Система емуляції та візуалізації IoT-даних у реальному часі з використанням протоколу WebSocket

Abstract

Магістерська кваліфікаційна робота присвячена розробці підходів до роботи з IoT-даними в режимі soft real-time без використання фізичного обладнання. Стрімкий розвиток сенсорних мереж робить натурні випробування архітектур обробки даних занадто дорогими та складними. Впровадження систем емуляції вирішує цю дилему, надаючи розробникам інструмент для варіативного моделювання сценаріїв та точного відтворення умов експерименту. Об’єкт дослідження – процес обміну та обробки даних у системах Інтернету речей. Предмет дослідження – технологічні підходи до емуляції сенсорних мереж, а також механізми транспортування та візуалізації телеметрії в режимі реального часу. Мета роботи спрямована на створення повнофункціональної системи, яка поєднує генератор даних (віртуальні сенсори) та візуальний інтерфейс. Основою комунікації обрано протокол WebSocket, що забезпечує безперервний потік даних між компонентами системи. Практична значимість роботи полягає у створенні інструмента, який вирішує проблему доступності апаратного забезпечення: він дозволяє тестувати IoT-сценарії та алгоритми у повністю віртуальному середовищі. Це робить систему незамінною для навчальних курсів та лабораторних робіт, а також дозволяє використовувати її як платформу для прототипування при розробці нових промислових рішень. Робота пройшла апробацію на XXVІII Всеукраїнській науково-практичної конференції «Могилянські читання – 2025» (Миколаїв, листопад 2025 р.). Основні результати роботи за розділами: У першому розділі проведено аналіз сучасних підходів до організації обміну IoT-даними, розглянуто особливості потокової передачі сенсорної інформації, а також виконано порівняння існуючих інструментів для емуляції та моніторингу показників у реальному часі. Обґрунтовано вибір протоколу WebSocket як основи для реалізації двонаправленого каналу передачі. У другому розділі розроблено архітектуру системи, що включає серверну частину для генерації синтетичних даних, клієнтський модуль для візуалізації та сховище історичних даних. Побудовано логічні та функціональні схеми взаємодії компонентів, визначено структуру JSON-повідомлень і механізми керування параметрами емуляції. У третьому розділі реалізовано програмний прототип системи на основі платформи Node.js із використанням бібліотеки ws для WebSocket-з’єднань. На стороні клієнта виконано інтеграцію з Chart.js для оновлюваної візуалізації потоків даних. Здійснено збереження історії вимірювань до бази SQLite, а також реалізовано механізми імітації мережевих збоїв та шумових варіацій сигналів. У четвертому розділі проведено тестування системи щодо затримки передачі, стабільності при підключенні множинних клієнтів і навантажувальної стійкості. Результати підтвердили, що запропонована система забезпечує передачу даних у реальному часі з мінімальною затримкою та може бути масштабована в межах лабораторних і навчальних сценаріїв. Робота складається з 73 сторінок, 7 таблиць, 19 рисунків та 3 додатків. У процесі дослідження використано 23 джерела посилання. The Master's thesis focuses on developing approaches to handle IoT data in soft real-time mode without the use of physical hardware. The rapid development of sensor networks makes physical testing of data processing architectures excessively expensive and complex. The implementation of emulation systems resolves this dilemma by providing developers with a tool for flexible scenario modeling and accurate reproduction of experimental conditions. Object of the study – the process of data exchange and processing in IoT systems. The subject of research is technological approaches to sensor network emulation, as well as mechanisms for real-time telemetry transport and visualization. The aim of the thesis is to create a fully functional system that combines a data generator (virtual sensors) and a visual interface. The WebSocket protocol was chosen as the basis for communication, ensuring a continuous data stream between system components. The practical significance of the work lies in the creation of a tool that solves the issue of hardware availability: it enables the testing of IoT scenarios and algorithms in a completely virtual environment. This makes the system indispensable for educational courses and laboratory assignments, while also allowing it to serve as a prototyping platform for the development of new industrial solutions. The results of the work were presented at the XXVIII All-Ukrainian Scientific and Practical Conference “Mohylian Readings – 2025” (Mykolaiv, November 2025). Main results of the thesis: In Chapter 1, modern approaches to IoT data transmission were analyzed, along with challenges of real-time streaming and existing IoT emulation platforms. The WebSocket protocol was justified as an optimal solution for establishing low-latency bidirectional communication. In Chapter 2, the system architecture was developed, including a server-side module for data generation, a client interface for visualization, and a storage subsystem for historical datasets. Logical and functional interaction schemes were constructed, and the JSON message structure was defined. In Chapter 3, a software prototype was implemented using Node.js and the ws library for WebSocket communication. The client-side visualization was developed with Chart.js, supporting dynamic data updating. Data logging into SQLite was implemented, along with simulated network disturbances and noise variation mechanisms. In Chapter 4, system testing was performed to assess latency, stability under multiple concurrent clients, and performance under increased load. The results confirmed that the system ensures real-time data delivery with minimal delay and can be scaled within laboratory and educational use cases. The thesis consists of 73 pages, 7 tables, 19 figures, and 3 appendices. The research is based on 23 references.