Bei einem Waldmonitoring messen Forscher kontinuierlich verschiedene Umweltwerte. So erhalten sie Hinweise, wie sich die Wälder verändern und was man tun kann, um sie zu erhalten. Doch die Installation und Wartung der herkömmlichen verkabelten Messstationen ist aufwändig: Fraunhofer-Forscher haben deshalb jetzt eine drahtlose Alternative entwickelt.
Wie wirkt sich die Klimaveränderung auf unsere heimischen Wälder aus? Welche Baumarten sind zukünftig für welche Lagen geeignet? Und wie stark ist die Schadstoffbelastung vor Ort? Um solche Fragen zu beantworten, führen Forstwissenschaftler „Waldmonitorings“ durch: An fest installierten Messstationen zeichnen sie kontinuierlich Parameter wie beispielsweise die Bodenfeuchte oder Schadstoffeinträge auf. Die Erkenntnisse solcher Untersuchungen tragen dazu bei, die ökologische Stabilität der Wälder langfristig zu erhalten.
Das Problem: Die verkabelten Messgeräte sind nicht nur aufwändig zu installieren und zu warten, sondern stören auch bei forstlichen Arbeiten im Wald.
Drahtloses Sensornetzwerk entwickelt
Technologien aus dem Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS könnten zukünftig differenzierte Analysen ganz ohne lästige Kabel ermöglichen. Wissenschaftler aus dem Duisburger Institut haben auf dem Gelände der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt in Göttingen ein neuartiges System zur Mikroklimaüberwachung installiert. „Wir setzen ein drahtloses Sensornetzwerk ein, um relevante Parameter innerhalb eines Areals an vielen Positionen gleichzeitig messen zu können“, erklärt Hans-Christian Müller vom IMS. „Dadurch bekommen wir ohne großen Installationsaufwand ein sehr detailliertes Bild über die Umweltbedingungen vor Ort“.
Je nachdem, welche Werte sie messen sollen – etwa den Durchfeuchtungsgrad des Bodens, die Lufttemperatur oder die Blattfeuchte – werden die verschiedenen Sensorknoten im Waldboden oder an Zweigen angebracht. Bei Bedarf können die Messpositionen ohne großen Aufwand verändert werden. Die intelligenten Mini-Computer vernetzen sich nach Angaben der Forscher selbstständig und steuern den Transport von Messdaten innerhalb dieses Netzes. Per Mobilfunk werden die Ergebnisse an eine zentrale Baumbestands-Datenbank übertragen. Dazu ist ein Mobilfunkmodem direkt an das Sensornetz angeschlossen.
Energieversorgung als Herausforderung
Eine besondere Herausforderung stellt nach Angaben der Wissenschaftler die Energieversorgung der Sensorknoten dar. Solarzellen auf die Sensoren zu montieren – eine beliebte Lösung in anderen land- und forstwirtschaftlichen Anwendungen – kommt wegen der geringen Sonneneinstrahlung unter dem Laubdach der Bäume nicht in Frage. Bislang gibt es daher keine Alternative zu Batterien, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen.
Den Forschern ist es jedoch gelungen, deren Lebensdauer signifikant zu erhöhen und so den Wartungsaufwand in Grenzen zu halten: „Wir haben das Software-Design entsprechend angepasst und erreichen damit jetzt Betriebszeiten von zwölf Monaten“, sagt Müller. So sorgt eine in den Sensoren integrierte Software dafür, dass die Funkknoten sich die meiste Zeit in einem energiesparenden Schlafmodus befinden. Nur während des Messvorgangs und der Datenübertragung sind sie aktiv.
Die Messintervalle können dabei variabel eingestellt werden. Sich langsam verändernde Parameter wie die Bodenfeuchte müssen nicht so oft gemessen werden wie etwa die Lufttemperatur, die größeren Schwankungen unterliegt. Da die Datenübermittlung am meisten Energie kostet, werden die Messwerte außerdem bereits im Sensorknoten verrechnet. Dadurch reduziert sich die Datenmenge.
Projekt „Smart Forest“
Die neue Technologie ist in Göttingen im Rahmen von „Smart Forest“ bereits im Einsatz. Ziel dieses Projekts ist es, forstwirtschaftliche Prozesse mit Hilfe von mikroelektronischen Komponenten zu optimieren. Die IMS-Forscher stellen ihre drahtlosen Sensorennetze auf der Messe „Sensor + Test“ vom 7. bis 9. Juni in Nürnberg der Öffentlichkeit vor.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 05.05.2011 – DLO)
