DE102021129084A1 - Large-scale ecotoxicological early warning system with a freely movable bio-indicator and a compact electronic measuring and transmitting device - Google Patents

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DE102021129084A1 DE102021129084.8A DE102021129084A DE102021129084A1 DE 102021129084 A1 DE102021129084 A1 DE 102021129084A1 DE 102021129084 A DE102021129084 A DE 102021129084A DE 102021129084 A1 DE102021129084 A1 DE 102021129084A1
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Marco Rudolf Bobinger
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • H04W4/38Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information

Abstract

Diese Erfindung betrifft ein ökotoxikologisches Frühwarnsystem zur Beurteilung der Wasserqualität und schnellen Detektion von Schadstoffeintrag basierend auf einem drahtlosen oder drahtgebundenen kompakten Sensorsystem sowie einem Bioindikator. Der Bioindikator kann ohne Beschränkung als Muschel- oder Krabbenart sowie deren Kombination ausgeführt werden. Darüber hinaus betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur automatischen Klassifizierung des Verhaltens der Bioindikatoren basierend auf Ansätzen des maschinellen Lernens. Dieser Ansatz stellt einen technischen Fortschritt gegenüber bestehenden Systemen dar, welche aufgrund zu stark vereinfachter Entscheidungsmethoden zu viele Fehlalarme bei gleichzeitig schlechter Detektion von Schadstoffeintrag erzeugen. Durch diese Unsicherheit bestehender Systeme wird dem Endnutzer kein hoher Mehrwert geschaffen. Diese Erfindung soll hier Abhilfe schaffen und kann sowohl zur großflächigen wie auch kontinuierlichen Überwachung im Freien und in geschützten Bereichen verwendet werden.This invention relates to an ecotoxicological early warning system for assessing water quality and rapid detection of pollutant inputs based on a wireless or wired compact sensor system and a bioindicator. The bio-indicator can be designed as a mussel or shrimp species or a combination thereof without any restrictions. Furthermore, this invention relates to a method for automatically classifying the behavior of the bioindicators based on machine learning approaches. This approach represents a technical advance over existing systems, which generate too many false alarms with poor detection of pollutant inputs due to overly simplified decision-making methods. This insecurity of existing systems does not create high added value for the end user. This invention is intended to remedy this and can be used for both large-area and continuous surveillance outdoors and in protected areas.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Diese Erfindung betrifft ein ökotoxikologisches Frühwarnsystem zur Beurteilung der Wasserqualität und schnellen Detektion von Schadstoffeintrag basierend auf einem drahtlosen und kompakten Sensorsystem sowie einem Bioindikator. Darüber hinaus betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur automatischen Klassifizierung des Verhaltens der Bioindikatoren basierend auf Ansätzen des maschinellen Lernens. Diese Erfindung kann sowohl zur großflächigen wie auch kontinuierlichen Überwachung verwendet werden.This invention relates to an ecotoxicological early warning system for assessing water quality and rapid detection of pollutant inputs based on a wireless and compact sensor system and a bioindicator. Furthermore, this invention relates to a method for automatically classifying the behavior of the bioindicators based on machine learning approaches. This invention can be used for both wide area and continuous monitoring.

Stand der TechnikState of the art

Ein modernes biologisches Überwachungssystem muss kontinuierlich und in Echtzeit bzw. mit einer ausreichend geringen Latenz messen können. Darüber hinaus soll es automatisch betrieben werden können und vor allem auch automatisch verlässliche Alarmsignale über den Zustand der Wasserqualität senden können. Ein solches System birgt nicht nur einen enormen Nutzen für die städtischen Wasserversorgungssysteme, sondern auch für kommerzielle und industrielle Anlagen, welche einen großen Anteil an der Umweltverschmutzung tragen. Eine kontinuierliche Überwachung der Wasserqualität basiert auf der Verwendung von Bioindikatoren wie z.B. Muscheln, Krabben oder Fischen, welche schnell auf gefährliche bzw. signifikante Veränderungen der Umwelt reagieren. Auf dem Gebiet des Monitorings von Bioindikatoren zur Überwachung der Wasserqualität gibt es bereits akademische Vorarbeiten sowie Schutzrechtsanmeldungen, welche im Folgenden separat betrachtet werden.A modern biological monitoring system must be able to measure continuously and in real time or with a sufficiently low latency. In addition, it should be able to be operated automatically and, above all, to be able to automatically send reliable alarm signals about the status of the water quality. Such a system not only brings tremendous benefits to the city's water supply systems, but also to commercial and industrial facilities, which contribute a great deal to environmental pollution. Continuous monitoring of water quality is based on the use of bioindicators such as mussels, crabs or fish, which react quickly to dangerous or significant changes in the environment. In the field of monitoring bio-indicators for monitoring water quality, there is already academic preparatory work and property rights applications, which are considered separately below.

Stand der Technik bei den PatentenState of the art in patents

In RU2437093C1 wird ein Biomonitoring-System vorgestellt, das durch Hall-Effekt-Sensoren, Plethysmographen (Pulsmessgeräte), Dehnungsstreifen, optische Sensoren sowie stationäre Videokameras zur Überwachung aquatischer Organismen gekennzeichnet ist. Das Gebrauchsmuster RU101838U1 von den zum Teil gleichen Erfindern beschreibt ein sehr ähnliches Biomonitoring-System.RU2437093C1 presents a biomonitoring system characterized by Hall effect sensors, plethysmographs (heart rate monitors), stretch marks, optical sensors, as well as stationary video cameras for monitoring aquatic organisms. The utility model RU101838U1 by the partly same inventors describes a very similar biomonitoring system.

RU2452949C1 offenbart eine Abwandlung des in RU2437093C1 vorgestellten Biomonitoring-Systems mit dem Fokus auf das Messsystem. Das Messsystem besteht aus einem Tensoresistor, der auf einer horizontalen Platte befestigt ist, einem Analog-Digital-Wandler und Mikroprozessor zum Verarbeiten und Aufzeichnen des elektrischen Signals. Das Ende des Tensoresistors ist an der Muschel befestigt, wodurch sich die Bewegung der Muschel erfassen lässt. Laut Erfinder soll dieses System Vorteile gegenüber Systemen mit einem Hall-Effekt-Sensor besitzen, weil die Kombination aus Hall-Effekt-Sensor und gegenüberliegenden Magneten den Bioindikator, was üblicherweise eine Muschel ist, stärker behindern soll. Diese Hypothese wurde allerdings nicht belegt. RU2452949C1 discloses a modification of the RU2437093C1 presented biomonitoring system with a focus on the measuring system. The measurement system consists of a tensoresistor mounted on a horizontal plate, an analog-to-digital converter and a microprocessor to process and record the electrical signal. The end of the tensoresistor is attached to the conch, allowing the movement of the conch to be sensed. According to the inventor, this system is said to have advantages over systems with a Hall effect sensor because the combination of Hall effect sensor and opposing magnets is said to impede the bioindicator, which is usually a clam, more. However, this hypothesis was not proven.

RU2595867C2 offenbart ein Verfahren zur Identifizierung und Auswahl von Biosensor-Organismen, welche für eine schnelle Bioindikation und das Biomonitoring von Meeres- und Süßwasser, einschließlich Trink- und Abwasser verwendet werden können. RU2595867C2 discloses a method for identifying and selecting biosensing organisms that can be used for rapid bioindication and biomonitoring of marine and fresh water, including drinking and wastewater.

Stand der Technik in der WissenschaftState of the art in science

Ein System zur Überwachung von Herzkontraktionen wurde von Depledge MH (Depledge MH, Andersen VV A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates .-- Biochem PhysioL, Vol.96 A, 1990, No. 4, pp473-477) zum Biomonitoring von aquatischen Umgebungen vorgestellt. Dieses System enthält einen Herzschlagsensor bestehend im Wesentlichen aus einer LED, einem Fotowiderstand sowie einer Vorrichtung zur Verstärkung und Verarbeitung eines elektrischen Signals. Der Herzschlagsensor wurde an einem Krabbenpanzer befestigt.A system for monitoring heart contractions was developed by Depledge MH (Depledge MH, Andersen VV A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates .-- Biochem PhysioL, Vol.96 A, 1990, No 4, pp473-477) on biomonitoring of aquatic environments. This system contains a heartbeat sensor consisting essentially of an LED, a photoresistor and a device for amplifying and processing an electrical signal. The heartbeat sensor was attached to a crab shell.

Ein ähnliches biologisches Warnsystem mit einigen Schwachstellen, die noch näher beschrieben werden, wurde in den Niederlanden unter dem Markennamen Mosselmonitor entwickelt und produziert (De Zwart, D., KJM Kramer & HA Jenner (1995), Practical experiences with the early warning system ‚Mosselmonitor‘, Environ Toxicol, Water Qual. 10: 237-247). Dieses System wurde im akademischen Feld bereits gelegentlich eingesetzt sowie darüber hinaus von einigen Ländern zur Kontrolle von Süß- oder küstennahem Meerwasser. In Budapest, Ungarn, wurde das Mosselmonitor-System zur Überwachung der Qualität von gechlortem Trinkwasser eingesetzt. Der Mosselmonitor ist im Wesentlichen ein Behälter, der mehrere Muscheln (üblicherweise bis zu 8 Muscheln) enthält. Die Muscheln sind ortsfest installiert und an jeder Muschel befindet sich ein Hall-Effekt-Sensor sowie ein Magnet an der gegenüberliegenden Seite zur Messung des Öffnungsgrades der Muschel. Bei Überschreitung eines bestimmten Schwellenwertes wird ein Alarmsignal an den Betreiber bzw. Nutzer des Warnsystems geleitet, sodass dieser ggf. weitere Schritte zur Kontrolle und Verbesserung der Wasserqualität einleiten kann. Dieser Grenzwert bzw. diese Erkennungsschwelle wird von einem erfahrenen Mitarbeiter festgestellt. Dabei spielen vor allem Parameter wie der Öffnungsgrad der Muschel sowie die Dauer der Schließ- und Öffnungszeiten eine wichtige Rolle. Ein erheblicher Nachteil dieses Systems besteht darin, dass die Bewertung des Schwellenwerts von einer Person mit erheblichen Kenntnissen im Bereich der aquatischen Biologie und mit dem Warnsystem vorgenommen werden muss. Darüber hinaus können die Schwellenwerte je nach Einsatzort und Jahreszeit stark variieren. Siehe auch folgende relevante akademische Veröffentlichungen zum Mosselmonitor-System:

  • Kramer, Kees JM, and Edwin M. Foekema. „The „Musseimonitor®“ as biological early warning system." Biomonitors and Biomarkers as Indicators of Environmental Change 2. Springer, Boston, MA, 2001. 59-87.
  • Sluyts, Hilde, et al. „A dynamic new alarm system for use in biological early warning systems.“ Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal 15.8 (1996): 1317-1323.
  • Polman, Harry JG, and H. A. Jenner. „Pulse-Chlorination®, the best available technique in macrofouling mitigation using chlorine.“ PowerPlant Chemistry 4 (2002): 93-100.
A similar biological warning system was developed and produced in the Netherlands under the brand name Mosselmonitor, with some weaknesses that will be described in more detail below (De Zwart, D., KJM Kramer & HA Jenner (1995), Practical experiences with the early warning system 'Mosselmonitor ', Environ Toxicol, Water Qual. 10:237-247). This system has been used occasionally in academia, and also by some countries to control freshwater or near-shore seawater. In Budapest, Hungary, the Mosselmonitor system was used to monitor the quality of chlorinated drinking water. The Mossel Monitor is essentially a container that holds several shells (usually up to 8 shells). The shells are fixed in place and each shell has a Hall effect sensor on it and a magnet on the opposite side to measure the shell's degree of openness. If a certain threshold value is exceeded, an alarm signal is sent to the operator or user of the warning system, so that they can take further steps to control and improve the water quality if necessary. This limit value or this detection threshold is determined by an experienced employee. Parameters such as the degree of opening of the mussel and the duration of the closing and opening times play an important role here. There is a significant disadvantage of this system that the assessment of the threshold must be performed by a person with significant knowledge of aquatic biology and with the alert system. In addition, the threshold values can vary greatly depending on the location and time of year. See also the following relevant academic publications on the Mosselmonitor system:
  • Kramer, Kees JM, and Edwin M. Foekema. "The "Musseimonitor ® " as biological early warning system." Biomonitors and Biomarkers as Indicators of Environmental Change 2. Springer, Boston, MA, 2001. 59-87.
  • Sluyts, Hilde, et al. "A dynamic new alarm system for use in biological early warning systems." Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal 15.8 (1996): 1317-1323.
  • Polman, Harry JG, and HA Jenner. "Pulse- Chlorination® , the best available technique in macrofouling mitigation using chlorine." PowerPlant Chemistry 4 (2002): 93-100.

