Проектирование архитектуры распределенной IoT-системы мониторинга параметров микроклимата тепличных комплексов на основе протокола MQTT и граничных вычислений

В статье рассматривается проектирование архитектуры распределенной IoT-системы мониторинга параметров микроклимата тепличных комплексов на основе протокола MQTT и граничных вычислений. Актуальность обусловлена низкой долей автоматизированных тепличных хозяйств в Российской Федерации и высокой стоимостью развертывания традиционных систем на основе промышленных контроллеров. Разработа на четырехуровневая архитектура, включающая уровень сенсорных узлов (ESP32-S3), уровень граничных шлюзов (Raspberry Pi 4B), уровень MQTT-брокера (Mosquitto 2.0) и уровень облачной платформы (PostgreSQL + Grafana). Проведен сравнительный анализ протоколов передачи данных (MQTT v5.0, CoAP, HTTP/2, AMQP 1.0) по критериям задержки, пропускной способности, потребления трафика и энергопотребления. Протокол MQTT v5.0 при 100 узлах обеспечивает пропускную способность 12 400 сообщ./с и задержку 47 мс; при масштабировании до 400 узлов пропускная способность достигает 13 333 сообщ./с. Предложена авторская методика расчета интегрального индекса производительности системы, учитывающего задержку, пропускную способность и долю потерянных сообщений. Нагрузочное тестирование на стенде (50-400 сенсор ных узлов, 72 часа) показало, что конфигурация с 4 граничными шлюзами обеспечивает устойчивую работу при 400 узлах с задержкой 89 мс и потерями менее 0,05%. Интегральный индекс производительности составил 0,91 для оптимальной конфигурации. Показано, что применение граничных вычислений сокращает объём трафика между объектом и облаком на 78% за счёт локальной агрегации данных.

1. Rajalakshmi G., Delsy T.T.M., Jamunarani D., Amalarani V., Chakravarthy P.K.S. Industrial Parameter Monitoring and Alarming System using IOT. Journal of Physics: Conference Series. 2021; 1770: 012033. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1770/1/012033

2. Chemerys O., Bushma O., Lytvyn O., Belotserkovsky A., Lukashevich P. Network of Autonomous Units for the Complex Technological Objects Reliable Monitoring. van Gulijk C., Zaitseva E. (eds.). Reliability Engineering and Computational Intelligence. Cham: Springer. 2021; 261–274. https://doi.org/10.1007/978-3-030-74556-1_16

3. Вострухин А.В., Мастепаненко М.А., Воротников И.Н., Вахтина Е.А. Алгоритм разработки программного обеспечения беспрово дной системы мониторинга температуры сельскохозяйственных объектов. Агроинженерия. 2025; 27(1): 75–81. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2025-1-75-81

4. Крестовников К.Д., Ерашов А.А., Быков А.Н. Масштабируемая архитектура и структура модулей распределенной системы управления процессами промышленных тепличных комплексов. Мехатроника, автоматизация, управление. 2021; 22(10): 527–536. https://doi.org/10.17587/mau.22.527-536

5. Новикова Т.П., Новиков А.И., Чесноков Ю.В. IOT-управление агротехнологиями: особенности построения реляционной модели хранения сенсорных данных на процессинговом уровне. Актуальные проблемы автоматизации, роботизации и управления в технических, организационных, экономических системах : Материалы Всероссийской научно-практической конференции преподавателей и специалистов и Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых. Воронеж: Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова. 2025; 282–290. https://doi.org/10.58168/AIARMTOES2025_282-290.

6. Веремейчик Р.М., Часовских А.АТехнологии интернета вещей в задачах промышленной автоматизации. Молодые учёные России : Сборник статей XXVI Всероссийской научно практической конференции. Пенза: МЦНС Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.). 2025; 71–73. EDN UNFQWY.

7. Новиков А.И., Новикова Т.П., Чесноков Ю.В. Новиков, А. И. IOT-управление агротехнологиями: особенности сенсорного уровня системы поддержания жизненного цикла ювенильного растения. Технологии в биоэкономике: инновации и вызовы в XXI веке : Материалы Международного форума. Воронеж: Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова. 2025; 247–252. https://doi.org/10.58168/TBiEc2025_247-252.

8. Верезубова Н.А., Яковлева О.А., Савонкина А.Р. Использование технологий Интернета вещей в аграрной сфере. Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Экономика и право. 2025; (8): 20–24. https://doi.org/10.37882/2223-2974.2025.08.08

9. Сафонова Т.В., Муленко М.Д., Лескова Д.О., Мокряк А.В., Прахов Р.Л. Умное земледелие: устойчивое сельское хозяйство на основе Интернета вещей (IoT). Информационные технологии и системы: управление, экономика, транспорт, право. 2025; 1(53): 131–138. EDN DBHTTS.

10. Качанова О.А., Левоневский Д.К. Архитектура программного обеспечения автоматизированного тепличного комплекса на основе облачных технологий. Программная инженерия. 2021; 12(9): 475–489. https://doi.org/10.17587/prin.12.475-489

11. He P., Zhu Z., Wang X., Zhang C., Yuan W., Hao J. Research on Supervision System of Power Safety Tools and Equipment Based on Internet of Things Technology. Distributed Generation and Alternative Energy Journal. 2023; 38(4): 1223–1254. https://doi.org/10.13052/dgaej2156-3306.3847

12. Кульгина С.П., Попов Д.С., Черемный И.Р. Особенности построения архитектуры распределенной информационно управляющей системы мобильного робота с учетом разделения на подсистемы мягкого и жесткого реального времени. Экстремальная робототехника. Труды 31-й Международная научно-технической конференции. СПб. 2020; 274–281. EDN RNMUOR

13. Jeba Kumar R.J.S., Roopa Jayasingh J. 434 MHz Environmentally Safe Monitoring Schema for Vehicular Network by AI-ML-IoT Technologies. Journal of Cases on Information Technology. 2021; 23(2): 26–38. https://doi.org/10.4018/JCIT.20210401.oa3

14. Sednin A.V., Zherelo A.V. An Approach to Data Processing for the Smart District Heating System. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2022; 65(3): 240–249. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-3-240-249

15. Witczak D., Szymoniak S. Review of Monitoring and Control Systems Based on Internet of Things. Applied Sciences. 2024; 14(19): 8943. https://doi.org/10.3390/app14198943