{"id":1587,"date":"2023-02-01T21:10:34","date_gmt":"2023-02-01T20:10:34","guid":{"rendered":"https:\/\/informatik.htwk-leipzig.de\/seminar\/?p=1587"},"modified":"2023-02-08T16:41:21","modified_gmt":"2023-02-08T15:41:21","slug":"node-red","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/informatik.htwk-leipzig.de\/seminar\/lehrveranstaltungen\/betriebliche-informationssysteme\/2023\/node-red\/","title":{"rendered":"Node-Red"},"content":{"rendered":"

\"Einstieg<\/h1>\n

Warum Node-Red?<\/h2>\n

Ob bei der smarten Geb\u00e4udeautomatisierung oder industriellen Anlagen, die ihren Weg ins IoT finden sollen, besteht h\u00e4ufig das Problem, dass es keine gemeinsamen Schnittstellen gibt. Wie soll zum Beispiel ein Sch\u00fctz hinter einer SPS durch eine Rest-API angesprochen werden k\u00f6nnen? Die Antwort darauf bietet Node-Red. Die Open-Source Low-Code-Plattform fokussiert sich auf das einfache Verbinden von verschiedener Hardware, Schnittstellen, Services und Protokolle mittels Drag and Drop. So lassen sich komplexe IoT-Anwendungen ohne vorausgesetzte Programmierkenntnisse entwickeln. Ein Baukastenprinzip erm\u00f6glicht es Prozesse einfach, transparent und Menschen-lesbar zu modellieren.<\/p>\n

Neben den Automatisierungsm\u00f6glichkeiten bietet Node-Red dar\u00fcber hinaus die M\u00f6glichkeit Dashboards zur Auswertung erfasster Daten zu generieren. Auch hier kann mit wenigen Klicks eine umfangreiche Visualisierung generiert werden.<\/p>\n

Das breite Spektrum der Einsatzm\u00f6glichkeiten sorgt daf\u00fcr, dass die Software sowohl in der Industrie zum Rapid-Prototyping wie auch in privaten Haushalten zur Heimautomatisierung Einzug h\u00e4lt.<\/p>\n

Funktionsweise<\/h2>\n

Node-Red-Plattform<\/h3>\n

Bei Node-Red handelt es sich um eine auf JavaScript basierende grafische Entwicklungsumgebung, deren Laufzeitumgebung auf Node.js aufbaut. Dem Entwickler bleibt dies jedoch auf den ersten Blick in die IDE verborgen.<\/p>\n

Der Baukasten von Node-Red besteht aus Nodes, welche mittels Drag and Drop zu einem Flow zusammengef\u00fchrt und angeordnet werden k\u00f6nnen. Dabei gibt es Eingabe-, Ausgabe- und Verarbeitungs-Nodes. Jede einzelne besteht aus einem Eingang, mehreren Ausg\u00e4ngen oder einer Kombination aus beidem. Der Ausgang einer Node kann mit dem Eingang einer weiteren verbunden werden. \u00dcber diese Verbindungen erfolgt der eventbasierte Nachrichtenaustausch in Form eines Message-Objects.<\/p>\n

\"Screenshot-Node-Red-Umgebung\"<\/p>\n

Eine Node implementiert immer eine bestimmte Funktion nach dem Blackbox-Prinzip: Eine Information wird in den Eingang hineingegeben und nach kurzer Verarbeitungszeit erfolgt eine Ausgabe am Ausgang. Viele Funktionalit\u00e4ten sind bereits in fertigen Nodes verf\u00fcgbar oder k\u00f6nnen durch die Einbindung von entsprechenden Bibliotheken hinzugef\u00fcgt werden. Das kuratierte Modul-Repository umfasst zahlreiche Integrationen von Google-Services bis hin zu industriellen Bus-Controllern.<\/p>\n

\"Screenshot-Modul-Repository\"
\nKomplexere Funktionen lassen sich in einer Function-Node abbilden, deren Verhalten frei mit JavaScript beschrieben werden kann.<\/p>\n