Eine Forschergruppe in lowa, USA, hat einen Muschelrucksack entwickelt, der Verhaltensmuster von Frischwassermuscheln aufzeichnen und drahtlos übertragen konnte. Der Fokus dieser Arbeiten lag allerdings hauptsächlich auf der elektrotechnischen Seite und weniger auf der biologischen Interpretation der Verhaltensmuster. Die elektrotechnischen Aspekte umfassten die Entwicklung und Fertigung einer energiesparenden Mess- und Sendevorrichtung, welche über ein Batterie bestromt wurde und direkt am Bioindikator befestigt wurde. Darüber hinaus untersuchte die genannte Gruppe unterschiedliche Antennendesigns sowie die Dämpfung der elektromagnetischen Funkwellen im Wasser im niedrigen Ultrahochfrequenzbereich Einige relevante Veröffentlichungen der genannten Gruppe sind im Folgenden angeführt. In diesen wurden sowohl verschiedene Antennen zur Unterwasserübertragung getestet wie auch die Reichweite des eigens hergestellten Muschel PCBs (Printed Circuit Board):

  • - Llamas, R. A., James J. Niemeier, and Anton Kruger. „Curved spiral antennas for freshwater applications.“ 2015 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS). IEEE, 2015.
  • - Llamas, Ruben A., et al. „Underwater Deployment and Performance of Curved Spiral Antennas in Mussel Backpacks.“ 2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting. IEEE, 2019.
  • - Taylor, H. D., Anton Kruger, and J. J. Niemeier. „Embedded electronics for a mussel-based biological sensor.“ 2013 IEEE Sensors Applications Symposium Proceedings. IEEE, 2013.
  • - Hodson, Hal. „Mussels with sensor backpacks taste the Mississippi for science.“ (2013): 21.
A research group in Lowa, USA, has developed a mussel backpack that can record the behavioral patterns of freshwater mussels and transmit them wirelessly. However, the focus of this work was mainly on the electrotechnical side and less on the biological interpretation of the behavioral pattern. The electrotechnical aspects included the development and manufacture of an energy-saving measuring and transmission device, which was powered by a battery and attached directly to the bioindicator. In addition, the mentioned group investigated different antenna designs as well as the attenuation of the electromagnetic radio waves in the water in the low ultra-high frequency range. Some relevant publications of the mentioned group are listed below. In these, various antennas for underwater transmission were tested as well as the range of the specially manufactured shell PCBs (Printed Circuit Board):
  • - Llamas, RA, James J. Niemeier, and Anton Kruger. "Curved spiral antennas for freshwater applications." 2015 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS). IEEE, 2015.
  • - Llamas, Ruben A., et al. "Underwater Deployment and Performance of Curved Spiral Antennas in Mussel Backpacks." 2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting. IEEE, 2019.
  • - Taylor, HD, Anton Kruger, and JJ Niemeier. "Embedded electronics for a mussel-based biological sensor." 2013 IEEE Sensors Applications Symposium Proceedings. IEEE, 2013.
  • - Hodson, Hal. "Mussels with sensor backpacks taste the Mississippi for science." (2013): 21.

Wie im Stand der Technik ausgeführt bestehen ökotoxikologische Frühwarnsysteme bisher aus ortsfest installierten Biosensoren, bei denen überwiegend Muscheln zur Verwendung kommen. Die Bioindikatoren werden dabei meist im Labor einseitig mit einer Halterung verklebt und verkabelt. Aufgrund der sensiblen Elektronik wird diese Konfiguration witterungsbedingt überwiegend im Innenbereich eingesetzt. Darüber hinaus wird durch das Verkleben der Bioindikatoren mit ortsfesten Halterungen deren Bewegungsfreiheit erheblich reduziert. Im Falle von Muscheln können diese lediglich noch filtrieren, sich allerdings mit ihren Muschelfüßen nicht mehr frei bewegen und sich in einem optimalen Filtrierwinkel positionieren bzw. bei einer angestiegenen Schadstoffbelastung keine Schutzhaltung einnehmen. Die Erfassung der Bewegung der Bioindikatoren ist für eine Bewertung ihrer Gesundheit sowie der Wasserqualität ein relevanter Parameter und sollte in modernen ökotoxikologischen Frühwarnsystemen Verwendung finden. Das bisher relevanteste kommerzielle Frühwarnsystem basierend auf Frischwassermuscheln als Bioindikatoren wurde Ende der 90er in den Niederlanden unter dem Markennamen Mosselmonitor entwickelt. Bei diesem System musste noch ein Mensch die Entscheidung treffen, wann ein Verdachtsfall für ein alarmierendes Verhalten der Muscheln respektive eine erhöhte Schadstoffbelastung bei einer Testflüssigkeit vorlag. Ein solcher Ansatz war damals zeitgemäß und praktisch, birgte allerdings auch eine enorme Fehlerquelle, hohe Personalkosten sowie erhebliche Unterschiede von Anwender zu Anwender in der Bewertung der Daten. Seit der Einführung dieses Geräts hat die Rechenleistung von Hardwarekomponenten sowie das theoretische und praktische Wissen rundum Machine Learning enorm zugenommen. Neben dieser Entwicklung wurden auch Sensoren wie Akzelerometer, Hall-Effekt-Sensoren, elektrische Sensoren und Kameras stetig leistungsfähiger, kleiner, günstiger und stromsparender. Der Bedarf an einem zuverlässigen, schnellen und ggf. flächendeckendem ökotoxikologischen Frühwarnsystems ist hoch und wird im Folgenden anhand einiger Beispiele skizziert. Ein solches System kann als Frühwarnsystem für Trinkwasseranlagen verwendet werden, welche neben bekannten Umweltschadstoffbelastungen auch Ziele von Terrorangriffen werden können. Neben der Trinkwasserüberwachung ist auch eine flächendeckende Kontrolle der Seen- und Flussqualität indiziert. Beispielsweise wird als Altlasten der Bergwerke im Ruhrgebiet schadstoffbelastetes Wasser aus Stollen, Schächten und Gruben chemisch gereinigt und in den Rhein geleitet. Bisherige Systeme können die Belastung nur punktuell messen, während eine kontinuierliche flächendeckende Messung belastbare Werte liefern würde.As explained in the state of the art, ecotoxicological early warning systems have so far consisted of permanently installed biosensors, in which predominantly mussels are used. The bioindicators are mostly glued to one side with a holder and wired in the laboratory. Due to the sensitive electronics, this configuration is mainly used indoors due to the weather. In addition, by gluing the bio-indicators to fixed brackets, their freedom of movement is significantly reduced. In the case of mussels, they can only filter, but they can no longer move freely with their mussel feet and position themselves in an optimal filtering angle or, if there is an increase in pollution, they cannot take a protective stance. Recording the movement of bioindicators is a relevant parameter for assessing their health and water quality and should be used in modern ecotoxicological early warning systems. The most relevant commercial early warning system to date based on freshwater mussels as bioindicators was developed in the Netherlands in the late 1990s under the brand name Mosselmonitor. With this system, a person still had to make the decision as to when there was a suspected case of alarming behavior by the mussels or an increased level of pollutants in a test liquid. Such an approach was contemporary and practical at the time, but it also contained an enormous source of error, high personnel costs and considerable differences from user to user in the evaluation of the data. Since the introduction of this device, the computing power of hardware components and the theoretical and practical knowledge of machine learning have increased enormously. In addition to this development, sensors such as accelerometers, Hall effect sensors, electrical sensors and cameras have also become more powerful, smaller, cheaper and more energy-efficient. The need for a reliable, fast and, if necessary, comprehensive ecotoxicological early warning system is high and is outlined below using a few examples. Such a system can be used as an early warning system for drinking water systems, which, in addition to known environmental pollution, can also be targets of terrorist attacks. In addition to drinking water monitoring, comprehensive monitoring of the lake and river quality is also indicated. For example, contaminated water from tunnels, shafts and pits from mines in the Ruhr area is chemically cleaned and fed into the Rhine. Previous systems can only measure the load selectively, while a continuous area-wide measurement would provide reliable values.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Lösung des Problemsthe solution of the problem

Durch den im vorherigen Abschnitt beschriebenen Fortschritt ist es möglich, Bioindikatoren mit überaus kompakten Sensoren und einem im Folgenden als Muschelrucksack bezeichneten kompakten Elektronik auszustatten. Diese Sensorik stört die Muschel kaum in ihrer Bewegungsfreiheit und kann monatelang ohne Batterieladung betrieben werden.Thanks to the progress described in the previous section, it is possible to equip bioindicators with extremely compact sensors and compact electronics, hereinafter referred to as mussel backpacks. This sensor technology hardly disturbs the freedom of movement of the mussel and can be operated for months without battery charging.

Zur Abhilfe bzw. zur Lösung der genannten Probleme wird im Folgenden die Erfindung eines großflächigen ökotoxikologischen Frühwarnsystems mit einem frei beweglichen Bioindikator und einer kompakten elektronischen Mess- und Sendevorrichtung offenbart. Das System verfügt über folgende Merkmale:

  • - Einem Bioindikator wie beispielsweise einer Muschel oder einer Krabbe.
  • - Einem Muschelrucksack mit Recheneinheit, Batterie und Empfänger- und Sendeeinheit sowie Kommunikationsschnittstellen oder Analog-Digital-Wandler zum Auslesen von
  • - Sensoren wie beispielsweise Akzelerometer Hall-Effekt-Sensoren, Dehnungssensoren, welche an der Muschel befestigt sind.
  • - Einem Gateway zum drahtlosen Empfang der vom Muschelrucksack gesendeten Daten.
  • - Ein Multiparametersonde zur Messung zusätzlicher relevanter Umgebungsparameter.
  • - Ein Behältnis mit der Testsubstanz.
  • - Ein Backend zur Datenspeicherung- und Abfrage.
  • - Ein Machine Learning - Software zur Klassifizierung der Gesundheit der Bioindikatoren bzw. der Schadstoffbelastung der Testsubstanz.
  • - Ein Frontend und eine Displayeinheit bzw. ein portables Gerät zur Visualisierung des Systemzustands und zur Befehlseingabe.
  • - Ein automatische Alarmfunktion basierend auf einer Machine Learning gestützten Klassifikation zur Bewertung der Wasserqualität.
To remedy or to solve the problems mentioned, the invention of a large-scale ecotoxicological early warning system with a freely movable bioindicator and a compact electronic measuring and transmitting device is disclosed below. The system has the following features:
  • - A biological indicator such as a clam or crab.
  • - A shell backpack with a computing unit, battery and receiver and transmitter unit as well as communication interfaces or analog-to-digital converters for reading out
  • - Sensors such as accelerometers, Hall effect sensors, strain sensors attached to the shell.
  • - A gateway for wireless reception of the data sent by the shell backpack.
  • - A multi-parameter probe for measuring additional relevant environmental parameters.
  • - A container with the test substance.
  • - A backend for data storage and query.
  • - A machine learning software for classifying the health of the bioindicators or the pollutant load of the test substance.
  • - A front end and a display unit or a portable device for visualizing the system status and for entering commands.
  • - An automatic alarm function based on a machine learning-based classification for evaluating the water quality.

Die Ökotoxikologie oder auch Umwelttoxikologie ist eine fächerübergreifende Wissenschaft und ein Teilgebiet der Biologie, Toxikologie, Umweltchemie und Ökologie. Die Ökotoxikologie befasst sich mit den Auswirkungen von Stoffen bzw. Schadstoffen auf die belebte Umwelt. In dieser Erfindung wird ein ökotoxikologisches Frühwarnsystem offenbart. Dieses Warnsystem sendet einen Alarm sobald die Messwerte anzeigen, dass eine Schadstoffbelastung der Testsubstanz vorliegen könnte. Durch ein kontinuierliches Monitoring, was durch eine niedrige Latenz im Sekunden- bzw. im Minutenbereich beinahe in Echtzeit abläuft, kann von einem Frühwarnsystem gesprochen werden. In weiteren Methoden zur Untersuchung der Schadstoffbelastung, werden Proben in zeitlich sehr langen Intervallen von einigen Tagen bis Monate entnommen und untersucht. Diese erhebliche Latenz kann für Lebewesen jeder Art gesundheitliche Schäden zur Folge haben. Möglich ist auch, dass eine erhöhte Schadstoffbelastung nur während der zu langen Beprobungsintervalle vorlag und somit noch nicht mal die Ursache für Folgeschäden geklärt werden kann. Das entwickelte Frühwarnsystem schafft hier Abhilfe. Für die Entscheidungshilfe wird ein Machine Learning Modell entwickelt, welches die Zustände der Bioindikatoren und respektive die Schadstoffbelastung der Testsubstanz zuverlässige klassifizieren kann.Ecotoxicology or environmental toxicology is an interdisciplinary science and a subfield of biology, toxicology, environmental chemistry and ecology. Ecotoxicology deals with the effects of substances or pollutants on the living environment. In this invention, an ecotoxicological early warning system is disclosed. This warning system sends an alarm as soon as the readings indicate that the test substance may be contaminated. Due to continuous monitoring, which takes place almost in real time due to low latency in the seconds or minute range, one can speak of an early warning system. In other methods for examining the pollution, samples are taken and examined at very long intervals of a few days to months. This significant latency can be detrimental to the health of living beings of all kinds. It is also possible that an increased pollution load was only present during the too long sampling intervals and therefore the cause of the consequential damage cannot even be clarified. The developed early warning system provides a remedy here. A machine learning model, which can reliably classify the states of the bioindicators and the pollutant load of the test substance, is being developed to aid in the decision-making process.

