Smart ESI: Ein neues Schulmodell

Von Soledad Escolar Stellvertretende Direktorin für akademische Planung und Smart ESI.

In den 80er Jahren bezeichnete Mark Weiser, der als Vater des Ubiquitous Computing gilt, erstmals die Tendenz, Technologie in das tägliche Leben der Menschen zu integrieren, sodass sie allgegenwärtig (an jedem Ort, Format und zu jeder Zeit) und ununterscheidbar wird aus der Technik explizit die Menschen nutzen (Mobiltelefone, Tablets, Laptops usw.) [1]. Dies ebnete den Weg für die Suche nach Benutzeroberflächen, die die Interaktion mit einem eingebetteten System ermöglichen, also einem elektronischen Gerät, das in ein anderes größeres Gerät eingebettet ist, beispielsweise einen Fernseher, einen Kühlschrank oder einen Roller. Zu den zugrunde liegenden Technologien, die das Ubiquitous Computing unterstützen, gehören unter anderem Mikroelektronik, Kommunikation, verteilte Systeme und Benutzeroberflächen.

Zwanzig Jahre später prägte Kevin Asthon, der vor allem für die Entwicklung des globalen Identifikationssystems RFID (Radio Frequency IDentification) bekannt ist, den Begriff „Internet der Dinge“ (IoT), um sich auf Geräte zu beziehen (), die befähigt wurden, indem sie ihnen die Möglichkeit gaben, die Welt zu sehen, zu hören und zu riechen [2]. Diese Vision stellt eine sehr bedeutende Veränderung dar Technologie im Dienste von Menschen ohne Menschen. Keine Interaktion erforderlich explizit mit allgegenwärtiger Technologie, aber es ist autonom (mehr oder weniger stark, da der Begriff sehr weit gefasst ist: Selbstverwaltung, Selbstanpassung, Selbstschutz, Selbstreparatur und Selbstoptimierung) und verfügt über die Fähigkeit zur Datenverarbeitung , Verarbeitung, Datenanalyse, Kommunikation, Argumentation, Entscheidung und Aktion. Ein klassisches Beispiel liefert uns die Hausautomation: Wenn ich zu Hause bin, es Winter ist, es 18.00:XNUMX Uhr ist und die Lichtstärke draußen unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, werden das Licht aktiviert, die Jalousien heruntergefahren und die Heizung eingeschaltet eingeschaltet sein. leuchtet auf. Die zugrunde liegenden Technologien, die diese Vision unterstützen, erstrecken sich nun zusätzlich zu den bereits erwähnten auf die Verarbeitung riesiger Datenmengen aus mehreren Quellen, die Datenverarbeitung im Internet Rand oder in der Cloud, Techniken der künstlichen Intelligenz (KI) oder Data Science.

Das IoT hat sich in mehrere vertikale Bereiche wie Städte, Landwirtschaft, Haushalte oder Industrie ausgebreitet; In allen geht es darum, den Wissensstand der Menschen über diese Umwelt durch die Beobachtung einer großen Anzahl von Phänomenen und entsprechende Maßnahmen zu erhöhen. Es ist auch in transversale Bereiche wie Energieeffizienz oder Digitalisierung eingebrochen. Diese Domänen werden zugewiesen Standardmäßig das Präfix „smart“: smart city, intelligente Industrie, smart home, usw. Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist sich jedoch nicht einig darüber, welche Eigenschaften dem IoT Intelligenz verleihen. In der Gegend von smart cityZum Beispiel der Zustand von Schlauheit kann erworben werden einfach durch die Verabschiedung von Maßnahmen, die darauf abzielen, den Grad der Stadtentwicklung zu steigern, beispielsweise Initiativen wie die Gewährung von Subventionen für den Ersatz umweltschädlicher Autos, den Austausch von Straßenlaternen durch LEDs oder den Bau von mehr Kilometern Fahrradwegen [3]. Reichen diese Initiativen aus, um der Domäne den intelligenten Charakter zu verleihen? Stadt? Offensichtlich nicht: Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) müssen in die Verwirklichung des intelligenten Bereichs einbezogen werden. Darüber scheint es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft einen Konsens zu geben.

