Сбор, обработка и передача данных с Modbus-сенсора влажности

Урок 7 · COURSE-16: Основы Интернета Вещей и практическое применение · theory

COURSE-16-M03-LAB01 — Сбор, обработка и передача данных с Modbus-сенсора влажности

1. Цели лабораторной работы

По завершении данной лабораторной работы инженер сможет:

Настроить и запустить опрос Modbus-устройства (датчика влажности) на контроллере HI.
Применить фундаментальные паттерны Node-RED: "Контракт сообщения", "Обработка ошибок" и "Визуальный статус".
Выполнить валидацию и преобразование сырых данных с датчика в стандартизированный JSON-формат.
Опубликовать обработанные данные в топик MQTT для дальнейшего использования другими системами.
Провести базовую диагностику и устранение неисправностей в цепочке "Датчик -> Контроллер -> MQTT".

2. Оборудование и программное обеспечение

Контроллер: Контроллер HI (любая модель), подключенный к сети.
Программное обеспечение: Среда исполнения Node-RED с установленной палитрой `node-red-contrib-modbus`.
Сенсор: Датчик температуры и влажности с интерфейсом Modbus RTU (например, WB-MSW3 или аналог), подключенный к порту RS-485 контроллера.
MQTT-брокер: Доступный в сети MQTT-брокер (может быть развернут на самом контроллере HI).

3. Предварительная подготовка

📋 Чек-лист готовности к работе:

Физическое подключение: Датчик подключен к клеммам RS-485 контроллера HI. Схема подключения соответствует стандарту `WIRING-SENS-004`.

* Клемма `A` датчика -> Клемма `A` порта RS-485 контроллера.

* Клемма `B` датчика -> Клемма `B` порта RS-485 контроллера.

* Подано питание на датчик (например, 24V DC).

Настройка Modbus-устройства: На датчике выставлен уникальный Slave ID (например, `25`) и стандартные параметры шины (`9600 8N1`). Эти данные должны быть известны и задокументированы.

Доступ к Node-RED: У вас есть доступ к веб-интерфейсу Node-RED на контроллере.

💡 Карта регистров используемого датчика (пример):

Для данной лабораторной работы мы будем использовать следующие допущения о карте регистров нашего датчика:

Регистр относительной влажности: `105` (тип: Input Register).
Формат данных: Целое число. Значение `567` соответствует `56.7% RH`.
Slave ID: `25`.

4. Сценарий выполнения

Мы создадим поток Node-RED, который каждые 15 секунд опрашивает датчик влажности, проверяет корректность данных, приводит их к стандартному формату и отправляет в MQTT.

Архитектура потока (ASCII Flow Diagram):

                               +---------------------------+    +----------------------+
[Inject: 15s] -> [Modbus-Getter] -> | Function: Validate/Format | -> |      mqtt out        |
 (Опрос)         (Чтение RH)     |      (Основная логика)    |    | (Публикация данных)  |
                               +---------------------------+    +----------------------+
                                             | (on error)
                                             v
                                     +------------------+
[Catch: All Nodes]-----------------> | Function: LogErr | -> [Debug: Ошибки]
 (Перехват ошибок)                   +------------------+

Шаг 1: Создание и настройка узла опроса

Перетащите на поле узел `inject`.

Дважды кликните на него и настройте:

* `Payload`: `timestamp`

* `Repeat`: `interval`

* `every`: `15` `seconds`

* `Name`: `Опрос каждые 15 сек`

* Нажмите Done.

Шаг 2: Настройка узла чтения Modbus

Перетащите узел `Modbus-Getter` из палитры `modbus`.

Дважды кликните на него для настройки:

* `Name`: `Читать влажность (RH)`

* `Server`: Нажмите на иконку карандаша для создания нового Modbus-клиента.

* `Type`: `RTU-BUFFERED`

* `Serial Port`: Укажите порт вашего контроллера, например, `/dev/ttyRS485-1`.

* `Baud Rate`: `9600`

* `Data Bits`: `8`

* `Parity`: `None`

* `Stop Bits`: `1`

* Нажмите Add, а затем выберите созданный сервер.

