Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра комплексной информационной безопасности электронно-вычислительных систем (КИБЭВС)

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ УГРОЗ СИСТЕМЫ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Отчет по лабораторной работе №3

по дисциплине «Безопасность интернета вещей и сенсорных систем»

		Студент гр.
		____________
		Руководитель
		Ст. преподаватель каф. КИБЭВС
		Калинин Е.О.
		____________

Введение

Цель работы: развить практические навыки моделирования угроз безопасности IoT с использованием специализированных инструментов и методологий (STRIDE, DREAD), строить модель угроз для IoT-систем в соответствии с требованиями ФСТЭК, провести анализ конкретной IoT-системы.

Задание выполняется согласно варианту №10 лабораторной №1: «Умная теплица» с автоматическим контролем температуры, влажности, полива и освещения на основе данных с датчиков и прогноза погоды.

1 Описание выбранной системы интернета вещей

1.1 Назначение и цели системы

Система «Умная теплица» предназначена для автоматического контроля микроклимата и систем жизнеобеспечения теплицы, а также для удалённого мониторинга и управления с помощью веб‑ или мобильного приложения.

Цель – обеспечить оптимальные условия роста растений, снизить затраты ресурсов (воды, электроэнергии), минимизировать влияние человеческого фактора и повысить урожайность.

1.2 Функциональные требования

Система обеспечивает следующие ключевые функции:

• Сбор данных – непрерывный или периодический сбор показаний датчиков температуры воздуха, влажности воздуха, влажности почвы, уровня освещённости внутри теплицы; o получение внешних метеоданных (температура, осадки, облачность) от стороннего погодного сервиса по API.

• Управление оборудованием – автоматическое включение / отключение системы полива по пороговым значениям влажности почвы и с учётом прогноза осадков; автоматическое управление отоплением и вентиляцией для поддержания заданного диапазона температуры и влажности воздуха; автоматическое включение/выключение и регулировка яркости искусственного освещения с учётом естественной освещённости и фазы роста растения.

• Конфигурирование и сценарии: задание пользователем профилей выращивания для разных культур (допустимые диапазоны параметров, режимы полива и освещения); настройка расписаний (например, ночное снижение температуры, дневной интенсивный полив, разные режимы по сезонам).

• Мониторинг и визуализация: отображение текущих значений параметров и состояния оборудования в реальном времени в веб‑интерфейсе; построение графиков изменения параметров за выбранный период, экспорт в таблицу.

• Уведомления и аварийные ситуации: формирование и отправка уведомлений при выходе параметров за допустимые пределы или при отказе датчика/узла; регистрация аварийных событий в журнале, отображение их в интерфейсе оператора.

1.3 Архитектура системы и ее схематическое представление

В качестве основы используется четырёхуровневая архитектура IoT: уровень устройств, уровень шлюзов и сетей, сервисный уровень (платформа), уровень приложений.

В качестве центрального контроллера системы выбрана плата на базе микроконтроллера STM32F103RB, которая опрашивает датчики, управляет исполнительными механизмами и организует обмен данными с облачной платформой через Wi‑Fi‑модуль ESP8266.​

К контроллеру подключены датчики BME280 (температура, влажность, атмосферное давление), MQ‑135 (концентрация CO₂) и OPT3001 (освещённость), объединённые по шине I²C, что позволяет сократить количество линий ввода‑вывода и упростить разводку аппаратной части.​

Для локального отображения текущих показаний используется OLED‑дисплей диагональю 0,96 дюйма, на котором выводятся значения температуры, влажности, давления, уровня CO₂ и освещённости.​

Беспроводное подключение к сети Интернет обеспечивается модулем ESP8266, через который микроконтроллер устанавливает соединение с MQTT‑брокером и передаёт в облако телеметрию и служебные сообщения.​

Программная часть контроллера реализована на языке C++ с использованием фреймворка Mbed OS, включающего стек TCP/IP и поддержку работы с MQTT‑клиентом.​

Прошивка реализует несколько ключевых функций: чтение данных с датчиков, локальный вывод на OLED‑дисплей, формирование и отправку MQTT‑сообщений, приём команд от брокера для ручного управления и изменения пороговых значений, а также автоматическое управление исполнительными устройствами по заданным правилам.​

На стороне платформы используется MQTT‑брокер – Mosquitto, принимающий сообщения от устройства, и веб‑приложение, которое визуализирует данные, хранит историю измерений в базе данных и позволяет пользователю задавать пороговые значения и управлять исполнительными механизмами удалённо.​

Развёртывание веб‑приложения и брокера выполняется на виртуальном сервере под управлением Ubuntu 22.04, доступ к которому осуществляется через браузер по HTTPS, что обеспечивает удалённый мониторинг теплицы из любой точки с доступом к Интернету.

Предлагается минимум три роли:

• Администратор – управление пользователями, ролями и правами, изменение глобальных параметров системы, сетевых настроек, интеграций, o просмотр всех данных и журналов, управление всеми устройствами.

• Владелец: просмотр состояния теплицы, графиков и отчётов, настройка сценариев полива и освещения в пределах предоставленных прав, получение уведомлений и подтверждение/квитирование аварий.

• Оператор: просмотр состояния оборудования и журналов ошибок, выполнение команд ручного управления (включение/выключение полива, вентиляции) в рамках возможностей.

Структурная схема, представленная на рисунке 1.1 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 1.1 – Структурная схема

Функциональная схема, представленная на рисунке 1.2. 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 1.2 – Функциональная схема

Схема сетевых соединений, представленная на рисунке 1.3, 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 1.3 – Схема сетевых соединений