Drahtloses Sensornetz überwacht Mikroklima im Wald

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.

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, Gruppenleiter am 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 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.

Eine besondere Herausforderung stellt 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.

Die neue Technologie ist in Göttingen im Rahmen des Verbundprojekts »Smart
Forest« bereits im Einsatz. Ziel des Projekts ist es, forstwirtschaftliche Prozesse mit Hilfe von mikroelektronischen Komponenten zu optimieren. Die IMS-Forscher stellen ihre Ergebnisse zu »Smart Forest« sowie weitere Entwicklungen zur industriellen Anwendung von drahtlosen Sensorennetzen auf der Messe Sensor + Test vom 7. bis 9. Juni in Nürnberg in Halle 12, Stand 12-228 vor.