* `Unit-ID`: `25` (Slave ID вашего датчика).

* `FC`: `FC 4: Read Input Registers`.

* `Address`: `105` (адрес регистра влажности).

* `Quantity`: `1`.

* Нажмите Done.

Соедините выход узла `inject` со входом узла `Modbus-Getter`.

Шаг 3: Разработка узла логики (валидация и форматирование)

Это самый важный узел, реализующий паттерны "Контракт сообщения" и "Визуальный статус".

Перетащите узел `function` и соедините его с выходом `Modbus-Getter`.

Дважды кликните и настройте:

* `Name`: `Validate & Format RH`

* `Outputs`: `1`

* Вставьте следующий код в редактор:

// ID этого сценария для логирования и отладки
const SENSOR_SOURCE_ID = "humidity-sensor-room101";

// 1. Получение сырого значения из ответа Modbus
// Узел Modbus-Getter возвращает массив в msg.payload
let rawValue = msg.payload[0];

// 2. Валидация данных
// Проверяем, что значение находится в допустимом диапазоне (0-1000, т.е. 0.0-100.0%)
if (rawValue === undefined || rawValue < 0 || rawValue > 1000) {
    // Паттерн "Визуальный статус": отображаем ошибку на узле
    node.status({ fill: "red", shape: "dot", text: "Invalid data: " + rawValue });
    // Паттерн "Обработка ошибок": генерируем ошибку, которая будет поймана узлом Catch
    node.error("Некорректное значение влажности: " + rawValue, msg);
    return null; // Прерываем выполнение потока для этого сообщения
}

// 3. Преобразование данных
// Делим на 10, чтобы получить реальное значение влажности
let humidity = rawValue / 10.0;

// 4. Паттерн "Контракт сообщения": формируем стандартный объект msg.payload
msg.payload = {
    value: humidity,
    unit: "%RH",
    source: SENSOR_SOURCE_ID,
    ts: Date.now()
};

// 5. Установка топика для MQTT
msg.topic = "hi/telemetry/room101/humidity";

// 6. Паттерн "Визуальный статус": отображаем успешный результат
node.status({ fill: "green", shape: "dot", text: "OK: " + humidity + " %RH" });

return msg;

Нажмите Done.

Шаг 4: Настройка публикации в MQTT

Перетащите узел `mqtt out` и соедините его с выходом узла `function`.

Дважды кликните и настройте:

* `Server`: Выберите или настройте ваш MQTT-брокер.

* `Topic`: Оставьте пустым, так как топик устанавливается в `msg.topic`.

* `QoS`: `1`

* `Retain`: `false`

* `Name`: `Публикация в MQTT`

* Нажмите Done.

Шаг 5: Настройка централизованной обработки ошибок

Перетащите узел `catch` на поле.

Дважды кликните и настройте:

* `Scope`: `all nodes on current flow` (ловить ошибки со всех узлов на этой вкладке).

* `Name`: `Перехват ошибок`

* Нажмите Done.

Перетащите узел `debug` и настройте его на вывод `complete msg object`.

Соедините выход узла `catch` со входом узла `debug`.

⚠️ Важно: В реальном проекте вместо узла `debug` здесь будет субпоток-логгер (`FLOW-SYSTEM-LOG-001`), который записывает ошибку в MySQL, отправляет уведомление администратору и т.д. Для данной лабораторной работы достаточно вывода в панель отладки.

Шаг 6: Развертывание и проверка

Нажмите кнопку Deploy.

Перейдите в панель отладки (справа, иконка жука).

Каждые 15 секунд вы должны видеть сообщения от узла `Modbus-Getter`.

Если все настроено верно, узел `function` будет отображать зеленый статус с текущей влажностью.

С помощью любого MQTT-клиента (например, MQTT Explorer) подпишитесь на топик `hi/telemetry/room101/humidity` и убедитесь, что данные приходят в правильном JSON-формате.

5. Скелет потока (Flow Skeleton)

Вы можете импортировать этот JSON-код через меню Node-RED (`Import`), чтобы получить готовую структуру потока.

