Baumpatenschaft - Das Internet der Bäume
Überblick
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Schlüsselwörter: Nachhaltige Forstwirtschaft, Arduino, Sensoren, IoT, Klimawandel, Fernerkundung, Ökologie, Umwelttechnik
Disziplinen: Physik, Chemie, Biologie, Humanwissenschaften, Ressourcenmanagment, Technik
Altersstufe der Schüler*innen: 15-18
Zeitrahmen: 1 Schuljahr (9 Monate)
Partner: Schulen in der Nähe
Aufbau eines Messgerätes
"Green Guard": Anleitung zum Bau eines Messgerätes zur Messung der Parameter Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Beleuchtungsstärke und Spannung.
Bäume scheinen in der Lage zu sein, eine konstante Spannung zwischen 20 und einigen 100 Millivolt zu erzeugen – weit unter den 1,5 Volt einer Standard-AA-Batterie und nahe dem Niveau des elektrischen Hintergrundrauschens in Schaltkreisen. Beim Kartoffelbatterie-Experiment stammt die Energie aus Reduktions- und Oxidationsreaktionen, die sich in die Elektroden fressen, die aus zwei verschiedenen Metallen, in der Regel Kupfer und Zink, bestehen.
Bei Bäumen fließt der Strom sogar dann, wenn die Elektroden aus demselben Material bestehen, was bedeutet, dass ein anderer Effekt am Werk sein muss. Diese Elektrizität ist möglicherweise auf einen pH-Unterschied zwischen dem Baum und dem Boden zurückzuführen, ein chemisches Ungleichgewicht, das durch die Stoffwechselprozesse des Baumes aufrechterhalten wird.[1] Die Spannung zwischen einem stehenden Baum und dem ihn umgebenden Boden wird als innovative erneuerbare Energiequelle angesehen.[2], [3]
Aufgaben für Schüler*innen
Die Schüler*innen sehen sich die Videos „Building a Green guard“ und „Wiring a Tree“ an, die Informationen darüber liefern, wie ein auf einem Mikrocontroller basierender Datenlogger zusammengebaut, getestet, installiert und aktiviert wird (Abbildung unten). Dieser Datenlogger enthält Sensoren für Spannung, Beleuchtungsstärke, Temperatur und Feuchtigkeit. Er wird von einer wiederaufladbaren Batterie gespeist und speichert alle gesammelten Daten auf einer herausnehmbaren Speicherkarte, die zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden kann. Der Rekorder wird an einem adoptierten Baum in einem städtischen Gebiet, in einem nahen gelegenen Wald oder sogar auf dem Schulhof installiert.
Die Schüler*innen sollen die gesammelten Daten analysieren und mögliche Beziehungen zwischen den gemessenen Umweltparametern und der Baumspannung ermitteln, z. B. was mit der Spannung passiert, wenn die Sonne untergeht oder die Temperatur steigt. Aufgrund der komplexen Pflanzenbiologie und unseres begrenzten Wissens über den Ursprung der Potenzialdifferenz zwischen einem Punkt des Stammes und dem Boden sollten mögliche Versuche, deren Größe und Vorzeichen zu interpretieren, nicht Gegenstand dieser Unterrichtseinheit sein. Außerdem werden die Spannungsmessungen, die mit dem empfohlenen sehr einfachen Aufbau erzielt werden, von denen eines Multimeters abweichen. Zu erklären, warum das so ist, würde den Rahmen dieser Unterrichtseinheit sprengen, und nur die Spannungsänderungen sollten wirklich von Bedeutung sein.
Weitere Informationen zur Sensorprogrammierung finden Sie weiter unten im Abschnitt Unterrichtsmaterialien bei den zusätzlichen Materialien. Sehen Sie sich auch die Science Magic Box an.
Der "Forest Reader" ("Waldmessgerät")
Anleitung zum Bau eines Messgerätes zur Messung der Parameter Lufttemperatur, Beleuchtungsstärke, barometrische Druck, Luftqualität (Kohlendioxid- bzw. TVOC-Konzentrationen), Feuchtigkeit des Bodens und Safttemperatur. Damit kann die Luftqualität und der Verschmutzungsgrad in Parks oder Wäldern überwacht werden und somit die Gesundheit von Bäumen zu beurteilt werden kann.
