Smart ESI : Un nouveau modèle d’école

Par Soledad Escolar Directrice adjointe de la planification académique et Smart ESI.

Dans les années 80, Mark Weiser, considéré comme le père de l'informatique omniprésente, y faisait référence pour la première fois comme la tendance à intégrer la technologie dans la vie quotidienne des gens, de sorte qu'elle devienne omniprésente (en tout lieu, format et heure) et indiscernable. de la technologie explicite que les gens utilisent (téléphones mobiles, tablettes, ordinateurs portables, etc.) [1]. Cela a ouvert la voie à la recherche d'interfaces utilisateur permettant d'interagir avec un système embarqué, c'est-à-dire un appareil électronique intégré dans un autre appareil plus grand, par exemple un téléviseur, un réfrigérateur ou un scooter. Les technologies sous-jacentes qui soutiennent l’informatique omniprésente comprennent, entre autres, la microélectronique, les communications, les systèmes distribués et les interfaces utilisateur.

Vingt ans plus tard, Kevin Asthon, surtout connu pour avoir créé le système mondial d'identification RFID (Radio Frequency IDentification), a inventé le terme Internet des objets (IoT) pour désigner les appareils (des choses) qui avaient reçu le pouvoir en leur donnant les moyens de voir, d'entendre et de sentir le monde [2]. Il y a un changement très important avec cette vision qui représente la technologie au service des personnes sans personnes. Aucune interaction nécessaire explicite doté d'une technologie omniprésente, mais autonome (dans une plus ou moins grande mesure, étant donné que le terme est très large : autogestion, auto-adaptation, autoprotection, auto-réparation et auto-optimisation) et doté d'une capacité de calcul , traitement, analyse des données, communication, raisonnement, décision et action. La domotique nous offre un exemple classique : si je suis chez moi, c'est l'hiver, il est 18.00hXNUMX et la luminosité extérieure descend en dessous d'un seuil, les lumières s'allumeront, les stores baisseront et le chauffage s'allumera. allumé. Les technologies sous-jacentes qui soutiennent cette vision s'étendent désormais, en plus de celles déjà évoquées, au traitement de données massives provenant de sources multiples, à l'informatique dans le bord ou dans le cloud, les techniques d'Intelligence Artificielle (IA) ou la Data Science.

L'IoT s'est répandu dans plusieurs domaines verticaux tels que les villes, l'agriculture, les habitations ou l'industrie ; dans chacun d'eux, augmenter le niveau de connaissance que les gens ont de cet environnement à travers l'observation d'un grand nombre de phénomènes et des actions appropriées. Elle s’est également développée dans des domaines transversaux, comme l’efficacité énergétique ou la digitalisation. Ces domaines sont attribués par défaut le préfixe « intelligent » : ville intelligente, industrie intelligente, maison intelligente, etc. La communauté scientifique ne dispose cependant pas d’un consensus sur la ou les propriétés qui confèrent de l’intelligence à l’IoT. Dans la région de ville intelligentePar exemple, l'état de élégance peut être acheté simplement en adoptant des actions visant à accroître le degré de développement urbain, par exemple des initiatives telles que l'octroi de subventions pour remplacer les voitures polluantes, le remplacement des ampoules des lampadaires par des LED ou la construction de davantage de kilomètres de pistes cyclables [3]. Ces initiatives sont-elles suffisantes pour donner le caractère intelligent au domaine ? ville? Clairement non : les technologies de l’information et de la communication (TIC) doivent être intégrées dans le cadre de la matérialisation du domaine intelligent. Il semble y avoir un consensus sur ce point au sein de la communauté scientifique.

À l’instar du domaine des villes intelligentes, il n’existe pas non plus d’accord sur la définition du terme université intelligente (université intelligente) et il est également généralement admis qu'elle se distingue de l'université traditionnelle par l'utilisation des TIC, y compris les systèmes d'automatisation, de contrôle et de gestion, l'IA ou l'IoT, pour remplir la mission de l'établissement. Un autre exemple se trouve dans le domaine des bâtiments intelligents (bâtiments intelligents). Selon Benavente-Peces [4], un bâtiment intelligent est un ensemble de technologies qui permettent aux différents objets, capteurs et fonctions d'un bâtiment de communiquer et d'interagir entre eux, ainsi que d'être gérés de manière contrôlée et automatisée depuis un distance. La gestion des bâtiments est extrêmement importante car ils représentent l'une des infrastructures les plus critiques tant dans les villes que dans les universités, car ils concentrent les plus grandes dépenses sur les services publics comme l'électricité, l'eau ou le gaz. Selon la directive 2010/31/UE [5], la consommation d'énergie des bâtiments représente l'une des plus grandes parts de la consommation totale, environ 40 % dans l'UE, qui, pour atténuer ce problème, a promu au cours des 50 dernières années des politiques qui convergent progressivement vers le concept de Bâtiments à Energie Presque Zéro, en anglais Près des bâtiments à énergie zéro (NEZB), qui sont des bâtiments à très haut niveau de performance énergétique et qui nécessitent des quantités d'énergie presque nulles ou très faibles qui peuvent être couvertes, dans une large mesure, par de l'énergie issue de sources renouvelables.

