Sensorknoten Netzwerk fürIn Situ-Temperaturerhebung von

Wasseroberflächen in Fließgewässern ∗

Amir Yousefi† Ansgar Taflinski‡ Florentin Neumann‡

Hannes Frey‡

26. August 2014

ZusammenfassungIn diesem Bericht wird der Einsatz von drahtlo-sen Sensornetzen zur Temperaturmessung in Fließ-gewässern untersucht. Es wird Dargestellt inwie-weit solche Netze als Bindeglied zwischen Ferner-kundung und stationären Sensoren eingesetzt wer-den können. Es werden die Anforderungen an Sen-sornetze für die Anwendung Gewässermonitoringermittelt und eine prototypische Realisierung vonNetzknoten für ein solches Sensornetz dargestellt.Als Ergebnis dieser Arbeit werden die Genauigkeitvon Temperaturmessungen mit solchen Sensorkno-ten im Vergleich zu einem Temperaturlogger alsReferenzsystem dargestellt. Die Messungen zeigen,dass eine vergleichsweise gute Messgenauigkeit zugeringen Kosten erreichbar ist. Durch Weiterent-wicklung des hier dargestellten Prototypen steht fürdie Temperaturüberwachung in Gewässern ein viel-versprechendes und kostengünstiges neues Messin-strument zur Verfügung. Dieses kann auf der einenSeite in tieferen Regionen Gewässertemperaturenmessen, als dies mit Fernerkundung möglich ist,und auf der anderen Seite eine höhere räumlicheAuflösung als stationäre Messstationen erreichen.Zusätzlich dienen die Literaturrecherche und dieFormulierung der Kriterien einer Eingrenzung des∗Dieser technische Bericht ist das Ergebnis einer Kooperati-

on der Institute für Integrierte Naturwissenschaften undInformatik der Universität Koblenz-Landau. Das diesemBericht zugrunde liegende Koopertionsprojekt basiert imwesentlichen auf dem Master Abschlussarbeiten der bei-den erstgenannten Autoren. Diese Arbeit soll einen Über-blick über die Themen geben. Details können nach Fer-tigstellung den jeweiligen Master Abschlussarbeiten ent-nommen werden.

†Institut für Integrierte Naturwissenschaften, AbteilungGeographie, Universiät Koblenz-Landau

‡Institut für Informatik, Universität Koblenz-Landau

Anwendungsbereichs für weiterführende Arbeiten.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Anforderungen 3

3 Prototyp 43.1 Auswahl der Komponenten . . . . . 43.2 Hardwareaufbau des Prototypen . . 63.3 Softwareaufbau des Prototypen . . . 6

4 Ergebnis 7

5 Fazit und Ausblick 8

1 Einleitung

Mit zunehmendem technologischem und wissen-schaftlichem Fortschritt entstehen neue Untersu-chungsmethoden für umweltwissenschaftliche Fra-gestellungen. Die Zielsetzungen und Rahmenbedin-gungen der Untersuchungsmethoden richten sichnach dem Anwendungsbereich, in dem die Infor-mationen benötigt werden. Im umweltwissenschaft-lichen Bereich existieren fachliche Themengebiete,die sich inhaltlich überlappen aber nicht vollständigüberdecken. So passiert es, dass Untersuchungsme-thoden einer Fachrichtung zu Ergebnissen und Da-ten führen, die für benachbarte Fachgebiete genutztwerden können. Bei dem Transfer der fachlichen In-formationen muss der Rahmen in dem die Datengeneriert wurden, berücksichtigt werden. Eine zu-verlässige Möglichkeit methodische Unterschiede zu

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erkennen ist der Vergleich ihrer Ergebnisse. Das Re-ferenzieren der Ergebnisse muss durch eine dritteInstanz erfolgen, die unabhängig von den zu be-trachtenden Ergebnissen und ihrer Methoden seinmuss. Um diese Sachlage mit einem realen Beispielaus der praktischen Anwendung zu untermauernwird zuerst die Temperaturerhebung von Fließge-wässern kurz vorgestellt.Im Bereich der Fließgewässerforschung werden

für gewässerchemische und biologische Untersu-chungen Temperaturen erhoben, die für ihrenZweck spezialisiert sind (vgl. [4, 13]). Das me-thodische Vorgehen für Laboruntersuchungen istin diesem Bereich gesetzlich definiert durch ENISO/IEC-17025. In diesem Rahmen sind die Tem-peraturdaten für die Laboranalysen repräsentativ.Neben der Temperatur für Gewässerchemie undBiologie werden Temperaturdaten für Wärmelast-untersuchungen in Fließgewässern benötigt, diefür die Regelung anthropogener Wärmeeinleitun-gen durch Kraftwerke notwendig sind (vgl. [3, 7,8, 11]). Die Temperaturdaten für diesen Zweck ha-ben mehrere Quellen und beziehen sich größtenteilsauf stationäre Erhebungsmethoden oder in situ-Methoden. Gegenwärtige Arbeiten zu diesem The-ma bedienen sich der Methode der thermischen Fer-nerkundung durch Infrarotsensoren, die eine hoheräumliche und zeitliche Auflösung abbilden können(vgl. [5, 23,24]).Beide Bereiche nutzen Temperaturdaten für die

