Практика: Управление тестовой лампой в Node-RED

Урок 6 · Введение в протоколы автоматизации · 30 мин · theory

Подготовка рабочего места и техника безопасности

> ⚠️ Внимание: Работы с напряжением ~230В смертельно опасны. Всегда отключайте вводной автомат и лично проверяйте отсутствие напряжения на всех задействованных клеммах и проводах перед началом монтажа. Не полагайтесь на то, что кто-то другой отключил питание.

Цель этого урока — объединить теоретические знания по электротехнике, полученные в предыдущих занятиях, с практическими навыками программирования в среде Node-RED. Мы пройдем полный путь от физического подключения тестовой нагрузки до создания интерактивного элемента управления в веб-интерфейсе. В качестве нагрузки будет выступать обычная лампа накаливания или светодиодная лампа на 230В, а в роли коммутирующего устройства — релейный выход контроллера.

Обзор схемы подключения

Прежде чем приступить к работе, рассмотрим, как именно наша тестовая лампа будет подключена к контроллеру. Как мы помним из урока Типы контактов реле: NO, NC, COM, реле по своей сути является управляемым выключателем. Мы будем использовать его для разрыва фазного провода, идущего к лампе.

COM (Common): Общий контакт реле. Сюда мы подведем фазный провод (~230В) от автоматического выключателя из распределительного щита.
NO (Normally Open): Нормально разомкнутый контакт. Этот контакт по умолчанию не соединен с COM. Он замкнется, когда на реле поступит команда "ВКЛ". От этого контакта провод пойдет к одному из контактов нашей лампы.
NC (Normally Closed): Нормально замкнутый контакт. Мы его использовать не будем, но помним, что он, наоборот, размыкается при включении реле.

Второй контакт лампы подключается напрямую к нейтральной (N) шине. Таким образом, реле контроллера физически ставится в разрыв цепи питания лампы, управляя подачей фазы.

Принципиальная схема подключения:

//========= Схема подключения тестовой лампы =========

    [Автоматический выключатель]        [Контроллер: Релейный выход]        <Тестовая лампа 230V>
            (в щите)                         (например, K1)

   ФАЗА (L) -----------------------------------> COM

                                               NO ---------------------------> Контакт 1 (Лампа)

   НЕЙТРАЛЬ (N) -------------------------------------------------------------> Контакт 2 (Лампа)

Протокол безопасности

Соблюдение техники безопасности — это не формальность, а необходимое условие сохранения вашего здоровья и жизни. Перед началом любых монтажных работ с напряжением 230В необходимо выполнить следующую последовательность действий в обязательном порядке:

Полное обесточивание: Отключите вводной автоматический выключатель, питающий ваш стенд или шкаф автоматизации. Если вы работаете в действующем щите, отключите автомат той группы, с которой будете работать. Повесьте на рычаг автомата табличку "Не включать! Работают люди".

Проверка отсутствия напряжения: Возьмите мультиметр, переключите его в режим измерения переменного напряжения (ACV, V~). Используя щупы, убедитесь в отсутствии напряжения между всеми парами проводников, с которыми вы будете работать: L и N, L и PE, N и PE. Убедитесь, что прибор показывает 0 Вольт. Проверьте работоспособность самого мультиметра, замерив напряжение в заведомо рабочей розетке до и после проведения работ.

Использование средств защиты: Даже на обесточенной линии рекомендуется работать в диэлектрических перчатках. Это защитит вас в случае ошибочной подачи напряжения.

Визуальный осмотр: Перед подачей питания еще раз визуально проверьте правильность и надежность всех собранных соединений. Убедитесь, что нет коротких оголенных участков проводов, которые могут коснуться друг друга или корпуса щита.

Только после выполнения всех этих шагов можно быть уверенным в безопасности предстоящих работ.

---

Адресация в автоматизации: MQTT-топики реле

Если представить систему автоматизации как живой организм, то протокол MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) будет его нервной системой. Каждое устройство, каждый датчик, каждое реле и его свойство имеют в этой системе свой уникальный адрес, который называется топик (topic). Контроллер HI (и родственные ему платформы, такие как Wirenboard) активно использует MQTT для внутреннего и внешнего взаимодействия.

Для управления реле нам важны два типа топиков: топик для отправки команды и топик для получения информации о текущем состоянии. Эта архитектура обеспечивает надежную обратную связь.

