Biodiversität messen Sensoren, Satelliten und KI im Einsatz für den Artenschutz

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Heitec AG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Wie kann man Biodiversität physikalisch messen? Das Münchner Start-up Hula Earth setzt auf vernetzte BioT-Sensoren und KI-gestützte Datenanalyse. Gemeinsam mit dem Partner Würth Elektronik arbeitet das Start-up daran, die Technologie von handgefertigten Prototypen zur Serienreife zu bringen und das Monitoring von Ökosystemen neu zu denken.

Der weltweite Rückgang der Biodiversität ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit, die nicht nur das ökologische Gleichgewicht bedroht, sondern auch erhebliche wirtschaftliche Folgen hat. In diesem Spannungsfeld bewegt sich das Startup Hula Earth mit seiner Mission, den Wert der Biodiversität messbar zu machen und zu erhalten.

Gemeinsam mit Würth Elektronik eiSos entwickelt Hula Earth ein neuartiges BioT-Sensorsystem, das mithilfe von IoT-Technologien und künstlicher Intelligenz (KI) biologische Daten in Echtzeit erfasst und analysiert. Ziel der Partnerschaft ist es, das System vom Prototypenstadium zur Serienreife zu bringen und damit für den breiten Einsatz nutzbar zu machen.

Im Interview sprechen die CTOs der beiden Unternehmen, David Schmider von Hula Earth und Alexander Gerfer von Würth Elektronik, über die technischen Herausforderungen, die Auswahl geeigneter Komponenten und die Rolle von KI bei der Analyse von Trends in der Biodiversität.

Herr Schmider, Herr Gerfer, wie unterstützt Würth Elektronik Startups wie Hula Earth bei der Entwicklung und Auswahl geeigneter Komponenten?

David Schmider: Auf dem Weg von der Idee zum fertigen Produkt stehen wir vor spannenden praktischen Herausforderungen. Unsere BioT-Sensorsysteme beweisen zwar schon ihre Funktionalität, aber für ein skalierbares System benötigen wir absolut zuverlässige Technik. Nur so kann unser Geschäftsmodell langfristig aufgehen: Artenschutz und biologische Vielfalt monetarisieren, um unseren Ökosystemen den Wert zuzuschreiben, den sie uns bieten.

Unsere Sensoren müssen nicht nur genau messen, sondern dies auch über längere Zeiträume und unter widrigen Umwelteinflüssen tun. Die Vielfalt an Messmethoden und Sensoren für ein und denselben Parameter ist häufig auf den ersten Blick überwältigend. Mit seiner Expertise unterstützt Würth Elektronik uns dabei, die optimale Lösung zu identifizieren und zu implementieren.

Alexander Gerfer: Startup-Förderungen wie bei Hula Earth sind für uns kein Neuland. Ökologische Projekte nehmen dabei einen besonderen Stellenwert ein, weil wir uns unserer Verantwortung für unseren Lebensraum bewusst sind. Deshalb leisten wir kostenlose Entwicklungsunterstützung. Denn heute wird in vielen Entwicklungsabteilungen an Problemen getüftelt, die wir mit unserer Industrieerfahrung auf Produzierbarkeit und Skalierbarkeit hin prüfen. Hula Earth muss also das Rad nicht noch einmal erfinden. Temperatur und Luftfeuchtigkeit ermittelt in diesem Gemeinschaftsprojekt der am besten geeignete, kombinierte Sensor WSEN-HIDS. Er basiert auf einem MEMS-basierten, kapazitiven Messprinzip.

David Schmider: Erfolgskritisch für unser Projekt ist natürlich auch das Modul für die M2M-Kommunikation. Bei LTE-Modulen muss man mit den richtigen Mobilfunkanbietern zusammenarbeiten, um die bestmögliche Flächenabdeckung zu erreichen. Genauso wichtig sind die Kommunikationsprotokolle und die schnelle Implementierung. Um die richtige Wahl zu treffen, ist viel Know-how und praktische Erfahrung erforderlich.

Alexander Gerfer: Wir haben uns gemeinsam mit Hula Earth für das bewährte ADRASTEA-Modul für die nachfolgenden Produktversionen entschieden. Es verwendet Funktechnologien, die speziell für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurden. Die Standards LTE-M und NB-IoT ermöglichen den drahtlosen Datenverkehr zwischen Sensoren und einem Auswertungsrechner in der Cloud. Die PC-Software Adrastea Commander wird mit einer grafischen Benutzeroberfläche bei der Steuerung kostbare Manpower sparen.

