Розробка IoT-платформи для моніторингу екологічних параметрів з візуалізацією даних у реальному часі

Abstract

У сучасних умовах стрімкої цифровізації та розвитку технологій Інтернету речей (IoT) питання безперервного моніторингу довкілля набуває критичної ваги для забезпечення енергоефективності, безпеки та комфорту в житлових, промислових та освітніх приміщеннях. Контроль таких екологічних параметрів, як температура, відносна вологість повітря та концентрація діоксиду вуглецю (CO₂), є необхідною умовою підтримки здорового мікроклімату, оптимізації роботи систем вентиляції та кондиціонування, а також запобігання аварійним ситуаціям. Традиційні системи моніторингу часто базуються на ізольованих рішеннях, мають високу вартість розгортання, закриті архітектури або не забезпечують миттєвого відображення стану середовища, що суттєво обмежує їх практичне застосування. Актуальність теми дослідження зумовлена потребою у створенні відкритої, модульної та масштабованої IoT-платформи, яка поєднує надійний збір даних з датчиків, ефективну маршрутизацію повідомлень, структуроване зберігання часових рядів та інтерактивну візуалізацію в реальному часі. Використання сучасних вебтехнологій, контейнеризації сервісів та стандартних протоколів обміну даними дозволяє знизити бар’єри входу для розгортання подібних систем та забезпечити їх подальшу інтеграцію з існуючими інфраструктурами «розумних будівель» та промислових IoT-мереж. Вихідними даними для розробки стали сучасні вимоги до архітектури IoT-систем, специфікації протоколів MQTT та WebSocket, принципи побудови RESTful API, а також рекомендації щодо проєктування реляційних баз даних для зберігання телеметричних даних. Обґрунтування необхідності проведення дослідження полягає у відсутності універсальних MVP-рішень, що одночасно реалізують повний цикл обробки даних (сенсор → брокер → бекенд → БД →клієнт) з відкритим вихідним кодом, підтримкою реальних патернів генерації показників довкілля та мінімальними затримками візуалізації. Метою роботи є розробка IoT-платформи для моніторингу екологічних параметрів з архітектурою виробничого рівня, що забезпечує надійну передачу даних через MQTT-брокер, збереження вимірювань у реляційній базі та миттєву візуалізацію на вебдашборді через WebSocket-з’єднання. Для досягнення поставленої мети у ході дослідження вирішено такі задачі:  провести аналіз предметної області, існуючих IoT-рішень та протоколів передачі даних;  спроєктувати загальну системну архітектуру, топологію мережі та модель даних;  розробити бекенд-складову на базі NestJS, що реалізує підписку на MQTT-топіки, валідацію вхідних повідомлень, взаємодію з БД через Prisma ORM та трансляцію подій через Socket.IO;  створити фронтенд-дашборд на Next.js з інтерактивними графіками та системою кольорового індикування статусів параметрів;  реалізувати програмний симулятор сенсорів із генератором реалістичних добових циклів та гаусівським шумом;  провести комплексне тестування системи, оцінити затримки передачі даних, стабільність з’єднань та ресурсомісткість сервісів. Практична значущість роботи полягає у можливості безпосереднього розгортання платформи однією командою docker compose up на будь-якому сервері або локальному комп'ютері, що відкриває перспективи її використання в навчальних лабораторіях, як тестового полігону для IoT-розробників, а також як базового модуля для комерційних систем екологічного моніторингу. Розроблена архітектура легко масштабується шляхом підключення фізичних мікроконтролерів (ESP32, Raspberry Pi тощо) замість програмного симулятора без зміни логіки бекенду та фронтенду. Структура пояснювальної записки відповідає логіці виконання технічного завдання та складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку посилань та додатків. У першому розділі проведено аналіз предметної області та обґрунтовано вибір технологічного стеку. Другий розділ присвячено проєктуванню архітектури системи, моделюванню бази даних та розробці UML-діаграм. Третій розділ містить опис реалізації програмних компонентів та контейнерної оркестрації. Четвертий розділ висвітлює методику та результати тестування працездатності, продуктивності та надійності платформи.