Die nachhaltige Bewirtschaftung und Erhaltung der Wälder der Welt wurde auf der UN-Klimakonferenz (COP26) mit finanziellen Zusagen, technischen Fortschritten und einer Erklärung der Staats- und Regierungschefs und anderer Interessengruppen zum Thema „Wälder und Landnutzung“ erheblich gefördert. Jüngste Berichte zeichnen ein düsteres Bild vom Zustand der Wälder in der Welt, mit steigenden Entwaldungsraten, schwereren und häufigeren Waldbränden und Schäden durch Dürren und Überschwemmungen.
Die folgenden Punkte sind wesentlich:
- klare Maßnahmen zur Erhaltung der entscheidenden Rolle der Wälder bei der Stärkung der Widerstandsfähigkeit und der Verringerung der Treibhausgasemissionen
- Wissen und Instrumente zum Schutz unserer Wälder und zur Erhaltung der Funktionen ihrer wichtigen Ökosysteme
Der "Forest Reader" erfüllt diese Ziele. Er wurde entwickelt, um die Luftqualität und den Verschmutzungsgrad in Parks oder Wäldern zu überwachen und die Gesundheit von Bäumen zu beurteilen. Wir können ein einzelnes Gerät verwenden, das an einem Baum befestigt wird, oder wir können mehrere separate Geräte anbringen, wenn wir wollen, sodass die Messungen ein großes Gebiet abdecken.
Aufgaben für Schüler*innen
Die Schüler*innen bauen eine elektronische Schaltung, die auf einem ATmega2560-Mikrocontroller-Board (ARDUINO MEGA 2560) basiert, an das sie eine Reihe von Sensoren, eine 20x4-Flüssigkristallanzeige, ein Baumsaftmodul und eine Wireless NodeMCU auf der Grundlage eines ESP8266 WIFI Internet of Things-Entwicklungsmoduls anschließen. Das letzte Modul hat die Aufgabe, Daten zur Aufzeichnung und Verarbeitung an den Webserver www.infonature.ro, unsere eigene Website, zu übertragen.
Es werden Komponenten verwendet, die leicht zu beschaffen, billig und einfach mit dem Arduino-Board zu verbinden sind, einen geringen Energieverbrauch haben (das Gerät ist autonom), mit einer niedrigen Spannung betrieben werden und die gewünschten Parameter liefern.
Die gemessenen Umweltparameter und ihre Sensoren sind:
- Bodenfeuchte - kapazitiver Analogsensor, DF-SEN 0193
- Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Luftqualität (Kohlendioxid und gesamte flüchtige organische Verbindungen CO2 + TVOC) Sensor SEN 0335 (BME280+ CCS 811)
- Umgebungslicht - Analogsensor SEN 0043 (TEMT6000)
Das Baumsaftmodul ist ein Gerät, mit dem festgestellt werden kann, ob der Saft durch den Stamm fließt. Seine Komponenten sind:
- Pt100 RTD (Widerstandsthermometer), mit Metallschutzrohr
- Verstärker MAX31865 RTD PT100
- Optokopplermodul mit einem Relais (12 V spulengespeist)
- Heizelement mit einer Leistung von 7,5 W bei 12 V (ein Lötkolben)
Das Design des Moduls basiert auf vielen Artikeln über Saftsensoren, bleibt aber dennoch original.[5], [6], [7], [8]
Das Baumsaftmodul in Betrieb
Zwei Löcher (Durchmesser 4 mm) werden senkrecht zum Baum auf demselben Teil des Stammes in einem Abstand von etwa 10 mm übereinander gebohrt, beide sind etwa 40 mm tief. Das Heizelement wird in das untere Loch und der Pt100-Widerstand in das obere Loch gesteckt. Der Arduino Mega steuert über einen digitalen Ausgang, einen Optokoppler und ein Relais 4 Sekunden lang die Erwärmung des Lötkolbens (über die 12-V-Stromversorgung).
