Концепция многоуровневой сетевой инфраструктуры мониторинга агропромышленных объектов на основе беспроводных сенсорных сетей

Введение. В условиях цифровизации агросектора точное земледелие становится ключевым драйвером устойчивости: беспроводные сенсорные сети (БСС) обеспечивают непрерывный мониторинг почвенно-климатических параметров и состояния растений, поддерживая прогнозирование урожайности и ресурсную оптимизацию при снижении операционных рисков. Несмотря на значительный прогресс в исследованиях энергоэффективности, маршрутизации и топологий БСС, проблема их системной надежности в реальных агросценариях освещена фрагментарно. Существующие теоретические подходы опираются на теорию графов, марковские и квазидетерминированные модели для оценки связности и отказоустойчивости, но недостаточно учитывают деградацию батарей, вариативность радиоканала и внешние факторы (микроклимат, помехи), а также их совместное влияние. Цель данной статьи — разработать методический подход к повышению надежности БСС для мониторинга агрообъектов посредством многоуровневой модели, интегрирующей сетевые параметры, свойства аппаратуры и внешние воздействия. Материалы и методы. Для разработки модели были применены методы системного анализа, в т.ч. анализа и синтеза ранее известных моделей и алгоритмов управления БСС для различных уровней сетевого взаимодействия. На первом этапе рассмотрены аналитические модели каждого уровня: технического состояния радиоустройств; физического канала с помехами и аппаратурными искажениями; энергопотерь узлов в канале с переменными характеристиками среды; линейной БСС с гетерогенными участками радиосвязи и кластеризации БСС. На втором этапе произведен анализ алгоритмов управления БСС: выбора режима передачи с минимальными искажениями сигналов; оптимизации структуры сигнала с минимальным BER; управления длиной пакета данных и мощностью передатчика; маршрутной балансировки энергопотерь в узлах ретрансляции, а также маршрутизации с минимальными потерями времени и энергии. На третьем этапе произведен синтез полученных результатов, представлена иерархическая инфраструктура мониторинга агропромышленного объекта, учитывающая все уровни взаимодействия БСС, параметры сенсорных узлов и влияние внешних факторов. Результаты исследования. Предложен и обоснован методический многоуровневый подход к повышению надежности БСС для мониторинга агрообъектов, интегрирующий сетевые параметры, свойства аппаратуры и внешние воздействия, подтвержденный моделированием повышения энергоэффективности, снижения задержек и роста отказоустойчивости. В рамках этого разработана пятииерархическая концепция многоуровневой сетевой инфраструктуры для мониторинга агропромышленных объектов на базе БСС, интегрирующая модели и алгоритмы на уровнях: устройства, физического канала, канала передачи данных, линейного маршрута и сети. Получены одноуровневые и межуровневые зависимости, связывающие показатели эффективности, дестабилизирующие факторы и управляемые параметры. Обсуждение. Представленный подход устраняет выявленный в литературе разрыв между энергетическими моделями и учетом динамических/информационных ограничений узлов, а также учитывает реальное техническое состояние модемов и термозависимость источников питания. Многоуровневая интеграция критериев (от корреляционных показателей формы сигнала до сетевых вероятностных метрик целостности БСС) позволяет согласовывать локальные оптимизации и системные цели, уменьшая риск конфликтов между уровнями. Принцип согласования уровней и внешнего дополнения обеспечивает итеративную корректировку требований и параметров, что повышает устойчивость принятия решений к неопределенности среды и гетерогенности каналов. Ограничениями текущей работы являются: необходимость калибровки моделей под конкретные аппаратные профили, зависимость эффективности от доступных режимов PHY/MAC и протоколов ARQ, а также чувствительность к точности оценок помеховой обстановки и температурных режимов. Заключение. Разработанные модели и алгоритмы на пяти уровнях обеспечивают достижение заданных показателей помехоустойчивости, времени доставки и энергопотребления при минимально необходимом задействовании ресурсов, что повышает живучесть и срок службы БСС. Предложенный подход создает основу для перехода к системно спроектированным, воспроизводимым решениям в точном земледелии, снизит ресурсные затраты и экологическую нагрузку, а также повысит устойчивость и рентабельность агропроизводства. Для масштабирования необходимы полевые испытания и публикация эталонных конфигураций и кодов для воспроизводимости.