Die HTWK Leipzig entwickelt ein drahtloses Sensornetzwerk, das Waldbrände möglichst früh erkennen und zuverlässig melden soll. Dafür kombinieren die Forschenden energieeffiziente Funktechnik mit intelligenter Sensorik.
Wenn ein Waldbrand entsteht, zählt jede Minute. Das Forschungsprojekt ZUBAT – „Zukunftsorientierte Wake-Up basierte opportunistische IoT Plattform zur Waldbrandfrüherkennung“ der HTWK Leipzig setzt deshalb auf ein dichtes Netz kleiner, drahtlos miteinander kommunizierender Sensoren. Sie sollen Veränderungen in der Waldumgebung kontinuierlich erfassen und im Brandfall möglichst schnell eine Warnung an die Feuerwehr senden.
Im Projekt arbeiten zwei Forschungsgruppen der HTWK Leipzig zusammen: die Professur Nachrichtentechnik von Prof. Dr.-Ing. Marco Krondorf sowie die Professur Smart Diagnostik und Online Monitoring von Prof. Dr.-Ing. Faouzi Derbel. Das Projekt läuft von Januar 2025 bis Dezember 2028 und wird vom Bundesforschungsministerium gefördert.
Sensoren werden nur aktiv, wenn es nötig ist
Eine besondere Herausforderung bei einem solchen Sensornetzwerk ist die Energieversorgung. Die Sensoren sollen möglichst langlebig sein und ein Batteriewechsel möglichst selten nötig sein. ZUBAT setzt deshalb auf sogenannte Wake-up-Receiver: Die am Baumstamm hängenden Sensoren können sich gegenseitig gezielt „wecken“, wenn neue Informationen benötigt werden. Dadurch müssen nicht ständig alle Sensoren aktiv sein.
Die Kommunikation soll bei hoher Zuverlässigkeit bis zu 500-mal energieeffizienter als etablierte Funktechnologien wie LoRa werden. Dafür entwickeln die Wissenschaftler eine neue, auf die Anforderungen der Waldbrandfrüherkennung zugeschnittene Übertragungstechnologie. Die Arbeiten knüpfen an jahrelange Forschung der HTWK Leipzig zu drahtlosen Sensornetzwerken der Arbeitsgruppe von Prof. Derbel an.
Mehrere Sensoren prüfen, ob es brennt
Auch bei der Sensorik setzt das Projekt auf ein abgestuftes Verfahren. Ein Sensor misst dauerhaft Partikel in der Umgebung. Überschreitet deren Konzentration einen bestimmten Wert, werden weitere Sensoren aktiviert. Diese prüfen beispielsweise, ob es sich tatsächlich um organische Partikel handelt. Anschließend können Sensoren zugeschaltet werden, die Kohlenmonoxid und Kohlendioxid messen.
Zusätzlich soll ein Mikrofon Umgebungsgeräusche erfassen. Werden menschliche Stimmen erkannt, können ebenfalls weitere Sensoren aktiviert werden. Hintergrund ist, dass mehr als 90 Prozent der Waldbrände durch Menschen verursacht werden. Die Kombination verschiedener Messgrößen soll dabei helfen, Fehlalarme zu vermeiden und verdächtige Veränderungen genauer einzuordnen.
Funktechnik muss auch im dichten Wald funktionieren
Damit die Messdaten aus dem Wald eine zentrale Basisstation erreichen, müssen die Sensoren zuverlässig miteinander kommunizieren. Hier liegt ein wesentlicher Schwerpunkt der Forschungsarbeit von Prof. Krondorfs Team: Die Forschenden untersuchen, wie stark Bäume und weitere Vegetation Funksignale abschwächen und wie sich trotzdem eine stabile Funkverbindung herstellen lässt.
Dafür wurden bereits Messungen an drei Standorten durchgeführt – in der Dübener Heide, im Leipziger Auwald und im Erzgebirge. Für die bisherigen Messungen stellte der Projektpartner Sachsenforst den Forschenden dankenswerterweise die Waldgebiete zur Verfügung. Aus den Messdaten erstellt das Team derzeit eine Statistik zur Wahrscheinlichkeit und Stärke der Signalabschwächung im sächsischen Wald. Parallel entwickeln die Nachrichtentechniker einen Modulator mit entsprechenden Algorithmen und bauen erste Prototypen der Waldbrandsender.
Vom Prototyp zum Praxistest im Wald
Nach den technischen Tests und der Prototypentwicklung soll im nächsten Jahr zunächst ein kontrolliertes Testfeuer auf dem Gelände der HTWK Leipzig stattfinden. Gegen Ende der Projektlaufzeit ist ein kontrollierter Testbrand in einem sächsischen Wald vorgesehen – gemeinsam mit Sachsenforst und der Feuerwehr.
Die Tests, Simulationen und Messungen sollen zeigen, unter welchen Bedingungen das System zuverlässig arbeitet. Langfristig sollen die Forschungsergebnisse Grundlage für technische Standards einer Waldbrandfrüherkennung schaffen.
