Дослідження методів автоматизації процесів управління критичною інфраструктурою з використанням технологій 4G/5G та IoT

Abstract

Дипломна робота присвячена розробці та дослідженню систем автоматизації для управління критичною інфраструктурою із застосуванням сучасних технологій Інтернету речей (IoT), 4G/5G і NB-IoT. У рамках роботи проаналізовано тенденції розвитку IoT, розглянуто архітектури автоматизації, впроваджено інтеграційні рішення з використанням платформи Home Assistant, а також створено та протестовано прототип системи моніторингу температури на основі технологій LTE/NB-IoT. Перший розділ зосереджений на вивченні сучасних тенденцій розвитку технологій IoT, 4G та 5G і їхнього застосування для управління критичною інфраструктурою. Окреслено можливості цих технологій щодо підвищення стабільності, надійності та ефективності роботи систем. Проведено огляд архітектур і ключових компонентів IoT-систем, що застосовуються для моніторингу та автоматизації об’єктів критичної інфраструктури. Особливу увагу приділено методам розгортання IoT-рішень та їхній адаптації до умов конкретних об’єктів. Висновки підсумовують перспективи подальшого розвитку IoT як основи для цифровізації критичних об’єктів. У другому розділі детально описано методи автоматизації, які базуються на платформі Home Assistant. Наведено приклад інтеграції об’єктів критичної інфраструктури з Home Assistant, що дозволяє централізовано контролювати IoTпристрої, автоматизувати процеси моніторингу та зменшити залежність від хмарних рішень. Також представлено метод моніторингу та управління акумуляторними батареями LiFePO4 на основі спеціалізованого аддона Batmon. Розглянуто сценарії автоматизації, спрямовані на підвищення енергоефективності та надійності систем. Крім того, проаналізовано переваги використання технології NB-IoT для задач моніторингу й автоматизації, включаючи стабільність зв’язку, низьке енергоспоживання та здатність працювати у складних умовах. У третьому розділі описано процес розгортання прототипу системи моніторингу температури для критичної інфраструктури з використанням технологій LTE/NB-IoT. Проведено аналіз функціональних можливостей прототипу, що базується на платформах Raspberry Pi 3 і LTE IoT 3 Click. Детально описано процес підготовки та налаштування компонентів системи, зокрема конфігурацію зв’язку між пристроями та використання MQTT-протоколу. Визначено технічні переваги LTE/NB-IoT у задачах моніторингу, серед яких стабільність передачі даних, широке покриття та здатність функціонувати в умовах слабкого сигналу. Четвертий розділ присвячений практичній реалізації та тестуванню прототипу системи моніторингу. Описано процес автоматизації параметрів мережі та функціональності клієнта MQTT за допомогою Python-скриптів. Здійснено збір ключових показників ефективності системи, включаючи затримки передачі даних, пропускну здатність і якість зв’язку. Проведені експерименти показали, що реалізований прототип забезпечує стабільну роботу, низькі затримки та високу надійність передачі даних навіть за низької якості сигналу. Наведено рекомендації щодо оптимізації роботи системи для підвищення її ефективності в реальних умовах. У п'ятому розділі проведено техніко-економічне обґрунтування розробленого прототипу. Об’єктом дослідження є процеси автоматизації управління критичною інфраструктурою з використанням сучасних інформаційно-комунікаційних технологій, таких як NB-IoT, 4G/5G та IoT. Предметом дослідження є методи інтеграції та автоматизації управління критичною інфраструктурою шляхом застосування протоколів NB-IoT, інструментів моніторингу в реальному часі та архітектур IoT-систем.. Метою роботи є дослідження методів автоматизації процесів управління критичною інфраструктурою з використанням NB-IoT технології та розробка прототипу системи моніторингу температури об'єктів критичної інфраструктури.The thesis is devoted to the development and research of automation systems for managing critical infrastructure using modern Internet of Things (IoT), 4G/5G, and NB-IoT technologies. The work analyzes IoT development trends, considers automation architectures, implements integration solutions using the Home Assistant platform, and creates and tests a prototype temperature monitoring system based on LTE/NB-IoT technologies. The first chapter focuses on the study of current trends in the development of IoT, 4G and 5G technologies and their application to critical infrastructure management. The capabilities of these technologies to improve the stability, reliability and efficiency of systems are outlined. An overview of the architectures and key components of IoT systems used to monitor and automate critical infrastructure facilities is provided. Particular attention is paid to the methods of deploying IoT solutions and their adaptation to the conditions of specific facilities. The conclusions summarize the prospects for further development of IoT as a basis for the digitalization of critical facilities. The second chapter describes in detail the automation methods based on the Home Assistant platform. An example of integrating critical infrastructure facilities with Home Assistant is presented, which allows for centralized control of IoT devices, automation of monitoring processes, and reduced dependence on cloud solutions. The article also presents a method for monitoring and managing LiFePO4 batteries based on a specialized addon called Batmon. Automation scenarios aimed at improving energy efficiency and reliability of systems are considered. In addition, we analyze the advantages of using NB-IoT technology for monitoring and automation tasks, including communication stability, low power consumption, and the ability to operate in difficult conditions. Chapter 3 describes the process of deploying a prototype temperature monitoring system for critical infrastructure using LTE/NB-IoT technologies. The functional capabilities of the prototype based on the Raspberry Pi 3 and LTE IoT 3 Click platforms are analyzed. The process of preparing and configuring system components, including the configuration of communication between devices and the use of the MQTT protocol, is described in detail. The technical advantages of LTE/NB-IoT in monitoring tasks are identified, including data transmission stability, wide coverage, and the ability to operate in weak signal conditions. Chapter 4 is devoted to the practical implementation and testing of the prototype monitoring system. The process of automating network parameters and MQTT client functionality using Python scripts is described. Key system performance indicators, including data transmission delays, throughput, and communication quality, were collected. The experiments have shown that the implemented prototype provides stable operation, low latency, and high reliability of data transmission even at low signal quality. Recommendations for optimizing the system's operation to improve its efficiency in real-world conditions are given. In the fifth chapter, a feasibility study of the developed prototype is carried out. The object of research is the processes of automating the management of critical infrastructure using modern information and communication technologies such as NB-IoT, 4G/5G, and IoT. The subject of the study is the methods of integration and automation of critical infrastructure management through the use of NB-IoT protocols, real-time monitoring tools and IoT system architectures. The aim of the study is to investigate methods for automating critical infrastructure management processes using NB-IoT technology and to develop a prototype system for monitoring the temperature of critical infrastructure facilities.