Структура MQTT-топиков контроллера

Контроллер публикует все подключенные устройства и их параметры в четко структурированном дереве топиков. Рассмотрим на примере релейного модуля `wb-mr6c` с адресом `34`:

Устройство: `/devices/wb-mr6c_34/` — корневой топик, описывающий само устройство.
Элемент управления (Control): `/devices/wb-mr6c_34/controls/K1` — топик, описывающий конкретное реле (первое, K1).
Команда на управление: `/devices/wb-mr6c_34/controls/K1/on` — это специальный служебный топик. Именно сюда мы будем отправлять команду, чтобы изменить состояние реле.

Состояние (State): `/devices/wb-mr6c_34/controls/K1` — основной топик элемента управления. Его значение автоматически изменяется самим контроллером, когда состояние реле меняется фактически*.

Разница между топиком команды и топиком состояния

Ключевое отличие, которое необходимо понять — это направление потока данных.

| Параметр | Топик команды (`.../on`) | Топик состояния (`...`) |

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

| Назначение | Задать желаемое состояние (управление) | Сообщить о фактическом состоянии (мониторинг) |

| Направление | Публикация в топик (Write). Мы отправляем сообщение в него. | Подписка на топик (Read). Мы получаем сообщения из него. |

| Формат сообщения | `1` (включить), `0` (выключить) | `1` (включено), `0` (выключено) |

| Пример использования | Node-RED отправляет `1` в `.../K1/on` для включения света. | Node-RED подписывается на `.../K1` и получает `1`, когда свет включился. |

Такое разделение позволяет системе знать реальное положение дел. Например, если реле было включено не из Node-RED, а с помощью физического выключателя, подключенного к входу контроллера, топик состояния `/devices/wb-mr6c_34/controls/K1` все равно изменит свое значение на `1`, и все подписанные на него системы (включая наш интерфейс) немедленно обновят свой статус.

Данные, которые передаются в топике, называются payload (полезная нагрузка). В нашем случае, для управления реле, `msg.payload` будет содержать строковое значение `"1"` или `"0"`.

---

Практика: Создание первого потока управления в Node-RED

Теперь перейдем к самому интересному — созданию программной логики. Мы создадим простейший поток (flow), который позволит нам вручную включать и выключать нашу тестовую лампу.

> 💡 Подсказка: Всегда подключайте узел `debug` к выходам узлов, поведение которых вы хотите проверить. Настройте `debug` на отображение полного объекта `msg`, чтобы видеть не только `payload`, но и другие параметры, например, `topic`. Это — ваш главный инструмент отладки.

Необходимые узлы

Для нашей первой задачи понадобятся всего два базовых узла из левой палитры Node-RED:

`inject`: Позволяет вручную инициировать поток, отправляя сообщение по нажатию кнопки на самом узле. Идеален для тестирования.
`mqtt out`: Отправляет (публикует) входящее в него сообщение в указанный MQTT-топик.

Пошаговая инструкция

Создание кнопок "ВКЛ" и "ВЫКЛ":

* Перетащите два узла `inject` на рабочее поле.

* Дважды кликните по первому. В поле `Payload` установите тип `string` (строка) и введите значение `1`. В поле `Name` напишите "Включить лампу". Нажмите "Done".

* Дважды кликните по второму узлу `inject`. Аналогично установите `Payload` в `string` со значением `0`. В поле `Name` напишите "Выключить лампу". Нажмите "Done".

Настройка отправителя MQTT:

* Перетащите узел `mqtt out` на рабочее поле.

* Дважды кликните по нему. В поле `Server` выберите (или настройте, если это первый раз) подключение к вашему MQTT-брокеру. Обычно это `localhost:1883` или IP-адрес контроллера.

* В поле `Topic` введите полный путь к топику команды нашего реле. Для нашего примера это: `/devices/wb-mr6c_34/controls/K1/on`.

* В поле `Name` можно задать осмысленное имя, например, "Управление лампой на кухне". Нажмите "Done".

Сборка потока:

* Соедините выход каждого из узлов `inject` со входом узла `mqtt out`. Теперь при нажатии на любой из `inject`, его `msg.payload` (`1` или `0`) будет отправлен в `mqtt out`, который, в свою очередь, опубликует это значение в заданный топик.

