WirelessHARTプロトコルの概要
WirelessHART規格
WirelessHART通信規格は、2008年9月に国際電気標準会議（IEC）によって正式に承認され、産業用無線通信に関するIEC国際規格（IEC 62591）となりました。この規格は、プロセス産業における信頼性、耐干渉性、リアルタイム工場アプリケーションにおけるセキュリティ、ネットワークの柔軟性、互換性といった要件を満たすことができます。
WirelessHARTネットワークは、多数のメーカーの多種多様なデバイスをサポートしており、製品は5つの異なる製品タイプに分類されるべきである。
図1 WirelessHARTネットワークデバイスの種類
• 現場装備：現場でのセンシング機能または実行機能を実現する基本装備。
• アダプタ：既存のHARTフィールドデバイスに接続して、無線通信機能を有効にする。
• ゲートウェイ：ホストアプリケーションと無線ネットワークのメンバーであるデバイス間の通信を可能にする。
• ネットワーク管理者：ネットワーク構成、ネットワーク機器間の通信の手配、ルーティングテーブルの管理、無線ネットワークの状態の監視と報告を担当します。
• 携帯端末：工場設備の構成、保守、または制御に使用される。
プロトコル層
WirelessHARTプロトコルスタックは、OSI参照モデルの7層アーキテクチャに準拠しています。物理層、リンク層、ネットワーク層、トランスポート層、アプリケーション層が含まれます。
物理層
WirelessHARTの物理層は、基本的にIEEE 802.15.4-2006 2.4GHz DSSSに基づいた物理層です。この層は、信号パターン、信号強度、デバイス感度などのRF特性を定義します。WirelessHARTは、2400～2483.5MHzのISM周波数帯域で動作し、データ伝送速度は最大250kbit/sに達します。この周波数帯域は16のチャネルに分割され、11～26の番号が付けられています。隣接する2つのチャネル間の周波数間隔は5MHzです。
データリンク層
WirelessHART規格の際立った特徴は、時間同期に基づくデータリンク層です。WirelessHARTデータリンク層の通信タイムスロットは厳密に10msと定義されており、衝突回避と決定論的な通信をサポートするためにTDMA技術が使用されています。
ネットワーク層とトランスポート層
ネットワーク層とトランスポート層は連携して、ネットワーク機器間の安全で信頼性の高い通信を実現します。メッシュネットワーク構造をサポートするためには、各WirelessHARTデバイスが他のデバイスにデータを転送する必要があります。
アプリケーション層
アプリケーション層はWirelessHART規格の最上位層であり、様々なデバイスコマンド、応答、データタイプ、およびステータスレポートを定義します。WirelessHART規格では、デバイスとゲートウェイ間の通信はコマンドと応答に基づいています。アプリケーション層は、メッセージの内容の解析、コマンド番号の抽出、指定されたコマンドの実行、および応答の生成を担当します。
セキュリティアーキテクチャ
WirelessHARTネットワークはセキュアなネットワークシステムです。WirelessHARTのMAC層とネットワーク層の両方がセキュリティサービスを提供します。MAC層は、巡回冗長検査（CRC）とメッセージ完全性コード（MIC）を組み合わせて、ホップツーホップのデータ完全性サービスを提供します。送信側と受信側の両方がCCMモードとAES-128ブロック暗号化アルゴリズムを使用してMICを生成および検証します。ネットワーク層は、さまざまな鍵を使用してエンドツーエンドの暗号化とデータ完全性サービスを提供します。WirelessHARTセキュリティシステムでは、次の4つの鍵が定義されています。
• ネットワークキーが存在しない場合、公開鍵を使用してMAC層のMICが生成されます。
• ネットワークキーはすべてのネットワーク機器で共有され、ネットワーク機器がMAC層でMICを生成するために使用されます。
• ネットワークアクセスキーは、各ネットワークデバイス固有のものです。デバイスがネットワークに参加する際、ネットワークマネージャーはネットワークアクセスキーを使用して、ネットワークアクセスを申請する新しいデバイスを認証します。
• セッションキーはネットワークマネージャによって生成されます。セッションキーは2つのネットワークデバイス間のエンドツーエンド接続に固有のものであり、エンドツーエンド暗号化とデータ整合性サービスを提供するために使用されます。セッションキーはさらにユニキャストキーとブロードキャストキーに分類できます。
WirelessHARTシリーズ製品
Microcyberのスマートワイヤレス製品は、プロセスオートメーションに特化したWirelessHARTワイヤレス技術を採用しています。自己組織化ネットワーク、自己修復機能、低消費電力、データ暗号化などの特長を備え、信頼性の高い動作と柔軟かつ迅速な設置を実現します。当社のワイヤレスモジュール、ワイヤレスゲートウェイ、ワイヤレスアダプタ、ワイヤレス温度トランスミッタなどの製品により、複雑な産業現場におけるデータ収集、プロセス監視、機器操作、保守、診断を迅速に実現できます。Microcyberのスマートワイヤレス製品は、国内のエンドユーザーにとって最適な産業用無線通信ソリューションとなっています。国際的に著名な企業も協力関係に加わり、石油化学、電力、冶金、機械製造などの分野で幅広く活用されています。
産業用インターネットアクセスポイント
マイクロサイバーは、産業用IoT製品の研究開発、製造、販売、および統合的な応用に取り組んでいます。
Microcyberは、中国で初めて、世界で3番目に国際認証を取得したフィールドバスプロトコルスタックであり、中国で初めて国際認証を取得したフィールドバス機器であり、中国で初めてネットワーク制御システムのデモンストレーションアプリケーションであり、中国で初めて国際認証を取得した機能であり、中国で初めて国際認証を取得したワイヤレスHART製品などです。
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