SCN-CLIMATE-004: Управление вентиляцией по датчику CO2/влажности

Урок 1 · Сценарии умного дома: режимы, состояния, приоритеты · 30 мин · theory

Введение: Качество воздуха и цели автоматизации

ведение: Качество воздуха и цели автоматизации

Современные энергоэффективные дома хорошо сохраняют тепло, но из-за своей герметичности практически лишены естественного воздухообмена. Без контроля в таких помещениях быстро падает качество воздуха (IAQ — Indoor Air Quality). Урок COURSE-07-M06-L01 посвящен созданию сценария, который включает вентиляцию только по реальной потребности, решая проблему духоты и одновременно экономя энергоресурсы. Данный материал является логическим продолжением тем фильтрации сигналов и комплексного управления климатом.

Главные метрики микроклимата

Качество воздуха и необходимость проветривания зависят от трех базовых параметров:

Концентрация диоксида углерода (CO₂): Продукт человеческого дыхания и главный индикатор присутствия людей. Нормальным считается уровень до 800–1000 ppm (частей на миллион). Пример: в спальне с закрытым окном уровень CO₂ за ночь часто превышает 2000 ppm, что вызывает утреннюю головную боль.*

Относительная влажность (RH): Комфортный диапазон — 40–60%. Слишком сухой воздух (менее 30%) сушит слизистые. Избыточная влажность (более 60%) создает условия для роста плесени.
Летучие органические соединения (VOC): Выделяются мебелью, отделочными материалами, бытовой химией.

Проблема классического подхода

Традиционные подходы к вентиляции — это ручное управление, работа по таймеру или постоянная фоновая работа на низкой скорости.

> ⚠️ В чем их неэффективность? Вентиляция по расписанию может работать вхолостую в пустом помещении или не справляться при наплыве гостей. При этом шум от работы вентиляторов может мешать отдыху, даже если уровень CO₂ требует коррекции.

Цели нашего сценария:

«Вентиляция по требованию» (DCV): Включать систему только тогда, когда качество воздуха падает, и ровно на ту мощность, которая требуется для нормализации.

Энергосбережение: Минимизировать работу оборудования в пустом доме, снижая затраты на ресурсы.

Акустический комфорт (Учет режимов): Важная доработка сценария — интеграция с глобальным режимом `Night` (изученным в модуле M02). При активации ночного режима система должна принудительно ограничивать максимальные обороты вентиляции для тишины, даже при высоком уровне CO₂.

Архитектура умной вентиляции

На платформе HI решение строится по трехуровневой модели, обеспечивающей передачу данных от помещения к оборудованию:

Источник данных (Датчик): Комбинированный настенный или канальный датчик. Подключается по промышленной шине (например, RS-485/Modbus) или беспроводному протоколу.

Логический уровень (Контроллер HI): Среда Node-RED опрашивает датчик и состояние глобального режима `Night`. Как только порог превышен, контроллер рассчитывает уставку с учетом текущих приоритетов (Качество воздуха vs Тишина).

Исполнительное устройство (Вентилятор/Клапан): Механизм, изменяющий воздухообмен (Дискретное реле или аналоговый выход 0-10В).

Мини-практикум: аудит вашей системы

> 💡 Мини-задание

> Перед тем как перейти к сборке логики в Node-RED, зафиксируйте физическую конфигурацию вашего проекта.

> 1. Где автоматизируем? Выберите целевую зону (например, Спальня или Ванная).

> 2. Что является триггером? Для спальни выберите триггер по CO₂, для ванной — по влажности (RH).

> 3. Какие ограничения? Должна ли вентиляция снижать обороты, если активен режим `Night`?

> 4. Чем управляем? Определите тип исполнительного устройства: Дискретное (Реле) или Аналоговое (0-10В).

> Ожидаемый результат: У вас получится короткий профиль. Например: `Зона: Спальня | Триггер: CO₂ > 900 ppm | Ограничение: Night Mode | Управление: 0-10В`.

Аппаратная часть: Подключение датчиков и исполнителей

ппаратная часть: Подключение датчиков и исполнителей

Надежная работа климатического сценария начинается с физического уровня: корректного подключения оборудования. В этом разделе мы разберем всю цепочку действий — от монтажа сигнальных кабелей до получения первых данных в системе и выбора способа управления мотором.

