Comunicación presentada al V Congreso Ciudades Inteligentes
Autores
- Paulo Samaniego, Marcelo Valdiviezo, Christian Campoverde, Marianela Carrión, Franklin Jiménez, Santiago Medina, Pabel Merino, Juan Ochoa, Luis Rodríguez & John Tucker, Carrera de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones, Universidad Nacional de Loja (Ecuador)
Resumen
El proyecto SMART CAMPUS es un proyecto de innovación que busca utilizar el campus universitario de la Universidad Nacional de Loja (ciudad del sur del Ecuador) como un laboratorio de pruebas de prototipos, basados en sistemas de servicios como: la gestión de recursos energéticos, análisis del comportamiento y estado de ánimo de los estudiantes en el aula y gestión bibliotecaria; a través de la implementación de tecnologías tales como sistemas inteligentes, IoT (Internet of Things), redes de procesamiento de datos, motores de inteligencia artificial.
Palabras clave
Smart University, IoT, Eficiencia Energética, Inteligencia Artificial, Reconocimiento de Emociones
Proyecto
El proyecto se denomina: Optimización de Servicios y Recursos Energéticos a Través de Sistemas Inteligentes en la Facultad de la Energía de la Universidad Nacional de Loja – Ecuador (Smart Campus).
Introducción
La presente propuesta surge como respuesta a los problemas de optimización de recursos tales como energía eléctrica y agua potable en la Universidad Nacional de Loja, así como la gestión inteligente de procesos y servicios educativos, siendo la biblioteca de la facultad de la Energía el espacio idóneo para su implementación, finalmente los salones de clases se emplearán como laboratorios para la adquisición de datos acerca de la asistencia de los estudiantes y de su comportamiento para generar estadísticos que puedan ser la base para que expertos en pedagogía puedan crear modelos con base en la respuesta de los estudiantes a las cátedras dictadas.
Problema
Todas las instituciones sociales sean económicas, educativas o de investigación tienden a migrar a procesos de actualización tecnológica, con velocidad en servicios y eficiencia en el uso de sus recursos, donde los conocimientos, las técnicas, los productos se generan cada vez con mayor fluidez, y en mayor número derivados de la aplicación de las tecnologías y sus innovaciones.
Las universidades en Ecuador y específicamente la Universidad Nacional de Loja en cada una de sus dependencias no cuenta con procesos de eficiencia con el fin de optimizar los diferentes tipos de recursos, procesos y servicios. Por ejemplo, el uso de los recursos energéticos, no mantienen políticas adecuadas para su correcta gestión, optimización y mucho menos se aplican acciones tecnológicas para mitigar o controlar el elevado consumo y emisiones que se generan, siendo este un recurso limitado; por otro lado en el aspecto académico los procesos de enseñanza/aprendizaje que se utilizan se basan en métodos tradicionales donde no se logra evidenciar las acciones imperativas de los estudiantes, como escenas de nerviosismo, hiper-activismo o aburrimiento lo que conlleva a una fácil distracción y baja captación de los conocimientos que se imparten afectando así su rendimiento, esto sucede mientras el docente imparte su cátedra sin tener conocimiento muchas de las veces de estos acontecimientos (K. J. Wenger, J. Berkefeld, and M. Wagner, “Flat panel detector computed tomography for the interaction between contrast-enhanced thrombi and stent retrievers in stroke therapy: a pilot study.,” Clin. Neuroradiol., vol. 24, no. 3, pp. 251–254, 2014); finalmente la gestión de servicios universitarios tales como los que se llevan a cabo en las bibliotecas se mantienen a través de procesos invariantes, donde las acciones cotidianas realizadas por el usuario y el personal que ahí labora no permiten conocer datos sobre el buen uso de los recursos y su disponibilidad (T. L. Dean and D. V. McDermott, “Temporal data base management,” Artif. Intell., 1987).
De acuerdo a lo descrito, se puede establecer que uno de los principales problemas radica en el desaprovechamiento de la infraestructura y ejecución de procesos obsoletos y redundantes que repercuten negativamente en la gestión universitaria, actividades complementarias de docentes y en el desempeño académico de estudiantes. De esta manera, el concepto de “Smart Campus” o Campus Inteligentes, aplicados al ámbito de la educación, es pertinente y se puede abordar como una “ciudad pequeña”; el mismo que será capaz de aprovechar los datos que produce en su funcionamiento diario para generar información nueva que le permita mejorar su gestión y ser más sostenible, más competitivo y ofrecer mejor calidad de servicios, procesos y bienestar, gracias a la participación y colaboración de toda la comunidad universitaria. Existen varios estudios efectuados en el tema de Smart University, al igual que el de Smart City, donde el “internet de las cosas” y la Inteligencia Artificial son los principales protagonistas y es donde se debe enfocar el trabajo para el desarrollo de Smart Networks o redes inteligentes, las cuales interconectan sistemas y personas y, además, podrán estimular la innovación en el campo académico para facilitar un conjunto de objetivos en beneficio de la sostenibilidad energética y la eficiente gestión de servicios y generación de datos abiertos (A. J. Jara, P. Moreno-Sanchez, A. F. Skarmeta, S. Varakliotis, and P. Kirstein, “IPv6 addressing proxy: Mapping native addressing from legacy technologies and devices to the internet of things (IPv6),” Sensors (Switzerland), 2013).
