Архитектура программно-аппаратного комплекса IoT-мониторинга микроклимата сельскохозяйственных помещений: функциональное моделирование и верификация

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.

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

2. Довлатов И.М., Комков И.В., Алипичев А.Ю., Благов Д.А., Юрочка С.С. Анализ предлагаемых технических решений для поддержания микроклимата животноводческих помещений. Аграрная наука. 2023; (9): 149–155. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2023-374-9-149-155

3. Довлатов И.М., Комков И.В. Математическое имитационное моделирование автоматизированной системы для снижения теплового стресса и сходимость с теоретическими значениями. Аграрная наука. 2025; (1): 114–120. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2025-390-01-114-120

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. Laktionov I.S., Vovna O.V., Kabanets M.M., Sheina H.O., Getman I.A. Information Model of the Computer-Integrated Technology for Wireless Monitoring of the State of Microclimate of Industrial Agricultural Greenhouses. Instrumentation Mesure Métrologie. 2021; 20(6): 289–300. https://doi.org/10.18280/i2m.200601

6. 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.

7. 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.

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. Веремейчик Р.М., Часовских А.А. Технологии 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.

10. Савин И.Ю., Блохин Ю.И., Чинилин А.В. Методология оперативного мониторинга состояния посевов на основе технологий интернета вещей. Российская сельскохозяйственная наука. 2023; (6): 43–46. https://doi.org/10.31857/S2500262723060091

11. Kuzichkin O.R., Konstantinov I.S., Vasilyev G.S., Surzhik D.I. Principles of Construction of Microclimate Control and Management Systems in Agro-Industrial Production Based on Identification Algorithms. Advances in Dynamical Systems and Applications. 2021; 16(1): 299–311. https://doi.org/10.37622/adsa/16.1.2021.299-311

12. Логинов И.В. Диагностирование функциональной пригодности развивающихся многофункциональных автоматизированных систем на основе перестраиваемой модели. Программные продукты и системы. 2022; (2): 195–207. https://doi.org/10.15827/0236-235X.138.195-207

13. Кычкин А.В., Горшков О.В., Селиванов В.А., Павлов В.А. Технология программной имплементации цифрового двойника в контур IoT управления HVAC-системой. Прикладная информатика. 2021; 16(5): 33–47. https://doi.org/10.37791/2687-0649-2021-16-5-33-47

14. Гумеров Э.А., Алексеева Т.В. Разработка архитектуры комплекса систем промышленного интернета вещей на основе интеллектуальных датчиков и сенсоров. Прикладная информатика. 2022; 17(6): 18–35. https://doi.org/10.37791/2687-0649-2022-17-6-18-35

15. Кочеткова О.В. Архитектура информационной системы и архитектура растениеводческого предприятия, использующего технологию IоT. Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2024; (4): 338–347 (на англ. яз.). EDN JIXRKE

16. Kartanova A.Dzh., Sarypbekova Zh.R., Sydykova Z.A., Mamadalieva Zh.B. Modeling of an intelligent management system for smart poultry farms. BIO Web of Conferences. 2025;194: 01090. https://doi.org/10.1051/bioconf/202519401090