智能ESI：新的學校模式

作者：Soledad Escolar 學術規劃與智慧 ESI 副主任。

在80年代，被認為是普適計算之父的Mark Weiser首次將其稱為將技術融入人們日常生活的趨勢，從而使其變得無所不在（在任何地點、格式和時間）且難以區分來自技術 明確的 人們使用的（手機、平板電腦、筆記型電腦等）[1]。 這為尋找允許與嵌入式系統（即嵌入另一個較大設備（例如電視、冰箱或踏板車）中的電子設備）互動的使用者介面鋪平了道路。 支援普適運算的底層技術包括微電子、通訊、分散式系統和使用者介面等。

二十年後，因創建全球 RFID（無線射頻識別）識別系統而聞名的 Kevin Asthon 創造了物聯網 (IoT) 一詞來指稱設備（事情）透過為他們提供看到、聽到和聞到世界的手段，他們被賦予了權力 [2]。 這個願景發生了非常重大的變化，代表 技術為人服務，無需人。 無需互動 明確的 擁有無處不在的技術，但它是自主的（或多或少，因為這個術語非常廣泛：自我管理、自我適應、自我保護、自我修復和自我優化）並且具有計算能力、處理、數據分析、溝通、推理、決策和行動。 家庭自動化為我們提供了一個經典的例子：如果我在家，現在是冬天，下午 18.00:XNUMX，外面的光照水平低於閾值，燈光將被激活，百葉窗將降下，暖氣將打開。已打開。將會亮起。 除了已經提到的技術之外，支持這一願景的基礎技術現在還擴展到處理來自多個來源的大量數據、計算 邊緣 或在雲端、人工智慧 (AI) 技術或資料科學中。

物聯網已經滲透到城市、農業、家庭或工業等多個垂直領域； 在所有這些中，透過觀察大量現象和採取適當的行動來提高人們對該環境的了解程度。 它還突破了能源效率或數位化等橫向領域。 這些域已分配 默認情況下 前綴“智能”： 智慧城市, 智慧產業, 智能家居， ETC。 然而，科學界對於哪些屬性賦予物聯網智慧還沒有共識。 在以下地區 智慧城市例如，條件 聰明 可以購買 簡單地 採取旨在提高城市發展程度的行動，例如給予更換污染汽車補貼、以LED取代路燈燈泡或建造更多公里長的自行車道等措施[3]。 這些舉措是否足以為該領域提供智慧特徵？ ？ 顯然不是：資訊與通訊科技（ICT）需要納入智慧領域具體化的一部分。 對此，科學界似乎已達成共識。

與智慧城市領域類似，智慧大學這個名詞的定義也沒有共識（智慧大學）並且人們普遍認為，它與傳統大學的不同之處在於使用資訊通信技術，包括自動化、控制和管理系統、人工智慧或物聯網來履行機構的使命。 另一個例子是在智慧建築領域（智能建築）。 根據 Benavente-Peces [4] 的說法，智慧建築是一組技術，允許建築物的不同物件、感測器和功能相互通信和交互，並透過電腦以受控和自動化的方式進行管理。距離。 建築物的管理極為重要，因為它們是城市和大學最重要的基礎設施之一，因為它們將最大的支出集中在電力、水或天然氣等公共服務上。 根據指令 2010/31/EU [5]，建築能源消耗佔總消耗的最大份額之一，在歐盟約佔 40%，為了緩解這一問題，歐盟在過去 50 年裡推行了以下政策：已逐漸趨向於「幾乎零能耗建築」的概念（英文） 接近零能耗的建築 （NEZB），這些建築具有非常高的能源性能水平，並且需要幾乎零或非常低的能源，並且在很大程度上可以透過再生能源來滿足。

為了更接近 NEZB 的概念，在最先進的技術 [6] 中，已經提出了多種策略來透過自動化和優化來實現智慧建築的節能，例如照明、HVAC（供暖和通風空調）、防火和空氣品質系統。 此類系統通常由整合多個感測器的設備組成（例如 被動紅外[CB1] [MD2] , 溫度、濕度、二氧化碳₂、PM 或懸浮顆粒、LED）和 執行器（例如電磁閥）[CB3] [MD4]  並基於人工智慧技術（例如神經網路、代理或模糊邏輯）實施用戶服務，以確定哪些用戶行為會根據環境條件和裝置的狀態參數而產生能源消耗。多餘以及如何相應地調整系統設定優化其消耗，同時保持使用者安全和舒適。 一個非常簡單的範例包括簡單地觀察空間的佔用情況並監控使用者以確定何時應打開和關閉房間內的燈。