> 💡 Подсказка: Используйте комбинированные датчики (CO2/VOC/влажность/температура) для экономии места и упрощения монтажа. Интерфейс RS-485 и протокол Modbus RTU являются промышленным стандартом де-факто для таких устройств, обеспечивая надежную передачу данных по двум проводам на большие расстояния.

Шаг 1. Физическое подключение датчиков (RS-485)

Для реализации сценария потребуется датчик, способный измерять как минимум концентрацию углекислого газа (CO₂).

Ключевые этапы подключения датчика к контроллеру HI:

Шина данных (A/B): Используйте кабель типа «витая пара» (UTP/FTP). Подключите клеммы `A` (D+) и `B` (D-) датчика к соответствующим клеммам порта RS-485 на контроллере.

Питание (V+/GND): Подайте на датчик питание (обычно 12В или 24В DC), строго соблюдая полярность. Питание можно взять от клемм блока питания самого контроллера или от отдельного источника.

Адресация (Slave ID): Каждому устройству на шине Modbus необходимо присвоить уникальный адрес от 1 до 247. Адрес обычно устанавливается встроенными DIP-переключателями на плате датчика или с помощью утилиты от производителя.

Терминирование: На двух крайних концах линии RS-485 необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) номиналом 120 Ом. Это предотвращает искажения сигнала. Если на шине только контроллер и один датчик, терминаторы ставятся на обоих устройствах.

Схема подключения:

// WIRING-SENS-011: Подключение Modbus-датчика CO2
// Используется витая пара UTP Cat5e

    [Контроллер HI]                     (Датчик CO2, Modbus ID: 15)
     (Порт RS485-1)
Клемма     Цвет провода      Клемма
  A --------(Зеленый)---------- A (D+)
  B ---------(Белый)----------- B (D-)
 GND -------(Черный)----------- GND
+24V --------(Красный)---------- Vin

Шаг 2. Настройка опроса датчика в Node-RED

После завершения электромонтажа необходимо настроить программный опрос датчика, чтобы получить данные для логики сценария. Центральным элементом здесь служит узел `Modbus-Getter`.

Порядок настройки:

Создайте конфигурацию Modbus-Client: В конфигурационных узлах Node-RED добавьте `modbus-client`. Укажите параметры порта RS-485 контроллера (например, Serial `/dev/ttyUSB0` или `/dev/ttyRS485-1`, скорость 9600, `8N1`).

Разместите `Modbus-Getter`: Этот узел будет выполнять роль мастера и запрашивать регистры.

Задайте параметры чтения:

* Unit-ID: Укажите Modbus-адрес датчика (например, `15`).

* FC (Function Code): Выберите функцию чтения — `FC 3: Read Holding Registers` или `FC 4: Read Input Registers` (зависит от документации датчика).

* Address: Укажите стартовый адрес регистра данных. Например, `2`.

* Quantity: Укажите количество запрашиваемых 16-битных регистров.

Запустите цикл опроса: Подключите к входу `Modbus-Getter` узел `Inject`, настроенный на автоматический повтор (Repeat) каждые 15-30 секунд. Запрашивать CO₂ чаще обычно не имеет смысла из-за инерционности самого сенсора.

> 🛠 Практическое мини-задание: Чтение и парсинг данных

> Цель: Получить из "сырых" Modbus-регистров готовый к использованию JSON-объект с показаниями CO2 и влажности.

> Дано (по паспорту датчика): Адрес устройства — `15`. Значение CO₂ лежит в регистре `2`, а относительной влажности — в регистре `3` (влажность передается умноженной на 10). Функция — FC3.

> 1. В `Modbus-Getter` установите: `Unit-ID: 15`, `FC: 3`, `Address: 2`, `Quantity: 2`.

> 2. Добавьте узел `function` сразу после Getter'а и вставьте следующий JS-код:

> // Getter возвращает массив из 2 считанных регистров: [регистр 2, регистр 3]
> const co2_raw = msg.payload[0];
> const hum_raw = msg.payload[1];
> 
> // Формируем удобный объект и приводим влажность к нормальным процентам
> msg.payload = {
>     co2: co2_raw,
>     humidity: hum_raw / 10
> };
> return msg;
>

> 3. Подключите вывод к узлу `debug`.