Die Bewertung des Verhaltens der Bioindikatoren soll in dieser Erfindung nicht von Personen übernommen werden, sondern durch ein maschinelles Klassifizierungsverfahren. Das Anlernen des Klassifizierungsalgorithmus' findet überwacht statt (vergleiche auch Supervised Learning), d.h. die verschiedenen Klassen, welche den Verhaltensmustern der Bioindikatoren entsprechen, sind bekannt. Durch große verwertbare Datenmengen, eine geschickte Parameterwahl sowie ein sophistiziertes Labelling der Datenmengen kann die Genauigkeit der Klassifizierung erhöht werden. Eine detaillierte Beschreibung der verwendeten Machine Learning Verfahren findet sich weiter unten.In this invention, the assessment of the behavior of the bioindicators is not to be undertaken by people, but by a machine classification method. The learning of the classification algorithm takes place in a supervised manner (also compare supervised learning), i.e. the various classes that correspond to the behavioral patterns of the bioindicators are known. The accuracy of the classification can be increased through large amounts of usable data, a clever choice of parameters and sophisticated labeling of the data volumes. A detailed description of the machine learning methods used can be found below.

Das hier vorgestellte Gerät wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

  • 1: Schematische Darstellung des ökotoxikologischen Frühwarnsystems mit Frischwassermuscheln als Bioindikatoren, welche sich durch den kompakten und drahtlosen Sensorrucksack frei bewegen können.
  • 2: Schematische Darstellung eines Bioindikators mit drahtlosem Sensorrucksack und Sensoren zur Messung des Verhaltens.
  • 3: Schematische Darstellung der Platine inkl. Batterie im Sensorrucksack.
  • 4: Detailliertere schematische Darstellung der Komponenten des Gateways (gestrichelte Linien) und seiner Interaktion mit den umliegenden Komponenten.
  • 5: Schematische Darstellung der Verwendung der drahtlosen Muschelsensorik im Außenbereich zum Monitoring der Schadstoffbelastung des Wassers.
  • 6: Schematische Darstellung einer weiteren Ausführung des Systems durch an der Wasseroberfläche schwimmende Sendeeinheiten.
  • 7 Schematische Darstellung einer kabelgebundenen Ausführung des Frühwarnsystems
  • 8 Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des Muschelrucksacks mit zeitlicher Abfolge der einzelnen Aktionen.
  • 9 Schematische Darstellung der bildbasierten Erkennung und Nachverfolgung der Bioindikatoren.
  • 10 Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des verwendeten Ansatzes zum Maschinellen Lernen.
  • 11 Messergebnisse zur drahtlosen Übertragung des Muschelrucksacks unter Wasser in einem See.
The device presented here is explained in more detail below by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 : Schematic representation of the ecotoxicological early warning system with freshwater mussels as bioindicators, which can move freely through the compact and wireless sensor backpack.
  • 2 : Schematic representation of a bioindicator with wireless sensor backpack and sensors to measure behavior.
  • 3 : Schematic representation of the circuit board including the battery in the sensor backpack.
  • 4 : More detailed schematic representation of the components of the gateway (dashed lines) and its interaction with the surrounding components.
  • 5 : Schematic representation of the use of the wireless shell sensor technology outdoors to monitor the pollution of the water.
  • 6 : Schematic representation of another version of the system using transmitter units floating on the water surface.
  • 7 Schematic representation of a wired version of the early warning system
  • 8th Schematic representation of the functional principle of the shell backpack with the chronological sequence of the individual actions.
  • 9 Schematic representation of the image-based detection and tracking of the bioindicators.
  • 10 Schematic representation of the functional principle of the machine learning approach used.
  • 11 Measurement results for the wireless transmission of the mussel backpack under water in a lake.

Eine günstige Ausführung dieser Erfindung ist in 1 dargestellt und durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

  • - Einer Muschelsensorik (101), welche u.a. aus einem Mikroprozessor, Batterie, Sensoren, Analog-Digital-Wandlern, drahtgebundener und/oder drahtloser Ladeschaltung, einer Sende-Empfänger-Einheit, auch Transceiver genannt, sowie einer Antenne bestellt.
  • - Einem Bioindikator (102) wie einer in der Skizze dargestellten Muschel, Krabben, Fischen oder Fischeiern.
  • - Sensoren (103), welche nicht direkt im Muschelrucksack (101) untergebracht sind, sondern an einer geeigneteren Position zur Messung des Öffnungsgrads- bzw. Winkels der Muschelschalen oder der Bewegung. Besonders relevant sind Hall-Effekt-Sensoren in Kombination mit Magneten bzw. Sensoren zur Messung des elektrischen Feldes, um den Öffnungswinkel der Muschel zu ermitteln. Darüber hinaus kann ein Akzelerometer verwendet werden, um die Bewegung und Neigungswinkel des Bioindikators zu ermitteln. Es empfiehlt sich, nur jeweils einen Typ der genannten Sensoren zu verwenden, um den Bioindikator durch zusätzliche Gewichte und volumetrische Hindernisse nicht unnötig einzuschränken. Bei größeren Bioindikatoren können auch zusätzliche Sensoren vom gleichen Typ verwendet werden, um einem technischen Ausfall vorzubeugen bzw. statistisch belastbare Daten zu erhalten.
  • - Einem Behältnis (114) für die Testsubstanz, sowie eine Ein- (115) und Ausleitung (116) und einem Boden aus Sand (104). Der Behälter kann im Wesentlichen als Aquarium bzw. Ausleitbecken ausgeführt werden, in einer weiteren günstigen Ausführung wird das System in Seen oder Flüssen verwendet. Für den Boden empfiehlt es sich, feinkörnigen Sand zu verwenden, sodass die Muscheln in der Lage sind, sich problemlos einzugraben, um eine ideale Filtrierposition einzunehmen. Im Schnitt ist die Verwendung von Sand mit einer durchschnittlichen Korngröße von bis zu wenigen mm zu empfehlen.
  • - Gateway (107), welches bidirektional und drahtlos (106) mit dem Muschelrucksack kommunizieren kann. Das Gateway ist nicht beschränkt auf die Verwendung eines bestimmten Funkstandards. Mögliche Funktechnologien sind LoRaWAN, Sigfox, NB-loT, 2G, 3G, LTE/4G, 5G, Bluetooth, WiFi und andere. Bei der Wahl des Funkstandards gilt es zu beachten eine Technologie zu wählen, welche wenig Leistung verbraucht, jedoch über weite Strecken übertragen kann. LoRa stellt zum Zeitpunkt der Offenlegung dieser Beschreibung ein Vorreitertechnologie mit den genannten Eigenschaften dar und wird daher bevorzugt in dieser Erfindung verwendet. Das Gateway besteht aus einer Recheneinheit, einem Sendeempfänger zur bidirektionalen Kommunikation mit der Muschelsensorik sowie über einen Displayausgang zur Visualisierung des Systemstatus. Das Gateway wird in einem folgenden Abschnitt noch detaillierter beschrieben.
  • - Machine Learning Software (109) als computergestützte Entscheidungshilfe, welche, ein Klassifizierungsverfahren zur Verhaltenserkennung der Muscheln durchführt. Bei dem hier vorgestellten maschinellem Lernansatz wird nur ein überwachtes Lernen bzw. supervised Learning durchgeführt. Die Klassen, welche jeweils verschiedenen Verhaltensmuster der Bioindikatoren entsprechen, z.B. offen, geschlossen, öffnet gerade, schließt gerade, verschließt sich stark wie etwa bei einer Muschel, sind bereits am Anfang bekannt. Bei den Algorithmen können verschiedene Ansätze verwendet werden wie „Convolutional Neural Network“, „Decision Tree“, „Segmentation“ etc.
  • - Im Backend (108) werden die vom Gateway erhaltenen Messdaten gespeichert, ggf. prozessiert und als Schnittstelle auch API genannt dem Machine Learning Algorithmus bzw. dem Frontend zur Verfügung gestellt. Als Datenbanksysteme kommen sowohl SQL wie NoSQL (Not only SQL)-Systeme in Frage. Im Frontend (110) werden dem Endnutzer die Daten letztlich präsentiert. Dort kann auch programmiert werden, in welcher Form der automatische Alarm (112) erfolgt wie beispielsweise über SMS, Telefon, WhatsApp oder Email sowie aus deren Kombinationen. Mit einem portablen Gerät (111) wie z.B. einem Smartphone, Smartwatch, Tablet oder auch einem Desktop-PC wir das Frontend dem Endnutzer dargestellt. Über das portable Gerät ist auch eine Befehlseingabe möglich, z.B. das Konfigurieren der Alarmfunktionen.
  • - Ein automatisches zuverlässiges und frühzeitiges Warnsignal (112) stellt einen enormen Mehrwert dieses Systems dar. Die Zuverlässigkeit leitet sich durch die Verwendung eines sophistizierten maschinellen Klassifizierungsverfahrens ab, dessen Genauigkeit über die Zeit durch Sammeln immer weiterer Daten noch erhöht werden kann.
A favorable embodiment of this invention is in 1 shown and characterized by the following features:
  • - A shell sensor system (101), which includes a microprocessor, battery, sensors, analog-to-digital converters, wired and/or wireless charging circuit, a transceiver unit, also known as a transceiver, and an antenna.
  • - A bio-indicator (102) such as a mussel, crab, fish or fish eggs shown in the sketch.
  • - Sensors (103), which are not located directly in the mussel backpack (101), but in a more suitable position for measuring the degree of opening or angle of the mussel shells or the movement. Hall effect sensors in combination with magnets or sensors for measuring the electric field are particularly relevant in order to determine the opening angle of the mussel. In addition, an accelerometer can be used to determine the movement and tilt angles of the bioindicator. It is recommended to use only one type of each of the mentioned sensors in order not to unnecessarily restrict the bio-indicator with additional weights and volumetric obstacles. With larger biological indicators, additional sensors of the same type can also be used to prevent a technical failure or to obtain statistically reliable data.
  • - A container (114) for the test substance, as well as an inlet (115) and outlet (116) and a floor made of sand (104). The container can essentially be designed as an aquarium or drainage basin. In another favorable design, the system is used in lakes or rivers. For the bottom, it is advisable to use fine-grained sand, so that the mussels will be able to burrow without any problems, in order to have an ideal filtration position. On average, the use of sand with an average grain size of up to a few mm is recommended.
  • - Gateway (107), which can communicate bidirectionally and wirelessly (106) with the shell backpack. The gateway is not limited to the use of a specific radio standard. Possible radio technologies are LoRaWAN, Sigfox, NB-loT, 2G, 3G, LTE/4G, 5G, Bluetooth, WiFi and others. When choosing the radio standard, it is important to choose a technology that consumes little power but can transmit over long distances. At the time this description was published, LoRa represents a pioneering technology with the properties mentioned and is therefore preferably used in this invention. The gateway consists of a computing unit, a transceiver for bidirectional communication with the mussel sensors and a display output for visualizing the system status. The gateway is described in more detail in a following section.
  • - Machine Learning Software (109) as a computer-aided decision-making tool, which carries out a classification procedure to recognize the behavior of the mussels. In the machine learning approach presented here, only supervised learning is carried out. The classes, which each correspond to different behavior patterns of the bioindicators, eg open, closed, just opening, closing just, closing strongly like a mussel, are already known at the beginning. Various approaches can be used for the algorithms, such as "Convolutional Neural Network", "Decision Tree", "Segmentation" etc.
  • - In the backend (108), the measurement data received from the gateway are stored, processed if necessary and made available to the machine learning algorithm or the frontend as an interface, also known as API. Both SQL and NoSQL (Not only SQL) systems can be used as database systems. The data is ultimately presented to the end user in the front end (110). There you can also program the form in which the automatic alarm (112) takes place, for example via SMS, telephone, WhatsApp or email and combinations of these. We do this with a portable device (111) such as a smartphone, smartwatch, tablet or even a desktop PC Front end presented to the end user. Commands can also be entered via the portable device, eg configuring the alarm functions.
  • - An automatic reliable and early warning signal (112) is an enormous added value of this system. The reliability derives from the use of a sophisticated machine classification method, the accuracy of which can be increased over time by collecting more and more data.