Propuesta de solución
Un Smart Campus es esencialmente la implementación y uso de tecnologías para mejorar la competitividad y garantizar un futuro más sostenible en la vinculación simbiótica de redes de personas, tecnologías, infraestructuras, consumo, energía y espacios (J. A. Parra-Valencia, C. D. Guerrero, D. Rico-Bautista, Q. Revista, U. Ingenio, and A. V Jing, “Iot: Una Aproximación Desde Ciudad Inteligente a Universidad Inteligente.,” Nov Secur. internet thingsPerspectives challenges WirelessNetwork vol 20, 2014).
El presente proyecto SMART CAMPUS es un proyecto de innovación que busca utilizar el campus universitario como un laboratorio de pruebas de prototipos, basados en sistemas de servicios como: la gestión de recursos energéticos, análisis del comportamiento y estado de ánimo de los estudiantes en el aula y gestión bibliotecaria; a través de la implementación de tecnologías tales como sistemas inteligentes, IoT (Internet of Things), redes de procesamiento de datos, motores de inteligencia artificial, como lo muestra la figura 1.
La Gestión de Recursos energéticos se justifica dado que las entidades como la Corporación Nacional de Electricidad (CNEL), Empresa Eléctrica Regional Sur S.A. (EERSSA), Gobiernos Autónomos Descentralizados (GADs) que son las encargadas de proveer los servicios básicos de energía eléctrica y agua potable dentro de la ciudad de Loja, actualmente mantienen una gestión obsoleta, poco efectiva e ineficiente de los mismos; convirtiéndose éstas empresas y otras instituciones de cualquier índole en potenciales clientes de los productos resultantes del proyecto. De ahí la necesidad urgente de innovar la forma de administración para el uso optimizado de los recursos que se orienta a racionalizar su consumo dando un uso eficiente, a través de redes de sensores, recopilación y análisis de datos que culminará en la implementación de un sistema de gestión inteligente.
Por otra parte, los sistemas de educación tanto escolar, básica y universitaria continuamente buscan formas de evaluar y mejorar los procesos de enseñanza aprendizaje, la aplicación de tecnologías innovadoras para el análisis del comportamiento y estado de ánimo de los estudiantes dentro del aula ayudaría en la generación de conjuntos de datos y estadísticos, que permitirán alimentar un motor de inteligencia artificial para obtener un modelo de utilidad comercializable para diversos stakeholders, que entre otras cosas permitirá obtener los datos necesarios para llegar a evaluar la situación anímica de estudiantes dentro del aula a través del reconocimiento facial; esto puede generar bancos o pilas de información aplicable a mejorar los procesos pedagógicos y andragógicos vividos en las aulas.
Finalmente, las bibliotecas como espacios imperecederos dentro de las instituciones educativas tienen como fin brindar alternativas de gestión y préstamo de libros de forma actualizada, versátil y ágil; por tanto, parte del proyecto también se enfoca a la gestión de los servicios de biblioteca a través de la automatización inteligente de procesos, incorporando un sistema eficaz de préstamo y devolución de libros, así como la recopilación de datos para el análisis de patrones de estudio dentro de la biblioteca, lo cual puede ser aplicable en cualquier centro de estudio que posee este tipo de servicios.
Estado del arte
Actualmente nos encontramos ante la cuarta revolución industrial producida principalmente por la digitalización de los datos y el Internet de las Cosas (IoT), en donde toda gira en torno a la cantidad de información y la capacidad de procesarla. Los avances tecnológicos han cambiado radicalmente la forma en que las personas interactuamos con otras y con el entorno, desde este punto de vista, la educación y con ello los centros encargados de brindar este servicio deben cambiar para adaptarse a este vertiginoso avance y al cambio en el paradigma educativo enfocado en la implementación de Campus Inteligentes (Smart Campus) (B. Hirsch and J. W. P. Ng, “Education Beyond the Cloud: Anytime-anywhere learning in a smart campus environment,” in 6th International Conference on Internet Technology and Secured Transactions, 2011).