該項目 智能ESI 該計畫是由該中心主任 Crescencio Bravo 發起的一項倡議，他在其選舉計劃中提議將高等資訊學院 (ESI) 轉變為一所智慧學校（聰明的教師），將以該中心的整個基礎設施為模型，建立一個智慧大學中心的模型，在此模型上定義了一套先進的專業服務，旨在增加我們對學校及其環境的了解，並與最終目標是改善其營運、永續性和效率。 因此，透過由學術規劃和智能ESI分局牽頭的智能ESI項目，我們開展了 智慧化 我們學校，為其提供實現這一概念所需的技術手段 智慧大學. 在其設計中，我們建議這個智能化過程是：

1. 橫向，基於以智慧 ESI 和數位服務委員會為代表的 ESI 研究小組的合作； [CB5] [MD6] 
2. 透明，透過使用可供大學社區（教授、PAS、學生）查閱的開放資料；
3. 可擴展的，使其能夠透過易於整合到專案中的微部署逐步成長；
4. 可測量的，這使得可以透過一組指標來量化進展；
5. 超技術性，利用尖端技術（ESI 是一所技術學校並非徒勞無功）
6. 基於為異質使用者提供增值、相關、進階和特定服務的服務範式。

在智慧ESI專案的設計中，考慮了以下兩個智慧維度，每個維度都涉及學校的一個策略領域：

• 智慧環境： 旨在優化學校資源利用的服務，追求更有效率、永續和清潔的環境。 這包括透過設備將建築物轉變為智慧建築，這些設備可以監控感興趣的變量，例如電力、水或燃氣消耗、教室溫度和濕度以及二氧化碳水平。₂等，以及透過電磁閥對散熱器的作用來控制溫度。
• 智能管理： 旨在改善我們學校的運作和運作的服務，包括停車位的管理（智能停車[CB7] [MD8] ）、使用者參與事件溝通、定位服務的引入、建築物內人數的準確統計以及教室中的人數。

在編寫這些行時，ESI 中總共安裝了 59 個裝置（圖 1）：

1. 4 Elsys ERS ​​公司₂ 在模組 B 教室（A1.1、A1.2、A2.1、A2.2）中測量溫度和濕度、CO 水平₂、亮度、運動。 這 埃爾西斯 每 10 分鐘透過 LoRa 技術將此資訊傳輸到位於 假天花板 [CB9] [MD10] Fermín Caballero 大樓的大樓，也充當 LoRa 和乙太網路之間的網關。
2. 14 Shelly Plus H&T 每小時測量溫度和濕度，並使用 MQTT 協定透過 WiFi 無線傳輸資料。 這 貝殼 已安裝在教室 F0.1、F0.2 和 F1.1、實驗室 LD1、LD2、LD3 和 LD4、禮堂、學位廳、Anita Borg 室、計算中心以及 1、2 樓的走廊以及Fermín Caballero 大樓的3座。
3. 4 Shelly TRV 即將安裝在實驗室 LD2、LD3 和 LD4 以及教室 F1.1 的熱水散熱器中。 這些電磁閥或恆溫閥能夠調節流過散熱器的水流量，進而控制溫度。
4. 義大利製造商 Enginko 的 MCF-LW12TERPM 氣象站位於 Fermín Caballero 大樓三樓的露台上，用於測量室外溫度和濕度、氣壓以及與污染水平相關的顆粒物濃度（PM1、PM2.5）和PM10）。 該電台配備了一個小型太陽能電池板，因此不需要電池，每 15 分鐘捕獲一次數據，並透過 LoRa 將其傳輸到接收天線。 將測量結果與 AEMET 的測量結果進行比較，以檢查其精度（人物 [CB11] 2）。
5. 測量集中器或 數據記錄儀 Sennet物聯網DL271加二 擴充器 [CB12] [MD13] Sennet IoT Xtend M6 由西班牙公司Satel Ibérica 設計和製造。 這些是非常專業、多功能且堅固的設備，適用於第三級和工業建築，並設計用於在多種故障情況下運作。 有了它們，我們可以從總共15 個三相分析儀中獲取數據，從而使我們能夠完全監控A 樓和B 樓、Fermín Caballero 大樓（分別監控其四層樓）和計算中心（ESI 之一）的能耗。消耗最多能量的空間。
6. 4 個博世品牌停車感應器，用於測量停車位的佔用情況（最外排，中間），並透過 LoRa 將其傳輸到接收器。
7. 基於紅外線的參數化 PCR2 人數統計感測器使我們能夠測量穿過 Fermín Caballero 大樓入口門的人流量，並透過 LoRa 以 15 分鐘的頻率傳輸資料。
8. 28 個 NFC 標籤，每條 7 個標籤分佈，安裝在模組 B 的 4 個教室中，代表 7 種可能的事件（圖 3）：教學電腦、恆溫器、家具、螢幕、投影機、感測器 埃爾西斯 或其他。 已提供A 應用 讀取偵測到的事件對應的標籤，並即時通知技術人員以便及早解決。

