DE102007023334A1

DE102007023334A1 - Verfahren und Sensornetzwerk zur Bestimmung von Bodenparametern

Info

Publication number: DE102007023334A1
Application number: DE102007023334A
Authority: DE
Inventors: Heye Dr. Bogena; Ansgar Weuthen; Egon Zimmermann; Walter Glaas
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Sensornetzwerk zur Bestimmung von Bodenparametern. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie dem Sensornetzwerk ist es möglich, ein zeitlich und räumlich hochaufgelöstes Monitoring von Bodenparametern mit dem Ziel eines verbesserten Managements des Wasser- und Stoffhaushalts über einen längeren Zeitraum in quasi Echtzeit durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Sensornetzwerk zur Bestimmung von Bodenparametern.
Für die Untersuchung und Steuerung von Wasser- und Nährstoffströmen in Flussgebieten, Landschaften oder Verwaltungseinheiten sind Kenntnisse über das Zusammenspiel von Klima, Boden, Geologie und Landnutzung im Hinblick auf den Landschaftswasserhaushalt, die Gebietsentwässerung und den Transport von flächenhaft eingetragenen Schadstoffen (z. B. überschüssige Dünger aus der landwirtschaftlichen Bodennutzung) von großer Bedeutung. Auf dieser Basis können so beispielsweise regional angepasste Managementkonzepte entwickelt werden.
Die Bodenfeuchte spielt eine wesentliche Rolle bei der Aufteilung der Wasserflüsse und somit bei der Entstehung von Hochwässern. Eine frühe Erkennung von hohen Bodenfeuchtegehalten in hochwassersensiblen Räumen von Wassereinzugsgebieten ist eine wichtige Voraussetzung für ein vorausschauendes Hochwassermanagement. Hierbei ist es von entscheidender Bedeutung, dass die raumzeitliche Variabilität der Bodenfeuchte erfasst wird. Die großräumige Bodenfeuchteverteilung wird durch die raumzeitliche Variabilität des Niederschlags und der Globalstrahlung gesteuert. Des Weiteren wird die Boden feuchte durch kleinräumige Faktoren, z. B. Bodenbedeckung, Bodeneigenschaften, Geologie und Topologie bestimmt.
Trotz der hohen Bedeutung der Bodenfeuchte, z. B. für eine verbesserte Hochwasservorhersage, besteht momentan keine operationell einsetzbare Technologie, um ein zeitlich und räumlich hochaufgelöstes Monitoring der Bodenfeuchte für Wassereinzugsgebiete sowie ein Management des Stoffhaushalts von Böden durchzuführen. Bekannte funkbasierte Sensornetzwerke haben den Nachteil von geringen Datenübertragungsreichweiten sowie einen hohen Stromverbrauch, so dass ein häufiger Batteriewechsel der Sensormodule notwendig ist. Weiterhin nachteilig sind die hohen Gerätekosten durch die verwendeten Funkmodule.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges, wirtschaftliches und einfach zu handhabendes, adaptives, flächenverteiltes Verfahren zur Bestimmung unterschiedlicher Bodenparameter über einen langen Zeitraum zu schaffen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Sensornetzwerk bereit zu stellen, mit dem eine kostengünstige, wirtschaftliche und flächenverteilte, adaptive Bestimmung von unterschiedlichen Bodenparametern über einen langen Zeitraum erreicht werden kann.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Weiterhin wird die Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des An spruchs 7 erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 angegebenen Merkmalen.
Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Sensornetzwerk ein zeitlich und räumlich hochaufgelöstes Monitoring von Bodenparametern mit dem Ziel eines verbesserten Management des Wasser- und Stoffhaushalts über einen längeren Zeitraum in nahezu Echtzeit möglich wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Bodenparametern gemäß Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass externe Daten wie z. B. Niederschlag oder Daten eines Wetterdienstes an eine Empfangszentrale, die sich oberhalb des zu untersuchenden Bodens befindet, übermittelt werden. Basierend auf diesen externen Daten werden Sensorknoten gesteuert, die in den Boden unterirdisch eingebracht werden, wobei die Sensorknoten eine funkbasierte Steuerungs- und Kommunikationseinheit, mindestens einen Bodensensor, eine autarke Energieversorgung mit einem Stromsparenden Energiemanagement, sowie eine Datenverarbeitungseinheit umfassen. Die Informationen/Messdaten dieser Sensorknoten werden funkbasiert an die Empfangszentrale oberhalb des Bodens übermittelt. Die Gesamtheit der Informationen wird von der Empfangszentrale an eine zentrale Datenverarbeitung übermittelt und ausgewertet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine dynamische, adaptive Messerfassung möglich. Dies bedeutet, dass nicht kontinuierlich durch die Sensorknoten eine Messung der jeweils gewünschten Bodenparameter erfolgen muss, sondern über die Empfangszentrale eine Steuerung und Adaptierung der Mess- und Übertragungsfrequenz der Sensorknoten an beispielsweise Niederschlagsereignisse oder andere Klima- und Umweltfaktoren möglich ist. Wird beispielsweise an die Empfangszentrale extern die Information übermittelt, dass Niederschlag auf den Boden fällt oder fallen wird, so wird eine Datenverbindung zu den Sensorknoten aufgebaut und diese beginnen mit einer Messung. Die Messfrequenz (z. B. ein Meßwert/1 bis 24 Stunden) kann beliebig gewählt und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Erhält die Empfangszentrale extern die Information, dass beispielsweise kein Niederschlag fällt, werden die Sensorknoten wieder ausgeschaltet. Der Energieverbrauch der Sensorknoten wird durch dieses Energiemanagement so optimiert, dass eine Maximierung des Stand-By-Betriebs und eine Minimierung des Stromverbrauchs erreicht werden. Die Ausstattung der Sensorknoten mit einer autarken Energieversorgung und dem zuvor beschriebenen Stromsparenden Energiemanagement, ermöglicht eine wartungsfreie Nutzung des Verfahrens über einen längeren Zeitraum von beispielsweise mindestens 2 Jahren.
