ANT/ANTの基礎

ANT

1. ANTの概要 †

1.1 ANTとは？ †

　ANTとは、カナダのDynastream Innovationsが開発した2.4GHz帯での超低消費電力型の近距離ネットワークのプロトコルです。通信距離は数メートルと短く、データの送信は最速で20Kbpsです。混線防止機能もANTで提供されていますので、複雑なネットワークの構築も容易にできます。

1.2 ANT+とは？ †

　ANT+は、ANTの技術を基に機能ごとに特化したプロファイルを用意して、同機能のデバイス間での運用互換、ANT+対応機種間の相互通信を保証しています。主に心拍計、歩数計、自転車に装着するケイデンスセンサーなどのフィットネス機器、体重計などの健康管理機器など15種類のプロファイルを用意しています。15種類のプロファイルは以下の通りです。

表1-1 ANT+デバイスプロファイル一覧

　各ANT+ デバイスプロファイルの詳細は、こちらのページで確認できます。PDFドキュメントは、ANT+ Adopterの登録をすれば、DEVELOPERのDOWNLOADS: SIFTWARE & DOCUMENTSのセクションからダウンロードが可能です。ANT+ Adopterへの登録は無料です。

2. ANTネットワーク構築の基礎 †

2.1 ノードとチャンネルの概念 †

　ANTのネットワークや構築方法を説明する時に、概念的に「ノード」（Node）と「チャンネル」（Channel）を使います。ノードとは、ANTを実装したデバイス全般を指します。そして、2つのノードの接続（コネクション）をチャンネルと呼びます。チャンネルでは、一方のノードを「マスター」(Master)とし、他方を「スレーブ」（Slave）とします（図2-1を参照）。1つのノードが複数のチャンネルに属する場合は、ノードが1つのチャンネルでマスターであり、別のチャンネルでスレーブになることもあります。データを送信する場合、マスターのノードからスレーブノード方向を「フォワードディレクション」（Forward Direction）、スレーブからマスターの方向を「リバースディレクション」（Reverse Direction）と呼びます。

2.2 ネットワーク、チャンネル、マスターとスレーブの関係 †

　ANTは、チャンネルを組み合わせてネットワークを構築します。チャンネルの種類は、大きく分けて独立型と共有型の２種類があります。独立型は、基本的に1組のマスターとスレーブで1対1の通信をするチャンネルです。共有型は、単体のマスターが複数のスレーブと通信する（1対N）チャンネルです。
　例えば、図2-1のように、複数のセンサーからデータ収集するような簡単なネットワークを構築する場合、独立型チャンネルでは、各ノードのパラメーターをチャンネルごとに設定します。データを受信するスレーブのノードAは、スレーブとして全てマスターのノードB、C、Dと3つ別々のチャンネル（B ⇒ A、C ⇒ A、D ⇒ A）を構築しますので、各チャンネルのマスターとペアになるように個別に設定する必要があります。

図2-1 ネットワーク例 (独立型のチャンネルを使った場合)

2.3 ネットワーク設定用のパラメーターの概要 †

　下の表2-1は、ネットワーク構築に必要なパラメーターに関して簡単にまとめたものです。実際にネットワークを構築する場合、ネットワークでのマスターとスレーブのパラメーターが一致しなければならない項目と、マスターとスレーブで異なる項目があるので注意して下さい。
　例えば、「チャンネルタイプ」（Channel Type）では、同じタイプのチャンネルでもマスターとスレーブでは設定する値が異なります。その他にマスターとスレーブで設定が異なる箇所は、ワイルドカードの使用可/不可な項目です。マスターは、「チャンネルID」（Channel ID）の３つの項目ではワイルドカード（具体的な数値の代わりに数値「０」を入力、設定すること）に設定することはできません。スレーブは、ワイルドカードに設定が可能です。

表2-1 ANTチャンネル構築に必要なパラメーター

2.4 ネットワーク設定用のパラメターの説明 †

表2-1のパラメーターの説明です。詳細は、ANTのデベロッパー向けのページの「DEVELOPER」の「DOWNLOADS: SOFTWARE & DOCUMENTS」セクションにあるPDFファイル「ANT Message Protocol and Usage」にあります。詳しい参照先は、このページの下のPDFファイル「ANT_Fundamentals」の最後に掲載してあります。

「ネットワーク ナンバー」（Network Number） †

ネットワークナンバーは1byteのフィールドで、ANTノードで構築するネットワークの形態を設定します。「パブリックネットワーク」、「マネッジドネットワーク」、「プライベートネットワーク」の３つから1つ選んで下さい。システムの初期設定は、「Public Network」です。