David Schmider: Ausgesprochen positiv überrascht waren wir von dem umfassenden Servicepaket von Würth Elektronik. Mit dem technischen Support von Würth Elektronik können wir im direkten Dialog von Ingenieur zu Ingenieur schnell und effizient Unebenheiten in der Entwicklung ausbessern und haben beispielsweise die Möglichkeit, unsere Produkte zukünftig Pre-Compliance-Tests zu unterziehen.

Welche Herausforderungen gibt es bei der Herstellung robuster, energieeffizienter BioT-Sensorsysteme für den Einsatz in abgelegenen Gebieten ohne externe Stromversorgung?

David Schmider: In den Waldgebieten, die wir überwachen, gibt es keine Steckdosen, daher brauchen wir energiesparende Technik und Energy Harvesting, in unserem Fall durch Solarzellen. Und natürlich muss die ganze Konstruktion wetterfest sein. Was wir erreichen wollen, ist ein möglichst langer wartungsfreier Betrieb. Wenn dann doch eine Wartung erforderlich ist, dann muss sie schnell und einfach möglich sein, idealerweise ohne Hulas direktes Zutun.

Alexander Gerfer: Gerade bei energiesparender Technologie gibt es heute eine Vielzahl von Optionen. Da müssen wir gemeinsam das optimale Preis-Leistungs-Verhältnis finden.

Welche Anforderungen sind an die Energieeffizienz und EMV-Stabilität der Sensoren zu stellen, insbesondere bei Solar- und Batteriebetrieb?

David Schmider: Das Energiemanagement wählt je nach Akkustand verschiedene Betriebszustände, zum Beispiel bei der Datenverarbeitung. Mitentscheidend für einen flächendeckenden Betrieb ist die Einhaltung von Richtlinien, ohne die man keine CE-Zertifizierung erhält. Schließlich arbeiten unsere BioT-Sensoren mit Funkkommunikation. Dieses Thema wird oft noch unterschätzt – bis dann die Prüfung am Ende der Entwicklungsphase in einem akkreditierten Labor fehlschlägt: Da wir uns dessen bewusst sind, schätzen wir an dieser Stelle einmal mehr die tiefe Expertise von Würth Elektronik.

Alexander Gerfer: … denn sonst kann es teuer werden. Deshalb spielt die EMV- und Funkanlagengenrichtlinie bei unserer Entwicklungsunterstützung eine entscheidende Rolle. Die EMV-Richtlinie besagt, dass ein Produkt keine Störungen verursachen oder durch externe Störungen beeinträchtigt werden darf. Ein Gerät mit Funkmodul muss auch die Funkanlagengenrichtlinie erfüllen. Beim Schaltungs- und Leiterplattendesign können unsere Spezialisten aus Erfahrung recht präzise vorhersagen, was funktionieren und was Probleme bereiten wird.

Die fertigen Prototypen testen wir dann im firmeneigenen EMV-Labor. Zuerst messen wir die Emissionen des Prüflings während des normalen Betriebs. Danach setzen wir das Gerät gezielt standardisierten EMV-Störgrößen aus und prüfen, ob es auch unter schwierigen Bedingungen noch einwandfrei funktioniert. Dabei verwenden wir dieselben Messgeräte und -verfahren wie die akkreditierten Labors. Das heißt: Wenn es bei unseren Pre-Compliance-Tests läuft, ist die offizielle Prüfung nur noch eine Formsache.

Wie kann die Funkreichweite und Zuverlässigkeit der Kommunikation zwischen den Sensoren über große Gebiete (zum Beispiel Wälder) hinweg sichergestellt werden?

Alexander Gerfer: Da gibt es das Mobilfunknetz, das Hula zurzeit bei den BioT-Sensoren einsetzt. Es hat den Vorteil, dass die Infrastruktur bereits besteht, in Deutschland mittlerweile nahezu flächendeckend und ausfallsicher. Es fallen allerdings zusätzliche Gebühren durch den Netzbetreiber an.