2 skizziert eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung mit einer Frischwassermuschel (201) als Bioindikator. Anstelle der Frischwassermuschel können auch andere Muschel- oder Krabbensorten sowie Fische treten. Die Muschel gräbt sich über ihre Muschelfüße (202) und Muschelfäden (203) in den sandigen Untergrund (211) ein, um eine ideale Filtrierposition einzunehmen. Die Abmessungen des kompakten Muschelrucksacks (207) betragen ca. 30 mm (Länge) x 30 mm (Breite) x 15 mm (Höhe). Aus dem Muschelrucksack führen jeweils ein negatives (209) und ein positives (210) Ladekabel heraus, mit denen die Batterie bei Bedarf wieder aufgeladen werden kann. Der Muschelrucksack kann mit verschiedenen Sensoren zur Messung der Umgebungsparameter ausgeführt werden zur Messung von elektrischer Leitfähigkeit, pH-Wert, gelösten Sauerstoffanteil, Trübung oder Bewegung. Neben den Sensoren, die direkt im Muschelrucksack verbaut werden können, sind vor allem Sensoren, die ausdrücklich zur Messung des Muschelverhaltens verwendet werden, entscheidend. Zu diesen Sensoren zählen u.a. ein Hall-Effekt Sensor (205), der mittels eines Magneten dazu verwendet wird, den Öffnungsgrad der Muschel zu ermitteln. Hall-Sensor und Magnet werden jeweils auf den gegenüberliegenden Muschelhälften angebracht. Eine Veränderung des Öffnungsgrades führt zu einer Veränderung der magnetischen Feldstärke, welche wiederum ein Spannungssignal im Hall-Sensor induziert, das von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) gemessen werden kann. Der ADC befindet sich im Muschelrucksack. Der Hall-Sensor wird üblicherweise als analoger Sensor ausgeführt, welcher über zwei Kabel bestromt werden muss und als Messwert ein Analogsignal (206), welches mit dem Öffnungsgrad der Muschel korreliert, zurückgibt. Neben dem Hall-Sensor kann auch ein Akzelerometer verwendet werden, welches in bis zu 3 Achsen (x, y und z) messen kann. Mit einem Akzelerometer lassen sich je nach Typ nicht nur Änderungen in der Bewegung ermitteln, sondern auch eine Orientierung, die statisch ist wie z.B. der Neigung des Bioindikators im Gravitationsfeld. Diese Akzelerometer verwenden oberflächenbehandeltes Polysilizium, das wiederum an Polysiliziumfedern aufgehängt wird. Die Auslenkung der Struktur im Gravitationsfeld wird mit Hilfe von Differentialkondensatoren gemessen. Die Messwerte werden üblicherweise in den Einheiten der Beschleunigung, also m/s^2 für alle drei Richtungen im Raum angegeben und an den Muschelrucksack übermittelt. Diese Übertragung findet über gängige Kommunikationsstandards statt, z.B. analog oder über I2C, SPI, UART, RS232, RS485 bzw. andere serielle Kommunikationsstandards. Am häufigsten wird derzeit das einfache und verbreitete I2C-Protokoll verwendet, gefolgt von SPI. Neben den Sensoren soll die Muschel auch über eine Markierung (214) verfügen, welche zur Detektion der Muschel mittels Bilderfassung verwendet werden kann. Die Markierung kann entweder einfarbig, mehrfarbig, mit einem bestimmten Muster oder als Form ausgeführt werden. Dieser Ansatz bietet neben den Akzelerometerdaten einen zusätzlichen Parameter zur Messung der Bewegung und respektive des Muschelverhaltens. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass eine Detektion der Muscheln über Bilderkennung nur praktikabel ist, sofern der Trübungsgrad der Testsubstanz entsprechend niedrig ist. Ein entsprechender Trübungsgrad kann in der Regel nur in Innenbereichen gewährleistet werden. Darüber hinaus ist eine Objekterkennung und Objektverfolgung in Echtzeit verhältnismäßig rechenintensiv und erfordert den Einsatz von Computern mit einer minimalen Rechenleistung vergleichbar mit den Einplatinencomputern wie dem RaspberryPi3 & 4 bzw. dem NVIDIA Jetson Nano. Die Markierung und Bilderkennung bieten sich daher eher für eine Verwendung des Systems in Innenräumen und nicht etwa bei Seen oder Flüssen an. Als Hall-Effekt-Sensor kann beispielsweise der lineare Sensor SS39ET von Honeywell (Charlotte, North Carolina, USA) mit einer typischen Ausgangsspannung von 1.4mV/G verwendet werden. Als Akzelerometer bietet sich das ADXL345 von AnalogDevices (Norwood, Massachusetts, USA) an. 2 outlines an advantageous embodiment of the invention with a freshwater mussel (201) as a bioindicator. Instead of the freshwater mussel, other types of mussels or crabs as well as fish can also be used. The mussel digs into the sandy subsoil (211) via its mussel feet (202) and mussel threads (203) in order to assume an ideal filtering position. The dimensions of the compact shell backpack (207) are approx. 30 mm (length) x 30 mm (width) x 15 mm (height). A negative (209) and a positive (210) charging cable lead out of the shell backpack, with which the battery can be recharged if necessary. The mussel backpack can be designed with various sensors to measure the environmental parameters for measuring electrical conductivity, pH value, dissolved oxygen content, turbidity or movement. In addition to the sensors that can be installed directly in the mussel backpack, sensors that are used expressly to measure mussel behavior are particularly important. These sensors include a Hall effect sensor (205), which is used by means of a magnet to determine the degree of opening of the mussel. Hall sensor and magnet are each attached to the opposite halves of the shell. A change in the degree of opening leads to a change in the magnetic field strength, which in turn induces a voltage signal in the Hall sensor that can be measured by an analog-to-digital converter (ADC). The ADC is located in the shell backpack. The Hall sensor is usually designed as an analogue sensor, which has to be supplied with current via two cables and returns an analogue signal (206) as a measured value, which correlates with the degree of opening of the mussel. In addition to the Hall sensor, an accelerometer can also be used, which can measure in up to 3 axes (x, y and z). Depending on the type, an accelerometer can not only determine changes in movement, but also an orientation that is static, such as the inclination of the bioindicator in the gravitational field. These accelerometers use surface-treated polysilicon, which in turn is suspended on polysilicon springs. The displacement of the structure in the gravitational field is measured using differential capacitors. The measured values are usually given in the units of acceleration, i.e. m/s^2 for all three directions in space and transmitted to the shell backpack. This transmission takes place via common communication standards, eg analogue or via I2C, SPI, UART, RS232, RS485 or other serial communication standards. The simple and widespread I2C protocol is currently used most frequently, followed by SPI. In addition to the sensors, the mussel should also have a marking (214) which can be used to detect the mussel by means of image acquisition. The marking can be made either in one color, multicolor, with a specific pattern or in the form of a shape. In addition to the accelerometer data, this approach offers an additional parameter for measuring the movement and the mussel behavior. At this point it should be pointed out that detecting the mussels via image recognition is only practicable if the degree of turbidity of the test substance is correspondingly low. A corresponding degree of turbidity can usually only be guaranteed indoors. In addition, real-time object detection and object tracking is relatively computationally intensive and requires the use of computers with minimal computing power comparable to single-board computers such as the RaspberryPi3 & 4 or the NVIDIA Jetson Nano. The marking and image recognition are therefore more suitable for using the system indoors and not for lakes or rivers. For example, the linear sensor SS39ET from Honeywell (Charlotte, North Carolina, USA) with a typical output voltage of 1.4mV/G can be used as a Hall effect sensor. The ADXL345 from AnalogDevices (Norwood, Massachusetts, USA) is a good accelerometer.

Eine vorteilhafte Ausführung der Leiterplatine für die Muschelsensorik ist in 3 skizziert. Die Leiterplatine auch PCB (=Printed Circuit Board) genannt verfügt über eine zentrale Recheneinheit, den Mikroprozessor (302). Dieser Prozessor verfügt in dieser Ausführung auch über eine integrierte Transceiver-Einheit zum drahtlosen Senden und Empfangen von Daten sowie über mehrere Analog-Digital-Wandler, mit denen u.a. der Ladestand der Batterie (304) oder analoge Signale (310 & 313) der externen Sensoren erfasst werden können. Die externen Sensoren können über Pins (308 & 309) bestromt werden. Die Pins können entweder direkt mit der Versorgungsleitung (Vdd bzw. Vcc bezeichnet) verbunden werden oder mit digitalen Ausgängen des Mikroprozessors. Letztere Ausführung hätte den Vorteil, dass die Stromversorgung zu den externen Sensoren im Standby-Modus komplett ausgeschaltet werden kann. Dadurch ist ein besonders energiesparender Betrieb möglich. Auf der Leiterplatine können Sensoren zur Messung von Umweltparametern eingesetzt werden wie beispielsweise ein Temperatursensor (305) oder ein Akzelerometer (311). Die Leiterplatine kann darüber hinaus auch noch mit weiteren Sensoren ausgestattet werden wie einem Sensor zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, des pH-Werts, dem Anteil an gelösten Sauerstoff oder der Trübung sowie Kombinationen aus den genannten Messgrößen. Die Leiterplatine verfügt über ein Terminal (303) zur Installation des Betriebssystems sowie zur Programmierung des Mikroprozessors. Bevorzugt wird hier UART als Kommunikationsstandard verwendet. Der Mikroprozessor mit integriertem Transceiver ist elektrisch mit einer Antenne (312) verbunden, um die Reichweite des elektromagnetischen Signals zu verstärken. Zu den möglichen drahtlosen Übertragungsstandards zählen ohne Beschränkung Narrowband Internet of Things (NB-loT), LoRaWAN, Sigfox, Dash7 oder Bluetooth low energy (BLE). Es können auch weitere Funkstandards genutzt werden, einschließlich Global System for Mobile Communication (GSM), Long Term Evolution (LTE), WiFi und weitere. Besonders vorteilhaft ist allerdings die Verwendung der modernen Niedrigenergiestandards wie NB-loT oder LoRaWAN, welche für loT-Anwendungen mit großer Reichweite, Batteriebetrieb und kleinen Datenmengen konzipiert wurden. Die Antenne kann beispielsweise als PCB-Antenne, als SMT-Antenne (Surface-Mount) oder als externe Antenne ausgeführt werden. Die Wahl einer PCB-Antenne ist nicht vorteilhaft, da die eh schon sehr begrenzte Oberfläche der Leiterplatine für Leiterbahnen und integrierte Schaltungen verwendet wird. Am effizientesten ist der Einsatz einer sogenannten „quarter-wavelength-Antenne“, bei der lediglich ein Stück Draht, bevorzugt mit einer PVC-Isolierung, mit einer Länge von genau ein Viertel der Wellenlänge der emittierten elektromagnetischen Strahlung. Bei einer besonders gängigen Frequenz von 868MHz entspräche diese Antennenlänge ca. 8.6cm. In Wasser reduziert sich die elektromagnetische Wellenlänge in Abhängigkeit und somit die Antennenlänge in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit erheblich, was im Design berücksichtigt werden muss (s. VK5BR, Lloyd Butler. „Underwater radio communication.“ Originally published in Amateur Radio (1987).An advantageous design of the printed circuit board for the mussel sensors is in 3 sketched. The printed circuit board, also called PCB (=Printed Circuit Board), has a central processing unit, the microprocessor (302). In this version, this processor also has an integrated transceiver unit for wireless transmission and reception of data, as well as several analog-to-digital converters, with which, among other things, the charge status of the battery (304) or analog signals (310 & 313) from the external sensors can be detected. The external sensors can be powered via pins (308 & 309). The pins can either be connected directly to the supply line (designated Vdd or Vcc) or to digital outputs of the microprocessor. The latter version would have the advantage that the power supply to the external sensors can be switched off completely in standby mode. This enables particularly energy-saving operation. Sensors for measuring environmental parameters can be used on the printed circuit board such as a temperature sensor (305) or an accelerometer (311). The printed circuit board can also be equipped with other sensors, such as a sensor for measuring electrical conductivity, pH value, the proportion of dissolved oxygen or turbidity, as well as combinations of the measurement variables mentioned. The printed circuit board has a terminal (303) for installing the operating system and for programming the microprocessor. UART is preferably used as the communication standard here. The microprocessor with integrated transceiver is electrically connected to an antenna (312) to increase the range of the electromagnetic signal. Possible wireless transmission standards include, without limitation, Narrowband Internet of Things (NB-loT), LoRaWAN, Sigfox, Dash7 or Bluetooth low energy (BLE). Other radio standards can also be used, including Global System for Mobile Communication (GSM), Long Term Evolution (LTE), WiFi and others. However, the use of modern low-energy standards such as NB-loT or LoRaWAN, which were designed for loT applications with a long range, battery operation and small amounts of data, is particularly advantageous. The antenna can be implemented as a PCB antenna, as an SMT antenna (surface mount) or as an external antenna. Choosing a PCB antenna is not advantageous as the already very limited surface area of the printed circuit board is used for traces and integrated circuits. The most efficient way is to use a so-called "quarter-wavelength antenna", which is just a piece of wire, preferably with PVC insulation, with a length of exactly a quarter of the wavelength of the emitted electromagnetic radiation. With a particularly common frequency of 868MHz, this antenna length would correspond to approx. 8.6cm. In water, the electromagnetic wavelength is reduced as a function of electrical conductivity, and thus the antenna length as a function of electrical conductivity, which must be taken into account in the design (see VK5BR, Lloyd Butler. "Underwater radio communication." Originally published in Amateur Radio (1987).