> Ожидаемый результат в консоли Node-RED: Периодически появляющийся объект вида `{"co2": 850, "humidity": 45.2}`.

Шаг 3. Подключение исполнительных механизмов

Имея на руках данные с сенсоров, система должна оказать воздействие на вентиляцию. Выбор узлов управления зависит от конструкции вашей вентиляционной системы:

Дискретное управление (ВКЛ/ВЫКЛ):

Применяется для управления обычными бытовыми приточными клапанами, вытяжками в санузлах или односкоростными вентиляторами.

Подключение:* Достаточно одного релейного выхода (Relay) на контроллере HI или модуле расширения.

Программная логика:* Номинально отправляет булево значение `true` (замкнуть контакты, включить вентилятор) или `false` (разомкнуть контакты) в узел, привязанный к аппаратному реле.

Пропорциональное управление (Плавная регулировка 0-10В):

Используется в профессиональных вентустановках (например, с EC-двигателями или VAV-клапанами), чтобы система могла плавно увеличивать производительность без резких скачков шума.

Подключение:* Требуется аналоговый выход `0-10V` (AO). Контроллер HI может быть оснащен соответствующим модулем.

Программная логика:* Сценарий высчитывает требуемую интенсивность в рабочем диапазоне (например, от `0` до `10` вольт) и передает это число (Number) в узел управления аналоговым выходом. Таким образом, при росте CO₂ напряжение начнет плавно расти с 3В до 10В, равномерно разгоняя мотор.

Базовая логика в Node-RED: Пороговое управление с гистерезисом

азовая логика в Node-RED: Пороговое управление с гистерезисом

Самый простой и надежный способ управления вентиляцией — пороговый. Алгоритм прост: если уровень CO₂ превысил порог — включаем вентиляцию, если опустился ниже другого порога — выключаем.

> 💡 Что такое гистерезис?

> Разница между порогом включения (например, 1000 ppm) и выключения (800 ppm) называется гистерезисом. Он нужен, чтобы защитить реле и двигатель вентилятора от «тактования» — постоянного включения/выключения из-за малейших колебаний показаний вокруг единственного порога (999–1001 ppm). Подробно мы разбирали этот паттерн в уроке `SCN-CLIMATE-001: Поддержание температуры (термостат с гистерезисом)`.

Контракт данных и архитектура потока

Предположим, наш Modbus-поллер опрашивает датчик и публикует данные в MQTT-топик `hi/office/room101/co2` в формате JSON.

Контракт входящего сообщения:

{
  "value": 1150,
  "unit": "ppm",
  "ts": 1678886400000,
  "source": "modbus-sensor-co2-room101"
}

Схема потока в Node-RED:

// FLOW-CLIMATE-VENT-001: Базовое управление вентиляцией по CO2

               [Извлечь значение]
[mqtt in] --------> [function] --------> [switch (Пороги CO2)]
                                             |
                                             |---> (Выход 1: > 1000) ---> [change (true)] ---\
                                             |                                               |---> [rbe] ---> [mqtt out]
                                             |---> (Выход 2: < 800)  ---> [change (false)] --/

Пошаговая реализация

Переход от получения данных к фактической отправке команды разбит на логические шаги:

Получение данных (`mqtt in`):

Подписываемся на топик `hi/office/room101/co2`. Node-RED автоматически распарсит JSON, если в настройках узла MQTT выбран пункт "a parsed JSON object".

Извлечение значения (`function`):

На входе мы имеем сложный объект. Создаем узел `function`, который отбрасывает лишние метаданные и передает дальше только числовое значение CO₂.

    // Передаем в payload только число для удобства дальнейшей обработки
    msg.payload = msg.payload.value;
    return msg;

Логика гистерезиса (`switch`):

Это ядро сценария. Настраиваем узел `switch` для проверки текущего значения `msg.payload`:

* Выход 1 (Порог включения): `is greater than` > `1000`

* Выход 2 (Порог выключения): `is less than` < `800`

Все значения между 800 и 1000 игнорируются узлом — поток просто останавливается, сохраняя текущее состояние системы.*

Формирование аппаратной команды (`change`):

* К выходу 1 узла `switch` подключаем узел `change`, который устанавливает `msg.payload` = `true` (сформирована команда "Включить").