\"Screenshot-function-node\"<\/p>\n

Zur Erstellung vollst\u00e4ndiger Preset-Nodes m\u00fcssen zus\u00e4tzlich in HTML die Eigenschaften, der Bearbeitungsdialog und ein Hilfetext definiert werden. Die Datei „package.json“ beschreibt abschlie\u00dfend das fertige Modul. Die Eigenschaft der Erweiterbarkeit mittels Code macht Node-Red zu einer Low-Code-Plattform, statt einer No-Code-Plattform.<\/p>\n

Die erstellten Flows oder auch Teile davon k\u00f6nnen jederzeit als JSON-String exportiert werden. Gleicherma\u00dfen unkompliziert wird das Importieren von Flows in einer anderen Node-Red-Instanz erm\u00f6glicht. Das Format eignet sich dar\u00fcber hinaus ebenso um in einer Quellcode-Verwaltung gespeichert zu werden.<\/p>\n

\"Screenshot-Export\"<\/h3>\n

Flow-based Programming<\/h3>\n

Das Prinzip hinter Node-Red ist das sogenannte Flow-based Programming (Flussbasierte Programmierung). Es beschreibt ein Programmierparadigma, dass von J. Paul Morrison erfunden wurde. In diesem Paradigma ist ein Programm ein Netzwerk aus einzelnen Prozessen, die \u00fcber Eing\u00e4nge und Ausg\u00e4nge miteinander verbunden sind. Jeder Prozess ist als Black Box zu betrachten, und ist dabei von den anderen Prozessen unabh\u00e4ngig, abgesehen von den Eingaben, die er von diesen erh\u00e4lt. Es gibt also keinen „Shared mutable state“, womit die Prozesse asynchron und parallel arbeiten k\u00f6nnen. Au\u00dferdem lassen sich Netzwerke von Prozessen zu neuen Einzelprozessen mit Eing\u00e4ngen und Ausg\u00e4ngen zusammenfassen, die man dann in anderen Netzwerken nutzen kann, \u00e4hnlich wie in anderen Programmierparadigmen Unterprogramme aus anderen Unterprogrammen zusammensetzbar sind.<\/p>\n

Zur Programmierung wird oft ein visuelles Tool benutzt, welches das resultierende Programm in eine textbasierte Programmiersprache \u00fcbersetzt. Im Idealfall l\u00e4sst sich damit einen Prozess, den man in der Planungsphase der Softwareentwicklung modelliert hat, sehr schnell implementieren.<\/p>\n

Bei oberfl\u00e4chlicher Betrachtung sieht Node-Red wie ein gutes Tool zur flussbasierten Programmierung aus. Laut J. Paul Morrison geh\u00f6rt Node-Red zu den Systemen, die zwar von der flussbasierten Programmierung inspiriert sind, jedoch nur einen Teil der wichtigen Aspekte des Paradigmas umsetzen und deshalb auch dessen Vorteile nicht richtig ausnutzen k\u00f6nnen. Als M\u00e4ngel solcher Systeme nennt er unter anderem fehlende Asynchronit\u00e4t zwischen den einzelnen Prozessen, und die Tatsache, dass ein Ausgang eines Prozesses mit mehreren Eing\u00e4ngen anderer Prozesse verkn\u00fcpft sein kann. Trotz dieser Unzul\u00e4nglichkeiten bietet Node-Red einen guten Einstieg in die flussbasierte Programmierung und die Softwareentwicklung mit einem visuellen Tool.<\/p>\n

Anwendungsf\u00e4lle<\/h2>\n

Low Code IDE f\u00fcr IoT-Anwendungen<\/h3>\n

IoT-Anwendungen verkn\u00fcpfen verschiedene Ger\u00e4te kabelgebundenen, oder \u00fcber drahtlose Netzwerke wie Bluetooth und Wi-Fi. Im Smart-Home Bereich k\u00f6nnen dies zum Beispiel intelligente Leuchtmittel, Thermostate und Schaltsteckdosen sein. Sollen Ger\u00e4te abh\u00e4ngig voneinander geschaltet werden oder eine \u00fcbergreifende Automatisierungen, zum Beispiel mit zeitlicher Abh\u00e4ngigkeit, implementiert werden eignet sich Node-Red sehr gut.<\/p>\n

