまり困ることはなかった。

プラント制御大手の米Emerson Electricがセンサーネットワークの構築にHARTを利用

　HARTを開発したRosemountの親会社である米Emerson Electric Companyは、プラント制御の大手で、発電所や石油精製所、化学プラントなどを手掛けるメーカーだ。プラントのような大規模なシステムでは、さまざまな箇所で温度や圧力、流量、振動etc……などの各種情報を取得する必要があったため、プラント中にはさまざまなセンサーがばら撒かれることになる。

　Emerson Electricは、このセンサーネットワークの構築にHARTを利用し、Masterにあたる機器を用意した。そして多数の企業が、ここに繋がるさまざまなセンサーを開発してEmerson Electricに納め、プラントに設置されるという流れとなっていた。

　こうなると各社とも、Emerson Electricの提供するMasterにあたる機器と、確実に通信できるようにするわけで、現実問題として相互接続性はそれほど問題とならなかった。

　その後、Rosemountは、HARTプロトコルをオープン化する。1993年にHART Communication Foundationを設立し、ここが仕様策定などに携わることとなった。そのHART Communication Foundationは、2014年に同じくFieldBusの標準化を行っていたFieldbus Foundationと合併し、新たに立ち上げられたFieldcomm Groupが、現在はHARTの仕様策定を行っている。

オープン化されたHARTプロトコルがベースの「Wireless HART」物理層にはIEEE 802.15.4を採用

　ここでようやくWireless HARTに話が戻る。HART Communication Foundationに加盟していたメンバーに、Dust Networkという企業があった。同社は2011年にLinear Technologyに買収され、その後Linear TechnologyがAnalog Devicesに買収されたことで、現在はAnalog Devicesの一部になっている。そのDust Networkが2007年に開発したのが、プロトコル層はHARTのまま、物理層をIEEE 802.15.4に置き換えた無線接続のHARTとなるわけだ。

　このDust Networkが開発したWireless版HARTは、HART Communication Foundationで標準技術として採用され、WirelessHARTと名付けられた。この際、例えば冒頭で説明したようなアナログ量の伝達などが、WirelessHARTのMESHでは削除されている。

　そもそもMESHプロトコルそのものがいくつかあるのだが、最も普及しているのがRevision 5、そのRevision 5のデジタル通信機能を強化したのがRevision 6で、そのRevision 6にIEEE 802.15.4を組み合わせたのが、WirelessHARTの初代バージョンとなる。

　その後、有線から無線に切り替えたことで遅延やエラーへの対策が必要になり、これに加えてさまざまな機能を追加したのがHART Revision 7となる。現在の最新版はRevision 7.5で、Common Practice Commandがいくらか追加されたほか、Discrete/Hybrid Deviceの追加などがなされている。

最大転送速度は250kbps、3ホップのメッシュで700mをカバー、電池寿命は32秒ごとの通信で10年

　さてそのWirelessHARTについて、ほかのLPWA同様に特徴を列挙すれば、以下のようになる。

• 最大転送速度そのものは、おおむね250Kbps程度
• 転送頻度は8秒ごとに1回
• 到達距離は最大200m、平均では100m程度。3ホップまでのメッシュ構成で700m前後を実現
• 電池寿命は8秒ごとの通信で5年、32秒ごとで10年

　転送速度については、もともとのHARTは1200bps、RS-485経由のものでも38400bps程度だったことを考えると、それなりに十分高速とは言える。転送の頻度は（バッテリー寿命とのバーターであるが）、最も高い場合で8秒ごとに1回の通信が可能だ。もともとのHARTが1時間に1回の通信という頻度だったことを考えれば、これも十分に高速だろう。

　カバレッジについては、障害物の多い屋内ではこれよりもう少し距離が縮まる一方、見通せるような屋外では200mを超える（理論上Point to Pointでは225mが上限）。ただし、3ホップまでのメッシュ構成が可能で、これをフルに使えば、理論上700mほどのカバレッジが獲得できるとする。敷地内の距離が1kmを超えるような工場では、複数のマスター（ゲートウェイ）が必要になるだろうが、そうでなければ1台のマスターでも、ぎりぎりまかなえるだろう。

　消費電力は、上にも書いた通り通信頻度とのバーターになるので、データ量などにもよるが、通信が8秒ごとなら5年、32秒ごとなら10年だという。こうした電池寿命についての数字は、ワイヤレスメッシュ対応製品の提供ベンダーであるABB Technologyから示されたものだ。

膨大な対応デバイスがWirelessHARTの強み下位層はIEEE 802.15.4のまま、上位層を置き換えた「SmartMesh」も

　強いてLPWAらしくないところを挙げれば、上位プロトコルがHARTとなる点だろう。TCP/IPとの互換性はないため、あくまでHARTで利用するしかない。ただ、WirelessHARTそのものは、一応は標準規格（IEC 62591:2016）になっている。

　ただこの点について言えば、WirelessHARTを開発したDust Networkが、下位層は同じIEEE 802.15.4のままで、上位層を「TCP/IP（6LowPAN+UDP）」へと置き換えた「SmartMesh」という製品を開発しており、現在もAnalog Devicesがこれを提供している。「Dust Consortium」という標準団体まで策定されているが、これはLinear Technologyが立ち上げたもので、Analog Devicesの買収後は動きが止まっているようだ。

　そのWirelessHARTの強みは、膨大な数の対応デバイスが既に世の中にあることだろう。やや古い数字だが、2014年の時点でネットワーク総数が1万7000、設置済機器の数は20万台とされている。さらに古い数字で言えば、2012年におけるWireless Field Networkの87％を、このWirelessHARTが占めていたそうだ。

　これもあり、プラントなどでは、すでに標準的な規格となっている（Emersonが受注したプラントには自動的にWirelessHARTが入る格好になっている）。プラントという、直接一般人が目にする機会がないものだけに認知度は低いが、下手なLPWAよりもはるかに普及しているのがWirelessHARTというわけだ。