Pour se rapprocher du concept de NEZB, dans l'état de l'art [6] de multiples stratégies ont été proposées pour économiser l'énergie dans les bâtiments intelligents grâce à l'automatisation et à l'optimisation, par exemple, de l'éclairage, du HVAC (Heat and Ventilation Air Conditioning), systèmes de prévention des incendies et de qualité de l’air. De tels systèmes sont généralement composés de dispositifs intégrant plusieurs capteurs (par ex. PIR[CB1] [MD2] , température, humidité, CO₂, PM ou particules en suspension, LED) et actionneurs (par exemple électrovannes)[CB3] [MD4]  et qui mettent en œuvre des services aux utilisateurs basés sur des techniques d'IA telles que les réseaux de neurones, les agents ou la logique floue pour déterminer quels comportements des utilisateurs, soumis aux conditions environnementales et aux paramètres d'état de l'installation, entraînent une consommation d'énergie superflue et comment ajuster les paramètres du système en conséquence optimiser sa consommation tout en préservant la sécurité et le confort des utilisateurs. Un exemple très simple consisterait simplement à observer l’occupation des espaces et à surveiller les utilisateurs pour déterminer quand les lumières d’une pièce doivent être allumées et éteintes.

Le projet ESI intelligent est née d'une initiative du directeur du Centre, Crescencio Bravo, qui, dans son programme électoral, proposait de transformer l'École supérieure d'informatique (ESI) en une école intelligente (professeur intelligent), qui utiliserait toute l'infrastructure du centre comme modèle pour construire un modèle de centre universitaire intelligent sur lequel est défini un ensemble de services avancés et spécialisés, visant à accroître nos connaissances sur l'École et son environnement, et avec le objectif ultime d’améliorer son fonctionnement, sa durabilité et son efficacité. Ainsi, avec le projet Smart ESI, porté par la Sous-direction de la Planification Académique et Smart ESI, nous réalisons le smartification de notre École, en lui fournissant les moyens technologiques nécessaires pour concrétiser le concept de université intelligente. Dans sa conception, nous avons proposé que ce processus de smartification soit :

1. transversal, sur la base de la collaboration des groupes de recherche d'ESI représentés par la Smart ESI et la Commission des services numériques ; [CB5] [MD6] 
2. transparent, grâce à l’utilisation de données ouvertes consultables par la communauté universitaire (professeurs, PAS, étudiants) ;
3. évolutif, afin qu'il puisse se développer progressivement grâce à des micro-déploiements facilement intégrables au projet ;
4. mesurable, qui permet de quantifier les progrès grâce à un ensemble d'indicateurs ;
5. hyper-technologique, qui utilise des technologies de pointe (ce n'est pas pour rien que l'ESI est une école de technologie) et
6. basé sur le paradigme des services qui apportent des services à valeur ajoutée, pertinents, avancés et spécifiques pour des utilisateurs hétérogènes.

Dans la conception du projet smart ESI, les deux dimensions intelligentes suivantes ont été prises en compte, chacune d’elles répondant à un domaine stratégique pour l’École :

• environnement intelligent : des services visant à optimiser l'utilisation des ressources de l'École, qui visent un environnement plus efficace, durable et propre. Cela inclut la transformation des bâtiments en bâtiments intelligents grâce à des dispositifs permettant de surveiller des variables d'intérêt, telles que la consommation d'électricité, d'eau ou de gaz, la température et l'humidité des salles de classe et les niveaux de CO.₂, etc., ainsi que l'action sur les radiateurs pour contrôler la température au moyen d'électrovannes.
• gestion intelligente : des services visant à améliorer le fonctionnement et le fonctionnement de notre École, y compris la gestion des places de stationnement (parking intelligent[CB7] [MD8] ), la participation des utilisateurs à la communication des incidents, la mise en place de services de localisation, le comptage précis des personnes dans les bâtiments et la présence dans les salles de classe.