Fließgewässerforschung. Die verschiedenen Metho-den der Temperaturerhebung bieten Anlass füreinen Vergleich der Informationen für die zukünf-tige Kombinations- und Verknüpfungsmöglichkeitder Daten. Es bestehen Fragen bezüglich der Ver-schiedenheit der Ergebnisse durch ihre methodischeErhebung. Fernerkundungsdaten bilden eine großeFläche durch Bildelemente, innerhalb weniger Milli-sekunden ab und erfassen die obersten mikrometerder Wasseroberfläche. Während stationäre Datenaus punktuellen Messungen bestehen, die aus ei-ner Tiefe unterhalb von 50 cm erhoben werden undeinen Mittelwert von ca. 5-15 Minuten abbilden.Hinzu kommt, dass die Repräsentativität der sta-tionären Daten meistens für Zwecke definiert sind,die für eine flächenhafte Messung der Temperaturim Querschnitt und Tiefe nicht zutreffen.Dieser Hintergrund führt zu der Frage, wie beide

Bereiche durch eine unabhängige Referenzmetho-de überprüft und verglichen werden können. Dasist notwendig, um räumliche und zeitliche Anoma-lien als Fehlerquellen zu reduzieren und Unsicher-heitsbereiche zu identifizieren. Somit ist eine Über-gangstechnologie notwendig, die sich in ihrer me-thodischen und technologischen Umsetzung, für die

Betrachtung großer und kleiner Skalen (der räumli-chen und zeitlichen Dimensionen) nach Bedarf va-riieren und modifizieren lässt. Für eine umfassen-de und zukunftsorientierte Lösung sind technischeund methodische Erfindungen notwendig, die so-wohl inter- als auch transdisziplinäre Ansätze ver-folgen. Die Ausrichtung und Abstimmung der ein-zusetzenden Messtechnologie spielt hier eine zentra-le Rolle für die Ergebnisse über dynamische Tem-peraturverteilungen in Fließgewässern.Einen technologischen Lösungsansatz für dieses

Problem bieten drahtlose Sensornetzwerke (engl.Wireless Sensor Networks, kurz WSN ). Für ei-ne ausführliche Betrachtung von drahtlosen Sen-sornetzen empfehlen wir die Lehrbücher [20] und[10]. Nach Karl et al. [10, S.4 ff.] werden drahtlo-se Sensornetzwerke für Umweltüberwachungen aufFestland- und Unterwasserzonen eingesetzt. DieÜberwachungsstrategien können simple Ereigniss-warnungen, periodische Messungen, Tracking (zudeutsch: Verfolgen) und Kombinationen der ge-nannten Strategien sein. Anhand der Möglichkei-ten, die Sensorknoten-Netzwerke eröffnen, soll indieser Arbeit der Einsatz dieser Technologie fürden oben genannten Anwendungsbereich unter-sucht werden. Doch bevor das geschehen kann,muss der Anwendungsbereich durch Kriterien de-finiert werden, um eine optimale Konfiguration derSensorknoten zu gewährleisten.Bestehende Arbeiten zu diesem Thema bestäti-

gen die Stoßrichtung und reduzieren die experimen-tellen Voruntersuchungen auf einen Mindestmaß.

Verwandte Arbeiten

Nah an der Wasseroberfläche betriebene drahtloseSensornetze stehen im Fokus mehrerer Publikatio-nen aus den letzten Jahren. Zur Verwendung draht-loser Sensornetze für die Erkundung von Binnen-gewässern existieren jedoch nur sehr wenige Pu-blikationen [9]. Nach unserem Kenntnisstand gibtes bis heute nur eine Publikationen die sich spezi-ell mit Fließgewässern auseinandersetzt [21]. Veröf-fentlichungen finden sich besonders in den Anwen-dungsbereichen Ozeanographie [2, 12, 14, 18] (vgl.hierzu auch den Übersichtsartikel in [1]) und Was-serqualitätsmanagement [15–17,22].Die oben genannten Veröffentlichungen lassen

sich nach der Herangehensweise in verschiedeneGruppen einordnen: Einige Arbeiten befassen sichmit dem Design hoch präziser Sensoren für wissen-schaftliche Messungen verschiedener Größen, wiePhosphatkonzentration [15], pH-Wert, elektrischeLeitfähigkeit, Sauerstoffgehalt [16] und Dichte [2].Die entwickelten Sensoren sind i.d.R. sehr teuer.

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Obwohl in [16] Kosteneffizienz als Entwicklungszielgenannt wird, liegt der Stückpreis für die vorgestell-ten Sensoren bei $ 1040.In einer zweiten Gruppe von Veröffentlichungen

werden Systeme vorgestellt, die auf handelsüblichenHardwarekomponenten basieren [9,17,22], oder so-gar auf käuflichen Sensorknotenplattformen beru-hen [12, 14]. In den Arbeiten [9, 22] werden Syste-me beschrieben, die auf Bojen befestigt bzw. selbstals befestigte Boje eingesetzt werden können. Ra-sin [17] stellt hingegen den Aufbau der Systeme inden Mittelpunkt und beschäftigt sich mit Proble-men wie der Kompatibilität von Sensoren und beider Entwicklung von zugehöriger Software auftre-tenden Fragestellungen.Unter Betrachtung der Entwicklungsziele unse-