Mit der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Bodenparameter zeitlich und räumlich wie beispielsweise die Bodenfeuchte, die Leitfähigkeit, der pH-Wert, die Temperatur, die Saugspannung, die Salzkonzentration, die Gaskonzentration von z. B. O₂, CO₂, und der Grundwasserstand in nahezu Echtzeit ermittelt werden.
In vorteilhafter Weise werden die Sensorknoten unterirdisch in den Boden eingesetzt, so dass der Boden weiter ohne Beeinträchtigung genutzt werden kann. So kann bei spielsweise eine landwirtschaftliche Nutzung des Bodens ohne Beeinträchtigung durch die Sensorknoten erfolgen. Die vorteilhafte Einbringung von mehreren, z. B. 10 bis 50 Sensorknoten pro Hektar, bietet gegenüber einer Punktmessung den Vorteil, dass nun beispielsweise eine flächenverteilte Messung von Bodenparametern wie z. B. von Bodenfeuchtefeldern möglich wird.
Durch die funkbasierte, drahtlose Übermittlung der Informationen ist eine einfache Installation und Einbringung der Sensorknoten in den Boden möglich. Je nach Anforderung an das Verfahren können die Sensorknoten mit einem Feuchtesensor, einem pH-Sensor, einem Temperatursensor, einem Sensor für Saugspannung, Gas-Konzentration, Salzkonzentration, Grundwasserstand und/oder einem Leitfähigkeitssensor ausgestattet werden.
Die Informationen der einzelnen Sensorknoten werden funkbasiert an eine Empfangszentrale, die sich oberhalb des Bodens befindet übermittelt. Die Informationen können in den Sensorknoten auch zwischengespeichert werden. Die Empfangszentrale kann hierbei bis zu 4 km von den Sensorknoten entfernt sein. Von der Empfangszentrale können die Informationen dann beispielsweise wieder funkbasiert an eine zentrale Datenverarbeitung übermittelt und dort ausgewertet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in nahezu Echtzeit die gesamte Fläche des Bodens hinsichtlich der oben genannten Bodenparameter untersucht werden und gegebenenfalls beispielsweise eine Bewässerung veranlasst werden. Weiterhin können verbesserte Hochwasservorher sagen durch dieses zeitlich und räumlich hochaufgelöste Monitoring ermöglicht werden. Es ist weiterhin möglich Stoffeinträge, wie z. B. Nitrateinträge in Talsperren zu überwachen oder Düngemaßnahmen von Böden zu überwachen und zu optimieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die funkbasierte, drahtlose Übermittlung/Kommunikation der Daten mit Hilfe des ZigBee-Protokolls (http://de.wikipedia.org/wiki/ZigBee). Auf Grund der bei ZigBee genutzten 16 Bit-Adresse ergibt sich daraus eine maximal mögliche Anzahl an Zig-Bee-Knoten bzw. Sensorknoten von 65535 pro Sensornetzwerk. Durch die Besonderheiten der ZigBee-Technologie werden Daten mit einer sehr hohen (ca. 99,99%) Zuverlässigkeit übertragen. Mit Hilfe von ZigBee können diese Vorteile für drahtlose Netzwerke mit relativ geringem Datenratenbedarf einfach umgesetzt werden. Dabei haben ZigBee-Geräte eine sehr geringe Stromaufnahme. Ausgestattet mit beispielsweise einer Lithium Batterie erreicht ein Sensorknoten eine Lebensdauer von mehreren Jahren. Datenpakete überbrücken größere Entfernungen mit Hilfe mehrerer vermittelnder Netzwerkknoten, so genannten "Routern". Typische Reichweiten eines einzelnen ZigBee-Knoten bzw. Sensorknoten sind ca. 100 m aus dem Boden bis zum vermittelnden Netzwerkknoten. Die Pfade, auf denen die Daten weitervermittelt werden, legt das Netzwerk automatisch fest. Sollte ein Router ausfallen, führt das Netzwerk die Daten der verbleibenden Knoten auf neuen Pfaden zu ihrem Ziel. Auch so wird die Zuverlässigkeit der Übertragung erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Sensorknoten mit Koordinaten versehen, so dass z. B. bei einer Fehlermeldung sofort der defekte Sensorknoten geortet und ausgetauscht werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Sensornetzwerk, welches für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Bodenparametern geeignet ist. Das erfindungsgemäße Sensornetzwerk umfasst, eine oberirdische Empfangszentrale, unterirdische Sensorknoten, enthaltend eine funkbasierte Steuerungs- und Kommunikationseinheit, mindestens einen Bodensensor, eine autarke Energieversorgung mit einem Stromsparenden Energiemanagement sowie eine erste Datenverarbeitungseinheit, ein Kommunikationsprotokoll zur Datenübertragung, ein Steuerungsprotokoll zur dynamischen Messerfassung, sowie eine zentrale Datenverarbeitung.