Wo keine Netzabdeckung besteht, ist auch LoRa interessant. LoRa steht für Long Range und nutzt lizenzfreie Sub-GHz-Frequenzbänder, zum Beispiel 868 MHz in Europa oder 915 MHz in den USA. Die Reichweite beträgt 10 bis 15 km, in ländlichen Gebieten. LoRa kommt mit deutlich weniger Energie aus als Mobilfunknetz-Module – und ohne Provider-Gebühren. Die Übertragungsrate ist aber relativ niedrig, und es sind eigene Gateways erforderlich.

Drittens können wir auch proprietäre Lösungen anbieten, die deutlich kompakter ausfallen als Mobilfunk- oder LoRa-Module. Hier gilt etwa Faktor 0,4. Solche Module sind sehr energiesparend und preisgünstig. Der Entwicklungsaufwand bei den Gateways ist allerdings deutlich höher, da es hier keine fertigen, standardisierten Lösungen gibt.

Hier gilt es, das Für und Wider jeder Alternative sorgfältig abzuwägen und in Zusammenarbeit mit Kunden die optimale Lösung zu entwickeln.

Welche Technologien ermöglichen die Skalierbarkeit eines solchen Sensornetzwerks, das Biodiversitätsdaten in Echtzeit sammelt und überträgt?

Alexander Gerfer: Alle drei Möglichkeiten lassen sich in größeren Stückzahlen realisieren – sowohl bei der Anzahl an Messpunkten pro Projekt als auch bei der Anzahl an Projekten. Unsere Technologien sind sehr flexibel aufgebaut und nutzen die Vorteile verschiedenster Kommunikationsprotokolle, zum Beispiel MQTT. Auch Mesh-Netzwerke sind möglich.

Wie kann Künstliche Intelligenz (KI) in Verbindung mit den Sensoren genutzt werden, um Trends in der Biodiversität in Echtzeit zu analysieren?

David Schmider: Hier setzen wir in erster Linie auf Bioakustik. Bioakustik ist als Schirmbegriff zu verstehen. Das Feld reicht von der Anwendung relativ simpler statistischer Methoden auf die aufgenommene Klanglandschaft, bis hin zu komplexen KI-gestützten Methoden um konkrete Spezies, die Vokalisierungsdichte bestimmter Spezies, menschliche Störfaktoren und weitere Indikatoren zu klassifizieren. So können auch Anomalien erkannt werden, zum Beispiel das Zunehmen invasiver Arten oder das Verschwinden einer einheimischen Art.

Das kann jeder selbst erfahren: In einem gesunden, altgewachsenen, diversen Wald können wir schon an der Geräuschkulisse subjektiv wahrnehmen, wie das Leben um uns herum aufblüht. Das Gegenteil ist in der Regel in einer Fichtenplantage der Fall.

Unser Ziel bei Hula ist es, diese subjektive Wahrnehmung in objektiven Daten zu erfassen. Dabei geht es natürlich zum einen um den Erhalt, oder den Wiederaufbau von Lebensräumen, aber auch wir Menschen profitieren direkt von gesunden Ökosystemen. Eine erhöhte Klimaresilienz ist beispielsweise eine Konsequenz, die uns unmittelbar wirtschaftlich zugutekommt.

Durch die schiere Menge an Daten, die bei unserem Ansatz anfallen, ist es notwendig, diese on the edge zu verarbeiten, um die zu übertragende Datenmenge zu reduzieren. Das ist eine enorme Challenge. Ein einfacher Mikrocontroller reicht nicht aus, um unsere Modelle auf die erfassten Daten anzuwenden.

Alexander Gerfer: Dieses Beispiel zeigt, wieviel Arbeit und Fachwissen Hula Earth in diese großartige Idee investiert hat. Mich hat dieses Projekt von Anfang an fasziniert. Hula Earth hat ein verlässliches Messsystem für Biodiversität entwickelt. Damit schafft der Startup die Voraussetzung für aussagekräftige Biodiversitätszertifikate, mit denen sich umweltbewusstes Wirtschaften gezielt fördern lässt. Genau solche Projekte unterstützt Würth Elektronik. Wir wollen umweltfreundliche und nachhaltige Technologien ermöglichen. Electronics for positve impact ist unser Prinzip. Hula Earth hat eines der größten Probleme unserer Zeit angepackt – und wir packen mit an. (heh)

EP Basics: Vernetzte Sensoren

Welches Funknetzwerk sich für welche IoT-Anwendung eignet

(ID:50226674)