* К выходу 2 узла `switch` подключаем другой узел `change`, устанавливающий `msg.payload` = `false` (сформирована команда "Выключить").

Фильтрация дубликатов (`rbe`):

После узлов `change` объединяем оба потока в один и пропускаем через узел `rbe` (Report by Exception). Он будет пропускать сообщения только в том случае, если значение изменилось (с `false` на `true` или наоборот). Это ключевой элемент, предотвращающий отправку сотен избыточных команд «Включить», пока уровень CO₂ держится выше 1000.

Отправка команды на реле (`mqtt out`):

Узел `mqtt out` публикует итоговое значение в топик `hi/office/room101/fan/set`, на который уже подписан микроконтроллер или другой поток, замыкающий физическое реле вентилятора.

Практическое мини-задание

Чтобы убедиться в корректности логики без необходимости дуть на реальный датчик CO₂, проведите тест с помощью инъекций.

Схема тестирования:

Добавьте четыре узла `inject` перед узлом `function` (или сразу перед `switch`). В каждом настройте отправку JSON формата `{"value": X}`, где X равно числам: `750`, `850`, `1050`, `1100`.

Подключите узел `debug` после узла `rbe`.

Нажимайте кнопки на узлах `inject` в следующем порядке и проверяйте результат (Тест-план):

* Нажимаем 850: Ничего не происходит (значение внутри «мёртвой зоны» гистерезиса).

* Нажимаем 1100: В debug появляется `true` (превышен порог 1000 — вентиляция включилась).

* Нажимаем 1050: Ничего не происходит (узел `rbe` заблокировал дубликат команды `true`).

* Нажимаем 850: Ничего не происходит (вентилятор продолжает работать, пока не вытянет весь воздух).

* Нажимаем 750: В debug появляется `false` (значение упало ниже 800 — вентиляция выключилась).

Такая простая, но отказоустойчивая схема надежно покрывает 80% задач домашней вентиляции по требованию: когда люди в комнате — свежий воздух поступает; когда дома никого нет — вентиляция простаивает, сберегая ресурс мотора и электроэнергию.

Расширенная логика: Пропорциональное управление скоростью

асширенная логика: Пропорциональное управление скоростью

Для систем с профессиональными вентустановками, поддерживающими регулировку скорости (через аналоговый вход 0-10В или ШИМ), доступна более комфортная логика — пропорциональное управление. Скорость вентилятора меняется плавно в зависимости от уровня загрязнения воздуха.

> 💡 Подсказка: Для плавного управления скоростью используйте встроенный в Node-RED узел `range`. Он легко масштабирует диапазон CO₂ (например, 800-1500 ppm) в рабочий диапазон вентилятора (0-100%).

Мы рассмотрим три варианта реализации: от простого ступенчатого переключения до кастомного скрипта со сглаживанием.

Шаг 1. Многоскоростное управление (Ступенчатое)

Промежуточный этап между простым ВКЛ/ВЫКЛ и плавной регулировкой — использование нескольких фиксированных скоростей. Этот вариант отлично подходит для большинства бытовых установок (например, рекуператоров с 3 скоростями).

| Уровень CO₂ (ppm) | Состояние вентиляции | Действие узла Node-RED |

| ----------------- | -------------------- | ---------------------- |

| < 800 | Выключено (0%) | Отправить `0` |

| 800 - 1000 | Низкая скорость (30%)| Отправить `30` |

| 1001 - 1200 | Средняя скорость (60%)| Отправить `60` |

| > 1200 | Высокая скорость (100%)| Отправить `100` |

Как реализовать: Добавьте узел `switch` с четырьмя условиями-выходами. К каждому выходу подключите узел `change`, который задаст свой `msg.payload` (0, 30, 60 или 100) и передаст его на MQTT-топик вентилятора.

Шаг 2. Плавное управление с узлом `range`

Наиболее элегантный способ для "умных" вентиляторов — масштабирование одного диапазона значений в другой.

Схема потока в Node-RED:

// FLOW-CLIMATE-VENT-002: Пропорциональное управление вентиляцией

[mqtt in]---->[function]---->[range]---->[smooth]---->[mqtt out]
   `co2`   `Извлечь payload` `Масштаб` `Сглаживание`  `fan/speed`

Настройка узла `range`:

Action: `Scale` — масштабирование.