・「パブリックネットワーク」（Public Network）
一般的なANTのネットワークです。特に接続に関する条件や制限はなく、チャンネル設定が同じならば、ANTノードと接続可能できます。

・「マネッジドネットワーク」（Managed Network）
基本的にANT+に対応するデバイスとデータの送受信するための設定です。ANT+のデバイスと通信する場合、ネットワークナンバー以外の項目も各ANT+のプロファイルに合わせて設定する必要があります。

・「プライベートネットワーク」（Private Network）
SUUNTOのANTのようなANTの技術を使ったプライベートなネットワークに接続する設定で使います。プライベートなネットワークに接続する場合は、ネットワークの鍵の設定が必要です。

「RF 周波数」（RF Frequency） †

周波数は、2403MHzから2480MHzまでで、3から80までの計78のRF周波数設定用の値から選んで下さい。（「ANT Message Protocol and Usage」のsection 5.2.2では、0から124まで、合計で125 のRF周波数設定用の値が用意されていると書いてありますが、Nordic Semiconductorのデータシート「nRF24AP2 Product Specification v1.2」の41ページでは78となっています。）RF周波数設定用の値は、ペアリングする前に各ノードで予め設定しておく必要があります。

「チャンネル ID」（Channel ID） †

チャンネルID には、「デバイス ナンバー」（Device Number）、「トランスミッション タイプ」（Transmission Type）、「デバイス タイプ」（Device Type）の3種類があります。これらは、ノードがペアリングを行う時に必ず必要となります。スレーブノードは、ワイルドカードの設定ができますが、マスターノードは、必ず各パラメータを具体的に設定して下さい。関係するペアリング、プロキシーサーチの詳細は、「thisisant.com」の「Developer Zone」のセクションの「ANT Application Note」に置いてあるアプリケーションノート「ANT AN02 Device Paring」をご覧下さい。

◦「デバイス ナンバー」（Device Number）
チャンネルIDのデバイスナンバーは、各デバイス固有の2byteのフィールドで、デバイスをネットワーク上で識別するIDとして使います。設定する際には、デバイスのシリアルナンバーを使用したり、ランダムナンバーを生成して使います。マスターノードは、デバイスナンバーをワイルドカードに設定することはできません。

◦「トランスミッション タイプ」（Transmission Type）
チャンネルIDのトランスミッションタイプ は、デバイスの通信特性を示した1byteのフィールドです。具体的には、データペイロードの先頭にある共有アドレスを示した共有フィールドの有無やサイズ、また、「Global Data Identification Byte」（例えばANT+のページナンバーなど）の有無などの情報を定義します。チャンネルタイプの設定で内容は大きく変わります。マスターノードは、ワイルドカードに設定することはできません。

◦「デバイス タイプ」（Device Type）
チャンネルIDに属する1byteのフィールドで、デバイスのタイプを表記します。ノードが複数あった場合に識別するのに使用するだけでなく、受信したデータペイロードをデバイスタイプで指定したデバイスに合うようにデコードします。従って、デバイスタイプはペアリングで重要な役割を果たします。マスターノードは、ワイルドカードに設定することはできません。

「チャンネル タイプ」（Channel Type） †

以下の3つの項目（バイディレクショナル チャンネル、共有バイディレクショナル チャンネル、送信 / 受信専用チャンネル）より使用するチャンネルタイプを1つ選択して下さい。このチャンネルタイプの設定で、構築するチャンネルが独立型か共有型か決まります。パラメターの設定値は、同じチャンネルタイプでもマスターとスレーブで異なりますので注意して下さい。

・「バイディレクショナル チャンネル」（Bidirectional Channel）
マスターとスレーブのノード間で双方向の通信が出来る独立したチャンネルに設定します。バイディレクショナル チャンネル を選択する場合、マスターは、「Bidirectional Transmit (Master) Channel」の「0x10」に設定します。一方の受信するスレーブは、「Bidirectional Receive (Slave) Channel」の「0x00」と設定します。設定する値が、マスターとスレーブノードで異なりますので注意して下さい。

・「共有バイディレクショナル チャンネル」（Shared Bidirectional Chanel）
単体のマスターノードが、複数のスレーブノードからデータを受信する場合に使用する設定です。複数のスレーブが１つの独立したチャンネルで１つのマスターを共有することになります。１つのチャンネルを使うので、各ノードに共有チャンネルアドレスが必要となります。従って、チャンネルIDのトランスミッションタイプの設定が、バイディレクショナル チャンネル の場合と異なります。共有バイディレクショナル チャンネルタイプの設定値は、スレーブ（受信側）が「0x20」で、マスター（送信側）が「0x30」です。設定値がマスターとスレーブの場合で違いますので注意して下さい。