[
    {
        "id": "a1b2c3d4.e5f6g7",
        "type": "tab",
        "label": "COURSE-16-M03-LAB01",
        "disabled": false,
        "info": ""
    },
    {
        "id": "1a2b3c4d.5e6f7g",
        "type": "inject",
        "z": "a1b2c3d4.e5f6g7",
        "name": "Опрос каждые 15 сек",
        "props": [
            {
                "p": "payload"
            }
        ],
        "repeat": "15",
        "crontab": "",
        "once": true,
        "onceDelay": 0.1,
        "topic": "",
        "payload": "",
        "payloadType": "date",
        "x": 150,
        "y": 100,
        "wires": [
            [
                "8h9i0j1k.2l3m4n"
            ]
        ]
    },
    {
        "id": "8h9i0j1k.2l3m4n",
        "type": "modbus-getter",
        "z": "a1b2c3d4.e5f6g7",
        "name": "Читать влажность (RH)",
        "showStatusActivities": true,
        "showErrors": true,
        "logIOActivities": false,
        "unitid": "25",
        "dataType": "InputRegister",
        "adr": "105",
        "quantity": "1",
        "server": "YOUR_MODBUS_SERVER_ID",
        "x": 380,
        "y": 100,
        "wires": [
            [
                "5p6q7r8s.9t0u1v"
            ],
            []
        ]
    },
    {
        "id": "5p6q7r8s.9t0u1v",
        "type": "function",
        "z": "a1b2c3d4.e5f6g7",
        "name": "Validate & Format RH",
        "func": "const SENSOR_SOURCE_ID = \"humidity-sensor-room101\";\nlet rawValue = msg.payload[0];\nif (rawValue === undefined || rawValue < 0 || rawValue > 1000) {\n    node.status({ fill: \"red\", shape: \"dot\", text: \"Invalid data: \" + rawValue });\n    node.error(\"Некорректное значение влажности: \" + rawValue, msg);\n    return null;\n}\nlet humidity = rawValue / 10.0;\nmsg.payload = {\n    value: humidity,\n    unit: \"%RH\",\n    source: SENSOR_SOURCE_ID,\n    ts: Date.now()\n};\nmsg.topic = \"hi/telemetry/room101/humidity\";\nnode.status({ fill: \"green\", shape: \"dot\", text: \"OK: \" + humidity + \" %RH\" });\nreturn msg;",
        "outputs": 1,
        "noerr": 0,
        "initialize": "",
        "finalize": "",
        "x": 630,
        "y": 100,
        "wires": [
            [
                "2w3x4y5z.6a7b8c"
            ]
        ]
    },
    {
        "id": "2w3x4y5z.6a7b8c",
        "type": "mqtt out",
        "z": "a1b2c3d4.e5f6g7",
        "name": "Публикация в MQTT",
        "topic": "",
        "qos": "1",
        "retain": "false",
        "broker": "YOUR_MQTT_BROKER_ID",
        "x": 870,
        "y": 100,
        "wires": []
    },
    {
        "id": "d9e8f7g6.h5i4j3",
        "type": "catch",
        "z": "a1b2c3d4.e5f6g7",
        "name": "Перехват ошибок",
        "scope": null,
        "uncaught": false,
        "x": 370,
        "y": 200,
        "wires": [
            [
                "k2l1m0n9.o8p7q6"
            ]
        ]
    },
    {
        "id": "k2l1m0n9.o8p7q6",
        "type": "debug",
        "z": "a1b2c3d4.e5f6g7",
        "name": "Лог ошибок",
        "active": true,
        "tosidebar": true,
        "console": false,
        "tostatus": false,
        "complete": "true",
        "targetType": "full",
        "statusVal": "",
        "statusType": "auto",
        "x": 570,
        "y": 200,
        "wires": []
    }
]

6. Чек-лист для самопроверки

[ ] Поток развернут без ошибок?
[ ] Узел `inject` запускается каждые 15 секунд?
[ ] Узел `Modbus-Getter` успешно считывает данные (не показывает ошибку `timeout`)?
[ ] Узел `function` отображает зеленый статус с корректным значением влажности?
[ ] В MQTT-клиенте, подписанном на топик `hi/telemetry/room101/humidity`, появляются сообщения?
[ ] Формат сообщения в MQTT соответствует "Контракту сообщения" (содержит `value`, `unit`, `source`, `ts`)?
[ ] Если физически отключить датчик от шины RS-485, узел `catch` перехватывает ошибку и выводит ее в панель отладки?

