BODEN FEUCHTE

Die Erfindung betrifft ein Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem mit einer Sensoreinheit und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der von der Sensoreinheit gelieferten Messsignale, sowie ein Verfahren zur Waldbrandfrüherkennung und/oder Waldbrandgefahrenanalyse.

Stand der Technik

Systeme zur Früherkennung von Waldbränden sind bekannt. Dazu wird das zu überwachende Areal mittels Sensoren überwacht. Diese Sensoren sind z.B. drehbare Kameras, die jedoch den Nachteil aufweisen, dass sie in der Nacht weniger effektiv sind. Eine Überwachung mittels einer in einem Satelliten verbaute IR-Kamera aus einem hohen Orbit weist den Nachteil auf, dass der Satellit nicht geostationär ist, für einen Umlauf also eine gewisse Zeit benötigt, in der das Areal nicht überwacht wird. Ein Satellit ist außerdem teuer in Anschaffung, Unterhalt und insbesondere beim Start des Satelliten. Eine Überwachung durch Minisatelliten in einem niedrigen Orbit benötigt üblicherweise eine Mehrzahl von Satelliten, deren Start ebenfalls kostenintensiv ist. Eine Überwachung durch Satelliten ist außerdem während des Starts mit einem hohen Kohlendioxid-Ausstoß verbunden. Sinnvoller ist eine Überwachung des Areals mittels einer Mehrzahl preiswerter, in Serie herstellbarer Sensoren, die mittels optischer Rauchdetektion und/oder Gasdetektion arbeiten. Die Sensoren werden im Areal verteilt angeordnet und liefern über Funkverbindung Daten an eine Basisstation.

Ein derartiges System zur Früherkennung von Waldbränden wird in der Schrift US 2008/0309502 A1 vorgestellt. Dabei wird liefert ein Sensor bei Feueralarm Informationen an ein nahegelegenes Control-Terminal, das dann einen Alarm mittels eines Langreichweiten- Funkfrequenz-Signals auslöst. Dieses System weist den Nachteil auf, dass das Control- Terminal den Alarm auslöst und dazu übereine leistungsfähige RF-Einheit verfügen muss. Die Sensoren benötigen eine GPS-Einheit, die ständig ein Signal an das Control-Terminal sendet, der Stromverbrauch der Sensoren ist daher hoch, die Lebensdauer der Energiequellen (Batterien) der Sensoren begrenzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem bereitzustellen, das zuverlässig arbeitet, beliebig erweiterbar ist sowie kostengünstig in Installation und Unterhalt ist. Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Waldbrandfrüherkennung und/oder Waldbrandgefahrenanalyse bereitzustellen, das zuverlässig arbeitet, beliebig erweiterbar ist sowie kostengünstig in Installation und Unterhalt ist. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerät bereitzustellen, das zuverlässig und ausreichend genau arbeitet sowie kostengünstig in Installation und Unterhalt ist.

Die genannte Aufgabe wird mittels des Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystems gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den nachfolgenden Unteransprüchen dargelegt.

Das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalysesystem weist eine Sensoreinheit und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von der Sensoreinheit gelieferten Messsignale auf. Die Waldbrandgefahr wird im internationalen Standard mittels eines einheitlichen Warnstufenmodells mit den Stufen 1-5 klassifiziert. In Deutschland zum Beispiel wird die Waldbrandgefahr mittels des Waldbrandgefahrenindex WBI eingeordnet. Dabei werden neben atmosphärischen Bedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit auch die Feuchte von Pflanzen und/oder dem Erdboden einbezogen. Während trockener Waldbodenbewuchs die Brandgefahr erhöht, wirkt grüne Vegetation gefährdungsmindernd. Die Warnstufen dienen vor allem der Prävention von Waldbränden. Unter der Auswertevorrichtung zur Auswertung der von der Sensoreinheit gelieferten Messsignale wird zumindest eine Vorrichtung verstanden, die einen Informationseingang zur Annahme der Messsignale der Sensoreinheit, eine Informationsverarbeitungseinheit zur Bearbeitung, insbesondere Auswertung der angenommenen Messsignale, sowie eine Informationsausgabe zur Weitergabe der bearbeiteten und/oder ausgewerteten Messsignale aufweist. Vorteilhaft weist die Auswerteeinheit Komponenten auf, die zumindest einen Prozessor, einen Speicher und ein Betriebsprogramm mit Auswerte- und Berechnungsroutinen umfassen. Insbesondere können die elektronischen Bauteile der Auswertevorrichtung auf einer Platine (Leiterplatte) angeordnet sein, bevorzugt auf einer gemeinsamen Platine mit einer Steuervorrichtung, besonders bevorzugt in Form eines Mikrokontrollers.