rer Arbeit liegen die folgenden zwei Ansätze unse-rer Forschung am nächsten: Im Rahmen des For-schungsprojekts floating sensor networks for riverstudies der Berkeley University [21], wurden freischwimmende und drahtlos vernetzte Sensorknotenentwickelt. Diese als Drifters bezeichneten Einhei-ten nehmen lokale Messungen vor und zeichnen dieMessungen über den Strömungsverlauf auf. Andersals unsere Sensorknoten, kann die Bewegung derDrifters im Wasser mittels eines Propellersystemsaktiv beeinflusst werden. Letzteres mach das Sys-tem jedoch komplex und teuer.Ebenfalls frei schwimmende, jedoch am Meeres-

boden befestigte, Sensoren werden in dem ProjektOceanSense [12,14] eingesetzt. Die eingesetzten Te-los B-Sensorknoten sind an dem Ende eines ausdem Wasser ragenden Stabs befestigt, der mittelsSchwimmkörpern aus Kunststoffschaum in mitt-lerer Höhe und Gewichten am unteren Ende sta-bil aufrecht schwimmt. Die in 150 cm oberhalb derWasseroberfläche angebrachten Sensorknoten wer-den eingesetzt, um die Wassertiefe zu bestimmen[12]. Die verwendete Konstruktion scheint für diehier vorliegenden Ziele, d.h. Einsatz als frei beweg-licher, nicht fixierter Schwimmer, jedoch zu instabilzu sein.

2 Anforderungen

Die Anforderungen an die Konfiguration der Sen-sorknoten und die Netzwerkarchitektur ergebensich aus den Kriterien des Anwendungsbereiches.In diesem Fall ist der Einsatz auf der Wasserober-fläche von Fließgewässern vorgesehen. Die Wasser-temperatur soll in einem Bereich von 0,01 C un-tersucht werden. Die Temperaturdaten der Sensor-knoten müssen zeitlich synchronisiert sein und einerräumlichen Position zugeordnet werden. Die zeit-

liche Auflösung der räumlichen Wassertemperatur-daten soll mindestens 1 Sekunde pro Zeitschritt be-tragen. Die räumliche Position soll mit GPS ermit-telt werden.Weitere Bedingungen, die als übergeordneter

Rahmen erfüllt sein müssen sind flexible Einsatz-möglichkeiten für verschiedene Untersuchungsge-biete. Diese Kriterien sehen eine einfache und zu-verlässige technische Konstruktion vor. Die Anwen-dung soll prinzipiell für jeden möglich sein, der sichmit diesem Thema intensiv beschäftigen möchte (fi-nanzielle und technische Kriterien sollen keine un-überwindbaren Grenzen darstellen). Die Kosten derKomponenten sollen minimal gehalten werden. Ins-besondere sollten die Stückkosten pro Knoten der-art sein, dass es möglich bleibt wenigstens dutzen-de Knoten herzustellen und zu betreiben. Zudemsollen die technischen Grundlagen simpel und miteinfachen Voraussetzungen realisierbar sein. Des-halb müssen die Hardware Komponenten weltweitverfügbar und in einem angemessen Kostenrahmenliegen. Für einfache Handhabbarkeit und Trans-portmöglichkeiten sind Größe und Gewicht weitereKriterien. Insgesamt sollte ein Sensorknoten gerin-ges Gewicht und kleine Größe haben. Ein modula-rer Aufbau soll eine Erweiterung gewährleisten undzukünftige Weiterentwicklung vereinfachen. Nebenden Hardwarekomponenten muss die Software welt-weit kostenfrei und im Quellcode verfügbar sein.Eine weitere Grenze bildet der Energieverbrauch

für die Messung der Temperatur und Übertra-gung der Daten zu einer Datensenke. Die Daten-übertragung über sehr große Strecken erfordertviel Energie und setzt leistungsfähige Akkumulato-ren voraus. Es wird aus Energiegründen von Live-Datenübertragungen über große Distanzen abgese-hen. Stattdessen sollen die Sensorknoten miteinan-der Kommunizieren und ihre Daten über ein in-ternes Netzwerk übermitteln. Dadurch werden dieSensorknoten zu Sendern und Empfängern. An ei-ner Datensenke sollen die Informationen phasen-weise abgerufen werden, sodass in kurzen Zeitab-ständen zeitnahe Umweltparameter zur Verfügungstehen. Aufwendige und stationäre Netzwerkinfra-strukturen sollten vermieden werden. Im Folgendenbeschränken sich die Kriterien auf den Sensor, dieSchnittstellen, sowie Parameter die gemessen undübertragen werden sollen.

• Kriterien für den Temperatursensor:

– Kompatibilität mit dem Microcontrollerdes Sensorknotens und den anderen Kom-ponenten;

– Geeignet für den Einsatz im Wasser;

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– Ansprechzeit im Wasser unter 1s;

– Messgenauigkeit +/- 0,4 C und besser;

– Normiert nach einem internationalenStandard.

– Kommerziell erhältlich (und ggf. ingroßen Stückzahlen produzierbar);

• Kriterien für die Datenübertragung:

– Drahtlose Datenübertragung;

– Normiert nach einem internationalenStandard.

• Kriterien für die Parameter/Datentupel:

– Positionsdaten

– Messwerte

– Zeitstempel

Studien zu dem Gehäuse sind nicht Gegenstanddieser Arbeit. Eine Vorarbeit hierzu ist gegebendurch [21]. Es sind hierzu zusätzliche Untersuchun-gen notwendig, die im Bereich der Materialfor-schung liegen. Eine Auseinandersetzung mit diesemThema würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen.

