Програмно-апаратний шлюз IoT з балансуванням навантаження для протоколу MQTT

Abstract

Метою кваліфікаційної роботи є розробка програмно-апаратного шлюзу IoT з балансуванням навантаження для протоколу MQTT, який реалізованого на платформі Raspberry Pi з підтримкою клієнтів на ESP32. Об’єкт дослідження: процес організації обміну MQTT-повідомленнями в IoT-системі з великою кількістю клієнтів. Методи дослідження: аналіз особливостей MQTT-обміну в IoT-системах, методи балансування навантаження між MQTT-брокерами, методи перевірки доступності вузлів на основі health-check, методи маршрутизації MQTT-сесій і команд керування, методи побудови веб-інтерфейсу моніторингу засобами FastAPI. Результатом роботи є розроблений програмно-апаратний IoT-шлюз, який забезпечує прийом MQTT-підключень від клієнтів ESP32, розподіл сесій між кількома MQTT-брокерами, автоматичне виключення недоступних вузлів із пулу, збір телеметрії, журналювання подій, накопичення системних метрик і візуальний моніторинг стану інфраструктури. Розроблена система може використовуватись як основа для локальних IoT-інфраструктур збору сенсорних даних.

The aim of the qualification thesis is to develop a software–hardware iot gateway with load balancing for the MQTT protocol, implemented on the Raspberry Pi platform with support for ESP32 clients. The object of research is the process of organizing MQTT message exchange in an IoT system with a large number of clients. Research methods: analysis of MQTT exchange features in IoT systems, methods of load balancing between MQTT brokers, methods of node availability checking based on health checks, methods of routing MQTT sessions and control commands, and methods of building a web monitoring interface using FastAPI. The result of the work is a developed hardware-software IoT gateway that provides acceptance of MQTT connections from ESP32 clients, distribution of sessions among several MQTT brokers, automatic exclusion of unavailable nodes from the pool, telemetry collection, event logging, accumulation of system metrics, and visual monitoring of the infrastructure state. The developed system can be used as a basis for local IoT infrastructures for sensor data collection.