Entre los principales factores que intervienen en la implementación de un Smart Campus podemos enunciar la eficiente gestión de los recursos energéticos como son agua potable y energía eléctrica, así como brindar herramientas que permitan mejorar los procesos obsoletos en espacios de estudio como bibliotecas y aulas, siendo éstas últimas un espacio clave que necesita ser dotado de seguridad y funciones como el registro de asistencia, así como la evaluación del estado de ánimo de los estudiantes con el fin de generar datos y estadísticos enfocados en la creación de nuevas herramientas de evaluación de los procesos de enseñanza – aprendizaje (N. Litayem, B. Dhupia, and S. Rubab, “International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering Automatic Attendance and Mobile Learning System in Sensor Enabled Heterogeneous and Dynamic University Environment.,” Certif. J. Vol 9001 Retrieved from wwwijetaecom, 2008).
El avance tecnológico, dispositivos de medición, sensores, actuadores, controladores, autómatas lógico-programables y todos ellos conectados entre sí a través de redes de telecomunicación han desarrollado un concepto de ciudades inteligentes o Smart Cities, que tiene por objetivo un mejor funcionamiento de las ciudades como tales, un uso adecuado de los recursos renovables de manera especial en la relación agua – energía.
Si relacionamos una Smart City con el Smart Campus propuesto en el proyecto de investigación; es porque la relación entre una ciudad y la Facultad de Energía de la Universidad Nacional de Loja es simplemente la escala, Smart Campus es un proyecto que se puede replicar pues buscamos de la manera más eficaz ser sostenibles en relación al uso adecuado de energía eléctrica y agua potable, la eficiencia energética es uno de los pilares fundamentales en los 17 objetivos para transformar nuestro mundo (CEPAL, Agenda 2030 y los Objetivos de Desarrollo Sostenible: una oportunidad para América Latina y el Caribe. 2016).
Adentrándonos en los servicios públicos como son agua potable y energía eléctrica se han desarrollado avances en los estudios de las ciudades inteligentes para mejorar la gestión de estos recursos que por su naturaleza son escasos y no renovables.
Para la adquisición de datos del sistema propuesto se construirá dos tipos de medidores, el primero medirá la cantidad de consumo de agua potable y el segundo la cantidad de energía eléctrica consumida.
Para medir el agua potable se necesita un sensor que permita conocer el flujo volumétrico de agua que está circulado por este, existe varios tipos de sensores electrónicos que logran este objetivo: los electromagnéticos, de efecto Hall y de efecto Doppler, los cuales convierten el flujo de agua en una variación de voltaje eléctrica a su salida, este voltaje es una señal de carácter analógico que a través de métodos de digitalización se lo convierte en un valor digital 0 o 1 lógico este valor puede ser procesado por los sistemas electrónicos del medidor inteligente.
La medición de la energía eléctrica es un poco más complicada, lo que se mide es el consumo de potencia por cada hora es decir el kWh Kilovatio hora, para obtener la potencia se tiene que medir el voltaje y la corriente que está consumiendo, la potencia es el resultado de la multiplicación de estas dos variables por lo tanto es necesario para obtener un valor exacto del consumo de energía medir el voltaje y la corriente esto se lo hace con dos tipos de sensores para cada variable.
El internet de las cosas, permite que todos los elementos dentro de una infraestructura diseñada con elementos electrónicos estén conectados simultáneamente a Internet de una manera eficiente y operativamente sustentable, con el afán de optimizar recursos, fomentando al desarrollo de nuevas aplicaciones y servicios.
Recientemente, la aplicación de la tecnología IoT a sistemas de eficiencia energética ha despertado interés, sobre todo para el monitoreo de la eficiencia de sistemas en tiempo real.
En el proyecto de investigación propuesto, se tiene una gran interacción entre el IoT con Visión Artificial en el ámbito de la Educación, siendo esta una alternativa para mejorar la educación desde los niveles iniciales hasta las aulas universitarias.
Esto conlleva a involucrar a los estudiantes con las Tecnologías de la Información y Comunicación (Tics), en el caso específico de IoT se pueden desarrollar herramientas didácticas de aprendizaje que cuenten con una plataforma en internet donde los resultados alcanzados por el estudiante puedan ser visualizados en tiempo real. El uso de visión artificial es una herramienta que podría implementarse para monitorear a los alumnos, determinando estados de ánimo, cansancio e incluso desconcentración que se pueden conocer al evaluar y reconocer ciertos patrones fisiológicos de comportamiento. Los beneficios de este tipo de monitoreo permiten determinar mediante modelos predictivos y algoritmos de Machine Learning (Aprendizaje de Máquina) cuáles son los periodos de tiempo y los horarios más adecuados para alcanzar un aprendizaje óptimo.