Eine detailliertere Ausgestaltung des Gateways ist in 4 dargestellt. Das Gateway wird mit einem Einplatinen-Computer (401) ausgeführt, der über genügend Rechenleistung verfügt, um eine Objekterkennung und Objektverfolgung in Echtzeit mit Kameradaten durchzuführen. Die Kameras können entweder außerhalb (412) oder innerhalb (413) des Behälters (408) ausgeführt werden. Das Gateway ist darüber hinaus mit einer Transceiver-Einheit (402) zur bidirektionalen Kommunikation mit der Muschelsensorik ausgestattet. Die elektromagnetischen Signale werden über Antennen empfangen bzw. gesendet. Diese Antennen können entweder im Medium Luft (407) oder im Wasser (409) platziert werden. Die Absorption elektromagnetischer Wellen im Wasser ist enorm, sodass sich die Reichweite der Muschelsensorik und respektive die Bewegungsfreiheit der Muschel enorm durch eine geschickte Platzierung der Antennen erweitern lassen. Die Verwendung einer zusätzlichen Transceiver-Einheit ist nur dann nötig, falls der Einplatinen-Computer nicht bereits über die verwendeten Drahtloskommunikationsstandards verfügt. Derzeit beschränken sich diese Standards meistens noch auf WiFi und Bluetooth, überwiegend im Bereich von 2.4 bzw. 5GHz mit hohen Bandbreiten. Sowohl hohe Bandbreiten wie auch hohe Frequenzen reduzieren die ohnehin schon im Verhältnis zu Luft geringe Reichweite der elektromagnetischen Signale in Wasser zusätzlich. In einer vorteilhaften Ausführung dieser Erfindung wird daher LoRa als Funktechnologie verwendet (siehe auch die Patentschriften US9525454B2 , EP3065302B1 und US9794095B2 zu dieser Technologie). Das Gateway kann entweder über eine fest installierte Stromversorgung wie etwa das 230V-Netz versorgt werden oder auch unabhängig vom Stromnetz. Bei der unabhängigen Bestromung kann beispielsweise eine 12V-Batterie wie sie bei Autos oder kleineren Solaranlagen üblich ist verwendet werden. Zum energieautarken Betrieb kann das Gateway zusätzlich mit einem Solarpanel ausgestattet werden. Das Solarpanel muss entsprechend der durchschnittlichen Leistungsaufnahme des Gateways und der durchschnittlichen Sonneneinstrahlung am Installationsort unter Berücksichtigung einer deutlich reduzierten Sonneneinstrahlung im Winter ausgelegt werden. Zusätzlich sollte mit einem Sicherheitsfaktor von 2 gerechnet werden, um die Stromversorgung kontinuierlich aufrecht zu erhalten. Tests haben ergeben, dass 100W-Solarpanels für gängige Gateways ausreichend sind, die Verwendung von 250W-Panels ist allerdings sicherer. Bei dieser Abschätzung ist die Verwendung von Kameras noch nicht inkludiert. Dem Endnutzer bzw. Systembetreiber wird der Zustand des Systems über eine Displayeinheit (411) mitgeteilt, welche als Smartphone, Tablet oder Display oder Kombinationen daraus ausgeführt sein kann. Das Gateway muss über eine Internetkonnektivität (404) verfügen, welche über Mobilfunk, eine lokale Ethernet Buchse (403) mit Internetanschluss oder Satelliteninternet gewährleistet werden kann. Weitere drahtlose Funkstandards des Einplatinen-Computers (410) sollen dem Anwender ermöglichen, dass dieser beispielsweise per App auf das System zugreifen kann. Über eine Internetverbindung ist das Gateway in der Lage, mit einem Backend (409) zu kommunizieren. Auf dem Backend werden Daten gespeichert und Schnittstellen zur Weiterverarbeitung durch das Frontend oder dem Machine Learning Algorithmus bereitgestellt. Konkret lassen sich für den Einplatinen-Computer u.a. ein Raspberry Pi 1, 2, 3 oder 4 sowie voraussichtlich alle Nachfolger sowie der NVIDIA Jetson Nano oder PCs mit vergleichbarer Leistung verwenden. Für den RaspberryPi gibt es bereits zahlreiche LoRa-Gateways, welche über eine hervorragende Reichweite verfügen. Dazu zählen der PG1301 LoRaWAN Concentrator von Dragino oder der RAK7243 von Rakwireless.A more detailed design of the gateway is in 4 shown. The gateway runs on a single board computer (401) that has sufficient processing power to perform real-time object detection and tracking using camera data. The cameras can be implemented either outside (412) or inside (413) of the container (408). The gateway is also equipped with a transceiver unit (402) for bidirectional communication with the shell sensor system. The electromagnetic signals are received or sent via antennas. These antennas can be placed either in the medium of air (407) or in water (409). The absorption of electromagnetic waves in the water is enormous, so that the range of the mussel sensors and the freedom of movement of the mussel can be extended enormously by skillfully placing the antennas. The use of an additional transceiver unit is only necessary if the single-board computer does not already have the wireless communication standards used. Currently, these standards are mostly limited to WiFi and Bluetooth, mostly in the 2.4 or 5 GHz range with high bandwidths. Both high bandwidths and high frequencies further reduce the already short range of electromagnetic signals in water compared to air. In an advantageous embodiment of this invention, LoRa is therefore used as the radio technology (see also the patent specifications US9525454B2 , EP3065302B1 and US9794095B2 about this technology). The gateway can either be supplied via a permanently installed power supply such as the 230V mains or independently of the mains. In the case of independent power supply, a 12V battery such as that used in cars or small solar systems can be used, for example. For energy self-sufficient operation, the gateway can also be equipped with a solar panel. The solar panel must be designed according to the average power consumption of the gateway and the average solar radiation at the installation site, taking into account a significantly reduced solar radiation in winter. In addition, a safety factor of 2 should be taken into account in order to continuously maintain the power supply. Tests have shown that 100W solar panels are sufficient for common gateways, but using 250W panels is safer. This estimate does not include the use of cameras. The end user or system operator is informed of the status of the system via a display unit (411), which can be designed as a smartphone, tablet or display or combinations thereof. The gateway must have Internet connectivity (404), which can be guaranteed via cellular, a local Ethernet socket (403) with an Internet connection or satellite Internet. Other wireless radio standards of the single-board computer (410) should enable the user to access the system via an app, for example. The gateway is able to communicate with a backend (409) via an internet connection. Data is stored on the backend and interfaces are provided for further processing by the frontend or the machine learning algorithm. Specifically, a Raspberry Pi 1, 2, 3 or 4 and probably all successors as well as the NVIDIA Jetson Nano or PCs with comparable power can be used for the single-board computer use. There are already numerous LoRa gateways for the RaspberryPi, which have an excellent range. These include the PG1301 LoRaWAN Concentrator from Dragino or the RAK7243 from Rakwireless.

In einer weiteren günstigen Ausführung dieser Erfindung in 5 skizziert werden die Muschelsensoren und respektive Muscheln (501) flächendeckend entlang eines Flusses (507) eingesetzt. Die Messdaten der Muschelrucksäcke können wie bereits skizziert über Gateways mit oder ohne energieautarke Versorgung empfangen werden. An Orten mit ausreichend guter Mobilfunkausleuchtung kann man auf die Gatewas verzichten und entsprechende Funkmodule in der Muschelsensorik verbauen. Vorteilhaft ist hier die Verwendung von NB-loT (Narrowband-loT) Modulen mit geringer Bandbreite und hoher Reichweite sowie guter Gebäudedurchdringung. Bisherige Lösungen haben den empfindlichen Nachteil, dass diese kein flächendeckende Messung gestatten, sondern meistens nur ortsfest auf einem sehr kleinen Bereich. In der hier vorgeschlagenen Konfiguration kann allerdings beispielsweise ein Fluss, der sich über hunderte km erstreckt oder ein See mit mehreren tausend Quadratkilometer Fläche besendert und kontrolliert werden. Eine Konkrete Ausgestaltung dieses Systems sei anhand der Installation mehrerer Muschelsensoren im Fluss Rhein in Deutschland skizziert. Kläranlagen (502) sowie Bergwerke (505) leiten hier ihr Abwasser ein. Im Klärwerk können bestimmte Stoffe wie Medikamente (Antibabypille, Blutfettsenker, Schmerzmittel oder Antibiotika) aber auch Putzmittel, Wandfarben sowie Schadstoffe an Gegenständen wie Kleidung oder Pfannen nur schwer abgebaut werden. Eine kontinuierliche Überwachung durch das Klärwerk ist daher angezeigt. Zusätzlich empfiehlt es sich allerdings auch, das Klärwerk extern zu überwachen, um das Risiko einer zu hohen Schadstoffbelastung weiter zu reduzieren. Bergwerkbetreiber wie die RAG GmbH in Nordrheinwestfalen sind dazu verpflichtet sich um die durch den Steinkohleabbau entstandene Altlasten zu kümmern. Den höchsten Anteil an den Kosten macht das Grubenwasser aus, das sich als Regenwasser in Stollen, Gruben und Schächten sammelt. Das Grubenwasser darf nicht so weit ansteigen, dass es sich mit dem Grundwasser vermischt und dieses verunreinigt und unbrauchbar macht. Daher muss das Grubenwasser regelmäßig abgepumpt werden und die Schadstoffe gereinigt werden, was üblicherweise in einem chemischen Prozess unter Verwendung von Wasserstoffperoxid stattfindet. Sowohl eine zu hohe wie eine zu niedrige Dosierung des Klärmittels verursacht allerdings schadstoffbelastetes Wasser. Wie im Fall der Kläranlage ist hier eine zusätzliche Überwachung der Industrie zur Gewährleistung einer hohen Wasserqualität sinnvoll. Zusätzliche Schadstoffquellen können auch durch Niederschlag (503) oder Personen (504) entstehen.In a further advantageous embodiment of this invention in 5 outlined, the shell sensors and shells (501) are used area-wide along a river (507). As already outlined, the measurement data from the mussel backpacks can be received via gateways with or without an energy self-sufficient supply. In places with sufficiently good mobile phone coverage, you can do without the gateways and install the appropriate radio modules in the shell sensors. The advantage here is the use of NB-loT (Narrowband-loT) modules with low bandwidth and high range as well as good building penetration. Previous solutions have the sensitive disadvantage that they do not allow area-wide measurement, but usually only in a very small area. In the configuration proposed here, however, a river that stretches over hundreds of kilometers or a lake with an area of several thousand square kilometers can be tagged and controlled. A concrete design of this system is outlined using the installation of several mussel sensors in the river Rhine in Germany. Sewage treatment plants (502) and mines (505) discharge their waste water here. Certain substances such as medicines (birth control pills, blood fat reducers, painkillers or antibiotics) but also cleaning agents, wall paints and pollutants on objects such as clothing or pans can only be broken down with difficulty in the sewage treatment plant. Continuous monitoring by the sewage treatment plant is therefore indicated. In addition, however, it is also advisable to monitor the sewage treatment plant externally in order to further reduce the risk of excessive pollution. Mine operators such as RAG GmbH in North Rhine-Westphalia are obliged to take care of the contaminated sites caused by hard coal mining. Mine water, which collects as rainwater in tunnels, pits and shafts, makes up the largest proportion of the costs. The mine water must not rise so high that it mixes with the groundwater and pollutes it and makes it unusable. Therefore, the mine water has to be pumped out regularly and the pollutants cleaned, which usually takes place in a chemical process using hydrogen peroxide. However, both too high and too low a dosage of the clarifying agent causes polluted water. As in the case of the sewage treatment plant, additional monitoring by the industry to ensure high water quality makes sense here. Additional sources of pollution can also arise from precipitation (503) or people (504).