・「送信 / 受信専用チャンネル」（Transmit / Receive Only Channel）
　このチャンネルでは、フォワード方向のみの片方向に通信可能です。「Receive Only Channel」を選択すると、スレーブはリバース方向のデータを送信できず、マスターは受信できません。設定値は「0x40」です。また、「Transmit Only Channel」は、レガシーサポートのみに使われます。設定値は「0x50」になります。

「チャンネル ピリオド」（Channel Period） †

マスターノードから発信されるメッセージのデータパケットの送信間隔を表しています。チャンネルピリオドの値が小さい程、メッセージの間隔が短くなり、デバイスサーチのオペレーションも短くなります。しかし、消費電力が大きくなりますので注意して下さい。初期設定は4Hz、チャンネルピリオドの値は8192となります。チャンネルピリオドの値はHzから変換されたもので、ANTデバイスは、この値を読みます。設定する際に、Hzの値を入力する場合と、両方の値を入力場合がありますので注意して下さい。Hzからチャンネルピリオドの値に変換する計算式は以下の通りです。

チャンネルピリオドの値に関する詳細は、「ANT Message Protocol and Usage」のと17、18、58ページをご覧下さい。

「データ タイプ 」（Data Type） †

データタイプは、「Broadcast Data」「Acknowledged Data」「Burst Data」の3種類です。チャンネルタイプで 、送信 / 受信専用チャンネル を選択した場合は「Broadcast Data」しか選択できません。しかし、双方向の通信が可能なチャンネルタイプを選択した場合、3種類全てのデータタイプが選択可能で、フォワード方向やリバース方向の通信ができます。

・「ブロードキャストデータ」（Broadcast Data）
このブロードキャストデータは、初期設定のデータタイプです。各チャンネルタイムスロットで、マスターからスレーブへ送信されます。スレーブのMCUからの指示が無い限り基本的にリバース方向の送信は行いません。新しい送信データがチャンネルスロットに用意されなければ、前回のデータタイプが何であれブロードキャストデータとして再送信されます。ブロードキャストデータでは受信の確認が取れませんが、消費電力が最も低いデータタイプです。データの送信の確認がとれないので、温度計など頻繁にデータの更新が必要無いデータの収集に向いています。

・「認証データ」（Acknowledged Data）
双方向の接続ができた時に、フォワード方向、リバース方向に認証データを送信できます。認証データを受信したノードは、認証メッセージを送信元のノードに返しますので、送信元のノードは送信結果が分かります。マスターは、認証データタイプでの送信のリクエストがあった場合だけ、次のタイムッスロットで認証データを送信します。また、次の次の回で認証データタイプの指定や、データが準備がない場合は、同じ内容のデータをブロードキャストデータとして再送信します。使用例としては、双方のノードが相手の状態を把握することができますので、コントロール制御などで使う通信に向いています。しかし、認証データは、パケットや電力を多く消費しますので注意して下さい。

・「バーストデータ」（Burst Data）
大量のデータを多くのデバイスに高速で送信します。送信速度は最高で20kbpsになります。データの再送信は5回まで行いますが、電力節約のため5回失敗した場合、送信をやめてMCUに失敗のメッセージを送ります。注意事項ですが、バーストの間は、パケットは非同期化のため、クロックエラーなどでチャンネルピリオドにずれが生じた場合は、チャンネルの同期が解消してしまう可能性があります。バーストが原因で同期が解消してしまった場合は、スレーブがサーチモードに入ります。

その他 †

• 下の添付は、このページのPDFバージョンです。PDFファイルには、パラメーターの説明の参照先などが掲載してあります。
  • 「ANTの基礎」のPDFバージョンANT_Fundamentals2.pdf
• ANTに関する詳しい情報は、「thisisant」の「DEVELOPER」のDOWNLOADS: SOFTWARE & DOCUMENTSの各セクションにあるPDFファイルをご覧下さい。ANT+のデバイスプロファイルの資料をダウンロードするには、ANT+ Adopterの登録が必要です。　ANTのフロントページの右上の「Register Now」をクリックして、「Basic User Account」に登録して下さい。登録完了後、各自の「My ANT+」のページから「ANT+ Adopter Account」を付け足して下さい。
  
• ANTのチップのデータシートは、Nordic Semiconductor のANTのページにあります。

更新履歴 †

2012/08/10　初稿掲載
2012/11/22　リンク先を一部変更
2013/11/11　デバイスプロファイルの追加
2015/06/10　デバイスプロファイルの追加
2016/01/19　デバイスプロファイルの追加とANT_Fundamentals.pdfの内容をアップデート