Die gr\u00f6\u00dfte Schwierigkeit, bei der Entwicklung einer solchen Anwendung, stellt in der Regel die Schnittstellenentwicklung f\u00fcr die einzelnen Ger\u00e4ten dar. Da jedoch genau diese bereits in einer gro\u00dfen Vielzahl in Node-Red vorhanden sind, beschr\u00e4nkt sich die Entwicklungst\u00e4tigkeit auf das Erstellen der Schaltungslogik.<\/p>\n

So l\u00e4sst sich beispielsweise binnen Minuten das \u00d6ffnen eines T\u00fcrkontakt mit dem Einschalten der Zimmerbeleuchtung eines anderen Systems verkn\u00fcpfen. Bei Bedarf wird dieser Aufbau noch durch ein Dashboard erg\u00e4nzt, was die Kontrolle \u00fcber verschiede Prozesse und Aktoren vom Smartphone aus erm\u00f6glicht.<\/p>\n

Prototypen-Entwicklung<\/h3>\n

Das schnelle Entwickeln von Programmabl\u00e4ufen macht Node-Red im Hinblick auf Rapid-Prototyping interessant. Eine komplexe Anwendung kann als Netzwerk von Knoten konstruiert werden. Die Darstellung in der IDE erm\u00f6glicht eine gute Lesbarkeit und bietet die Chance nicht-programmierende Projektbeteiligte in den Entwicklungsprozess zu integrieren.<\/p>\n

Ein solcher Prototyp kann dabei unterst\u00fctzen kritische Aspekte oder Probleme fr\u00fch zu identifizieren. Der Prototyp ist dabei in der Regel hinsichtlich der Performance einer hochsprachlichen Implementierung unterlegen, kann jedoch als Proof Of Concept dienen.<\/p>\n

Auch zum Mocking kann Node-Red genutzt werden. Mit wenig Aufwand wird ein System simuliert, mit welchem im Entwicklungsprozess kommuniziert werden soll. Dies kann zum Beispiel eine Motorsteuerung sein, die ihre Betriebsparameter zyklisch via OPC-UA bereitstellt.<\/p>\n

HMIs oder Dashboard lassen sich in durch integrierte Nodes z\u00fcgig als einfache Web-Oberfl\u00e4che zusammensetzen. Sie k\u00f6nnen als funktionaler Platzhalter in der Entwicklung wie auch als Diskussionsgrundlage in der Angebotsphase zwischen Kunden und Vertrieb dienen.
\nWenn so zum Beispiel ein Kunde seine Anforderungen f\u00fcr ein neues Tool oder eine \u00c4nderung formuliert hat, kann vor Erstellung des konkreten Pflichtenhefts aufwandsarm ein Software-Prototyp erstellt werden. Sofern kein weitereichendes technisches Wissen ben\u00f6tigt wird, muss das Entwicklungsteam an diesem Prozess nicht beteiligt werden. Der Prototyp kann dem Kunden dabei helfen seine Anforderungen zu konkretisieren und dem Projektteam ein belastbares Pflichtenheft zu formulieren.<\/p>\n

\"bpmn\"<\/p>\n

Citizen Development<\/h3>\n

Citizen Development beschreibt die Integration fachfremder Personen in den Softwareentwicklungsprozess. Ein Argument daf\u00fcr kann sein, dass sich Mitarbeiter, welche mit einem Prozess arbeiten, in der Regel besser in diesen Hineinversetzen k\u00f6nnen und daraus Anforderungen f\u00fcr ein Tool, zur Verbesserung des Prozess, ableiten k\u00f6nnen, als ein Softwareentwickler-Team. Ende 2022 wurde Citizen Development bereits von 39 % der Unternehmen in den USA genutzt.<\/p>\n

Durch Low-Code- oder No-Code-Plattformen ist eine solche Verlagerung der Softwareentwicklung, hin zum Anwender, in einem gewissen Rahmen m\u00f6glich. Dies kann nicht nur die Entwicklungsdauer verk\u00fcrzen, es entlastet ebenso die Entwicklerteams.<\/p>\n