3 Prototyp

Zur Erprobung der WSN-gestützten in situ Mes-sungen haben wir anhand der im Abschnitt 2 ermit-telten Anforderungen einen Prototypen entwickelt.Die Kosten für die Summe der Teile belaufen sichauf 117e (siehe Tabelle 1). Die Auswahl der Hard-

Komponente Kosten

TelosB WSN-Knoten 70 ePt1000 Class A Sensor 14 eGPS-Bee GPS Sensor 28 eFrischhaltedose 3 eKleinteile 2 e

Summe 117 e

Tabelle 1: Kostentabelle für die verwendetenHardwarekomponenten

warekomponenten, Aufbau und die Anforderungenan die Software sind in den folgenden Abschnittenbeschrieben.

3.1 Auswahl der Komponenten

Aus technischer Sicht lassen sich die in Kapitel 2genannten Anforderungen hinsichtlich ihrer Umset-zung aufteilen: In eine Gruppe von Anforderun-gen die bei der Zusammenstellung der Hardwareberücksichtigt werden müssen und in eine Grup-pe von Anforderungen die durch Software umge-setzt werden können. Anforderungen, die die Aus-wahl der Hardwarekomponenten maßgeblich beein-flussen, sind:

• Messung der Wassertemperatur mit definierterGenauigkeit

• Ermittlung der Position eines Sensorknotens

• drahtlose Kommunikation für die Übermitt-lung der aufgezeichneten Daten

Als zentrale Einheit, die sämtliche Sensoren undSchnittstellen verwaltet, werden in der Regel WSNMicocontrollerbasierte Plattformen eingesetzt. DieVerwendung von Microcontrollern bietet eine hoheEnergieeffizienz und stellt dabei noch ausreichendLeistung für die Speicherung und Weitergabe derzu erhebenden Werte bereit.

WSN-Knoten

Basisplattformen für WSN-Knoten sind in der Re-gel mit einem Mikrocontroller, einem Funkchip, ei-nem persistenten (Flash-) Speicher und ggf. einerGrundausstattung an Sensoren ausgerüstet. Basis-plattformen für WSN-Knoten sind in der Grund-ausstattung fertig käuflich, sie können aber auchindividuell zusammengestellt werden. Beispielswei-se die weit verbreiteten Arduino MicrocontrollerBoards bieten mit ihrem Vielfältigen Zubehör ei-ne Basis, um WSN-Plattformen aufzubauen.Der Aufbau einer Basisplattform aus Einzelkom-

ponenten stellt preislich eine günstige Alternativezu kompletten Sensorknotenplattformen dar. DieAbhängigkeit von der Verfügbarkeit vieler Einzel-komponenten erschwert jedoch die lokale Repro-duktion für Projekte außerhalb der westlichen In-dustrieländer. Für die Entwicklung der Softwareergibt sich aus der individuellen Zusammenstel-lung der jeweils günstigen Hardwarekomponentenzudem die Schwierigkeit, die jeweils verwendetenKomponenten einzeln berücksichtigen zu müssen.Die Verwendung von Entwicklungsumgebungen fürWSN-Knoten, die i.d.R. Unterstützung für die ver-breiteten Sensorknotenplattformen bieten, werdenbei der Verwendung eigener Plattformen ausge-schlossen. Umfassende Entwicklungsumgebungen,

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die für die Softwareentwicklungen eine Abstrakti-onsschicht zur Hardware bilden sind z.B. TinyOS 1

oder Contiki OS2.Das Angebot an (Hardware-)Plattformen für

WSN ist vielfältig, hinsichtlich der Prozessorleis-tung, der persistenten Speicherkapazität, der Größedes Arbeitsspeichers, Funkschnittstelle, sowie derSchnittstellen zur Anbindung weiterer Sensoren.Auf der einen Seite existieren Plattformen wie

der Waspmote3 vom Hersteller libelium: Zusätzlichzu der Sensorknotenplattform bietet der Herstel-ler Erweiterungen wie zusätzliche Sensoren, GPS-Erweiterungen, SIM-Karten-Adapter, etc. an. Füreine Erweiterung der Plattform um einen Sensorexistiert für jede vorgesehene Erweiterung genauein Produkt des Herstellers. Das vom Hersteller be-reitgestellte API ist quelloffen, aber auf diese Hard-wareplattform beschränkt. Der Preis für eine Basis-platine mit Funkchip und Microcontroller liegt jenach Funkfrequenz und Antenne zwischen 250US $und 285US $.Die von der Univerity of California, Berkeley un-

ter dem Namen Telos B entwickelte Spezifikati-on eines WSN-Knotens ist unter freier Lizenz öf-fentlich4. Der Telos B verwendet einen Microcon-troller der verbreiteten MSP430 -Familie von Te-xas Instruments als Hauptprozessor, ist mit ei-ner IEEE802.15.4 kompatiblen Funkschnittstelle(2.4GHz Band) ausgestattet und bietet neben1024 kB persistentem Speicher auch die Möglichkeitweitere analoge und digitale Sensoren anzubinden.Der A/D-Wandler hat eine Auflösung von 12Bitund kann über separate Kanäle bis zu acht analogeSensoren auslesen. Nach der Telos B-Spezifikationentwickelte WSN-Knoten sind von mehreren Her-stellern verfügbar. Der Verkaufspreis eines Telos BKnotens liegt bei ca. 70e.

