Methods and tools for effective smart buildings deployment

Nowadays, considering the continuous development of the sensor and actuator technologies namely, the Internet-Of-Things and the incessant growth of their applications in almost all the aspects of our everyday life, the realisation of the so-called smart spaces is something possible and many solutions for their actual implementation are finally available on the market. As defined by EIT ICT Labs, Smart spaces are environments such as apartments, offices, museums, hospitals, schools, university campuses, and outdoor areas that are enabled for the cooperation of different objects (e.g, sensors, actuators, devices and appliances) that have the capability to organize themselves with the goal of providing better services to customers and citizens, making living more comfortable and efficient. In particular, as it will be shown, the use of technology is intended to increment the user comfort, his safety and the energy efficiency of the such smart spaces. The academia and the industry put a lot of effort during the last 30 years in the creation of the enabling hardware technology essential for the creation of the smart building concept. Several challenges have been already addresses, especially from a technical point of view (low power sensors/actuators design, communication protocols, software interfaces design, etc.). Anyway, these new technologies have also introduced new challenges: within this thesis work, some of the open challenges will be faced, proposing new theoretical frameworks, technologies and tools to move forward the actual implementation of smart buildings. In particular, after three decades of works on this topic, there are interesting topics that have still to be faced in order to make smart buildings part of our daily life: the Occupancy Detection Problem, the Building Programming Problem, Building BehaviourDescription Problem. Within this context, three technologies are proposed: an occupancy detection technology based on Bluetooth Low Energy and iBeacon, a building programming interface to let occupants express their own policies and a smart building simulation framework, as an essential tile for forecasting the building behaviour. These three technologies will be then used in two different case studies in order to show their effectiveness : a run-time manager for the integration with the smart grid and an innovative building safety management system.

Oggigiorno, considerano il continuo avanzamento delle tecnologie nel campo della sensoristica e dell’attuazione il cosiddetto Internet-Of-Things e la crescente loro applicazione nella maggior parte degli aspetti della vita di tutti i giorni, la realizzazione di quelli che vengono comunemente chiamati edifici intelligenti (Smart Buildings) è qualcosa di fattibile e molte soluzioni per la loro reale implementazione sono finalmente disponibili sul mercato. Come definito dagli EIT ICT Labs, gli Smart Spaces sono spazi come appartamenti, uffici, musei, ospedali, scuole, campus universitari e aree all’aperto che sono resi intelligenti dalla cooperazione di oggetti differenti (ad esempio, sensori, attuatori, dispositivi ed elettrodomestici intelligenti) in grado di organizzarsi autonomamente con l’obiettivo di fornire un miglior servizio agli utenti e ai cittadini, rendendo le loro vite più confortevoli ed efficienti. In particolare, come verrà mostrato, l’uso di tali tecnologie è inteso al fine di aumentare il comfort degli utenti, la loro sicurezza e l’efficienza energetica degli edifici stessi. L’accademia e l’industria hanno speso molte risorse negli ultimi 30 anni nella creazione di tecnologie hardware abilitanti ed essenziali alla implementazione degli smart building. Molte problematiche sono già state risolte, specialmente dal punto di vista tecnologico (sensori ed attuatori a basso consumo energico, protocolli di comunicazione, interfacce software, etc.). D’altro canto però, queste nuove tecnologie hanno anche introdotto nuove sfide: con questa tesi, alcune di esse verranno affrontate, proponendo nuove teorie, tecnologie e strumenti per andare verso una reale implementazione degli smart buildings. In particolare, dopo tre decadi di lavoro su questo argomento, ci sono alcuni interessanti argomenti che devono ancora essere risolti: il problema della Occupancy Detection, il problema della Programmazione dell’edificio e il problema della descrizione e previsione del comportamento dell’edificio. In questo contesto, tre tecnologie vengono proposte con questa tesi: una tecnologa basata su Bluetooth Low Energy e iBeacon progettato per tenere traccia del grado di occupazione di una stanza, una interfaccia di programmazione per edifici che permette agli utenti di esprimere le loro preferenze nella gestione dell’edificio e un sistema di simulazione, elemento essenziale per prevedere il comportamento dell’edificio stesso. Queste tre tecnologie verranno poi impiegate in due casi di studio differenti: un sistema di gestione dell’integrazione con la smart-grid e un sistema innovativo di gestione delle emergenze.