Die Zeichnung zeigt beispielhaft, schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensornetzwerks mit Hilfe des ZigBee-Protokolls.
Es zeigt:
1: Anordnung des Sensornetzwerks mit Sensorknoten, Vermittelnden Netzwerkknoten, Empfangszentrale
1 zeigt schematisch die Anordnung des Sensornetzwerks.
Externe Daten wie z. B. Niederschlag oder auch Daten des Wetterdienstes werden von der Empfangszentrale erfasst (b = externe Daten → Empfangszentrale). Die Empfangszentrale kann aufgrund dieser externen Daten beispielsweise mittels eines Steuerungsprotokolls die Messfrequenz der Sensorknoten steuern. Die funkbasierte Kommunikation zwischen Empfangszentrale und Sensorknoten kann über vermittelnde Netzwerkknoten erfolgen. (c = Kommunikation Empfangszentrale ↔ vermittelnde Netzwerkknoten; d = Kommunikation vermittelnder Netzwerkknoten ↔ Sensorknoten). Die Sensorknoten messen mittels ihrer/ihres Bodensensors die jeweils zu untersuchenden Bodenparameter und leiten diese Daten funkbasiert dann beispielsweise wieder über die vermittelnden Netzwerkknoten an die Empfangszentrale. Von hier aus können die Daten beispielsweise über Modem an eine zentrale Datenverarbeitung weitergeleitet werden (a = Datenübertragung Empfangszentrale → zentrale Datenverarbeitung).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://de.wikipedia.org/wiki/ZigBee [0015]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Bodenparametern, dadurch gekennzeichnet, dass – Externe Daten an eine Empfangszentrale, die sich oberhalb des zu untersuchenden Bodens befindet, übermittelt werden, und – basierend auf diesen externen Daten Sensorknoten gesteuert werden, die in den Boden unterirdisch eingebracht werden, wobei die Sensorknoten eine funkbasierte Steuerungs- und Kommunikationseinheit, mindestens einen Bodensensor, eine autarke Energieversorgung mit einem stromsparenden Energiemanagement, sowie eine Datenverarbeitungseinheit umfassen, – die Informationen der Sensorknoten funkbasiert an die Empfangszentrale oberhalb des Bodens übermittelt werden, – die Informationen von der Empfangszentrale an eine zentrale Datenverarbeitung übermittelt und dort ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation zwischen Sensorknoten und Empfangszentrale mit Hilfe des ZigBee-Protokolls erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bodensensoren Bodenfeuchtesensoren, pH-Sensoren, Temperatursensoren, Sensoren für Saugspannung, Salzkonzentration, Grundwasserstand, Gas-Konzentration und/oder Leitfähigkeitssensoren eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Übertragungsfrequenz der Sensorknoten in Abhängigkeit der zu messenden Bodenparameter gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorknoten mit Koordinaten versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 10 bis 50 Sensorknoten pro Hektar unterirdisch in den Boden eingesetzt werden.
Sensornetzwerk für die Bestimmung von Bodenparametern, umfassend, – eine oberirdische Empfangszentrale, – unterirdische Sensorknoten, enthaltend eine funkbasierte Steuerungs- und Kommunikationseinheit, mindestens einen Bodensensor, eine autarke Energieversorgung mit einem stromsparenden Energiema nagement sowie eine erste Datenverarbeitungseinheit, – ein Kommunikationsprotokoll zur Datenübertragung, – ein Steuerungsprotokoll zur dynamischen Messerfassung, – sowie eine zentrale Datenverarbeitung.
Sensornetzwerk gemäß Anspruch 7, umfassend ein ZigBee-Protokoll als Kommunikationsprotokoll zur Datenübertragung.
Sensornetzwerk gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, umfassend Bodenfeuchtesensoren, pH-Sensoren, Temperatursensoren, Sensoren für Saugspannung, Salzkonzentration, Grundwasserstand, Gaskonzentration und/oder Leitfähigkeitssensoren.
Sensornetzwerk gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, umfassend Sensorknoten, die mit Koordinaten versehen sind.
Sensornetzwerk gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, umfassend 10 bis 50 Sensorknoten pro Hektar Boden.