Temperatursensoren

Die Basisplattform wird für die Temperaturmes-sungen um einen Temperaturfühler erweitert. Tem-peraturfühler gibt es in grundsätzlich verschiede-nen Ausführungen: Die meisten Temperaturfühlersind Widerstandsthermometer, die bei Änderungder Temperatur den Ohm’schen Widerstand än-dern. Widerstandsthermometer können von WSN-Knoten an analogen Eingängen mit Spannungs-

1Projekt-Webseite, gesehen am 13. Mai 2014:http://tinyos.net/

2Projekt-Webseite, gesehen am 13. Mai 2014:http://contiki-os.org/

3Webseite von libelium, gesehen am 16. August 2014: http://www.libelium.com/products/waspmote/

4TelosB-Datenblatt, gesehen am 5. Mai 2014:http://www.willow.co.uk/TelosB_Datasheet.pdf

teiler -Schaltungen verwendet werden. Die tatsäch-liche Messauflösung ist abhängig von der Auflö-sung des A/D-Wandlers und dem am Spannungs-teiler abfallenden Spannungsunterschied zwischenoberer und unterer Grenztemperatur des Messbe-reichs. Mit Hilfe eines Operationsverstärkers kanndie Messauflösung an die Eigenschaften des A/DWandlers angepasst werden. Neben den analogenWiderstandsthermometer sind vollständige Sensor-einheiten verbreitet, die über eine serielle, digitaleSchnittstelle an den WSN-Knoten angebunden wer-den können. Diese Temperatursensoren sind Wider-standsthermometer, die mit A/D-Wandler und ei-ner seriellen Schnittstelle wie UART oder I2C aus-gestattet sind.Für die Ausstattung des WSN-Knotens fiel die

Wahl auf einen analoges Widerstandsthermome-ter. Gemäß der Anforderungen soll Hardware zumEinsatz kommen, die weltweit preisgünstig verfüg-bar ist. Die Verwendung eines analogen Wider-standsthermometers erlaubt die Verwendung einesfast beliebigen Sensors mit geringfügigen Anpas-sungen der Software (Interpretation der Messwerte;Messdauer und -spannung). Der verwendete Sensorist ein Platinthermometer mit einem Widerstandvon 1 kΩ bei 0C. Die Temperatur-Widerstands-Zuordnung, die Toleranz und das Ansprechverhal-ten sind in der Norm DIN EN 60751 festgelegt. Einsolcher Sensor vom Typ Pt-1000 ist schon für ca.14e zu beziehen. Für eine erste Erprobung wirdder Sensor mit einem Spannungsteiler am A/D-Wandler gelesen, für präzisere Messungen kann einOperationsverstärker dazwischengeschaltet werden.

GPS-Sensoren

Das US-amerikanische Global Positioning Systemist ein die Erde umfassendes Netz geostationärerSatelliten, deren ausgesandte Signale zur Positi-onsbestimmung genutzt werden. Gegenüber ande-ren Satellitengestützten Navigationssystemen sindGPS-Empfänger annähernd weltweit verfügbar.Der eingesetzte GPS-Empfänger sollte hinsichtlichBetriebs- und UART-Spannung auf den Telos BKnoten abgestimmt sein (verwendbar im Span-nungsbereich zwischen 3,6V und 2,7V), so dass ei-ne gemeinsame Spannungsversorgung möglich ist.Die Auswahl potentieller Chips ist durch preisli-che Vorgaben und den vorgegebenen Arbeitsspan-nungsbereich stark eingeschränkt. Mit genau pas-sendem Arbeitsspannungsbereich fanden wir nurden “GPS-Bee” des Herstellers Seeedstudio. Beidem ca. 28e teuren GPS-Modul handelt es sichum Zubehör für gängige Microcontrollerplattfor-men. Die Übermittlung der Positions- und Zeit-

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daten erfolgt nach dem NMEA-Protokoll (in derVersion NMEA-0183). Der GPS Chip ist unter Be-achtung der UART-Spannung gegen einen anderenGPS-Empfänger austauschbar, da der Datenflussbei GPS-Empfängern durch das NMEA-Protokollfestgelegt ist.

3.2 Hardwareaufbau des Prototypen

Die in Abschnitt 3.1 ausgewählten Sensorenwerden mit der Basisplattform verbunden: DasWiderstandsthermometer Pt-1000 wird in einerSpannungsteiler-Schaltung an den A/D-Wandlerangebunden. Der GPS-Chip wird über die UARTSchnittstelle, eine serielle Basisschnittstelle an dieKomponenten des TelosB Knotens angeschlossen.

Abbildung 1: Der Prototyp in Einzelteilen

Abbildung 2: Fertiger Prototyp

Für die Betrachtung der Hardwarearchitektur er-gibt sich für unseren nun ausgestatteten Sensorkno-ten das in Abbildung 3 dargestellte Bild.