Ähnlich wie im Bereich der Smart Cities besteht auch bei der Definition des Begriffs Smart University keine Einigkeit (Intelligente Universität) und es ist auch allgemein anerkannt, dass sie sich von der traditionellen Universität durch den Einsatz von IKT, einschließlich Automatisierungs-, Steuerungs- und Managementsystemen, KI oder IoT, zur Erfüllung der Mission der Institution unterscheidet. Ein weiteres Beispiel findet sich im Bereich Smart Buildings (intelligente Gebäude). Laut Benavente-Peces [4] handelt es sich bei einem intelligenten Gebäude um eine Reihe von Technologien, die es den verschiedenen Objekten, Sensoren und Funktionen eines Gebäudes ermöglichen, miteinander zu kommunizieren und zu interagieren sowie auf kontrollierte und automatisierte Weise von einem Gebäude aus verwaltet zu werden Distanz. Die Verwaltung von Gebäuden ist äußerst wichtig, da sie sowohl in Städten als auch an Universitäten eine der kritischsten Infrastrukturen darstellen, da sie die größten Ausgaben für öffentliche Dienstleistungen wie Strom, Wasser oder Gas verursachen. Gemäß der Richtlinie 2010/31/EU [5] stellt der Energieverbrauch in Gebäuden einen der größten Anteile des Gesamtverbrauchs dar, etwa 40 % in der EU, die zur Linderung dieses Problems in den letzten 50 Jahren entsprechende Maßnahmen gefördert hat haben sich zunehmend dem Konzept der „Almost Zero Energy Buildings“ (auf Englisch) angenähert In der Nähe von Null-Energie-Gebäuden (NEZB), dabei handelt es sich um Gebäude mit einer sehr hohen Energieeffizienz, die nahezu keine oder nur sehr geringe Energiemengen benötigen, die zu einem großen Teil durch Energie aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden können.

Um dem NEZB-Konzept näher zu kommen, wurden im Stand der Technik [6] mehrere Strategien zur Energieeinsparung in intelligenten Gebäuden durch Automatisierung und Optimierung beispielsweise von Beleuchtung, HVAC (Heat and Ventilation Air Conditioning) vorgeschlagen. Brandschutz- und Luftqualitätssysteme. Solche Systeme bestehen typischerweise aus Geräten, die mehrere Sensoren integrieren (z. B. PIR[CB1] [MD2] , Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂, PMs oder Schwebeteilchen, LEDs) und Aktoren (z. B. Magnetventile)[CB3] [MD4]  und die Benutzerdienste auf der Grundlage von KI-Techniken wie neuronalen Netzen, Agenten oder Fuzzy-Logik implementieren, um zu bestimmen, welches Benutzerverhalten, abhängig von Umgebungsbedingungen und den Zustandsparametern der Anlage, Energieverbrauch verursacht. Überflüssig und wie die Systemeinstellungen entsprechend angepasst werden können Optimieren Sie den Verbrauch und sorgen Sie gleichzeitig für Sicherheit und Komfort des Benutzers. Ein sehr einfaches Beispiel würde darin bestehen, einfach die Belegung von Räumen zu beobachten und Benutzer zu überwachen, um zu bestimmen, wann das Licht in einem Raum ein- und ausgeschaltet werden sollte.

Das Projekt intelligentes ESI entstand auf Initiative des Direktors des Zentrums, Crescencio Bravo, der in seinem Wahlprogramm vorschlug, die Higher School of Informatics (ESI) in eine Smart School umzuwandeln (kluge Fakultät), das die gesamte Infrastruktur des Zentrums als Modell nutzen würde, um ein Modell eines intelligenten Universitätszentrums aufzubauen, auf dem eine Reihe fortschrittlicher und spezialisierter Dienste definiert sind, die darauf abzielen, unser Wissen über die Schule und ihr Umfeld zu erweitern, und mit dem Oberstes Ziel ist es, den Betrieb, die Nachhaltigkeit und die Effizienz zu verbessern. Daher führen wir mit dem Smart ESI-Projekt unter der Leitung der Unterdirektion für akademische Planung und Smart ESI das durch Smartifizierung unserer Schule und stellt ihr die technischen Mittel zur Verfügung, die zur Umsetzung des Konzepts erforderlich sind Intelligente Universität. In seinem Entwurf haben wir vorgeschlagen, dass dieser Smartifizierungsprozess wie folgt aussehen sollte:

