Wie Node-RED die Temperaturregelung auf Raspberry-Pi-Systemen vereinfacht
Ein Low-Code-Raspberry-Pi-Projekt zeigt, wie Node-RED und der DS18B20-Sensor eine kompakte Temperaturregelung realisieren können. Das Design hebt die schnelle Bereitstellung, die GPIO-Integration u...
Low-Code-Steuerung rückt näher an die industrielle Automatisierung heran
Low-Code-Engineering-Plattformen verändern weiterhin die Herangehensweise von Technikern und Automatisierungsingenieuren an kleine Steuerungsprojekte. Was früher umfangreiche Skripterstellung erforderte, kann heute über grafische Programmierumgebungen wie Node-RED bereitgestellt werden.
In diesem Projekt bilden ein Raspberry Pi und ein DS18B20-Temperatursensor die Grundlage für einen kompakten Temperaturregler. Der Aufbau zeigt, wie moderne Low-Code-Tools die DIY-Entwicklung mit praktischen Konzepten der industriellen Automatisierung verbinden können.
Abbildung 1. Raspberry-Pi-Hardwareplattformen unterstützen zunehmend einfache Automatisierungs- und Überwachungsaufgaben.
Warum Temperaturregelung eine grundlegende ingenieurtechnische Übung bleibt
Die Temperaturregelung vermittelt Ingenieuren grundlegende Automatisierungskonzepte wie Sensorerfassung, digitale Ausgänge und Steuerungslogik. Selbst einfache Projekte zeigen, wie Rückkopplungsbedingungen das Verhalten von Geräten in Echtzeit beeinflussen.
Das Projekt verwendet einen Raspberry-Pi-Controller, einen digitalen DS18B20-Sensor und die Programmierumgebung Node-RED. Diese Kombination reduziert die Entwicklungskomplexität und gewährleistet gleichzeitig den Einblick in den zugrunde liegenden Steuerungsprozess.
Abbildung 2. Kompakte Sensorverdrahtungen ermöglichen schnelles Prototyping für Systeme zur Umweltüberwachung.
Digitale Sensoren verringern die Integrationskomplexität
Der Vorteil des DS18B20
Herkömmliche Temperaturmessgeräte wie RTDs und Thermoelemente benötigen häufig zusätzliche Hardware zur Signalaufbereitung. Der DS18B20 vereinfacht die Integration, da er digital über das 1-Wire-Protokoll kommuniziert.
Eine einzige Signalleitung unterstützt mehrere Sensoren am selben Kommunikationsbus. Diese Architektur verringert die Verdrahtungsdichte und macht das Design für Anwendungen mit verteilter Sensorik attraktiv.
Für Ingenieure, die mit verteilten Steuerungsplattformen arbeiten, bleibt die skalierbare Sensorintegration ein zentrales Thema in modernen DCS-Steuerungssysteme und Umgebungen für Edge-Automatisierung.
Sensorverdrahtung und GPIO-Verbindungen
Der Sensor erfordert eine einfache Verdrahtung mit einem 4,7-kΩ-Pull-up-Widerstand. Stromversorgung und Masse werden direkt mit dem Raspberry Pi verbunden, während die Signalleitung zu einem GPIO-Eingangspin geführt wird.
Mehrere Sensoren können dieselbe Eingangsleitung gemeinsam nutzen. Dadurch eignet sich die Konfiguration für kompakte Systeme mit begrenzten I/O-Ressourcen.
Abbildung 3. Die korrekte Platzierung des Pull-up-Widerstands gewährleistet eine stabile Leistung der 1-Wire-Kommunikation.
Node-RED verwandelt Steuerungslogik in einen visuellen Workflow
Laufzeitumgebung erstellen
Node-RED beseitigt viele der Programmierbarrieren, die mit eingebetteten Linux-basierten Systemen verbunden sind. Die browserbasierte Benutzeroberfläche ermöglicht es Benutzern, Logik-Flow mithilfe von Drag-and-drop-Funktionsblöcken zu erstellen.
Nach der Installation ermöglichen zusätzliche Pakete die Kommunikation mit dem DS18B20-Sensor und der Raspberry-Pi-GPIO-Hardware. Die Benutzeroberfläche wird lokal über die standardmäßige Node-RED-Laufzeitadresse verfügbar.
Abbildung 4. Node-RED ersetzt herkömmliche Skripterstellung durch visuelle Programmierblöcke und Live-Diagnose.