MSP430F1611

ST M25P801M Flash Memory

CC2420802.15.4 compliant

2.4 GHz radio

GPS-Bee50 channel GPS

Pt1000Platinum resistance-

thermometer

SPI

SPI

UART

UARTUSB interface

ADC

Abbildung 3: Hardwarearchitektur des Prototypen

Um die Wartbarkeit der WSN-Knoten zu verbes-sern, ist die externe Peripherie über eine kleine Pla-tine Angeschlossen. Auf der Platine werden die Pinsder zehnpoligen Doppelstiftleiste auf dem Sensor-knoten verteilt und ohne weitere zugempfindlicheSteckverbindungen mit der Peripherie verbunden(siehe Abbildung 1 und 2).Als Gehäuse wird eine handelsübliche Frischhal-

tedose mit Gummidichtung verwendet, die bei ge-ringem Druck gegen die Dichtung ausreichen Schutzvor Wasser bietet. Der Temperatursensor ist mit Si-likon im Boden des Gehäuses eingesetzt. Die Posi-tion von Telos B und dem GPS-Sensor im Gehäusekann mit Schaumstoff fixiert werden.

3.3 Softwareaufbau des Prototypen

Die auf den WSN-Knoten eingesetzte Software ba-siert auf dem Betriebssystem TinyOS. TinyOS er-laubt das ereignisbasierte Ausführen von Code undermöglicht, Hardware, so lange gerade nicht auf siezugegriffen wird, in energieeffiziente Schlafzuständezu versetzen. Der Umfang von Software für WSN-Knoten ist in diesem Fall schon durch die Hardwa-re begrenzt. So stehen dem Prozessor des Telos BKnotens lediglich 48 kB Flash Speicher zur Spei-cherung von Programmen zur Verfügung, der mit10 kB bemessene Arbeitsspeicher schränkt die Men-ge im Speicher vorgehaltener Datensätze ein. Durchdiese Einschränkungen ist eine Beschränkung auf

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0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

T°C

re

lati

v

Zeitschritte in 5 Sekunden Abständen

Messanpassung von Sensorknoten Pt-1000 und TinyTag Typ 4017

Sensorknoten

TinyTag

Abbildung 4: Vergleichsmessung/Messanpassung zwischen Sensorknoten-Prototypen und einem TinyTagPlus 2 Logger Typ 4017

die notwendigen Funktionalitäten geboten. Auf denSensorknoten werden ausschließlich die Funktiona-litäten implementiert, die nicht in der Nachbear-beitung der gesammelten Daten ausgeführt werdenkönnen. Für die Ausführung auf dem Sensorknotenverbleibende Aufgaben sind somit:

• Initialisierungsphase

– Synchronisation Uhr mit einer Referenz-uhr im WSN

– Warten auf stabile Positionsbestimmung(GPS-Fix)

• Datenerhebung

– Ausgelöst durch ein Timer-Ereignis (In-tervall einstellbar)

– Abfragen des am analogen Eingang ange-schlossenen Temperatursensors

– Zeitstempel

– Letzte GPS Position

– Speicherung des Datensatzes im persis-tenten Speicher bzw. Übermittlung viaFunk

• Datenübermittlung

– Übermittlung der Datensätze an eine Da-tensenke

– Routing nach dem Collection Tree Proto-col (CTP) [6]

Die Datensenke speichert die empfangenen Da-tensätze in einer Datenbank. Zur Darstellung dienteine browserbasierte Benutzeroberfläche, durch diedie erhobenen Daten visualisiert werden. Die Be-nutzeroberfläche kann die rohen Sensorwerte mitzu den eingesetzten Sensoren passenden Tempera-turfunktionen als Temperaturwerte darstellen.

4 Ergebnis

Anhand der im Vorfeld genannten Kriterien wurdenKomponenten ausgewählt und ein Prototyp (sieheKapitel 3) gebaut. Die Kosten der gesamten Kon-figuration für einen Sensorknoten liegen etwa bei117e. Die Energieversorgung kann mit handelsüb-lichen AA Batterien erfolgen. Der Prototyp wurdemit einem TinyTag Plus 2 Logger (Typ 4017 vonGemini) unter Laborbedingungen verglichen. Dabeiwurden beide Geräte in ein Wasserbad gelegt undmit unterschiedlich temperiertenWassermengen ge-flutet. Das Diagramm 4 zeigt den Verlauf beider

Sensorknoten TinyTag 4017

Min °C 16,1 17,2Max °C 43,0 47,1Standardabw. 10,468 10,238Mittelwert 27,325 27,182

Tabelle 2: Vergleichsmessung/Messanpassungim Labor zwischen Sensorknoten-Prototypen und einem TinyTag Plus2 Logger Typ 4017. Siehe ebenfallsAbbildung 4

Temperaturkurven. Der Prototyp hat eine schnelle-re Ansprechzeit und feinere Auflösung als der Tiny-Tag Plus 2 Logger. Der TinyTag Plus 2 Logger be-sitzt einen 10K NTC Thermistor und ist gegenüberdem Pt-1000 Sensor vom Prototyp ungenauer. DieTabelle 2 und das Diagramm 4 veranschaulichendie Unterschiede. Die gemessenen Mittelwerte derWassertemperatur während der gesamten Messungunterscheiden sich ca. um 0,14°C. Die gemessenenMinimum- und Maximumtemperaturen unterschei-den sich erheblich. Da kein amtlich geeichtes Ther-

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mometer als Referenzmessgerät genutzt wurde sinddie Abweichungen relativ zu bewerten. Für exakteAngaben über die Ansprechzeit und Genauigkeitder des Prototyps sind weitere Versuche notwendig.Der Laborversuch hat gezeigt, dass der Rah-

men für den potenziellen Einsatz in Fließgewässerngewährleistet ist. Anhand des Prototyps könnenzukünftige Konfigurationen zielgerichtet und an-wendungsorientiert erfolgen. Die Erkenntnisse überMaterial-, Energie- und Zeitaufwand dienen zu-künftigen Projekten als Basis. Das Zusammenset-zen der Teile und die Überprüfung der Funktions-fähigkeit nimmt weniger als 1 Stunde Zeit in An-spruch. Die Vorbereitungszeit für den Einsatz unddie Kalibrierung eines Sensorknoten betragen we-nige Stunden.