Des Weiteren kann Low-Code das Interesse an Softwareentwicklung wecken und einen niedrigschwelligen Einstieg erm\u00f6glichen. F\u00fcr komplexe Abl\u00e4ufe ist Citizen Development mit Node-Red jedoch nicht geeignet, da hier die Standard-Nodes schnell an ihre Grenzen kommen, und Teile des Algorithmus mit der Function-Node in Javascript umgesetzt werden m\u00fcssen.<\/p>\n

Betrieb von Node-Red<\/h2>\n

Node-Red ist eine Plattform, welche vielseitig einsetzbar ist. Doch welche Vorrausetzungen m\u00fcssen erf\u00fcllt sein, um die Software zur Anwendung bringen zu k\u00f6nnen?<\/p>\n

Node-Red ist ausschlie\u00dflich On Premise nutzbar. Neben einer Installation unter Windows und allen g\u00e4ngigen Linux-Distributionen, wird die Software auch als Docker-Image bereitgestellt.<\/p>\n

Die Anforderungen an die Hardware sind dabei sehr gering. So kann Node-Red problemlos auf einem RaspberryPi ausgef\u00fchrt werden. Im industriellen Kontext h\u00e4lt die Low-Code-Plattform ebenfalls Einzug. Auf vielen IoT-Gateways (z.B. Siemens IoT2050<\/a>) und (Soft-)SPS (z.B. RevPi<\/a>) ist Node-Red bereits vorinstalliert. Dabei sind jedoch ausschlie\u00dflich Automatisierungsaufgaben umzusetzen, welche keine Echtzeitf\u00e4higkeit verlangen. Bestehende Produktionsanlagen ohne umfangreiche Schnittstellen k\u00f6nnen auf diesem Weg um ein IoT-Hardwaremodul mit Node-Red erweitert werden, welches als Br\u00fccke zwischen der Steuerungstechnik und einem \u00fcbergeordneten MES-\/ERP- System dient.<\/p>\n

\"Node-Red-IndustrialUse\"
Quelle: https:\/\/www.it-production.com\/industrie-4-0-iot\/node-red-im-industrial-iot\/<\/figcaption><\/figure>\n

Installationsanleitung f\u00fcr \"docker-icon\"<\/h2>\n

Da Docker Betriebssystem\u00fcbergreifend verwendet werden kann, bietet sich die Installation auf diesem Weg an. Zur Ausf\u00fchrung ist lediglich ein Befehl notwendig:<\/p>\n

docker run -it -p 1880:1880 -v node_red_data:\/data --name mynodered nodered\/node-red<\/code><\/div>\n
<\/div>\n
Parameter:
\n„-it“<\/em> startet eine interaktive bash shell in den Container, alternativ „-d“<\/em> f\u00fcr Hintergrundbetrieb
\n„-p“\u00a0<\/em>Portmapping PortHost:PortContainer
\n„-v“\u00a0<\/em>Docker-Volume zur Speicherung der Flows, welche in Container gemounted wird
\n„–name“\u00a0<\/em>Name des Container<\/div>\n
<\/div>\n
Anschlie\u00dfend kann die Programmieroberfl\u00e4che von Node-Red, in diesem Beispiel, im Browser unter http:\/\/localhost:1880\/<\/a> aufgerufen werden. Das Dashboard ist unter http:\/\/localhost:1880\/ui\/<\/a> zu finden.<\/div>\n
<\/div>\n
Zur Konfiguration des Dashboard sollte das zugeh\u00f6rige Modul „node-red-dashboard<\/a>“ installiert werden.
\nHamburger-Men\u00fc->“Palette verwalten“->“Installation“->Modul suchen<\/div>\n
<\/div>\n
F\u00fcr weitere Informationen zur Konfiguration kann der offizielle Installationsleitfaden<\/a> konsultiert werden.<\/div>\n

Alternativen zu Node-Red<\/h2>\n

Zu Node-Red gibt es zahlreiche Alternativen. Im Folgenden werden drei Alternativen kurz vorgestellt.<\/p>\n