Визуально ваш поток должен выглядеть так:

 [inject: "Включить лампу" (payload: "1")] --+
                                              |--> [mqtt out: "/devices/.../K1/on"]
 [inject: "Выключить лампу" (payload: "0")] --+

Развертывание и тестирование:

* Нажмите красную кнопку `Deploy` в правом верхнем углу редактора. Это сохранит и активирует ваши изменения.

* Теперь физически подайте питание на ваш стенд.

* Нажмите на кнопку слева от узла "Включить лампу". Если все сделано правильно, вы должны услышать щелчок реле, и ваша тестовая лампа загорится!

* Нажмите на кнопку узла "Выключить лампу". Лампа должна погаснуть.

Поздравляем! Вы только что создали свою первую программу автоматизации, управляющую реальным физическим устройством.

---

Обратная связь: получение актуального состояния реле

Наш текущий поток отлично справляется с отправкой команд, но он "слеп". Он не знает, действительно ли включилась лампа. Возможно, сработал автомат защиты, лампа перегорела или команда по какой-то причине не дошла. Чтобы построить надежную систему, нам необходима обратная связь. Мы должны не только отправлять команды, но и слушать (подписываться на) сообщения о реальном состоянии устройства.

Для этого нам понадобится новый узел:

`mqtt in`: Подписывается на указанный MQTT-топик и создает новое сообщение в Node-RED каждый раз, когда в этот топик приходит новое значение.

Принцип работы обратной связи

Когда контроллер физически меняет состояние реле (неважно, по нашей команде из Node-RED или по какой-то другой причине), он немедленно публикует новое состояние (`1` или `0`) в топик состояния. В нашем примере это `/devices/wb-mr6c_34/controls/K1`.

Узел `mqtt in`, подписанный на этот топик, мгновенно получает это сообщение от MQTT-брокера и передает его дальше в наш поток. Это позволяет нам реагировать на фактические изменения, а не на наши предположения.

Практическая проверка

Давайте увидим это в действии.

Добавление слушателя MQTT:

* Перетащите узел `mqtt in` на рабочее поле.

* Дважды кликните по нему. Укажите тот же сервер MQTT, что и в `mqtt out`.

* В поле `Topic` введите полный путь к топику состояния: `/devices/wb-mr6c_34/controls/K1`.

* Установите `Output` в `a parsed JSON object`, если предполагаете, что могут приходить сложные данные. Для нашего случая `auto-detect` или `a string` также подойдет.

* В поле `Name` напишите "Состояние лампы". Нажмите "Done".

Настройка отладки:

* Перетащите узел `debug` на поле.

* Соедините выход узла `mqtt in` ("Состояние лампы") со входом узла `debug`.

Развертывание и наблюдение:

* Нажмите `Deploy`.

* Откройте панель отладки (справа, иконка с жуком).

* Теперь снова воспользуйтесь кнопками `inject` из предыдущего шага, чтобы включить и выключить лампу.

Каждый раз, когда лампа меняет свое состояние, вы будете видеть в панели отладки новое сообщение. Если вы включили лампу, придет сообщение с `payload: "1"`. Если выключили — `payload: "0"`. Это и есть обратная связь в действии. Вы видите не то, что вы отправили, а то, что реально произошло на контроллере.

---

Пример: Создание пользовательского интерфейса (Dashboard)

Командная строка и узлы `inject` хороши для отладки, но конечному пользователю нужен простой и понятный интерфейс. Для этого в Node-RED существует замечательное дополнение — `node-red-dashboard`. Оно позволяет за считанные минуты создавать интерактивные панели управления, доступные через веб-браузер.

Мы создадим простой переключатель (тумблер), который будет и управлять лампой, и показывать ее актуальное состояние.

Необходимый узел

`ui_switch`: Графический элемент "переключатель", который можно добавить на панель дашборда.

Создание двусторонней связи

Самая важная особенность узлов из `node-red-dashboard` — их двусторонняя природа.

Когда пользователь в интерфейсе щелкает по переключателю, узел `ui_switch` генерирует сообщение на своем выходе. Мы можем использовать это сообщение для отправки команды.
Когда на вход узла `ui_switch` приходит сообщение, узел меняет свое визуальное состояние (положение "Вкл" или "Выкл") в соответствии с `payload` этого сообщения.