5 Fazit und Ausblick

Die Temperatur der Wasseroberfläche ist für ge-wässerökologische Untersuchungen, Wärmelastun-tersuchungen und Gewässergüteuntersuchungen imgleichen Maße relevant. Daten über Strömung,Durchmischung, Verteilung von Temperatur undstofflichen Bestandteilen des Wasserkörpers bildendie Grundlage für Modelle, Simulationen und Pro-gnosen (vgl. [7]). Je nach Untersuchungsfrage sindverschiedene Daten mit verschiedenen räumlichenund zeitlichen Auflösungen notwendig. Deshalbwerden im Bereich der Temperaturerhebung dieAnwendungsbereiche der Wärmelastuntersuchungund die Gewässergüteuntersuchung unterschieden.Trotzdem sind ihre Erkenntnisse für eine Synthe-se und Kombination zur Lösung und Beantwor-tung ökosystemarer Problemstellungen notwendig.Damit zukünftige Untersuchungen aus interdiszipli-nären Fachgebieten näher zusammenrücken könnensind die Unterschiede ihrer Ergebnisse anhand ihrerMethoden und technischen Umsetzung zu deuten.Für solche umfassenden Reflexionen ist die Reprä-sentativität der Daten in ihrem Anwendungsbereichzu beachten. Für die Kombination beider Anwen-dungsbereiche sind zusätzliche in situ-Messungenüber den Querschnitt, im Längsverlauf und in dieTiefe des Fließgewässers notwendig. Diese Art derin situ-Messung erfordert den Einsatz von bewegli-chen Methoden.In dieser Arbeit wird der strategische Einsatz von

schwimmenden drahtlosen Sensorknoten als geeig-nete Übergangstechnologie für die Referenzierungvon Fernerkundungsdaten vorgeschlagen und mit-tels Entwicklung eines geeigneten Prototypen un-tersucht. Der entwickelte Prototyp ist dazu in derLage, gemäß den hier ausführlich diskutierten An-

forderungsspezifika, mindestens ein mal pro Sekun-de die aktuelle Zeit, den aktuellen Standort perGPS 5, sowie die zugehörige Wassertemperatur 10-15 cm unterhalb der Wasseroberfläche über einenZeitraum von mehreren Stunden zu datieren. DieStückkosten von 117e erlauben die Produktion ei-ner größeren Anzahl dieser Sensorknoten, um sodie in dieser Arbeit skizzierte Lücke in der Mess-methodik zu schließen. Mittels Zeit- und Ortsinfor-mationen lassen sich zudem Rückschlüsse auf diehydrodynamischen Fließvorgänge eines Fließgewäs-sers ziehen. Durch den Einsatz von kommerziel-len und weltweit verfügbaren Hardwarekomponen-ten wird zudem die Reproduzierbarkeit gewährleis-tet.Aus Persektive des Forschungsgebiets drahtlo-

ser Sensornetze ergibt sich mit dieser Arbeit über-dies ein neues, interdiszipliäres Anwendungs- undForschungsfeld. Zwar existieren bereits Sensornet-ze zum Einsatz auf der Wasseroberfläche jedochverfolgen diese Systeme andere Zielsetzungen, et-wa stationäre Messungen [12, 14] oder es werdenhochpreisige mobile Netzknoten [21] eingesetzt.Aus dieser Arbeit ergeben sich weitere For-

schungsfragen: Zunächst müssen mittels umfang-reicher Feldversuche Daten erhoben werden, umauf dieser Grundlage eine Synthese von Tempe-raturerhebungen zu Wärmelastuntersuchung undGewässergüteuntersuchung vornehmen zu können.Die Untersuchung der oberflächennahen Wasser-bewegung eignet sich weiterhin als Datengrund-lage zum Einsatz in hydrodynamischen Modellenwie QSim [19]. Diese Feldversuche dienen eben-falls zur weiteren Erforschung von Eigenschaftender Kanalqualität drahtloser Kommunikation naheder Wasseroberfläche. Letzteres kann zur Modell-bildung wasseroberflächennaher Drahtloskommuni-kation verwendet werden.

Literatur

[1] Cristina Albaladejo, Pedro Sánchez, AndrésIborra, Fulgencio Soto, Juan A. López, andRoque Torres. Wireless Sensor Networks forOceanographic Monitoring: A Systematic Re-view. Sensors, 10:6948–6968, 2010.

[2] Federico Baronti, Gabriele Fantechi, RobertoRoncella, and Roberto Saletti. Wireless Sen-sor Node for Surface Seawater Density Measu-rements. Sensors, 12:2954–2968, 2012.

5Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts wurde dieStandorterfassung noch nicht getestet.

