Даниил Сергеевич Марченко, аспирант
ул. Академика Скрябина, д. 23, Москва, 109472
Daniil Sergeevich Marchenko, Postgraduate
23 Akademik Skryabin st., Moscow, 109472
Исследование посвящено проектированию и верификации архитектуры программно-аппаратного комплекса IoT-мониторинга микроклимата сельскохозяйственных помещений на основе методологии функционального моделирования IDEF0. Объектом проектирования являлся распределенный комплекс мониторинга трех производственных помещений (общая площадь 4 500 м2), включающий сенсорный, коммуникационный, серверный и интерфейсный уровни. Функциональная модель системы декомпозирована до третьего уровня (A0–A3) в нотации IDEF0 с идентификацией 14 функциональных блоков, 23 входных/выходных потоков данных, 8 механизмов и 6 управляющих воздействий. Проведен сравнительный анализ четырех беспроводных протоколов передачи данных (LoRa, Zigbee, Wi-Fi, NB-IoT) по критериям дальности, пропускной способности, энергопотребления и стоимости развертывания. Протокол LoRa выбран базовым для сенсорного уровня (дальность до 2,8 км в условиях застрой ки, энергопотребление 42 мА в режиме передачи). Программная архитектура реализована по схеме MQTT-брокер — СУБД временных рядов (TimescaleDB) — REST API — веб-интерфейс. Разработана формула расчета сквозной задержки доставки данных от сенсора до интерфейса оператора. Нагрузочное тестирование подтвердило устойчивость системы при потоке до 12 000 сообщений/мин с медианной задержкой 287 мс и коэффициентом доставки 99,72%, при штатной нагрузке объекта (216 сообщ./мин) медианная задержка не превышает 134 мс, коэффициент доставки — 99,98%. Верификация функциональной модели выполнена методом трассировки потоков данных. Результаты применимы при проектировании автоматизированных систем управления микроклиматом сельскохозяйственных объектов.
The study focuses on the design and verification of the architecture of an IoT-based microclimate monitoring system for agricultural facilities using IDEF0 functional modeling methodology. The design object was a distributed monitoring system for three production buildings (total area 4,500 m2), comprising sensor, communication, server, and interface layers. The system’s functional model was decomposed to the third level (A0–A3) in IDEF0 notation, identifying 14 functional blocks, 23 input/output data flows, 8 mechanisms, and 6 control actions. A comparative analysis of four wireless data transmission protocols (LoRa, Zigbee, Wi-Fi, NB-IoT) was conducted based on range, throughput, power consumption, and deployment cost criteria. LoRa was selected as the base protocol for the sensor layer (range up to 2.8 km in built-up areas, power consumption 42 mA in transmission mode). The software architecture was implemented as an MQTT broker — time-series DBMS (TimescaleDB) — REST API — web interface pipeline. A formula for calculating end-to-end data delivery latency from sensor to operator interface was developed. Load testing confirmed system stability at up to 12,000 messages/min with a median latency of 287 ms and a delivery rate of 99.72%. Functional model verification was performed using data flow tracing. The results are applicable to the design of automated microclimate management systems for agricultural facilities.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.