Au moment d’écrire ces lignes, au total 59 appareils ont été installés dans l’ESI (Figure 1) :

1. 4Elsys ERS CO₂ dans les classes du module B (A1.1, A1.2, A2.1, A2.2) qui mesurent la température et l'humidité, le niveau de CO₂, luminosité, mouvement. Les Elsys transmettre ces informations toutes les 10 minutes via la technologie LoRa à une antenne de réception LoRa (Milesight LoRaWAN Gateway UG67) située dans le plafond [CB9] [MD10] du bâtiment Fermín Caballero et qui fait également office de passerelle entre LoRa et Ethernet.
2. 14 Shelly Plus H&T qui mesurent la température et l'humidité toutes les heures et transmettent leurs données sans fil via WiFi en utilisant le protocole MQTT. Les Shelly ont été installés dans les salles de classe F0.1, F0.2 et F1.1, les laboratoires LD1, LD2, LD3 et LD4, la salle des assemblées, la salle des diplômes, la salle Anita Borg, le centre de calcul et les couloirs des étages 1, 2 et 3 du bâtiment Fermín Caballero.
3. 4 Shelly TRV qui seront bientôt installés dans les radiateurs à eau chaude situés dans les laboratoires LD2, LD3 et LD4 et dans la classe F1.1. Ces électrovannes ou vannes thermostatiques sont capables de réguler le débit d'eau qui circule dans le radiateur afin de pouvoir contrôler la température.
4. Une station météo MCF-LW12TERPM du fabricant italien Enginko, située sur la terrasse du troisième étage du bâtiment Fermín Caballero qui mesure la température et l'humidité extérieures, la pression barométrique et la concentration de particules liées au niveau de pollution (PM1, PM2.5 et PM10 ). La station intègre un petit panneau solaire elle n'a donc pas besoin de piles, elle capture les données toutes les 15 minutes et les transfère via LoRa à l'antenne de réception. Les mesures sont comparées à celles de l'AEMET pour vérifier leur précision (figure [CB11] 2).
5. Un concentrateur de mesure ou enregistreur de données Sennet IoT DL271 plus deux prolongateurs [CB12] [MD13] Sennet IoT Xtend M6 conçu et fabriqué par la société espagnole Satel Ibérica. Ce sont des appareils très professionnels, polyvalents et robustes, destinés aux bâtiments tertiaires et industriels et conçus pour fonctionner dans des situations de pannes multiples. Avec eux, nous pouvons récupérer les données d'un total de 15 analyseurs triphasés qui nous permettent de surveiller complètement la consommation dans les bâtiments A et B, dans le bâtiment Fermín Caballero (surveillant individuellement ses quatre étages) et dans le Centre de Calcul, l'un des ESI. espaces qui consomment le plus d’énergie.
6. 4 capteurs de stationnement de marque Bosch qui mesurent l'occupation des places de stationnement (dans la rangée la plus extérieure, au centre) et la transmettent via LoRa au récepteur.
7. Un capteur de comptage de personnes paramétrique PCR2 basé sur l'infrarouge qui nous permet de mesurer le flux de personnes qui franchit la porte d'entrée du bâtiment Fermín Caballero et transmet les données via LoRa avec une fréquence de 15 minutes.
8. 28 tags NFC, répartis en bandes de 7 tags chacun, installés dans les 4 salles de classe du module B pour représenter 7 incidents possibles (Figure 3) : ordinateur pédagogique, thermostat, mobilier, écran, projecteur, capteur Elsys ou autres. Un a été fourni appli de lire l'étiquette correspondant à l'incident détecté et de le notifier en temps réel au personnel technique pour une résolution rapide.

Toutes les données capturées par les capteurs sont stockées sur le serveur intelligent situé dans le centre de calcul. Le serveur implémente la pile logicielle Chirpstack+MQTT+MariaDB+Home Assistant pour permettre l'intégration des données de différents réseaux, la persistance et la visualisation. Home Assistant est le logiciel d'automatisation que nous avons sélectionné pour agir comme contrôleur, permettant une communication bidirectionnelle à travers plusieurs technologies et la création de tableaux de bord personnalisé pour afficher des informations via n’importe quel navigateur Web. Dans la page Web  http://smartesi.uclm.es:8123/ Vous disposez d’informations très précieuses que vous pouvez utiliser à différentes fins (vous devez être connecté à eduroam ou au VPN et utiliser le nom d’utilisateur/mot de passe fourni).

