Проектирование энергосберегающего протокола MQTT SN для беспроводных IoT датчиков в условиях кампуса зданий университетского типа
Ключевые слова:
MQTT-SN, энергосбережение, беспроводные датчики, IoT в строительстве, умный кампус, строительные конструкции, энергоэффективность зданийАннотация
Современное строительство и эксплуатация университетских кампусов требуют инновационных подходов к управлению энергопотреблением. Беспроводные сенсорные сети на базе IoT-технологий предоставляют значительные возможности для мониторинга и оптимизации энергопотребления в различных конструктивных элементах зданий университетского типа. Однако существующие протоколы передачи данных демонстрируют недостаточную энергоэффективность в условиях гетерогенной строительной среды. В исследовании представлена модификация протокола MQTT-SN, оптимизированная для специфических условий строительных конструкций университетских кампусов с учетом особенностей распространения радиосигнала. Экспериментальная апробация проводилась на базе пяти учебных корпусов с различными типами строительных конструкций и материалов. Результаты демонстрируют снижение энергопотребления датчиков на 37,8% при сохранении надежности передачи данных на уровне 99,3% в сравнении с базовым протоколом. Адаптивный алгоритм квитирования с динамическим изменением периода опроса позволил увеличить срок службы автономных датчиков на 43,2% при интеграции в существующую инфраструктуру. Предложенный протокол показал высокую масштабируемость при развертывании в многоэтажных зданиях с железобетонными конструкциями, что делает его перспективным для модернизации существующих университетских кампусов и внедрения в новое строительство образовательных учреждений.
Библиографические ссылки
Alotaibi, N.S., Ahmed, H.I.S., Kamel, S.O.M., Elkabbany, G.F. Secure еnhancement for MQTT рrotocol using distributed machine learning framework // Sensors. 2024. № 24(5). pp. 16-38.
Jara Ochoa H.J., Pena R., Ledo Y.M., Gonzalez E. Comparative analysis of power consumption between MQTT and HTTP protocols in an IoT platform designed and implemented for remote real-time monitoring of long-term cold chain transport operations // Sensors. 2023. № 23(10. pp. 48-96.
Jia K., Xiao J., Fan S., He G. A MQTT/MQTT-SN-based user energy management system for automated residential demand response: formal verification and cyber-physical performance evaluation // Applied sciences. 2018. № 8(7). pp. 10-35.
Khan M., Khan M., Jan S., Ahmad J., Jamal S., Shah A., Pitropakis N., Buchanan W. A Deep Learning-Based Intrusion Detection System for MQTT-Enabled IoT // Sensors. 2021. № 21(21). pp. 16-70.
Kurdi H., Thayananthan V. A multi-tier MQTT architecture with multiple brokers based on fog computing for securing industrial IoT // Applied sciences. 2022. № 12(14). pp. 71-73.
Lee S., Kim H., Hong D.K., Ju H. Correlation analysis of MQTT loss and delay according to QoS level // Mat. of the Inter. conf. on Information networking (ICOIN). 2013.
Manowska A., Wycisk A., Nowrot A., Pielot J. The Use of the MQTT Protocol in Measurement, Monitoring and Control Systems as Part of the Implementation of Energy Management Systems. Electronics, 2023. № 12(1). P. 17.
Marti M., Garcia-Rubio C., Campo C. Performance evaluation of CoAP and MQTT_SN in an IoT environment // Proceedings. 2019. 31(1). P. 49.
Naik N. Choice of effective messaging protocols for iot systems: MQTT, CoAP, AMQP and HTTP // IEEE International Systems Engineering Symposium (ISSE). 2017.
Ramelan, A., Wahyono, I.D., & Wibawanto, H. (2021). IoT Based Building Energy Monitoring and Controlling System Using LoRa Modulation and MQTT Protocol // IOP conf. Series: Materials science and engineering. 2019. Vol. 1096.pp. 12-69.
Schutz S., Eggert L., Schmitt S., Steinbach T. Improving energy efficiency of MQTT-SN in lossy environments using seed-based network coding // Mat. of the Inter. conf. on wireless and mobile computing, networking and communications (WiMob). 2017.
Shahri E., Pedreiras P., Almeida L. Extending MQTT with Real-Time Communication Services Based on SDN // Sensors. 2022. № 22(9). pp. 31-62.
Toldinas J., Lozinskis B., Baranauskas E., Dobrovolskis A. (2019). MQTT Quality of Service versus Energy Consumption // International conference electronics. 2019.
Vaccari I., Giovanni C., Aiello M., Mongelli M., Cambiaso M. MQTTset, a new dataset for machine learning techniques on MQTT // Sensors. 2020. № 20(22). pp. 65-78.
Zhang J., Zhang X., Gao J. Signal propagation analysis for iot deployment in building construction sites // Automation in construction. 2023. № 155. рр. 104-827.