Wenn sich der Lötkolben erhitzt, erwärmt sich auch der Saft des Baumes. Das Safttemperatursignal wird durch den Verstärker MAX 31865 verstärkt und dann vom Mikrocontroller verarbeitet und angezeigt. Wenn der Baum lebt, steigt der wärmere Saft nach oben und erreicht das Widerstandthermometer. Nach vier Sekunden wird die Erwärmung gestoppt, der Saft beginnt abzukühlen und kehrt auf seine normale Temperatur zurück. Der Zyklus wiederholt sich nach 30 Minuten. Bei einem lebenden Baum dauern die Temperatur-„Impulse“ etwa vier Minuten, bei einem trockenen Baum dauert die Rückkehr zur Umgebungstemperatur etwa 10 Minuten.
Um unabhängig zu arbeiten, ist der "Forest Reader" ausgestattet
- einer 10-W-Photovoltaikmodul, Typ CL-SM-10P und
- einem Solarladeregler, Typ BK87455 - 20A, 2xUSB, 12/24V
Der Spannungsregler lädt einen wiederaufladbaren Gel-Akku, Typ UL 7-12 und versorgt gleichzeitig über USB den Arduino Mega mit 5V und das Heizelement mit 12V.
Die Werte der Umweltparameter (Bodenfeuchtigkeit, Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Luftqualität - CO2 + TVOC, Leuchtdichte des Umgebungslichts und Safttemperatur) werden alle 15 Sekunden auf der Flüssigkristallanzeige angezeigt und drahtlos über den ESP 8266 an die Website www.infonature.ro zur Speicherung und Aufzeichnung übertragen.
Für die Programmierung haben wir nur die Open-Source Arduino Software verwendet.
Alle Komponenten sind in einem Kunststoffgehäuse mit der hohen Schutzart IP55 untergebracht, um auch unter rauen Umgebungsbedingungen arbeiten zu können.
"Forest Reader" Blockdiagramm
|
Schaltung |
Pin |
Anbieter |
Interface |
Arduino pin |
|---|---|---|---|---|
|
DF-SEN 0193 |
output |
DFROBOT |
analog |
A6, analog in |
|
DF-SEN0043 |
output |
DFROBOT |
analog |
A7, analog in |
|
DF-SEN0335 |
SCL |
DFROBOT |
I2C |
SCL |
|
SDA |
SDA |
|||
|
LCD-Anzeige LCD2004 20x4 |
SCL |
eBay, Amazon |
I2C |
20/SCL |
|
SDA |
21/ SDA |
|||
|
MAX 31865 |
CS |
Adafruit |
SPI |
9 |
|
SDI |
10 |
|||
|
SDO |
11 |
|||
|
CLK |
12 |
|||
|
ESP 8266 |
Rx |
|
UART |
18 |
|
Tx |
19 |
|||
|
Optokoppler Modul |
1 2 |
|
- |
V+ 7 |
Die vom Forest Reader gemessenen Daten werden auf einer Flüssigkristallanzeige mit 4 Zeilen zu je 20 Zeichen angezeigt und auf einer Speicherkarte mit einer Kapazität von 8 Gigabyte gespeichert.
Zwei Beispiele für Graphen
Die Schüler*innen können eine Reihe von Diagrammen erstellen, um die Daten zu interpretieren. Hier sind zwei Beispiele. In Abbildung 15 sieht man die Folgen eines umweltverschmutzenden Autos, das in der Nähe eines Baumes vorbeifährt: Der TVOC-Wert steigt gleichzeitig mit der CO2-Konzentration.
In der nächsten Abbildung ist zu erkennen, dass die steigende Beleuchtungsstärke dazu führt, dass die Lufttemperatur im Laufe des Tages von 6 °C auf 17 °C ansteigt, was wiederum die Saftgrundtemperatur im Stamm beeinflusst. Im gleichen Zeitraum variiert die Saftgrundtemperatur zwischen etwa 7 °C und etwa 11 °C. Beachten Sie, dass die Safttemperatur durch das Heizelement des Sensors steigt und dadurch kurzfristige Temperaturanstiege entstehen.
Auf der Grundlage der vom Forest Reader gemessenen Daten und durch die Festlegung von Minimal- und Maximalwerten der gemessenen Parameter in Übereinstimmung mit den spezifischen Bedingungen der Umgebung, in der er sich befindet, können eine Reihe von Entscheidungen getroffen werden, z. B. die Auslösung von Alarmen im Falle von:
- Trockenheit (Lufttemperatur ≥ 40 °C und Bodenfeuchtigkeit ≤ 30 %)
- Feuer (Lufttemperatur ≥ 40 °C, hohe CO2-Konzentration)
- Luftverschmutzung (TVOC und hohe CO2-Konzentration)
- Überschwemmungen (Bodenfeuchtigkeit ≥ 90%)
- Absterben von Bäumen
Die verwendeten Sensoren gehören zur neuesten Generation und verbrauchen wenig Energie, um den Einfluss der Umweltbedingungen auf die langfristige Entwicklung des Baumes zu untersuchen.