Эта механика позволяет нам создать идеальный замкнутый контур управления и обратной связи.

Пошаговая инструкция

Добавление переключателя:

* Перетащите узел `ui_switch` (из секции `dashboard` в палитре) на рабочее поле.

* Дважды кликните по нему.

* Group: Настройте группу и вкладку, где будет отображаться элемент. Например, `[Default] Home`.

* On Payload: Установите `string` и значение `1`. Это то, что узел будет отправлять при включении.

* Off Payload: Установите `string` и значение `0`. Это то, что узел будет отправлять при выключении.

* Pass through `msg` if payload matches state: Уберите эту галочку, чтобы избежать зацикливания команд.

* Indicator: Можно выбрать, чтобы индикатор (`1`/ `0`) отображался рядом с переключателем.

* Label: Напишите "Свет на кухне". Нажмите "Done".

Сборка полного потока:

* Теперь у нас есть все компоненты:

* `ui_switch`: наш пользовательский интерфейс.

* `mqtt out`: отправщик команд.

* `mqtt in`: получатель состояния.

* Цепь управления (вперед): Соедините выход узла `ui_switch` со входом узла `mqtt out` (`/devices/.../K1/on`).

* Цепь обратной связи (назад): Соедините выход узла `mqtt in` (`/devices/.../K1`) со входом узла `ui_switch`.

Итоговая схема потока:

                                +--------------------------------------+
                                |                                      |
(Отправка команды)              v                                      |
[ui_switch] --------> [mqtt out: ".../on"] ---> (MQTT Брокер) ---+      | (Отображение состояния)
                                                                 |      |
                                                                 v      |
(Получение состояния) <--------------------- [mqtt in: "..."] <--+      |
                                                                        |
                                                                        |
// Физический мир                                                       |
(MQTT Брокер) ---> [Драйвер контроллера] -> [Реле K1] -> <Лампа> --------+ (Изменение состояния)

Развертывание и использование:

* Нажмите `Deploy`.

* Откройте интерфейс дашборда. Обычно он доступен по адресу `http://:1880/ui`.

* Вы увидите ваш переключатель. Попробуйте нажать на него. Лампа должна включиться, а сам переключатель останется в положении "Вкл". Нажмите еще раз — лампа погаснет.

* Для проверки обратной связи: используйте узел `inject` из шага 3, чтобы включить лампу. Вы увидите, как переключатель в дашборде сам перейдет в положение "Вкл", отражая реальное состояние дел.

---

Итоги и дальнейшие шаги

> 🔗 Связанный материал: В следующем уроке, `COURSE-06-M02-L01`, мы рассмотрим, как управлять не только дискретными, но и аналоговыми сигналами на примере диммирования светодиодной ленты.

В рамках этого урока мы проделали огромную практическую работу:

Рассмотрели и реализовали безопасное физическое подключение нагрузки ~230В к реле контроллера.

Изучили фундаментальную концепцию адресации в системах автоматизации на базе MQTT, разделив топики команд и состояний.

Создали первый рабочий поток в Node-RED для отправки команд включения и выключения.

Реализовали контур обратной связи, позволяющий системе знать актуальное состояние оборудования.

Построили простой, но полнофункциональный пользовательский интерфейс с двусторонней связью.

Вы закрепили такие ключевые понятия, как MQTT-топик, payload, обратная связь и освоили базовые узлы Node-RED, которые являются строительными блоками для подавляющего большинства проектов автоматизации.

Ограничения текущей схемы

Несмотря на работоспособность, наша схема имеет некоторые ограничения, которые важно понимать:

Управление только Вкл/Выкл: Мы не можем регулировать яркость лампы, так как реле — это дискретное устройство.
Отсутствие сохранения состояния: Что произойдет со светом, если контроллер перезагрузится? В текущей реализации реле, скорее всего, вернется в состояние по умолчанию (выключено), даже если свет был включен. Наша логика не запоминает последнее состояние.
Простая логика: Мы реализовали только прямое ручное управление. В реальных проектах требуется более сложная логика: включение света по датчику движения, работа по расписанию, астрономическому таймеру и т.д.

Все эти вопросы станут темами наших следующих, более продвинутых уроков. Вы заложили прочный фундамент, на котором мы будем строить сложные и интеллектуальные системы автоматизации.