Drahtlose Sensornetzwerke und -systeme


Ökosysteme zeichnen sich charakteristisch oft durch eine hohe Heterogenität, Komplexität und Dynamik aus. Daher sind Einzelmessungen an spezifischen oft nicht geeignet, um ein solches System adäquat abzubilden. Der Einsatz von drahtlosen Sensornetzwerken in terrestrischen und aquatischen Umweltsysteme bietet daher signifikante Vorteile für eine bessere Anpassung der lokalen Testbedingungen, durch die einfache Implementierung der Sensorverteilung, der Sensortypen und der Abtastrate. Ein weiterer Vorteil dieser mobilen drahtlosen ad-hoc Sensornetzwerke ist ihre selbstorganisierende Infrastruktur, wodurch eine signifikante Reduzierung der Kosten und des Zeitaufwands sowohl bei der Installation als auch während des Betriebs zu verzeichnen ist. Zusätzlich wird mit einem solchen System eine höhere Datenqualität gegenüber einzelnen Punktmessungen gewährleistet, da die Messgrößen adaptiv und kontinuierlich an optimierten Standorten aufgenommen werden können.
Der Kommunikation der Instrumente erfolgt über den IEEE 802.15.4 Standard mit einem 6LoWPAN Protokoll und ermöglicht daher einen bidirektionalen Informationstransfer sowie eine Datenbankanbindung. Die einzelnen Sensorknoten arbeiten mikrokontrollerbasierend mit einem TinyOS Betriebssystem, wohingegen die Basisstation mit einem Field Programmable Gate Array und einem Embedded-Linux-System operiert. Die Übertragungsfrequenz des Netzwerks kann je nach Anwendung den Umgebungsbedingungen optimal angepasst werden.

    Derzeitige Anwendungen

Statische Netzwerke zur Umweltbeobachtung


Static GCEF node
Static Marsol node

Langzeit-Monitoring zur Beobachtung von Landnutzungsereignissen und Klimawandel:

Die Menschheit profitiert sehr von gesunden, funktionierenden Ökosystemen, denn sie liefern eine Vielzahl von kostenlosen Dienstleistungen. Fällt der eine oder andere Service weg, werden drastische Änderungen im Leben der gesamten Erdbevölkerung auftreten. Deshalb erforschen wir, wie Klimawandel, Landnutzungsänderungen, biologische Invasionen und Schadstoffe Artengemeinschaften, Ökosysteme und deren Funktionen beeinflussen und welche Folgen und Auswirkungen dies für die Ökosysteme und den Menschen hat ( IP Emerging Ecosystems ).
Diese Realisierung des Sensornetzwerks ermöglicht ein solches Langzeit-Monitorung für die Ökosystemforschung. Der Fokus liegt hierbei insbesondere meteorologischen und Bodenparametern, wodurch auch die Interaktion von biotischen und abiotischen Prozessen detektiert werden kann. Diese Analysen sind Teil der Global Change Experimental Facility ( GCEF ) einer großen Feldversuchsplattform zur Untersuchung der Folgen des Klimawandels für Ökosystemprozesse unter verschiedenen Landnutzungstypen.


Hydrologisches Monitoring:

Demonstrating Managed Aquifer Recharge as a Solution to Water Scarcity and Drought ( MARSOL ) ist ein EU-Projekt, welches sich vorrangig mit der zunehmenden Wasserknappheit ( IP Water Scarcity )  in Südeuropa und dem Mittelmeerraum und Lösungsansätzen zur effizienten Bereitstellung von Wasser und deren Qualitätsmanagement befasst. Unsere Arbeitsgruppe arbeitet in diesem Projekt in der Activity Line 3 „Integration and Impact" im Arbeitspaket „innovativen Monitoringmethoden". Dazu wurde auf dem Standort in Lavrion (Griechenland) ein statisches drahtloses Sensornetzwerk implementiert um wichtige meteorologische Parameter sowie den Grundwasserspiegel zu erfassen. Die prozessierten Messdaten werden dann auf ein eigens für das Projekt entwickelte Datenplattform übertragen und dort zur weiteren Bearbeitung und Visualisierung zur Verfügung gestellt.