Live-Temperaturdaten auslesen
Der erste Programmierschritt besteht darin, den DS18B20-Knoten in den Flow einzufügen und den Zielsensor zuzuweisen. Ein Debug-Knoten zeigt anschließend die Live-Temperaturwerte zur Überprüfung und Fehlersuche an.
Auch das Timing der periodischen Abfragen muss sorgfältig konfiguriert werden. Zu hohe Abfragefrequenzen können die Prozessorauslastung eingebetteter Hardware unnötig erhöhen.
Abbildung 5. Debug-Knoten ermöglichen während der Inbetriebnahme die sofortige Anzeige von Sensordaten.
Temperaturlogik erstellen
Switch-Bedingungen zur Ausgangssteuerung verwenden
Der Switch-Knoten fungiert als Entscheidungseinheit der Anwendung. Wenn die gemessene Temperatur den konfigurierten Schwellwert überschreitet, leitet die Logik die Nutzdaten an den Ausgangspfad weiter.
Eine zweite Bedingung behandelt Temperaturen unterhalb des Sollwerts und stellt sicher, dass der Ausgang beim Abkühlen korrekt zurückgesetzt wird.
Abbildung 6. Die Schwellwertlogik erzeugt eine einfache, aber effektive Regelung mit geschlossenem Regelkreis.
GPIO-Ausgänge ansteuern
GPIO-Ausgangsknoten benötigen Binärwerte. Daher wandeln Change-Knoten das Logikergebnis entweder in 1 oder 0 um. Diese Werte steuern anschließend den ausgewählten Raspberry-Pi-Ausgangspin.
Dieser Ansatz bildet die in größeren SPS-Umgebungen verwendete logische Struktur nach, einschließlich modularer SPS- und PAC-Systeme, die in Fertigungsanlagen überall eingesetzt werden.
Abbildung 7. Die Payload-Konvertierung gewährleistet die Kompatibilität zwischen Logikfunktionen und physischen Ausgängen.
Nach der Verbindung aktiviert der Ausgangsknoten den GPIO-Pin, sobald die gemessene Temperatur den konfigurierten Schwellenwert überschreitet. Das System setzt den Ausgang anschließend wieder auf einen niedrigen Zustand, sobald die Temperatur unter den Grenzwert fällt.
Abbildung 8. Der vollständige Workflow kombiniert Sensorik, Entscheidungslogik und die Steuerung physischer Ausgänge.
Vom DIY-Prototypen zur industriellen Edge-Steuerung
Das Projekt bleibt bewusst einfach, spiegelt jedoch eine umfassendere Entwicklung in der industriellen Automatisierung wider. Low-Code-Umgebungen finden sich zunehmend in Edge-Gateways, IIoT-Systemen und Anwendungen zur verteilten Überwachung.
Ingenieure können die Plattform um Dashboards, Cloud-Datenbanken, Alarmverwaltung oder die Anbindung an Historian-Systeme erweitern. Zusätzliche Filterlogik kann auch kurze Schaltzyklen reduzieren und die Betriebsstabilität verbessern.
Abbildung 9. Die Dashboard-Visualisierung verbessert die Übersicht für Bediener und ermöglicht die Fernüberwachung.
Die wahre Bedeutung von Node-RED in der Automatisierung
Die Bedeutung von Node-RED geht über Hobbyprojekte hinaus. Seine visuelle Architektur senkt die Hürde zwischen Betriebstechnik und softwaregestützter Automatisierung.
Da Hersteller weiterhin Edge-Computing- und IIoT-Infrastrukturen übernehmen, werden Low-Code-Entwicklungstools wahrscheinlich zu einer Standardergänzung traditioneller SPS- und DCS-Umgebungen. Für Ingenieure, die heute in die Automatisierung einsteigen, wird das Verständnis dieser hybriden Plattformen zunehmend wertvoll.
In der Praxis zeigt dieser Temperaturregler, wie schnell sich funktionsfähige Automatisierung heute bereitstellen lässt. Was früher kundenspezifische Firmware und langwierige Entwicklungszyklen erforderte, lässt sich heute innerhalb weniger Minuten visuell zusammenstellen.
Autor: Daniel Mercer | Senior-Reporter für industrielle Systeme | Daniel verfügt über 14 Jahre Erfahrung in der Berichterstattung über industrielle Steuerungsplattformen, eingebettete Automatisierung und Edge-Computing-Systeme. Sein Hintergrund umfasst Projekte zur Vor-Ort-Integration mit Siemens-, Emerson-DeltaV-, Honeywell-Prozesssystemen und Architekturen von Beckhoff Automation.