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[3] BfG. Referat M4 Projekt "Gewässertempera-turen"der Bundesanstalt für Gewässerkunde,2014.

[4] Diehl. Rheingütestation Worms Tätigkeitsbe-richt 2011, Arbeitsbericht Teil 1, 2012.

[5] Katharina Fricke and Björn Baschek. Watersurface temperature profiles for the Rhine Ri-ver derived from Landsat ETM+ data. vo-lume 8887, pages 88870E—-88870E–13, 2013.

[6] Omprakash Gnawali, Rodrigo Fonseca, Ky-le Jamieson, David Moss, and Philip Levis.Collection tree protocol. Proceedings of the7th ACM Conference on Embedded NetworkedSensor Systems - SenSys ’09, page 1, 2009.

[7] ICPR. Estimation of the effects of climatechange scenarios on future Rhine water tempe-rature development Extensive Version. Techni-cal Report 214, International Commission forthe Protection of the Rhine, Koblenz, 2014.

[8] IKSR. Darstellung der Entwicklung der Rhein-wassertemperaturen auf der Basis validier-ter Temperaturmessungen von 1978 bis 2011.Technical report, Internationale Kommissionzum Schutz des Rhein, Koblenz, 2011.

[9] Peng Jiang, Hongbo Xia, Zhiye He, and Zhe-ming Wang. Design of a water environ-ment monitoring system based on wireless sen-sor networks. Sensors, 9(8):6411–34, January2009.

[10] Holger Karl and Andreas Willig. Protocols andArchitectures for Wireless Sensor Networks.Wiley, Chichester, 2005.

[11] LAWA. Grundlagen für die Beurteilung vonKühlwassereinleitungen in Gewässer. Heraus-gegeben von der LänderarbeitsgemeinschaftWasser – Ausgearbeitet von der LAWA-Arbeitsgruppe – Wärmebelastung der Gewäs-ser, 1991.

[12] Kebin Liu, Yunhao Liu, Zheng Yang, Mo Li,Zhongwen Guo, Ying Guo, Feng Hong, Xiao-hui Yang, Yuan He, and Yuan Feng. Ocean-sense. ACM SIGMOBILE Mobile Computingand Communications Review, 14(2):7, Septem-ber 2010.

[13] LUWG. Gewässer-Untersuchungsstationenzur Überwachung der rheinland-pfälzischenFliessgewässer - Technische Stationsbeschrei-bung Stand 1998. Mainz, August 1998.

[14] Mingxing Jiang, Zhongwen Guo, Feng Hong,Yutao Ma, and Hanjiang Luo. OceanSense: Apractical wireless sensor network on the surfaceof the sea. In 2009 IEEE International Confe-rence on Pervasive Computing and Communi-cations, pages 1–5, March 2009.

[15] B O’Flynn, Rafael Martinez-Catala, S. Har-te, C. O’Mathuna, John Cleary, C. Slater,F. Regan, D. Diamond, and Heather Mur-phy. SmartCoast: A Wireless Sensor Networkfor Water Quality Monitoring. In 32nd IE-EE Conference on Local Computer Networks(LCN 2007), pages 815–816. IEEE, October2007.

[16] Aravinda S. Rao, Stephen Marshall, Jaya-vardhana Gubbi, Marimuthu Palaniswami, Ri-chard Sinnott, and Vincent Pettigrovet. De-sign of low-cost autonomous water quality mo-nitoring system. In 2013 International Confe-rence on Advances in Computing, Communi-cations and Informatics (ICACCI), pages 14–19, August 2013.

[17] Zulhani Rasin and Mohd Rizal Abdullah. Wa-ter Quality Monitoring System Using ZigbeeBased Wireless Sensor Network. Interna-tional Journal of Engineering & Technology,9(10):14–18, 2009.

[18] Frank Reichenbach, Matthias H, and DirkTimmermann. Monitoring the Ocean Envi-ronment with Large-Area Wireless Sensor Net-works. Technical report, Rostock University,Rostock.

[19] Andreas Schöl and Volker Kirchesch. QSim –das Gewässergütemodell der BfG. Ein Instru-ment zur Simulation und Prognose des Stoff-haushalts und der Planktondynamik in Flüs-sen. In: Hydro-ökologische Modellierungen undihre Anwendungen. 1. Ökologisches Kol- loqui-um am 14./15. Februar 2012 in Kob, 2012.

[20] Ivan Stojmenovic. Handbook of sensor net-works. algorithms and architectures. Wiley se-ries on parallel and distributed computing. Wi-ley, Hoboken, 2005.

[21] Andrew Tinka, Mohammad Rafiee, and Alex-andre M. Bayen. Floating Sensor Network forRiver Studies. IEEE System Journal, 7, 2013.

[22] Ji Wang, Xiao-li Ren, Yu-li Shen, and Shuang-yin Liu. A Remote Wireless Sensor Networks

9

for Water Quality Monitoring. In 2010 In-ternational Conference on Innovative Com-puting and Communication and 2010 Asia-Pacific Conference on Information Technologyand Ocean Engineering, pages 7–12, 2010.

[23] Watershed-Science-Inc. Airborne Thermal In-frared Remote Sensing Palouse River Basin,WA/ID. Technical report, 2006.

[24] Watershed-Science-Inc. Airborne Thermal In-frared Remote Sensing Anchor River Basin,Alaska. Technical report, 2010.

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