Mobile Netzwerke für event-orientierte Messkampagnen
across bf
across opt

Die Anwendung von mobilen drahtlosen Sensornetzwerken für Boden- und Atmosphärenerkundung bietet durch die einfache Sensorpositionierung und -verteilung und die Anpassung der Sensortypen und Abtastraten (z. B. mit Hilfe von Optimierungsansätzen oder Triggerfunktionen) an die lokalen Messbedingungen wesentliche Vorteile gegenüber klassischen Systemen. Dies kann wichtig für die Überwachung von heterogenen und dynamische Umweltsystemen und -prozessen sein. Daher ist diese Plattform ein geeignetes Instrument für die validation and calibration von Fernerkundungsdaten. Ein wesentlicher Vorteil bei der Anwendung von mobilen ad-hoc Sensornetzwerken ist ihr selbstorganisierendes Verhalten. Hierbei initialisiert und optimiert sich das Netzwerk selbständig. Durch die Lokalisierung per Satellit ist auch eine bedeutende Verringerung der Installationszeit und der Betriebskosten zu verzeichnen. Alle Gehäuse der entwickelten Netzwerkkomponenten besitzen den Internationalen Schutz Standard IP 67 oder höher. Dies stellt Wetterbeständigkeit und Robustheit auch unter extremen klimatischen Bedingungen sicher.

Das mobile Sensornetzwerk verfolgt außerdem einen multiparametrischen Ansatz. Ein serienmäßiger Sensorknoten kann Bodenfeuchte- und Temperatursensoren sowie Lufttemperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren als auch Strahlungssensoren für die photosynthetisch aktive Strahlung oder individuelle Wellenlängen umfassen. Darüber hinaus können auch Windgeschwindigkeit und -richtung oder geoelektrische Sensoren angeschlossen werden. Daher ist dieses System ein vielversprechender Ansatz für eine professionelle Boden- und Atmosphären-Ereignisüberwachung ( IP Catchment Dynamics ). Darüber hinaus können Untersuchungen von biotischen und abiotischen Prozessen und ihre Interaktionen aufgezeichnet werden ( IP Emerging Ecosystems ).


Smartphone-gestütztes urbanes Umweltmonitoring
sak node

In Kooperation mit der Professur für Informationsmanagement der Universität Leipzig wird im Department Monitoring und Erkundungstechnologien am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig eine Open Source basierte multioperable Plattform zur Integration unterschiedlicher Sensorkomponenten entwickelt, mit deren Hilfe großflächig und mit zeitlich hoher Auflösung Umweltdaten erhoben und somit auch komplexe Prozesse und umweltsystematische Zusammenhänge unter Feldbedingungen erfasst werden können. Neben der Entwicklung und Integration geeigneter Sensorik zu einem Sensorsystem für mobile Feldanwendungen soll auch die nutzerspezifische Bereitstellung der Umweltdaten in Form eines Informationssystems betrachtet werden. Darüber hinaus wurde mithilfe einer eigens entwickelt Smart-Phone-App eine Möglichkeit geschaffen, das System auch für technisch weniger geübte Nutzer zugänglich zu machen und somit in bestehende Arbeitsabläufe und Feldmessungen integrieren zu können.

    Sensor- und Netzwerkentwicklung

dev1
dev2

Im Zusammenhang mit laufenden sowie zukünftigen Projekten ist sowohl eine Verbesserung der bestehenden Systeme und Netzwerke als auch die Einwicklung neuer innovativer Sensoren und Messmethoden geplant.
Momentane Ziele bei der Weiterentwicklung der drahtlosen Sensornetzwerke sind:

  • Zeitsynchronisation der Sensorknoten im Submillisekundenbreich um hochfrequente Prozesse detektieren zu können
  • Implementierung von Energy-Harvesting- und Wake-Up-Funktionen zur Optimierung der Betriebsdauer und der Datenqualität
  • Reduzierung der Sensor- und Knotenkosten
  • Steigerung der Witterungsresistenz und Übertragungsreichweite der Systeme sowie weitere Miniaturisierung für eine bessere Netzwerkhandhabung


Derzeitige Neuentwicklung und Forschung beschäftigen sich mit:

  • Entwicklung von Datenfusionsalgorithmen zur Ableitung von Pflanzen- und anderen spezifischen Sekundärparametern
  • Implementierung von Streumodellen für das Scaling von Strahlungssensordaten
  • Einpflegen neuer Sensorik in der bestehenden Systeme: Minispectrometer, ph-Sensoren, Sensoren zu Detektion von Sauerstoff und gelöstem organischen Material (in Kooperation mit Talsperren Observatorium Rappbode )
  • Autarke Systeme für unzugängliche Gebiete (in Kooperation mit UFZ Eichen Forschungsgruppe )