La ESI intelligent continue de croître : avant fin 2023, nous aurons déployé deux capteurs supplémentaires : le capteur d'impulsions EM300-DI pour mesurer notre consommation de gaz et le capteur AM107 pour mesurer la qualité de l'air intérieur, tous deux du fabricant Milesight et basés sur la technologie LoRa. L'occupation des salles de classe fournit des informations très utiles pour pouvoir gérer correctement la température des salles de classe et éviter des dépenses superflues qui impliquent une augmentation de la consommation d'énergie. Sur notre liste de tâches figure également le contrôle des luminaires en fonction des horaires et de l'occupation pour réduire la consommation : ce sera l'une de nos priorités cette année. Nous travaillons actuellement sur une application de localisation destinée aussi bien aux visiteurs externes qu'aux étudiants souhaitant trouver un bureau de professeur. Ce ne sont là que quelques exemples de travaux en cours.

Je ne veux pas oublier l'arbre solaire, un très beau projet que nous avons imaginé il y a longtemps et qui consiste à déployer une infrastructure photovoltaïque en forme d'arbre, destinée à être un démonstrateur de production d'énergie électrique, un système de surveillance et un espace récréatif pour tous. . Ce projet n'a pas été abandonné mais retardé en attendant de trouver un financement adéquat.

Dans le domaine académique, au cours de l'année universitaire 2022/23, plusieurs TFG ont été lancés dont les thématiques s'alignent sur le projet smart ESI. L'une de ces œuvres a récemment reçu un prix lors de la troisième édition des Turing Machine Awards pour le meilleur TFG dans le domaine des systèmes embarqués, décerné par l'Aula Ubótica-UCLM.

Enfin, je tiens à vous rappeler que le projet smart ESI est un projet ouvert à la participation de la communauté ESI et que vous pouvez contribuer avec vos idées pour créer ce nouveau modèle de École que nous aimerions tous avoir.

Cet article d'opinion est basé sur l'article récemment publié dans le magazine Buildings [7].

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Remerciements: Le projet smart ESI est un effort conjoint de plusieurs groupes de travail sans lequel son développement ne serait pas possible : je tiens à remercier l'équipe technique de l'École pour son implication dans le projet, dans toutes les tâches de gestion et de maintenance des infrastructures ; à Fernando Rincón, pour avoir permis le déploiement de 200 lampes intelligentes fournies gratuitement par l'entreprise Zemper ; à notre collègue Pepe Bravo, pour sa collaboration et son initiative visant à « développer » l'ESI intelligent à travers plusieurs applications basées sur la technologie NFC qui permettent de multiples fonctionnalités utiles pour la communauté ESI ; au Bureau de gestion des infrastructures (OGI) et aux services TIC de l'UCLM.

[1] Marc Weiser. 1999. L'ordinateur du 21e siècle. Groupe SIGMOBILE. Calculer. Commun. Rév.3, 3 (juillet 1999), 3-11. https://doi.org/10.1145/329124.329126

[2] Ashton, K. Ce truc de « l'Internet des objets ». RFID J. 1999, 22, 97-114.

[3] Escolar, S., Villanueva, FJ, Santofimia, MJ, Villa, D., Toro, XD et López, JC (2019). Une approche basée sur la prise de décision à attributs multiples pour la conception de classements de villes intelligentes. Prévision technologique et changement social.

[4] Benavente-Peces, C. Sur l'efficacité énergétique dans la prochaine génération de bâtiments intelligents : technologies et techniques de support. Énergies 2019, 12, 4399.

[5] Directive 2010/31/UE du Parlement européen et du Conseil du 19 mai 2010 relative à l'efficacité énergétique des bâtiments. Disponible en ligne: https://www.boe.es/doue/2010/153/L00013-00035.pdf

[6] Metallidou, CK ; Psannis, KE ; Egyptiadou, EA Efficacité énergétique dans les bâtiments intelligents : approches IoT. Accès IEEE 2020, 8, 63679-63699

[7] Escolar, S. ; Rincón, F. ; Barba, J. ; Caba, J. ; de la Torre, JA; López, JC; Bravo, C. Une approche méthodologique pour la smartification d'un campus universitaire : le cas d'utilisation Smart ESI. Bâtiments 2023 13 2568. https://doi.org/10.3390/buildings13102568