Input range: `800` to `1500` — наш "рабочий" диапазон CO₂.

Result range: `0` to `100` — целевой диапазон скорости в процентах.

Limit result to target range: Обязательно активируйте галочку.

Пример:* Если CO₂ упадет до `700` ppm (ниже диапазона), на выходе будет строго `0%`. Если взлетит до `1600` ppm, на выходе будет ровно `100%`.

Если на вход узла придет `1150` ppm, он рассчитает пропорцию: `(1150 - 800) / (1500 - 800) * 100` ≈ `50%`.

Шаг 3. Деликатная настройка с узлом `function`

Если вам нужна более сложная логика (например, если двигатель вашей установки не может вращаться на скорости ниже 25% и останавливается), один узел `range` уже не справится. В этом случае задачу решает узел `function`.

Пример скрипта для узла `function`:

// Константы для настройки
const MIN_CO2 = 800;    // Уровень ниже которого вентиляция выключается (зона комфорта)
const MAX_CO2 = 1500;   // Уровень максимальной мощности
const MIN_SPEED = 25;   // Минимальная рабочая скорость (%), чтобы избежать остановки двигателя

let co2 = msg.payload.value;
let speed = 0;

if (co2 <= MIN_CO2) {
    speed = 0; // Воздух чистый, выключаем полностью
} else if (co2 >= MAX_CO2) {
    speed = 100; // Воздух плохой, полная мощность
} else {
    // Вычисляем скорость внутри рабочего диапазона, учитывая MIN_SPEED
    let factor = (co2 - MIN_CO2) / (MAX_CO2 - MIN_CO2);
    speed = MIN_SPEED + factor * (100 - MIN_SPEED);
}

// Округляем до целого числа, так как оборудование обычно не принимает дробные скорости
msg.payload = Math.round(speed);

// Визуальный статус прямо под узлом в редакторе Node-RED
node.status({ fill: "blue", shape: "dot", text: `CO2: ${co2}ppm -> Speed: ${msg.payload}%` });

return msg;

Этот подход позволяет учитывать аппаратные ограничения вентустановки.

Шаг 4. Устранение резких скачков (Узел `smooth`)

Если вы дыхнете прямо на датчик CO₂, показания моментально взлетят на сотни единиц, и вентилятор "взвоет". Чтобы этого избежать, всегда добавляйте узел `smooth` после вычислений.

Настройки узла `smooth`:

Action: `average` (скользящее среднее).
over the last: `5` values.

Он будет усреднять последние 5 значений скорости. Теперь вентилятор будет набирать и сбрасывать обороты плавно, обеспечивая максимальный акустический комфорт в помещении.

🛠 Практическое мини-задание

Задача: Переведите логику узла `range` на управление вытяжкой в ванной комнате по датчику влажности, учитывая, что вентилятор не умеет крутиться медленнее 30%. Ваши действия:

Добавьте в Flow узел `range`.

В поле Input range (Влажность) задайте: от `60` до `90`.

В поле Result range (Скорость вентилятора) задайте: от `30` до `100`.

Включите галочку `Limit result to target range`.

Ожидаемый результат (Тест-план):

При влажности `80%` на выходе появится примерно `76%` скорости.
При влажности `95%` на выходе будет `100%`.
При влажности `50%` на выходе будет... `30%`.

> ⚠️ Обратите внимание: Узел `range` с такими настройками выдаст _минимум_ 30% всегда, даже при влажности 10%! Чтобы вытяжка полностью останавливалась (0%) при влажности ниже 60%, вам потребуется усложнить Flow: добавить узел `switch`, который отсечет значения < 60 и заменит их на 0, ИЛИ использовать логику узла `function` (аналогично Шагу 3). Попробуйте реализовать оба варианта в качестве тренировки!

Итоги и лучшие практики

тоги и лучшие практики

Сценарий управления вентиляцией по уровню CO2 или влажности — ключевой элемент здорового микроклимата. В рамках этого урока мы настроили и протестировали базовый поток вычислений:

`Датчик (Modbus/Zigbee)` → `Контроллер (Node-RED)` → `Исполнитель (Реле или аналоговый выход 0-10V)`

Эта цепочка обеспечивает надежный сбор метрик и предсказуемое поведение климатической техники. Чтобы система работала незаметно для пользователя, необходимо соблюдать ряд инженерных и логических правил.