1. transversal, basierend auf der Zusammenarbeit der ESI-Forschungsgruppen, vertreten durch die Smart ESI and Digital Services Commission; [CB5] [MD6] 
2. transparent, durch die Nutzung offener Daten, die von der Universitätsgemeinschaft (Professoren, PAS, Studenten) eingesehen werden können;
3. skalierbar, damit es durch Mikrobereitstellungen, die sich leicht in das Projekt integrieren lassen, schrittweise wachsen kann;
4. wohlschmeckend, das die Quantifizierung des Fortschritts mithilfe einer Reihe von Indikatoren ermöglicht;
5. hypertechnologisch, das modernste Technologien nutzt (nicht umsonst ist ESI eine Technologieschule) und
6. basierend auf dem Paradigma von Diensten, die Mehrwert, relevante, fortschrittliche und spezifische Dienste für heterogene Benutzer bieten.

Bei der Konzeption des Smart-ESI-Projekts wurden die folgenden zwei Smart-Dimensionen berücksichtigt, die jeweils einen strategischen Bereich für die Schule adressieren:

• Intelligente Umgebung: Dienstleistungen zur Optimierung der Nutzung der Ressourcen der Schule, die auf eine effizientere, nachhaltigere und sauberere Umwelt abzielen. Dazu gehört die Umwandlung von Gebäuden in intelligente Gebäude durch Geräte, die die Überwachung relevanter Variablen wie Strom-, Wasser- oder Gasverbrauch, Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Klassenzimmer sowie CO-Werte ermöglichen.₂usw. sowie die Einwirkung auf die Heizkörper zur Temperaturregelung mittels Magnetventilen.
• Intelligentes Management: Dienstleistungen zur Verbesserung des Betriebs und der Funktionsweise unserer Schule, einschließlich der Verwaltung von Parkplätzen (intelligentes Parken[CB7] [MD8] ), die Beteiligung der Nutzer an der Kommunikation von Vorfällen, die Einführung von Ortungsdiensten, die genaue Zählung von Personen in Gebäuden und die Präsenz in Klassenräumen.

Zum Zeitpunkt des Schreibens dieser Zeilen sind insgesamt 59 Geräte im ESI installiert (Abbildung 1):