Die Solarzelle ist auf einer Halterung montiert, die horizontal verstellbar ist und in der Vertikalen eine variable Neigung aufweist, um das bestmögliche Sonnenlicht einzufangen. Die Halterung wird mit zwei Stahlbändern und Schrauben am Baum befestigt.
Aufgrund der rauen Betriebsbedingungen im Freien über weite Temperatur- und Feuchtigkeitsbereiche sind alle elektronischen Baugruppen in einem witterungsbeständigen Kunststoffgehäuse mit der mechanischen Schutzart IP 55 untergebracht.
Der Forest Reader ist ein sehr nützliches Instrument für alle, die sich für den Schutz der Natur, der Bäume in Wäldern oder städtischen Parks interessieren und die in einer sauberen Umwelt ohne Umweltverschmutzung leben wollen.
Schlussfolgerungen
Die von den Mitgliedern der Projektgruppe gewählte Lösung ist einzigartig und innovativ in Bezug auf:
- die Verwendung von Sensoren der letzten Generation mit geringem Energieverbrauch
- die Verwendung eines originalen Saftsensors
- die große Zahl der gemessenen und überwachten Parameter
- die hohe Speicherkapazität der Messdaten auf der Website
Sie sollten beachten, dass das Gerät mobil ist und in städtischen Parks oder Wäldern, aber auch an abgelegenen Orten und in rauen Umgebungen eingesetzt werden kann.
Der "Forest Reader" ist unabhängig vom öffentlichen Stromnetz und kann leicht in Umweltüberwachungssysteme integriert werden, ohne dass dafür zusätzliche Kosten anfallen.
Schulen aus verschiedenen Ländern/Gebieten könnten solche Geräte bauen, bei der Überwachung der Bäume zusammenarbeiten und ihre Ergebnisse austauschen und vergleichen. Alle Daten könnten in einer Datenbank oder auf einer zu diesem Zweck eingerichteten Website gesammelt werden.
Weiterhin könnten die Schulen ihre Ergebnisse auf ihren Schulwebseiten veröffentlichen, um Außenstehende zu informieren und aufzuklären. In einer intelligenten Stadt kann die Luftqualität nur durch das Vorhandensein einer angemessenen grünen Masse, d. h. durch gesunde Bäume, verbessert werden.
Autor*innen von Baumpatenschaft: Astrinos Tsoutsoudakis (GR), Corina Toma (RO), Iro Koliakou (GR)
Links zum Weiterleiten an Ihre Schüler*innen
Gibson, Nancy, et al. Southern Research Station General ... - Climatehubs.usda.gov. July 2021, https://www.climatehubs.usda.gov/sites/default/files/GTR-259_revd_web.pdf
Hao, Zhibin & li, Wenbin & Kan, Jiangming & Jiang, Liyuan & Feng, Chao. (2013). Bioelectricity in Standing Trees - A Potential Energy For Wireless Sensor Networks. TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering. 11. 10.11591/telkomnika.v11i8.3148.
Morat P, Le Mouël JL, Granier A. Electrical potential on a tree. CR Acad Sci. 1994;317: 98–101.
Steve Burgess, Alec Downey - SFM1 Sap Flow Meter manual, v. 5.1, ICT International Pty Ltd Australia, 2018.
David McJannet, Peter Fitch - A flexible and easily constructed heat pulse system for monitoring sap flow in trees, CSIRO Land and Water Technical Report no. 39/04, 2004.
P. Dangare, T. Mhizha, Design, fabrication and calibration of a low-cost smart sap flow measuring system based on ATmega 328/P microcontroller, EAI International Conference for Research, Innovation and Development for Africa, Proceedings, European Union Digital Library, 2018.
Brett Stoddard -Sap Flowmeter Build Guide, Open Lab Projects Archive, 2019.
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