In einer weiteren günstigen Ausführung, welche in 6 schematisch dargestellt ist, befindet sich die Sendeeinheit (603) an der Wasseroberfläche. In dieser Konfiguration wird die Strecke im Wasser, also zwischen Muschel und Wasseroberfläche, überbrückt. Dadurch lässt sich die Reichweite von wenigen Metern im Wasser auf einige Kilometer in Luft (ohne Hindernisse wie Vegetation oder Gebäude) erhöhen. Die Sendeeinheit ist im Wesentlichen von ihrer Funktion und Komponenten vergleichbar mit der Muschelsensorik ausgeführt. Die Sendeeinheit enthält ein Transceiver-Modul (610) zur bidirektionalen Kommunikation mit einem Gateway (605), einen Mikroprozessor (609) zur Datenverarbeitung und einen Akku (611) zur Bestromung. Die Sendeeinheit kann die gesammelten Messdaten auch direkt über Mobilfunk (607) oder Satelliteninternet (606) weiterleiten. Am energiesparsamsten wäre die Verwendung eines LoRa-Gateways, dicht gefolgt von NB-loT im Mobilfunknetz. Die Verwendung von Satelliteninternet ist für diese Anwendung verhältnismäßig energieintensiv. Der Muschelrucksack kann im Vergleich zu 2 nochmal deutlich kompakter ausgeführt werden, dadurch dass an dieser Stelle keine Batterie oder Mikroprozessor mehr verwendet wird. Am Bioindikator, die in dieser Ausführung eine Muschel ist, befinden sich nur noch die Komponenten, die dort auch zwingend angebracht werden müssen. Dazu zählen beispielsweise ein Herzratensensor, ein Hall-Sensor oder ein Akzelerometer sowie Kombinationen daraus. Über ein Strom- und Datenkabel (608) werden die Sensoren an der Muschel bestromt und die Messdaten ausgelesen.In another favorable version, which in 6 is shown schematically, the transmitter unit (603) is on the water surface. In this configuration, the distance in the water, i.e. between the shell and the water surface, is bridged. This increases the range from a few meters in water to a few kilometers in the air (without obstacles such as vegetation or buildings). In terms of its function and components, the transmission unit is essentially designed to be comparable to the mussel sensor system. The transmission unit contains a transceiver module (610) for bidirectional communication with a gateway (605), a microprocessor (609) for data processing and a battery (611) for power supply. The transmitter unit can also forward the collected measurement data directly via mobile radio (607) or satellite internet (606). The most energy efficient would be to use a LoRa gateway, closely followed by NB-loT in the cellular network. Using satellite internet is relatively power intensive for this application. The shell backpack can compared to 2 can be made significantly more compact because no battery or microprocessor is used at this point. On the bio-indicator, which is a shell in this version, there are only the components that absolutely have to be attached there. These include, for example, a heart rate sensor, a Hall sensor or an accelerometer and combinations thereof. The sensors on the mussel are supplied with current via a power and data cable (608) and the measurement data are read out.

7 ist eine schematische Darstellung einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung. Bisher fand die Kommunikation des Muschelrucksacks (703) drahtlos statt. In dieser Konfiguration werden allerdings Kabel verwendet. Die Verwendung von Kabeln (704) birgt einen erheblichen Nachteil dadurch bedingt, dass sich die Muscheln (702) im Behälter (701) nicht mehr so frei wie in der drahtlosen Konfiguration bewegen können. Durch die Verwendung von dünnen hochflexiblen Kabeln kann dieser Nachteil aufgehoben werden. Neben der reduzierten Beweglichkeit der Muscheln bietet dieses System auch einige Vorteile. Die Abtastrate kann erheblich gesteigert bis runter auf wenige Sekunden. Die Messwerte können auch in höherer Genauigkeit gespeichert werden. Bei der Verwendung von LoRaWAN muss der Payload (=gesendete Datenmenge) stets so schlank wie möglich gehalten werden. Je größer der Payload, desto länger dauert eine Übertragung. Bekannte Netzwerkserver wie TheThingsNetwork schreiben eine maximale Sendezeit von ca. 30s pro Tag vor. Wird die Datenmenge also erheblich reduziert, kann man täglich deutlich häufiger senden. Darüber hinaus fällt auch die Verwendung von Batterien bzw. Akkus weg. Die Muschelsensorik kann direkt über das Gateway (704) bestromt werden. Dieses Gewicht behindert die Bioindikatoren dann nicht mehr in deren Beweglichkeit. Auch Codeupdates lassen sich über ein solches System schneller aufspielen, da die Mikroprozessoren nicht mehr einzeln programmiert werden müssen, sondern nur noch das Gateway. Das Gateway kann so ausgeführt werden, dass man darauf per Remote Control Software wie Teamviewer zugreifen kann. Insgesamt lassen sich durch so eine Konfiguration also die Entwicklungszyklen erheblich reduzieren und das System lässt sich auch einfacher warten. Als Kabel eignen sich hervorragend Telefonkabel, vieradrige Flachbandkabel, welche oft mit RJ11 Stecker/Buchsen auch 6p4c- Stecker/Buchsen verbunden werden. Vier Adern sind auch genau die Anzahl, welche benötigt werden, zwei zur Datenübertragung und zwei zur Bestromung. 7 Fig. 12 is a schematic representation of a further advantageous embodiment of the invention. Until now, the shell backpack (703) communicated wirelessly. However, cables are used in this configuration. The use of cables (704) has a significant disadvantage in that the shells (702) cannot move as freely in the container (701) as in the wireless configuration. This disadvantage can be eliminated by using thin, highly flexible cables. In addition to the reduced mobility of the shells, this system also offers some advantages. The sampling rate can be significantly increased down to a few seconds. The measured values can also be stored with higher accuracy. When using LoRaWAN, the payload (= transmitted data volume) must always be kept as lean as possible. The larger the payload, the longer a transmission takes. Well-known network servers such as TheThingsNetwork prescribe a maximum transmission time of approx. 30s per day. So if the amount of data is significantly reduced, are sent much more frequently every day. In addition, the use of batteries or rechargeable batteries is also eliminated. The shell sensors can be powered directly via the gateway (704). This weight then no longer hinders the mobility of the bioindicators. Code updates can also be loaded more quickly using such a system, since the microprocessors no longer have to be programmed individually, only the gateway. The gateway can be designed to be accessed via remote control software such as Teamviewer. Overall, such a configuration can significantly reduce development cycles and the system is also easier to maintain. Telephone cables and four-wire ribbon cables, which are often connected to RJ11 plugs/sockets and 6p4c plugs/sockets, are excellently suited as cables. Four cores are also exactly the number that are required, two for data transmission and two for power supply.

Das Funktionsdiagramm der drahtlosen Muschelrucksäcke ist in 8 skizziert. Zu Beginn werden die Messwerte der Sensoren erfasst (801). Zu den Messwerten (802) zählen u.a. die Hall-Spannung, Beschleunigung, Herzrate, Temperatur, aber darüber hinaus können auch noch weitere Messwerte wie die elektrische Leitfähigkeit, der pH-Wert, der gelöste Sauerstoffanteil sowie Kombinationen der genannten Messwerte verwendet werden. Zur Reduktion der Leistungsaufnahme wird im Anschluss geprüft, ob sich die Messwerte um einen bestimmten Wert (803) geändert haben. Dazu werden die aktuellen Messwerte im EEPROM (805) ausgelesen (804). Haben sich die Messwerte nicht geändert, dann wird der Mikroprozessor wieder in den Schlafmodus versetzt (807). Haben sich die Messwerte verändert, dann werden diese drahtlos übertragen und im EEPROM gespeichert. Nach dem Senden wird der Mikroprozessor in den Schlafmodus versetzt. Der Mikroprozessor verlässt den Schlafmodus nach einer definierten Zeit und wird aufgeweckt (808). Einige Sensoren verfügen auch über ein sogenannte Interruptfunktion bzw. man kann das System um ein solche Interruptfunktion auch einfach erweitern, indem man das Spannungssignal auf LOW oder HIGH zieht. LOW ist in der Regel die Spannung 0V und High ein Wert üblicherweise zwischen 2-5V.The functional diagram of the wireless shell backpacks is in 8th sketched. At the beginning, the measured values of the sensors are recorded (801). The measured values (802) include Hall voltage, acceleration, heart rate, temperature, but other measured values such as electrical conductivity, pH value, dissolved oxygen content and combinations of the measured values mentioned can also be used. To reduce the power consumption, it is then checked whether the measured values have changed by a certain value (803). To do this, the current measured values in the EEPROM (805) are read out (804). If the readings have not changed, then the microprocessor is put back into sleep mode (807). If the measured values have changed, they are transmitted wirelessly and stored in the EEPROM. After sending, the microprocessor is put into sleep mode. The microprocessor exits sleep mode after a defined time and is woken up (808). Some sensors also have a so-called interrupt function or you can simply expand the system with such an interrupt function by pulling the voltage signal to LOW or HIGH. LOW is usually the voltage 0V and High is a value usually between 2-5V.

In einer vorteilhaften Ausführung dieser Erfindung werden Echtzeit-Kameradaten dazu verwendet, um die ‚Laufwege‘ bzw. das Bewegungsverhalten der Bioindikatoren aufzuzeichnen. Für diesen bildbasierten Ansatz wird eine Markierung (214) benötigt, die auf der Muschel angebracht wird, wie in 2 skizziert. Der Nachverfolgung der Bioindikatoren liegt ein einfaches Flussdiagramm zu Grunde, welches in 9 skizziert ist. Zu Beginn werden die Videodaten der Kamera bzw. Kameras (901) in einzelne Bilder auch Frames genannt umgewandelt. Daraufhin erfolgt eine Umwandlung der Bilder in eine 8bit Graustufenskale (902). Falls nötig kann noch ein Rauschfilter (903) appliziert werden oder ein Weichzeichenfilter, welcher sich für die anschließende Kantendetektion (904) als vorteilhaft erwiesen hat. Nach der Kantendetektion können verschiedene Formen (905) erkannt werden. Jede Muschel muss mit einer einzigartigen Form markiert werden wie beispielsweise einem Quadrat, Rechteck, Kreis, Ellipse, Stern oder deren Kombinationen. Nach der Erkennung der jeweiligen Form, wird eine Region of Interest ermittelt (906) und deren Schwerpunkt bzw. Mittelpunkt entweder als 2D bzw. bei der Verwendung von mehr als einer Kamera als 3D Koordinate gespeichert. Die Region of Interest (ROI) wird während der gesamten Zeit nachverfolgt (907) und ihr Mittelpunkt als Messwert (910) ausgegeben. Diese Konfiguration bietet sich vor allem in Innenräumen an, in denen sich die Bioindikatoren in einem Aquarium oder Behältnis mit verhältnismäßig optisch klarem Wasser befinden. Das Behältnis sollte nicht zu groß gewählt werden, andernfalls erscheinen die Bioindikatoren und respektive deren Markierungen unscharf, weil der längere optische Lichtweg dazu führt, dass das Licht häufiger an Schwebstoffen im Behältnis abgelenkt oder absorbiert wird. Anstelle von Formen können auch Farben zur Markierung verwendet werden. Mit einem Akzelerometer lässt sich lediglich die Neigung des Bioindikators ermitteln sowie abrupte Bewegungen. Durch eine Detektion und Nachverfolgung des Laufwegs der Bioindikatoren mittels Kameradaten lässt sich ein erweitertes Bewegungsmuster abbilden, was letztlich zu einer erhöhten Genauigkeit bei der Klassifizierung des Verhaltensmusters führen kann. Die Software für diese Methode wurde in Python im Framework OpenCV geschrieben.In an advantageous embodiment of this invention, real-time camera data is used to record the 'walking paths' or the movement behavior of the bio-indicators. For this image-based approach, a mark (214) is required, which is placed on the shell, as in 2 sketched. The tracking of the biological indicators is based on a simple flow chart, which is 9 is sketched. At the beginning, the video data of the camera or cameras (901) are converted into individual images, also known as frames. The images are then converted to an 8-bit gray scale (902). If necessary, a noise filter (903) can also be applied, or a soft character filter, which has proven to be advantageous for the subsequent edge detection (904). After edge detection, different shapes (905) can be recognized. Each shell must be marked with a unique shape such as a square, rectangle, circle, ellipse, star, or combinations thereof. After the respective shape has been identified, a region of interest is determined (906) and its focus or center point is stored either as a 2D coordinate or, if more than one camera is used, as a 3D coordinate. The region of interest (ROI) is tracked (907) throughout time and its center is reported as a reading (910). This configuration is particularly useful indoors where the biological indicators are in an aquarium or container with relatively optically clear water. The container selected should not be too large, otherwise the bioindicators and their markings appear blurred because the longer optical light path means that the light is more often deflected or absorbed by suspended matter in the container. Instead of shapes, colors can also be used for marking. An accelerometer can only be used to determine the inclination of the bioindicator and sudden movements. By detecting and tracking the path of the bioindicators using camera data, an extended movement pattern can be mapped, which can ultimately lead to increased accuracy in the classification of the behavioral pattern. The software for this method was written in Python in the OpenCV framework.