感測器捕獲的所有資料都儲存在伺服器上 聰明人 位於計算中心。 此伺服器實現了Chirpstack+MQTT+MariaDB+Home Assistant軟體堆疊，以實現來自不同網路的資料的整合、持久化和視覺化。 Home Assistant 是我們選擇充當控制器的自動化軟體，允許透過多種技術進行雙向通訊並創建 儀表板 客製化用於透過任何網頁瀏覽器查看資訊。 在網頁中  http://smartesi.uclm.es:8123/ 您擁有非常有價值的信息，可用於不同目的（您必須連接到 eduroam 或 VPN 並使用提供的使用者名稱/密碼）。

La 智能ESI 持續成長：到2023 年底，我們將再部署兩個感測器：用於測量燃氣消耗的EM300-DI 脈衝感測器和用於測量室內空氣品質的AM107 感測器，這兩個感測器均來自製造商Milesight，基於LoRa 技術。 教室的佔用情況提供了非常有用的信息，以便能夠正確管理教室的溫度並避免意味著能源消耗增加的多餘費用。 我們的任務清單上還有根據時間表和佔用情況控制燈具以減少消耗：這將是我們今年的優先事項之一。 我們目前正在開發一個定位應用程序，針對外部訪客和想要找到教師辦公室的學生。 這些只是正在進行的工作的幾個例子。

我不想忘記太陽能樹，這是我們很久以前想到的一個非常好的項目，其中包括部署樹形光伏基礎設施，旨在成為電能生產的示範，監控系統和每個人的休閒空間。 該項目並未被放棄，而是因等待找到足夠的融資而被推遲。

在學術領域，2022/23學年推出了多個主題與智慧ESI計畫一致的TFG。 其中一項作品最近獲得了由 Aula Ubótica-UCLM 頒發的第三屆圖靈機獎嵌入式系統領域最佳 TFG 獎。

最後，我想提醒大家，智慧ESI專案是一個開放給ESI社群參與的項目，你可以貢獻你的想法來創造這個新的模型。 埃斯庫埃拉 我們都希望擁有。

這篇觀點文章是基於最近發表在《建築》雜誌上的文章[7]。

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致謝：智慧ESI專案是多個工作小組的共同努力，沒有這些工作小組的發展是不可能的：我要感謝學校的技術團隊參與該項目，參與所有基礎設施管理和維護任務； 感謝 Fernando Rincón，幫助部署了由 Zemper 公司免費提供的 200 個智慧燈； 感謝我們的同事 Pepe Bravo，感謝他透過多個基於 NFC 技術的應用程式「發展」智慧 ESI，為 ESI 社群提供多種有用的功能； 基礎設施管理辦公室 (OGI) 和 UCLM 的 ICT 服務。

[1] 馬克‧韋澤。 1999 年。21 世紀的電腦。 SIGMOBILE 暴民。 計算。 交流。 修訂版 3、3（1999 年 3 月）、11-XNUMX。 https://doi.org/10.1145/329124.329126

[2] Ashton, K.「物聯網」事物。 RFID 雜誌 1999, 22, 97–114。

[3] Escolar, S.、Villanueva, FJ、Santofimia, MJ、Villa, D.、Toro, XD 與 López, JC (2019)。 基於多屬性決策的智慧城市排名設計方法。 技術預測與社會變革.

[4] Benavente-Peces, C. 論下一代智慧建築的能源效率—支援技術和製程。 能源 2019, 12, 4399.

[5] 歐洲議會和理事會 2010 年 31 月 19 日關於建築物能源效率的第 2010/XNUMX/EU 號指令。 線上提供： https://www.boe.es/doue/2010/153/L00013-00035.pdf

[6] Metallidou，C.K.； 普桑尼斯，K.E.； Egyptiadou，EA 智慧建築能源效率：物聯網方法。 IEEE 訪問 2020, 8, 63679–63699

[7] 埃斯科拉爾，S.； 林孔，F.； 巴爾巴，J.； 卡巴，J.； 德拉托雷，JA； 洛佩斯，JC； Bravo, C. 大學校園智慧化的方法：智慧 ESI 用例。 建築物 2023， 132568。 https://doi.org/10.3390/buildings13102568