4 Схематическое представление iot‑системы
Структурная схема, представленная на рисунке 4.1 системы «Умная теплица» включает следующие основные блоки:
Блок «Теплица», содержащий датчики микроклимата (BME280, MQ‑135, OPT3001 и дополнительные датчики влажности почвы), микроконтроллер STM32F103RB, исполнительные устройства (реле управления вентиляцией, освещением, насосами системы полива).
Блок «Коммуникационный модуль» – Wi‑Fi‑модуль ESP8266, обеспечивающий соединение с сетью Интернет и обмен данными по MQTT с облачной платформой.
Блок «Облачная платформа» – виртуальный сервер с развёрнутыми компонентами: MQTT‑брокер, серверная часть веб‑приложения и база данных для хранения телеметрии и настроек.
Блок «Пользовательский интерфейс» – веб‑приложение, доступное из браузера, предоставляющее панель мониторинга, графики истории, управление порогами и исполнительными устройствами.
Связи между блоками отображают потоки данных: от датчиков к контроллеру, далее через Wi‑Fi‑модуль к брокеру, затем к приложению и обратно в виде управляющих команд к исполнительным устройствам
Рисунок 4.1 – Структурная схема
Функциональная схема, представленная на рисунке 4.2. отражает последовательность работы системы в типовом режиме.
Основной сценарий работы включает:
периодический опрос датчиков микроклимата микроконтроллером;
локальное отображение значений на OLED‑дисплее;
анализ значений относительно заданных порогов и автоматическое управление исполнительными устройствами (освещение, вентиляция, полив);
формирование и отправку MQTT‑сообщений с данными на брокер;
приём команд от веб‑приложения через MQTT и изменение порогов или состояний исполнительных устройств;
запись данных и событий в базу данных и отображение их пользователю в веб‑интерфейсе.
Рисунок 4.2 – Функциональная схема
Схема сетевых соединений, представленная на рисунке 4.3, показывает топологию сети и используемые протоколы:
связь между микроконтроллером и датчиками реализована по шине I²C;
микроконтроллер подключён к Wi‑Fi‑модулю ESP8266, который обеспечивает выход в локальную сеть/Интернет по стандарту IEEE 802.11;
соединение устройства с MQTT‑брокером на виртуальном сервере осуществляется по протоколу MQTT поверх TCP/IP с использованием TLS;
веб‑клиент пользователя взаимодействует с серверной частью по протоколу HTTPS, получая данные и отправляя команды через REST‑интерфейс и/или WebSocket
Рисунок 4.3 – Схема сетевых соединений
5 Выбор протоколов связи
5.1 Протоколы физического и канального уровней
На уровне взаимодействия микроконтроллера с датчиками используется последовательная шина I²C, позволяющая подключать несколько устройств к одним сигнальным линиям SDA и SCL и эффективно организовывать обмен данными в пределах печатной платы.
Для связи с сетью Интернет применяется Wi‑Fi‑модуль ESP8266, реализующий стандарт IEEE 802.11 b/g/n и позволяющий подключаться к точке доступа или маршрутизатору, обеспечивающему выход в Интернет.