Die Klassifikation des Muschelverhaltens soll mit Methoden des maschinellen Lernens, auch Machine Learning genannt, getroffen werden. Bei diesen Methoden haben sich einige Ansätze als besonders vielversprechend herauskristallisiert. Zu diesen zählen vor allem Support Vector Class, KNeighbors Classifier, Convolutional Neural Network und der Decision Tree Classifier. Im Rahmen der Entwicklung wurden alle vier Methoden getestet, der DecisionTreeClassifier lieferte jedoch mit über 96% Genauigkeit die besten Ergebnisse und wird daher in einer vorteilhaften Ausführung dieser Erfindung verwendet. Im Folgenden wird offengelegt, wie dieser Classifier für das vorgestellte System verwendet wird. Das Entscheidungsbaumverfahren (Decision Tree) ist eine verbreitete Möglichkeit der Regression oder Klassifikation über einen vielfältigen Datensatz. Entscheidungsbäume oder Decision Trees sind Data Mining Methoden oder Entscheidungsregeln in Form eines Baumes. Das Ergebnis ist ein Baum mit einer Wurzel und davon ausgehenden Ästen. Die Äste verzweigen sich fortlaufend an Knoten. Die Verzweigungen enden zuletzt in Blättern. Diese Blätter zeigen dann die Klassenzugehörigkeit oder die Entscheidung an.The classification of mussel behavior is to be made using methods of machine learning, also known as machine learning. With these methods, some approaches have emerged as particularly promising. These include the Support Vector Class, KNeighbors Classifier, Convolutional Neural Network and the Decision Tree Classifier. All four methods were tested during development, but the DecisionTreeClassifier provided the best results with over 96% accuracy and is therefore used in an advantageous embodiment of this invention. In the following it is disclosed how this classifier is used for the presented system. The decision tree method is a common way of regression or classification over a diverse data set. Decision trees are data mining methods or decision rules in the form of a tree. The result is a tree with a root and branches extending from it. The branches ver branch continuously at nodes. The branches finally end in leaves. These sheets then indicate the class membership or the decision.

Entscheidungsbäume sind beliebt, da sie Regeln einfach und verständlich darstellen können. Die Regeln werden hierarchisch, d. h. hintereinander in einer festgelegten Reihenfolge abgearbeitet und enden dann mit einem Ergebnis. Der Algorithmus ist in 10 skizziert und arbeitet bei diskreten Variablen wie folgt:

  • • Zuerst wird das Merkmal mit dem höchsten Informationsgehalt in Hinblick auf die Vorhersage des Labels (Zielvariable) selektiert.
  • • Für jeden Wert, den das Attribut annehmen kann, wird anschließend ein Zweig des Baumes erstellt.
  • • Für jeden neuen Knoten wird Schritt 1 und 2 wiederholt.
Decision trees are popular because they can represent rules in a simple and understandable way. The rules are processed hierarchically, ie one after the other in a fixed order and then end with a result. The algorithm is in 10 sketches and works on discrete variables as follows:
  • • First, the characteristic with the highest information content with regard to the prediction of the label (target variable) is selected.
  • • A branch of the tree is then created for each value that the attribute can assume.
  • Steps 1 and 2 are repeated for each new node.

Der Baum ist fertig gestellt, wenn jeder Knoten eine Klasse eindeutig identifiziert. Die letzten Knoten legen dann die Klasse fest. Diese werden auch Blätter genannt.The tree is complete when each node uniquely identifies a class. The last nodes then determine the class. These are also called leaves.

Ein beliebter Machine Learning Framework ist Tensorflow mit Python-Unterstützung, was auch in dieser Erfindung verwendet wurde. 10 skizziert das Flussdiagramm der Decision Tree Methode. Zu Beginn wird der gesamte Datensatz importiert (1001) und daraufhin in einen Trainings-, Validierungs- und Testdatensatz aufgespaltet (1002). Wie die Bezeichnungen bereits andeuten, wird der Trainingsdatensatz zur Erstellung des Modells verwendet und der Validierungsdatensatz zur Überprüfung, ob das erzeugte Modell auch zuverlässige Vorhersagen bei unbekannten Daten treffen kann. Ist dies der Fall, spricht man auch davon, dass dieses Modell eine gute Generalisierung aufweist. Da vom Entwickler die Parameter ständig angepasst werden, um gute Ergebnisse beim Trainings- und beim Validierungsdatensatz aufzuweisen, wird das Modell automatisch auch zum Teil mit dem Validierungsdatensatz angelernt, was die Generalisierungsfähigkeit einschränkt. Deshalb sollte man am Ende das Modell immernoch gegen einen gänzlich unbekannten Datensatz, dem Testdatensatz, prüfen. Aus dem eingelesenen Datensatz werden nun INPUT und OUTPUT (1003) extrahiert. INPUT umfasst relevante Umgebungswerte wie die Hallspannung, Herzrate, Temperatur sowie die Zeit, während der OUTPUT die Klassifikation des Muschelverhaltens beschreibt, also im Beispiel der Muschel als Bioindikator folgende Klassen: ‚Default‘ (1006), ‚Opening‘ (1007), ‚Closing‘ (1008), ‚Disturbed‘ (1009). Es ist auch möglich, dass weitere relevante Klassen in Zukunft mit aufgenommen werden können oder die genannten ersetzen. Mit den INPUT und OUTPUT Daten kann nun das Decision Tree Modell (1004) erstellt werden, welches letztlich die genannten Klassen (1005) für unbekannten INPUT-Daten vorhersagen kann.A popular machine learning framework is Tensorflow with Python support, which was also used in this invention. 10 outlines the flowchart of the Decision Tree method. Initially, the entire dataset is imported (1001) and then split (1002) into a training, validation, and test dataset. As the names suggest, the training data set is used to build the model and the validation data set is used to check that the model produced can make reliable predictions on unknown data. If this is the case, this model is said to have good generalization. Since the parameters are constantly adjusted by the developer in order to have good results with the training and validation data set, the model is also partially trained automatically with the validation data set, which limits the ability to generalize. Therefore, at the end of the day, you should always check the model against a completely unknown data set, the test data set. INPUT and OUTPUT (1003) are now extracted from the data record that has been read in. INPUT includes relevant environmental values such as Hall voltage, heart rate, temperature and the time during which OUTPUT describes the classification of the mussel behavior, i.e. the following classes in the example of the mussel as a bioindicator: 'Default' (1006), 'Opening' (1007), 'Closing ' (1008), 'Disturbed' (1009). It is also possible that other relevant classes may be included in the future or replace those mentioned. With the INPUT and OUTPUT data, the decision tree model (1004) can now be created, which can ultimately predict the classes (1005) mentioned for unknown INPUT data.

In einer weiteren günstigen Ausführung besteht die drahtlose Muschelsensorik ohne Beschränkung aus folgenden Bauteilen. Einem ATMEGA1284p von ATMEL (San Jose, Kalifornien, USA) als Mikroprozessor, einem RFM95Hope LoRa-Modul von HopeRF (Shenzhen, China), einem TMP116 Temperatursensor von Texas Instruments, einem ADXL345 Akzelerometer von Analog Devices (Norwood, Massachusetts, USA) sowie einem Herzratensensor basierend auf einem IR-Reflektometer CNY70 von Vishay (New York, USA). Die Muschelsensorik kann auch mit vergleichbaren Bauteilen mit vergleichbarem Funktionsumfang ausgelegt werden. Die Auswahl bei den genannten Komponenten ist sehr groß. Es gilt allerdings zu beachten, dass die Abmessungen der Bauteile möglichst klein sein sollten. Das kleinste in dieser Erfindung entwickelte und hergestellte Design misst ca. 28 mm x 30 mm x 3 mm. Bei der Entwicklung des Herzratensensors diente die wissenschaftliche Publikation von Burnett et al. (Burnett, Nicholas P., et al. „An improved noninvasive method for measuring heartbeat of intertidal animals.“ Limnology and Oceanography: Methods 11.2 (2013): 91-100.) als Vorlage (s. 2. für ein schematische Skizze der Schaltung und Tabelle 1 für ein Bestellliste der Komponenten).In a further advantageous embodiment, the wireless shell sensor system consists of the following components without limitation. An ATMEGA1284p from ATMEL (San Jose, California, USA) as the microprocessor, an RFM95Hope LoRa module from HopeRF (Shenzhen, China), a TMP116 temperature sensor from Texas Instruments, an ADXL345 accelerometer from Analog Devices (Norwood, Massachusetts, USA), and a Heart rate sensor based on a CNY70 IR reflectometer from Vishay (New York, USA). The shell sensor system can also be designed with comparable components with a comparable range of functions. The selection of the components mentioned is very large. However, it should be noted that the dimensions of the components should be as small as possible. The smallest design developed and manufactured in this invention measures approximately 28mm x 30mm x 3mm. The scientific publication by Burnett et al. (Burnett, Nicholas P., et al. "An improved noninvasive method for measuring heartbeat of intertidal animals." Limnology and Oceanography: Methods 11.2 (2013): 91-100.) as template (s. 2 . for a schematic sketch of the circuit and Table 1 for an order list of the components).

11 zeigt die Messergebnisse eines Experiments mit dem entwickelten Muschelsensor zur Verifizierung der drahtlosen Übertragung unter Wasser. Dabei wurde das LoRa-Modul RFM95Hope von HopeRF als Transceiver-Einheit verwendet sowie das LoRa-Gateway Dragino PG1301 (Dragino Technology Co., LTD. Shenzhen Dragino technology development co., LTD) mit einem Raspberry Pi4. Die Messstelle war der Echinger See (GPS Koordinaten ca.: 48.287, 11.631, Deutschland, Bundesland Bayern), die elektrische Leitfähigkeit betrug ca. 300 µS/cm. Gemessen wurde der Received Signal Strength Indicator (RSSI) in dBm in Abhängigkeit steigender Tiefen des Muschelrucksacks unterhalb der Seeoberfläche. Wie physikalisch bedingt zu erwarten war, nimmt RSSI durch die Dämpfung der elektromagnetischen Wellen im Wasser mit steigender Eintauchtiefe stark ab. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Übertragung problemlos bis zu einer Eintauchtiefe von 70cm funktionierte. 11 shows the measurement results of an experiment with the developed mussel sensor to verify wireless transmission under water. The LoRa module RFM95Hope from HopeRF was used as a transceiver unit and the LoRa gateway Dragino PG1301 (Dragino Technology Co., LTD. Shenzhen Dragino technology development co., LTD) with a Raspberry Pi4. The measuring point was the Echinger See (GPS coordinates approx.: 48.287, 11.631, Germany, federal state of Bavaria), the electrical conductivity was approx. 300 µS/cm. The Received Signal Strength Indicator (RSSI) was measured in dBm as a function of increasing depths of the mussel rucksack below the lake surface. As was to be expected from the physical point of view, RSSI decreases sharply with increasing immersion depth due to the attenuation of the electromagnetic waves in the water. However, it could be shown that the transmission worked without any problems up to an immersion depth of 70 cm.