7. Возможные усложнения (Advanced Practice)

Добавить чтение температуры: Модифицируйте поток, чтобы он считывал также регистр температуры, и отправлял данные в отдельный топик `hi/telemetry/room101/temperature`.
Создать субпоток: Вынесите логику опроса и форматирования данных с одного Modbus-устройства в переиспользуемый субпоток (`subflow`).
Сохранение в базу данных: Добавьте в поток узел `mysql` для сохранения каждого измерения в таблицу `telemetry_log` в базе данных MySQL на контроллере.
Аварийное оповещение: Добавьте узел `switch`, который будет проверять, не превышает ли влажность пороговое значение (например, 75%), и в случае превышения отправлять аварийное сообщение в отдельный MQTT-топик `hi/alarms/high_humidity`.

8. Рубрика оценивания

| Критерий | Макс. баллов | Описание |

| :--- | :--- | :--- |

| Функциональность | 40 | Поток успешно считывает данные с Modbus-устройства и публикует их в MQTT с заданной периодичностью. |

| Применение паттернов | 30 | Корректно реализованы: 1) Валидация и "Контракт сообщения" в узле `function`. 2) Использование `node.status` для визуальной обратной связи. 3) Наличие узла `catch` для перехвата ошибок. |

| Качество кода и конфигурации | 20 | Узлы имеют осмысленные имена. Код в узле `function` читаем и содержит комментарии. Конфигурация узлов (Modbus, MQTT) выполнена корректно. |

| Диагностика | 10 | Инженер может продемонстрировать работу системы обработки ошибок, искусственно создав сбой (например, отключив датчик). |

| Итого | 100 | |

9. Runbook: "Что делать, если не работает"

| Проблема | Возможная причина | Действия по устранению |

| :--- | :--- | :--- |

| Узел `Modbus-Getter` показывает ошибку `timeout` или `Port not open` | 1. Неправильно указан COM-порт.
2. Физический обрыв линии RS-485.
3. Перепутаны провода A/B.
4. Несовпадение параметров шины (скорость, четность).
5. Неправильный Slave ID. | 1. Проверьте имя порта в ОС Linux контроллера (`ls /dev/tty*`).
2. "Прозвоните" кабель. Проверьте надежность зажимов в клеммах.
3. Поменяйте местами провода A и B на клеммах контроллера.
4. Убедитесь, что настройки в узле Node-RED и на датчике идентичны (`9600 8N1`).
5. Проверьте Slave ID, установленный на датчике. |

| Данные приходят, но они некорректны (например, `0` или `65535`) | 1. Неправильный адрес регистра.
2. Неправильный тип регистра (Input vs Holding).
3. Ошибка "off-by-one" (адрес `105` вместо `104`). | 1. Внимательно перечитайте карту регистров устройства.
2. Убедитесь, что вы используете правильную функцию Modbus (FC4 для Input Registers).
3. Попробуйте указать адрес на единицу меньше. |

| Узел `mqtt out` показывает статус `disconnected` | 1. Неправильный адрес или порт MQTT-брокера.
2. Брокер недоступен по сети.
3. Неверные учетные данные (логин/пароль). | 1. Проверьте настройки MQTT-сервера в Node-RED.
2. С контроллера выполните команду `ping <адрес_брокера>`, чтобы проверить сетевую доступность.
3. Проверьте логин и пароль в конфигурации узла. |

| Поток работает, но узел `function` показывает красный статус `Invalid data` | 1. Датчик неисправен и отдает некорректные значения.
2. Логика валидации в коде слишком строгая. | 1. Проверьте сырые данные, приходящие от `Modbus-Getter` в панели отладки.
2. Временно ослабьте условия в `if (rawValue < 0 || rawValue > 1000)` для диагностики. |