1. 4 Elsys ERS CO₂ in Modul-B-Klassenzimmern (A1.1, A1.2, A2.1, A2.2), die Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie den CO-Gehalt messen₂, Leuchtkraft, Bewegung. Der elsys Übertragen Sie diese Informationen alle 10 Minuten über die LoRa-Technologie an eine LoRa-Empfangsantenne (Milesight LoRaWAN Gateway UG67), die sich im Gebäude befindet Zwischendecke [CB9] [MD10] des Fermín Caballero-Gebäudes und fungiert auch als Gateway zwischen LoRa und Ethernet.
2. 14 Shelly Plus H&T, die stündlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit messen und ihre Daten drahtlos per WLAN über das MQTT-Protokoll übertragen. Der shelly wurden in den Klassenzimmern F0.1, F0.2 und F1.1, den Laboren LD1, LD2, LD3 und LD4, der Aula, der Abschlusshalle, dem Anita-Borg-Raum, dem Berechnungszentrum und den Fluren der Etagen 1 und 2 installiert und 3 des Fermín Caballero-Gebäudes.
3. 4 Shelly TRV, die demnächst in den Warmwasserheizkörpern in den Labors LD2, LD3 und LD4 sowie im Klassenzimmer F1.1 installiert werden. Diese Magnetventile oder Thermostatventile sind in der Lage, den Wasserfluss, der durch den Heizkörper zirkuliert, zu regulieren, sodass die Temperatur gesteuert werden kann.
4. Eine Wetterstation MCF-LW12TERPM des italienischen Herstellers Enginko, die sich auf der Terrasse im dritten Stock des Fermín Caballero-Gebäudes befindet und Außentemperatur und -feuchtigkeit, Luftdruck und Partikelkonzentration im Zusammenhang mit dem Verschmutzungsgrad (PM1, PM2.5) misst und PM10). Die Station verfügt über ein kleines Solarpanel, benötigt also keine Batterien, erfasst alle 15 Minuten Daten und überträgt sie über LoRa an die Empfangsantenne. Die Messungen werden mit denen des AEMET verglichen, um ihre Präzision zu überprüfen (Abbildung [CB11] 2).
5. Ein Messkonzentrator bzw Datenlogger Sennet IoT DL271 plus zwei Extender [CB12] [MD13] Sennet IoT Xtend M6 wurde von der spanischen Firma Satel Ibérica entwickelt und hergestellt. Hierbei handelt es sich um sehr professionelle, vielseitige und robuste Geräte, die für Dienstleistungs- und Industriegebäude konzipiert sind und für den Einsatz in mehreren Fehlersituationen ausgelegt sind. Mit ihnen können wir Daten von insgesamt 15 dreiphasigen Analysatoren erfassen, die es uns ermöglichen, den Verbrauch in den Gebäuden A und B, im Fermín Caballero-Gebäude (das seine vier Stockwerke einzeln überwacht) und im Berechnungszentrum, einem der ESI, vollständig zu überwachen Räume, die am meisten Energie verbrauchen.
6. 4 Parksensoren der Marke Bosch, die die Belegung der Parkplätze (in der äußersten Reihe, in der Mitte) messen und per LoRa an den Empfänger übermitteln.
7. Ein parametrischer PCR2-Personenzählsensor auf Infrarotbasis, der es uns ermöglicht, den Personenstrom zu messen, der die Eingangstür des Fermín Caballero-Gebäudes überquert, und der Daten über LoRa mit einer Frequenz von 15 Minuten überträgt.
8. 28 NFC-Tags, verteilt in Streifen zu je 7 Tags, installiert in den 4 Klassenzimmern von Modul B, um 7 mögliche Vorfälle darzustellen (Abbildung 3): Lehrcomputer, Thermostat, Möbel, Leinwand, Projektor, Sensor elsys oder andere. A wurde bereitgestellt App Lesen Sie das dem erkannten Vorfall entsprechende Etikett und benachrichtigen Sie es in Echtzeit an das technische Personal zur frühzeitigen Lösung.

Alle von den Sensoren erfassten Daten werden auf dem Server gespeichert smartesi finden Sie im Berechnungscenter. Der Server implementiert den Software-Stack Chirpstack+MQTT+MariaDB+Home Assistant, um die Integration von Daten aus verschiedenen Netzwerken, Persistenz und Visualisierung zu ermöglichen. Home Assistant ist die Automatisierungssoftware, die wir als Controller ausgewählt haben und die bidirektionale Kommunikation über mehrere Technologien und die Erstellung von ermöglicht Dashboards Angepasst für die Anzeige von Informationen über jeden Webbrowser. Auf der Webseite  http://smartesi.uclm.es:8123/ Sie verfügen über sehr wertvolle Informationen, die Sie für verschiedene Zwecke nutzen können (Sie müssen mit eduroam oder dem VPN verbunden sein und den angegebenen Benutzernamen/Passwort verwenden).

La intelligentes ESI wächst weiter: Bis Ende 2023 werden wir zwei weitere Sensoren im Einsatz haben: den EM300-DI-Pulssensor zur Messung unseres Gasverbrauchs und den AM107-Sensor zur Messung der Raumluftqualität, beide vom Hersteller Milesight und basierend auf LoRa-Technologie. Die Belegung der Klassenräume liefert sehr nützliche Informationen, um die Temperatur der Klassenräume richtig steuern und überflüssige Kosten vermeiden zu können, die einen Anstieg des Energieverbrauchs mit sich bringen. Auf unserer Aufgabenliste steht auch die zeit- und belegungsabhängige Steuerung von Leuchten zur Reduzierung des Verbrauchs: Dies wird in diesem Jahr eine unserer Prioritäten sein. Wir arbeiten derzeit an einer Standortbewerbung, die sich sowohl an externe Besucher als auch an Studierende richtet, die ein Lehrerbüro finden möchten. Dies sind nur einige Beispiele für laufende Arbeiten.

