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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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
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.
- 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.
- - 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.
- - 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.
-
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
- - 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 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.
Eine vorteilhafte Ausführung der Leiterplatine für die Muschelsensorik ist in
Eine detailliertere Ausgestaltung des Gateways ist in
In einer weiteren günstigen Ausführung dieser Erfindung in
In einer weiteren günstigen Ausführung, welche in
Das Funktionsdiagramm der drahtlosen Muschelrucksäcke ist in
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
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
- • 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.
- • 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.
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.
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 Sensoren
Power cable 1 external sensors - 309309
- Stromkabel 2 externe SensorenPower cable 2 external sensors
- 310310
-
Signal 1 externe Sensoren
Signal 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 Sensoren
Power cable 1 external sensors - 309309
- Stromkabel 2 externe SensorenPower cable 2 external sensors
- 310310
-
Signal 1 externe Sensoren
Signal 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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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