BezugszeichenlisteReference List

101101
Sensor RucksackSensor backpack
102102
Bioindikatorbioindicator
103103
Sensorsensor
104104
BodenFloor
105105
Display-Einheitdisplay unit
106106
Drahtloskommunikationwireless communication
107107
GatewayGateway
108108
Backendbackend
109109
Machine Learningmachine learning
110110
Frontendfront end
111111
Eingabeinput
112112
Alarmalarm
113113
Multiparameter MessondeMulti-parameter measuring probe
114114
Messbehältnismeasuring container
115115
Testwassereinleitungtest water discharge
116116
Testwasserableitungtest water drainage
117117
Kameracamera
201201
Muschelshell
202202
Muschelfußclam foot
203203
Muschelfädenshell threads
204204
Magnetmagnet
205205
Hall-Effekt SensorHall effect sensor
206206
Sensorkabelsensor cable
207207
Sensor-RucksackSensor backpack
208208
Drahtloskommunikationwireless communication
209209
Ladekabel negativCharging cable negative
210210
Ladekabel positivCharging cable positive
211211
BodenFloor
212212
Akzelerometeraccelerometer
213213
Elektrode für DrahtlosladenElectrode for wireless charging
214214
Markierungmark
301301
Leiterplatinecircuit board
302302
Mikroprozessormicroprocessor
303303
Programmierpinsprogramming pins
304304
Batteriebattery
305305
Temperatursensortemperature sensor
306306
Ladeschaltungcharging circuit
307307
Herzraten-Schaltungheart rate circuit
308308
Stromkabel 1 externe SensorenPower cable 1 external sensors
309309
Stromkabel 2 externe SensorenPower cable 2 external sensors
310310
Signal 1 externe SensorenSignal 1 external sensors
311311
Akzelerometeraccelerometer
312312
Antenneantenna
313313
Signal 2 externe SensorenSignal 2 external sensors
314314
Ladekabel 1charging cable 1
315315
Ladekabel 2charging cable 2
301301
Leiterplatinecircuit board
302302
Mikroprozessormicroprocessor
303303
Programmierpinsprogramming pins
304304
Batteriebattery
305305
Temperatursensortemperature sensor
306306
Ladeschaltungcharging circuit
307307
Herzraten-Schaltungheart rate circuit
308308
Stromkabel 1 externe SensorenPower cable 1 external sensors
309309
Stromkabel 2 externe SensorenPower cable 2 external sensors
310310
Signal 1 externe SensorenSignal 1 external sensors
311311
Akzelerometeraccelerometer
312312
Antenneantenna
313313
Signal 2 externe SensorenSignal 2 external sensors
314314
Ladekabel 1charging cable 1
315315
Ladekabel 2charging cable 2
401401
Einplatinen-Computersingle board computer
402402
Receiver-Einheitreceiver unit
403403
Ethernet-AnschlussEthernet port
404404
Internetkonnektivitätinternet connectivity
405405
Stromanschlusspower connection
406406
Elektrischer Generatorelectric generator
407407
Antenne in Luftantenna in air
408408
AquariumAquarium
409409
Antennen im Wasserantennae in the water
410410
Drahtloskonnektivitätwireless connectivity
411411
Display-Einheitdisplay unit
412412
Webcam in LuftWebcam in air
413413
Webcam unter WasserWebcam underwater
501501
Muschel mit SensorikShell with sensors
502502
Klärwerksewage treatment plant
503503
Niederschlagprecipitation
504504
Personenpersons
505505
IndustrieIndustry
506506
Gatewaysgateways
601601
Wasserbehälterwater tank
602602
Bioindikatorbioindicator
603603
Sendeeinheittransmitter unit
604604
Elektronikelectronics
605605
GatewayGateway
606606
Satelliteninternetsatellite internet
607607
Mobilfunkcellular
608608
Strom- und Datenkabelpower and data cables
609609
Mikroprozessormicroprocessor
610610
Transceivertransceivers
611611
Akkubattery pack
701701
Wasserbehälterwater tank
702702
Bioindikatorbioindicator
703703
Muschelrucksackshell backpack
704704
KabelCable
705705
GatewayGateway
801801
Messung der SensorwerteMeasurement of the sensor values
802802
Sensorensensors
803803
Kontrolle ob Änderung Sensorwert > X%Check if sensor value changes > X%
804804
Auslesen des EEPROMReading the EEPROM
805805
EEPROMEEPROM
806806
Drahtloses SendenWireless sending
807807
Schlafmodussleep mode
808808
AufwachenAwaken
809809
Schreiben auf EEPROMWriting to EEPROM
901901
Umwandlung Videostream zu BilderConversion video stream to images
902902
Umwandlung in GraustufenConversion to grayscale
903903
Rauschfilternoise filter
904904
Kantendetektionedge detection
905905
Formen Detektionforms detection
906906
Ermittlung der Region of Interest (ROI)Determination of the region of interest (ROI)
907907
Nachverfolgung der ROITracking ROI
908908
Ausgabe der ROI als MesswertOutput of the ROI as a measured value
100100
Datenbank wird importiertDatabase is imported
10021002
Datenbank wird skaliert und aufgeteiltDatabase is scaled and divided
10031003
X und Y werden aus der Datenbank gelesen und in 1004 überführtX and Y are read from the database and transferred to 1004
10041004
Tree Decision Modell wird erstelltTree decision model is created
10051005
Klassenclasses
10061006
Klasse Defaultclass Default
10071007
Klasse OpeningClass opening
10081008
Klasse Closingclass closing
10091009
Klasse DisturbedClass Disturbed

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Claims (15)

Großflächiges ökotoxikologisches Frühwarnsystem mit einem frei beweglichen Bioindikator und einer kompakten elektronischen Mess- und Sendevorrichtung auch mit Frühwarnsystem abgekürzt, welches die folgenden Merkmale umfasst:: - Mindestens einem Bioindikator - Einer am Bioindikator befestigten Muschelrucksack. - Externe nicht am Muschelrucksack befestigte Sensoren zur Erfassung von Umgebungsparametern - Gateway zur drahtlosen Kommunikation mit den Muschelrucksäcken. - Ein Edge-Gerät, auf dem eine Machine Learning Software zur automatischen Klassifizierung des Muschelverhaltens ausgeführt wird. - Automatische AlarmfunktionLarge-scale ecotoxicological early warning system with a freely movable bio-indicator and a compact electronic measuring and transmitting device, also abbreviated as early warning system, which includes the following features: - At least one biological indicator - A mussel backpack attached to the bioindicator. - External sensors not attached to the shell backpack to capture environmental parameters - Gateway for wireless communication with the shell backpacks. - An edge device running machine learning software to automatically classify mussel behavior. - Automatic alarm function Ein Frühwarnsystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bioindikator verwendet wird, welcher einer Muschelart, Krabbenart, Fischart, Fischeiern sowie deren Kombinationen angehört.An early warning system according to claim 1 characterized in that at least one biological indicator is used which belongs to a mussel species, crab species, fish species, fish eggs and combinations thereof. Ein Frühwarnsystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der am Bioindikator angebrachte Muschelrucksack entweder drahtlos oder drahtgebunden ausgeführt ist sowie eine Kombination aus drahtlosen und bzw. oder drahtgebundenen Muschelrucksäcken im gleichen System möglich ist.An early warning system according to claim 1 characterized in that the mussel backpack attached to the bio-indicator is either wireless or wired and a combination of wireless and/or wired mussel backpacks in the same system is possible. Ein Frühwarnsystem gemäß dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der drahtlose wie der drahtgebundene Muschelrucksack mit folgenden Sensoren oder deren Kombinatioen ausgestattet ist: Temperatur, Druck, elektrische Leitfähigkeit, Trübung, gelöster Sauerstoffanteil, pH-Wert, Akzelerometer, Gyrometer oder Magnetometer zur Messung der Bewegung der Muschel, Hall-Sensor mit Magnet zur Messung des Öffnungswinkels der Muschelhälften.An early warning system according to the previous claim , characterized in that both the wireless and the wired mussel backpack are equipped with the following sensors or combinations thereof: temperature, pressure, electrical conductivity, turbidity, dissolved oxygen content, pH value, accelerometer, gyrometer or magnetometer for measuring the Movement of the shell, Hall sensor with magnet for measuring the opening angle of the shell halves. Ein Frühwarnsystem gemäß den beiden vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass externe, also nicht im Muschelrucksack untergebrachte, Sensoren an der Muschel zu deren Verhaltenserfassung angebracht werden, bestehend aus folgenden Sensoren oder deren Kombinationen: Hall-Sensor mit Magnet, Akzelerometer, Gyrometer und Magnetometer.An early warning system according to the two previous claims , characterized in that external sensors, i.e. sensors not housed in the shell backpack, are attached to the shell to record its behavior, consisting of the following sensors or combinations thereof: Hall sensor with magnet, accelerometer, gyrometer and magnetometer. Ein Frühwarnsystem gemäß den vorherigen drei Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Muschelrucksack über mindestens eine oder eine Kombinationen aus den folgenden Antennen zur drahtlosen Kommunikation im Ultrahochfrequenzbereich von 300-3000MHz ausgestattet ist: PCB (Printed Circuit Board) Antenne direkt in der leitfähigen Schicht der Leiterplatine untergebraucht, Surface Mount (SMT oder auch Oberflächenmontage)-Antenne oder eine Monopolantenne.An early warning system according to the previous three claims , characterized in that the shell backpack is equipped with at least one or a combination of the following antennas for wireless communication in the ultra-high frequency range of 300-3000MHz: PCB (Printed Circuit Board) antenna located directly in the conductive layer of the printed circuit board , surface mount (SMT) antenna or a monopole antenna. Ein Frühwarnsystem gemäß den vorherigen vier Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Muschelrucksack mit einer wiederaufladbaren Batterie ausgestattet ist, welche entweder drahtgebunden oder drahtlos über eine Spule und einer auf der Leiterplatine angebrachten Ladeschaltung aufgeladen werden kann.An early warning system according to the previous four claims , characterized in that the shell backpack is equipped with a rechargeable battery, which can be charged either wired or wirelessly via a coil and a charging circuit mounted on the printed circuit board. Ein Frühwarnsystem gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass es mit mindestens einem Gateway zur drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikation mit mindestens einem Muschelrucksack ausgestattet ist.An early warning system according to claim 3 characterized in that it is equipped with at least one gateway for wireless and wired communication with at least one shell backpack. Ein Frühwarnsystem gemäß dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Gateway im Wesentlichen aus einem Edge-Gerät und einem Sendeempfänger-Modul besteht, welche über folgende Merkmale oder deren Kombinationen verfügen: Wi-Fi (ab IEEE 802.11 Wi-Fi 4 aufwärts), Bluetooth (Bluetooth Classic & Bluetooth Low Energy), Ethernetanschluss, High Definition Multimedia Interface (HDMI)-Ausgang, Ethernet-Anschluss, CPU sowie ein GPU zur Verarbeitung von Bilddaten.An early warning system according to the previous claim , characterized in that the gateway essentially consists of an edge device and a transceiver module, which have the following features or combinations thereof: Wi-Fi (from IEEE 802.11 Wi-Fi 4 upwards), Bluetooth (Bluetooth Classic & Bluetooth Low Energy), Ethernet connection, High Definition Multimedia Interface (HDMI) output, Ethernet connection, CPU and a GPU for processing image data. Ein Frühwarnsystem gemäß den vorherigen beiden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Gateway durch Solarstrom mit gängigen Spannungen von 5, 12, 24 und 48V sowie einer Pufferbatterie energieautark im Außenbereich bestromt werden kann und mit einem Multibandmobilfunkmodul mit Unterstützung von 2G, 3G, LTE, 5G und NB-loT oder Kombinationen daraus oder Satelliteninternet ausgestattet ist.An early warning system according to the previous two claims , characterized in that the gateway can be powered by solar power with common voltages of 5, 12, 24 and 48V and a buffer battery in the outdoor area and with a multi-band mobile radio module with support for 2G, 3G, LTE, 5G and NB-loT or combinations thereof or satellite internet. Ein Frühwarnsystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dieses sowohl in einem künstlichen Behältnis wie einem Aquarium wie auch im Außenbereich über große Flächen und Strecken in Flüssen, Seen, Teiche oder Meeren sowie deren Kombinationen eingesetzt wird.An early warning system according to claim 1 characterized in that this is used both in an artificial container such as an aquarium as well as outdoors over large areas and distances in rivers, lakes, ponds or seas and combinations thereof. Ein Frühwarnsystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Edge-Gerät ein Programm basierend auf Ansätzen des maschinellen Lernens zur Klassifizierung des Verhaltens der einzelnen Bioindikatoren sowie deren kollektiven Verhaltens ausgeführt wird.An early warning system according to claim 1 characterized in that a program based on machine learning approaches for classifying the behavior of the individual bioindicators as well as their collective behavior is executed on the edge device. Ein Frühwarnsystem gemäß dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass ein Alarm an den Anwender per Telefon, SMS, E-Mail, WhatsApp oder Push-Notification sowie deren Kombinationen geschickt wird, sobald das Klassifizierungsverfahren ermittelt, dass die Bioindikatoren einem Verhaltensmuster folgen, welches auf eine erhöhte Schadstoffbelastung der umgebenden Testsubstanz hindeutet.An early warning system according to the previous claim , characterized in that an alarm is sent to the user by telephone, SMS, e-mail, WhatsApp or push notification, and combinations thereof, as soon as the classification method determines that the bioindicators follow a behavior pattern which indicates an increased pollution of the surrounding test substance. Ein Frühwarnsystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dieses zusätzlich zu den Muschelrucksäcken mit mindestens einer Multiparametersonde zur Messung einer der relevanten Umgebungsparameter Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Trübung, gelöster Sauerstoffanteil sowie deren Kombinationen zur Verbesserung der Genauigkeit des Klassifizierungsverfahrens ausgestattet werden kann.An early warning system according to claim 1 characterized in that, in addition to the mussel backpacks, this can be equipped with at least one multi-parameter probe for measuring one of the relevant environmental parameters temperature, pH value, electrical conductivity, turbidity, dissolved oxygen content and combinations thereof to improve the accuracy of the classification process. Ein Frühwarnsystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Display-Einheit bestehend aus einem Monitor, einem Smartphone, einem Tablet, Smartwatch oder deren Kombinationen zur Visualisierung des Systemzustands sowie zur Wartung direkt an der Messstelle ausgestattet ist.An early warning system according to claim 1 characterized in that it is equipped with a display unit consisting of a monitor, a smartphone, a tablet, a smartwatch or combinations thereof for visualizing the system status and for maintenance directly at the measuring point.
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