Kissflow<\/h3>\n

Bei Kissflow handelt es sich um eine kostenpflichtige End-to-End-Workflow-Software, welche cloudbasiert ist. Es handelt sich ebenfalls um eine No-Code Anwendung, bei der sich automatisierte Workflows sehr einfach \u00fcber Drag-and-Drop erstellen lassen. Es werden dabei strukturierte Workflows (Fallmanagement) und unstrukturierte Workflows (BPM\/Prozessmanagement) unterst\u00fctzt. So ist es m\u00f6glich in einer intelligenten und einfach zu integrierenden Plattform automatisierte Prozesse und Projektboards zu erstellen, mit deren Hilfe man einen Fallfluss abwickeln sowie Arbeitsthemen zusammenarbeiten kann. Weltweit wird Kissflow von \u00fcber 10.000 Unternehmen in \u00fcber 100 L\u00e4ndern genutzt.<\/p>\n

Vorteile:
\n– weltweit in einer Vielzahl an Unternehmen im Einsatz
\n– Kundenspezifische Entwicklung
\n– benutzerdefinierte Integration von anderen Apps m\u00f6glich<\/p>\n

Nachteile:
\n– kostenpflichtig<\/p>\n

\"Kissflow\"
Quelle: https:\/\/www.capterra.com.de\/software\/149470\/kissflow<\/figcaption><\/figure>\n

NoFlo<\/h3>\n

NoFlo ist eine JavaScript Implementation von Flow-based Programming, welche den Kontrollfluss der Software von der eigentlichen Softwarelogik trennt. Die MIT-lizensierte NoFlo Bibliothek kann entweder komplett Flow-basierte Anwendungen ausf\u00fchren sowie als Bibliothek komplexe Workflows oder asynchrone Prozesse besser managebar machen. Ebenfalls kann es als Extract, Transform, Load (ETL) Tool in Business Anwendungen benutzt werden. NoFlo Komponenten k\u00f6nnen in jeder Sprache geschrieben werden, welche zu JavaScript transpiliert werden kann.<\/p>\n

Vorteile:
\n– Open Source<\/p>\n

Nachteile:
\n– keine GUI zur Bearbeitung von Flows<\/p>\n

\"noflo\"
Quelle: https:\/\/bergie.iki.fi\/blog\/noflo-jekyll\/<\/figcaption><\/figure>\n

Datacake<\/h3>\n

Datacake ist eine ab dem dritten Ger\u00e4t kostenpflichtige IoT Low-Code Plattform mit der IoT Anwendungen ohne Programmierkenntnisse erstellt werden k\u00f6nnen. Durch ein benutzerfreundliches Dashboard lassen sich Ausl\u00f6ser und Bedienungen zusammenklicken. Es sind eine Vielzahl von Templates f\u00fcr die Ger\u00e4te der etablierten Hersteller vorhanden, mit denen die Konfiguration ohne Programmierkenntnisse durchgef\u00fchrt werden kann. Es bietet ebenfalls die Integration f\u00fcr LoRaWAN Netzwerk Server.<\/p>\n

Vorteile:
\n– benutzerfreundlich
\n– keine Programmierkenntnisse n\u00f6tig<\/p>\n

Nachteile:
\n– kostenpflichtig<\/p>\n

\"datacake\"
Quelle: https:\/\/datacake.co\/low-code-iot-platform<\/figcaption><\/figure>\n

Fazit<\/h2>\n

Node-Red ist eine vielseitige Low-Code-Plattform, welche in vielen Szenarien Anwendung finden kann. Von privaten Bastelprojekten bis in die Industrie wird immer h\u00e4ufiger auf die Software zur\u00fcckgegriffen, um schnell, einfach und transparent Automatisierungsl\u00f6sungen zu schaffen. Die einfache Verbindung von Sensoren, Aktoren, Services und Dashboards macht Node-Red attraktiv. Dabei ist die Nutzung der Open-Source Plattform kostenlos. Die entwickelte Applikation wird jedoch nicht denselben Ma\u00dfst\u00e4ben, im Hinblick auf Performance oder m\u00f6gliche Komplexit\u00e4t, wie eine hochsprachliche Implementierung gerecht.<\/p>\n

Quellen<\/h2>\n