Ich möchte den Solarbaum nicht vergessen, ein sehr schönes Projekt, das wir uns vor langer Zeit ausgedacht haben und das darin besteht, eine Photovoltaik-Infrastruktur in Form eines Baumes zu errichten, der die Erzeugung elektrischer Energie demonstrieren soll. ein Überwachungssystem und ein Erholungsraum für alle. . Dieses Projekt wurde nicht aufgegeben, sondern verzögert, während auf eine angemessene Finanzierung gewartet wurde.

Im akademischen Bereich wurden im Studienjahr 2022/23 mehrere TFGs ins Leben gerufen, deren Themen auf das Smart-ESI-Projekt abgestimmt sind. Eine dieser Arbeiten wurde kürzlich bei der dritten Ausgabe der Turing Machine Awards für die beste TFG im Bereich eingebetteter Systeme ausgezeichnet, verliehen von der Aula Ubótica-UCLM.

Abschließend möchte ich Sie daran erinnern, dass das Smart ESI-Projekt ein Projekt ist, an dem sich die ESI-Community beteiligen kann, und dass Sie mit Ihren Ideen zur Schaffung dieses neuen Modells beitragen können Schule das wir alle gerne hätten.

Dieser Meinungsartikel basiert auf dem kürzlich in der Zeitschrift Buildings [7] veröffentlichten Artikel.

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Danksagung: Das Smart ESI-Projekt ist eine gemeinsame Anstrengung mehrerer Arbeitsgruppen, ohne die seine Entwicklung nicht möglich wäre: Ich möchte dem technischen Team der Schule für seine Beteiligung am Projekt, bei allen Infrastrukturmanagement- und Wartungsaufgaben danken; an Fernando Rincón, der den Einsatz von 200 intelligenten Leuchten ermöglicht hat, die von der Firma Zemper kostenlos zur Verfügung gestellt wurden; an unseren Kollegen Pepe Bravo für seine Zusammenarbeit und Initiative, Smart ESI durch mehrere auf NFC-Technologie basierende Anwendungen zu „entwickeln“, die der ESI-Community zahlreiche nützliche Funktionalitäten ermöglichen; an das Office of Infrastructure Management (OGI) und die IKT-Dienste der UCLM.

[1] Mark Weiser. 1999. Der Computer für das 21. Jahrhundert. SIGMOBILE Mob. Berechnen. Komm. Rev. 3, 3 (Juli 1999), 3–11. https://doi.org/10.1145/329124.329126

[2] Ashton, K. Das „Internet der Dinge“-Ding. RFID J. 1999, 22, 97–114.

[3] Escolar, S., Villanueva, FJ, Santofimia, MJ, Villa, D., Toro, XD, & López, JC (2019). Ein auf der Entscheidungsfindung auf mehreren Attributen basierender Ansatz für die Gestaltung von Smart-City-Rankings. Technologische Prognose und sozialer Wandel.

[4] Benavente-Peces, C. Zur Energieeffizienz in der nächsten Generation intelligenter Gebäude – unterstützende Technologien und Techniken. Energien 2019, 12, 4399.

[5] Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 zur Energieeffizienz von Gebäuden. Online verfügbar: https://www.boe.es/doue/2010/153/L00013-00035.pdf

[6] Metallidou, C.K.; Psannis, K.E.; Egyptiadou, EA Energieeffizienz in intelligenten Gebäuden: IoT-Ansätze. IEEE Access 2020, 8, 63679–63699

[7] Escolar, S.; Rincón, F.; Barba, J.; Caba, J.; de la Torre, JA; López, JC; Bravo, C. Ein methodischer Ansatz zur Smartifizierung eines Universitätscampus: Der Smart ESI Use Case. Gebäude 2023, 13 2568. https://doi.org/10.3390/buildings13102568