Чек-лист корректной настройки оборудования

Ошибки на физическом уровне (неверный монтаж) невозможно полностью компенсировать программно.

Размещение датчиков:

* Да: Высота 1.5–1.7 метра от пола (соответствует уровню дыхания человека); внутренние стены помещения.

* Нет: Рядом с окнами, дверьми, приточными решетками (из-за сквозняков датчик покажет заниженный уровень CO2); под прямым солнцем или над радиаторами (искажение температуры).

Базовые уставки (пороги срабатывания):

* Жилые комнаты (спальни, детские): Оптимальный порог старта вентиляции — 800–1000 ppm.

* Кабинеты, гостиные, офисы: Стартовый порог можно поднять до 1000–1200 ppm (людей больше, а требования к тишине днем ниже).

UX-совет:* Выведите уставки в интерфейс пользователя (например, в дашборд Home Assistant) в виде ползунков (Input Number). Не "зашивайте" эти цифры жестко в код.

Интеграция с экосистемой и UX (Override-сценарии)

Вентиляция не должна работать в вакууме. Привяжите её к общим режимам умного дома:

Энергосбережение (Связь с отоплением): Если вентиляция работает на 100% мощности (интенсивное проветривание), сценарий должен временно закрывать термостаты на радиаторах в этом же помещении, чтобы не "отапливать улицу".
Режим "Никого нет" (`away`): Если датчики присутствия фиксируют пустой дом, переводите вентиляцию в дежурный режим (например, работа на 10% мощности или включение на 15 минут раз в 4 часа), игнорируя мелкие скачки CO2.
Режим "Ночь" / "Сон": Для спален добавьте программное ограничение максимальной скорости вентилятора. Даже если CO2 поднимется до 1500 ppm, ночью вентилятор не должен раскручиваться выше 30-40%, чтобы не разбудить жильцов шумом мотора.
Ручной перехват (Manual Override): Если пользователь включил вытяжку с физического настенного выключателя, автоматика должна "уступить". Настройте таймер: ручное включение блокирует автоматику по CO2 на 1–2 часа, после чего сценарий возвращается в штатный автоматический режим.

Практическое задание и план тестирования

Чтобы гарантировать отказоустойчивость настроенной логики, выполните небольшое задание и проверьте систему по тест-плану.

> 💡 Мини-задание: Добавьте в ваш сценарий Node-RED блокировку вентиляции по открытию окна.

> Ожидаемый результат: Добавьте узел, который проверяет статус геркона (датчика открытия окна) в комнате. Если окно находится в статусе `open`, скорость приточного вентилятора принудительно устанавливается на 0%, независимо от уровня CO2 (так как проветривание уже идет естественным путем).

Как протестировать итоговый сценарий:

Тест отклика датчика: Подышите прямо на корпус датчика CO2 с расстояния 5-10 см в течение 10–15 секунд.

Ожидание:* Уровень CO2 на контроллере резко поднимется выше 1200 ppm. Реле вытяжки должно замкнуться, либо напряжение на аналоговом выходе (0-10V) должно пропорционально вырасти.

Тест гистерезиса: После включения вентилятора отойдите от датчика и откройте окно, быстро проветрив комнату.

Ожидание:* Вентилятор не должен выключаться сразу при пересечении верхней границы установки (например, 1000 ppm) в обратную сторону. Он должен доработать до нижней границы (например, 800 ppm), предотвращая частые "щелчки" реле.

Тест ручного управления: Включите вытяжку с ручного выключателя или из интерфейса. Дождитесь падения CO2 до нормы.

Ожидание:* Вытяжка продолжит работать, так как приоритет находится у ручного управления (override-режим работает корректно).

Что дальше

Освоив локальное управление (климат по отдельному параметру), вы готовы к созданию масштабных микроклиматических систем.

В следующем уроке мы разберем, как спроектировать комплексный климат-контроль. Вы узнаете, как объединить радиаторы отопления, сплит-системы (кондиционеры), теплые полы и вентиляцию в единый согласованный механизм, где устройства работают сообща, не перетягивают на себя энергоресурсы и подчиняются глобальным температурным уставкам помещения.