XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Постановка проблемы

Существующие решения для управления умным домом требуют создания эффективной и масштабируемой архитектуры, обеспечивающей безопасное взаимодействие между компонентами системы в режиме реального времени.

Анализ последних исследований и публикаций

Современные исследования в области автоматизации жилья акцентируют внимание на важности интеграции различных устройств в единую систему. Особое значение придается обеспечению безопасности передачи данных и возможности масштабирования системы.

Формулировка целей статьи

Целью работы является разработка и анализ клиент-серверной архитектуры веб-интерфейса управления умным домом, обеспечивающей:

• Надежное взаимодействие компонентов системы

• Безопасную передачу данных

• Возможность масштабирования

• Работу в режиме реального времени

Основная часть

Серверная часть реализована на языке программирования Node.js и современного фреймворка Express. Для правильной настройки сервера будут использоваться следующие протоколы:

• протокол HTTPS

• протокол MQTT

• WEBSockets

Протокол HTTPS распределяется на две части:

• HTTP(HyperText Transfer Protocol) – относится к списку не защищенных протоколов

• HTTPS(HyperText Transfer Protocol Secure) – протокол является расширением протокола HTTP с поддержкой шифрования для повышения уровня безопасности

Рис. 1 Схема взаимодействия сервера с приложением

Согласно схеме взаимодействия сервера с приложением (рис. 2.4) все участники одной сети контактируют между собой с помощью сервера. Чтобы обеспечить беспрерывную передачу данных между сервером и веб-приложением, используется подключение по WebSocket-у, и по протоколу подключения MQTT отправляются данные с умных устройств на сервер.

Серверная часть разработана по стандарту CRUD:

1. Create – создание данных

2. Read – считывание данных

3. Update – обновление данных

4. Delete – удаление данных

Хранилищем для хранения серверных данных выступает MongoDB. MongoDB представляет собой документно ориентированную базу данных и относится к типу NoSQL баз данных. MongoDB не является реляционной базой данных и использует коллекции и документы. Основной единицей данных служат документы, состоящие из пар ключ-значений. В коллекциях содержатся наборы функций и документов, являющихся эквивалентом таблиц реляционной базы данных.

MongoDB широко используется в сотрудничестве с AWS, Azure и другими источниками данных для разработки и функционирования приложений. Позволяя хранить и запрашивать большие объемы данных, он предлагает следующие надежные функции:

• Лучшее выполнение запросов с надлежащими функциями индексации и обработки.

• Аналитика в реальном времени и оптимизированная обработка данных с использованием специальных запросов.

• Улучшена доступность и гибкость данных благодаря надежным функциям репликации.

• Совместное использование данных позволяет разделять большие блоки данных для распределенного и более быстрого процесса выполнения запросов.

MongoDB хранит данные в формате JSON с парами ключей и значений для каждой сущности (рис. 2.5), в то время как базы данных SQL хранят данные в виде записи в строке таблицы (рис. 2.6).

Рис. 2 Формат данных JSON

Рис. 3 Формат данных SQL

MongoDB является лучшей базой для горизонтального и простого масштабирования. Гибкая база данных, которую можно постоянно совершенствовать, добавлять больше серверов, расширять хранилища и настраивать их и имеет такие преимущества, как высокая производительность, простота развертывания, простота использования и удобное хранение данных. Данные группируются и хранятся в наборе данных. Каждый набор данных представляет собой набор, каждая база данных содержит несколько наборов.

На рисунке 4 представлена клиентская часть, на которой реализована форма входа и форма регистрации для новых пользователей.

Рис. 4 Smart Home Systems формавхода

Веб-приложение разработано на языке программирования TypeScript с использованием одной из самых популярных библиотек React. TypeScript является тем же языком программирования JavaScript, но имеет более расширенные возможности, чем JavaScript и более типизированную структуру кода.

Для обеспечения соединения сервера с приложением используются FETCH запросы и для получения данных в реальном времени используется WebSocket.

FETCH запросы делятся на следующие методы:

• POST – для отправки данных на сервер

• GET – для получения данных с сервера

• PATCH – для обновления данных на сервере

• DELETE – для удаления данных с сервера

Чтобы открыть новый веб-сокет соединения, сначала нужно сделать запрос на подключение указав ссылку со специальным протоколом ws, равно как и HTTP, веб-сокет может быть связан с зашифрованным протоколом wss(рис 5). Следует отметить, что лучше использовать зашифрованные протоколы подключения к серверам, так как именно такие протоколы гарантируют безопасный транспортный уровень и шифрует все данные от отправителя и расшифровывает их на стороне защитника от злоумышленников.

Рис. 5 Веб-сокет с зашифрованным протоколом

После инициализации нового сокет подключения следует разработать общение между сервером и приложением (рис 2.9).

Рис. 6 Общение между сервером и приложением

Переменная socket представляет собой объект с четырьмя функциями:

• onopen – функция, устанавливающая подключение между сервером и приложением

• onmessage – функция, которая после успешно установленного соединения передает данные с сервера в приложение.

• onclose – функция, закрывающая подключение между сервером и приложением

В случае разорванного соединения или ошибки сервера

• onerror – функция, выводящая все ошибки сервера

Для хранения серверных данных используется state-management библиотека Redux с использованием библиотеки redux-thunk для обработки асинхронных запросов. Библиотека Redux включает в себя основные модули для разработки:

• Slice(Reducer)

• Actions

• Selector's

Самым главным модулем является Slice, в этом модуле разрабатываются редьюсеры и сохраняется логика обработки и записи данных в перемене через actions. Вслед за Slice по приоритетности следуют Actions, где хранятся асинхронные функции отправляющие и получающие данные с сервера, сами actions являются очень гибкими, в них можно описывать не только логику обработки серверных данных, но и управлять состоянием компонента на «расстоянии», передавать локальные данные, уход. Selector's представляют собой функции в которых описаны ссылки на переменные в Slice, иными словами, через Selectors извлекаются серверные данные.

Н а рисунке 7 представлена модель взаимодействия Redux с компонентами, где хранится основная логика приложения – такие компоненты называются Features (основные компоненты, в которых сохраняется логика обработки запросов).

Рис. 7 Схема взаимодействия Redux с Features

Выводы

Разработанная архитектура демонстрирует эффективное взаимодействие между компонентами системы умного дома. Использование современных технологий обеспечивает:

• Надежную защиту данных через HTTPS

• Оперативную передачу информации посредством WebSocket

• Гибкое хранение данных в MongoDB

• Удобный интерфейс управления на базе React

Система готова к масштабированию и может быть адаптирована под различные задачи автоматизации жилья.

Список литературы

1. Белов, А.В. Практическая энциклопедия Arduino /А.В. Белов. − M.: Наука и техника. — ДМК Пресс, 2018. — 272с.

2. Блум, Д. Изучаем Arduino Инструменты и методы технического волшебства : Учебное пособие / Д. Блум. - M: БХВ-Петербург, 2016. − 336 с.

3. Геддес, М. 25 крутых проектов с Arduino / М. Геддес. − M.: Эксмо, 2016.

4. Иго, Т. Arduino, датчики и сети для связи устройств / Т. Иго. − M.:БХВ-Петербург, 2017. − 544 с.

5. Володин, В. Д. Средства разработки и отладки программного обеспечения отечественных микропроцессорных устройств (часть 2) / В. Д. Володин, А. А. Шаронов, И. С. Полевщиков // Science Time. - 2016. - № 1(25). - С. 91-94. - EDN VLIUFJ.

Код для цитирования: Скопировать