Dentro de este campo de investigación se desarrolló un sistema de monitoreo facial que brinda estimadores de desconcentración del estudiante universitario dentro del aula de clase, con la implementación de scripts de Python y empleando la herramienta OpenCV, se desarrolló un sistema capaz de determinar el número de bostezos y número de parpadeos de los estudiantes, debido a que estas variables son indicadores de cansancio y por ende se relacionan a la concentración, posterior a un análisis de datos se determinó si el estudiante está desconcentrado o no; estos datos son subidos a una plataforma conectada a internet, donde los docentes pueden conocer cómo interactúan sus alumnos durante los periodos académicos. Una vez realizada la fase de pruebas se determinó los horarios adecuados para que los estudiantes aprovechen de mejor manera sus procesos de enseñanza, mejorando el proceso de aprendizaje con el uso de estas herramientas tecnológicas (V. Alvear, “Sistema de Monitoreo Facial que brinde estimadores de desconcentración del estudiante universitario dentro del aula de clase a escala de laboratorio.,” UTN Aristizbal Bossa William Alejandro Len Hernndez iego Ivn Gmez dwar Jacinto Sist. Monit. y Control Ina. potencia Act. Rev. Tekhn Retrieved from httpsrevistasudistritaleducoojsindexphptekhnearticleview894510319, 2013).
El reconocimiento facial y la detección de expresiones orientados a aplicaciones en un Smart Campus, brindan una amplia gama de funciones que van desde la seguridad mediante controles de acceso biométricos, hasta el registro automático de asistencia de estudiantes en las aulas, tarea que normalmente se desarrolla con tediosos métodos manuales.
Actualmente el manejo de entornos mediante sistemas inteligentes orientado al mejoramiento de espacios de aprendizaje utiliza el reconocimiento facial enfocado a aprovechar las características biométricas del rostro para llevar un control de asistencia automatizado, considerando que la tecnología de los sensores de adquisición de datos y cámaras de video han tenido un gran avance que da la posibilidad de construir sistemas que permitan generar reportes y estadísticos simplificando una tarea que en la Universidad Nacional de Loja como en la mayor parte de instituciones educativas del país se realiza de forma manual (G. Sengul, M. Karakaya, A. B.-I. J. of Scientific, and U. 2017, “A SMART CLASSROOM APPLICATION: MONITORING AND REPORTING ATTENDANCE AUTOMATICALLY USING SMART DEVICES,” ijsrise.com).
Las características dentro de un Campus Inteligente se relacionan inherentemente al bienestar de los estudiantes, buscando que los mismo se desenvuelvan en ambientes agradables y asociados a la tecnología, lo que permite un crecimiento académico y genera condiciones básicas necesarias para los procesos de enseñanza aprendizaje con técnicas pedagógicas más efectivas basadas en el análisis de datos generados mediante entornos inteligentes (Timms Michael J., “Letting Artificial Intelligence in Education Out of the Box: Educational Cobots and Smart Classrooms,” Int. J. Artif. Intell. Educ., 2016).
Materiales y métodos
En la Tabla I podemos observar la forma en que se ha dado respuesta a los diferentes objetivos planteados en el proyecto.
Resultados
El resultado más relevante en la primera etapa del desarrollo del proyecto es la generación de datos y estadísticos para un mejor análisis de las diferentes variables. En el caso de la medición de agua potable y energía eléctrica esos datos serán empleados para establecer patrones de consumo y delinear políticas que reduzcan el consumo energético. Por otra parte, los datos generados en la biblioteca son muy importantes al momento de analizar el uso que hacen los estudiantes de los recursos académicos dispuestos. Finalmente, el control y monitoreo en el salón de clases ha permitido optimizar el tiempo dedicado por el docente a dictar la cátedra y conjuntamente con el análisis de emociones ha generado una base de datos que puede ser analizada por expertos en pedagogía para elaborar herramientas que ayuden al docente a mejorar los resultados de aprendizaje.
Conclusiones
Los datos generados son relevantes, sin embargo, los modelos de inteligencia artificial requieren de un mayor volumen para mejorar su precisión, como puede ser el caso de una predicción de consumo energético para determinado día del año.
Es esencial para el desarrollo de una segunda etapa del proyecto la colaboración de expertos en cada una de las temáticas correspondientes a los datos analizados, es decir que el apoyo de especialistas en el área de la educación es primordial para poder verificar los datos de expresiones de estudiantes como respuesta a la metodología empleada por los docentes en el salón de clases.