Außerdem können die Steuervorrichtung und die Auswerte Vorrichtung besonders bevorzugt auch als ein einzelnes Bauteil ausgeführt sein. Die Auswertevorrichtung ist vorgesehen, die von der Sensoreinheit erhaltenen Messsignale auszuwerten und daraus zumindest einen Messwert von einer Probe zu bestimmen. Außerdem kann die Auswerte- und/oder die Sensoreinheit gespeicherte Korrektur- und/oder Kalibriertabellen aufweisen, die es erlauben, Auswerteergebnisse zu interpretieren und/oder umzurechnen und/oder zu inter- und/oder extrapolieren sowie Sensoreinheit und Auswertevorrichtung zu kalibrieren.

Erfindungsgemäß weist die Sensoreinheit eine Signalquelle zur Abgabe eines Signals auf. Die Signalquelle ist dafür vorgesehen und geeignet, ein Signal in einen nahegelegenen Probekörper einzuleiten. Der Abstand Signalquelle - Probekörper beträgt dabei 0 Zentimeter, d.h. Signalquelle und Probekörper berühren sich, bis maximal 10 Meter. Die Signalquelle kann ein Signal kontinuierlich abgeben, bevorzugt ist jedoch eine Abgabe von Signalen in Intervallen.

Erfindungsgemäß weist die Sensoreinheit eine Detektoreinheit zur Detektion eines Signals auf. Die Detektoreinheit ist dafür vorgesehen und geeignet, ein Signal aus einem nahegelegenen Probekörper zu detektieren. Der Abstand Detektoreinheit - Probekörper beträgt dabei 0 Zentimeter, d.h. Detektoreinheit und Probekörper berühren sich, bis maximal 10 Meter. Die Signalquelle kann eine Detektoreinheit kontinuierlich detektieren, bevorzugt ist jedoch eine Detektion von Signalen in Intervallen.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist das Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem neben der Sensoreinheit eine von der Sensoreinheit unabhängige Kommunikationseinheit auf. Mittels der Kommunikationseinheit werden Mitteilungen, insbesondere Messdaten, als Datenpaket drahtlos mittels einer Single-Hop- Verbindung und/oder einer Multi-Hop-Verbindung versendet.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoreinheit einen Gas- und/oder Temperatursensor auf. Ein Waldbrand erzeugt neben starker Rauchbildung eine Vielzahl von Gasen, insbesondere Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Art und Konzentration dieser Gase sind bei einem Waldbrand charakteristisch und lassen sich mittels geeigneter Sensoren detektieren und analysieren. Die von der Sensoreinheit erfassten Signale werden hinsichtlich der Konzentration der Zusammensetzung der Gase analysiert. Bei Überschreiten einer Konzentration der Gase wird ein Waldbrand detektiert.

Außerdem wird die Temperatur der Gase analysiert. Neben Art und Konzentration der bei einem Waldbrand entstehenden Gase ist deren Temperatur ein Indikator für einen Waldbrand. In Kombination der analysierten Konzentrationen der Zusammensetzung der Gase und/oder aus den analysierten Temperaturen wird auf das Entstehen und/oder Vorhandensein eines Waldbrandes geschlossen. Art, Zusammensetzung und Temperatur der bei einem Waldbrand entstehenden Gase lassen gerade auch auf das Entstehen eines Waldbrandes schließen. Damit ist es möglich, einen entstehenden Waldbrand zu erfassen und dessen Bekämpfung frühzeitig einzuleiten.

In einer vorteilhaften Gestaltung der Erfindung weist die Sensoreinheit einen Feuchtesensor auf. Unter Bestimmung eines Feuchtewertes wird verstanden, aus den von der Detektionseinheit erhaltenen rückgestreuten Wellenzügen Aussagen abzuleiten, die unter anderem einen relativen und/oder absoluten Feuchtegehalt und/oder einen Feuchtegradienten betreffen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Probekörper der Erdboden und/oder ein mit dem Erdboden in Berührung stehendes Objekt. Der Probekörper kann auch ein Prüfgegenstand im Sinne eines Prototyps sein. Der Prüfgegenstand weist dann festgelegte Eigenschaften wie Form, Maß oder stoffliche Zusammensetzung wie der Erdboden auf. Insbesondere weist der Prüfgegenstand den gleichen Feuchtewert wie der Erdboden auf. Der Probekörper kann in einerweiteren Ausführungsform die Wurzel eines Baumes sein.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung umfasst das Signal ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle mit einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 30 cm. Dabei können unterschiedliche Verfahren zur Anwendung kommen: Eine indirekte Methode, um das Matrixpotenzial zu bestimmen, ist die Gipsblockmethode. Gemessen wird dabei die elektrische Leitfähigkeit zwischen zwei Elektroden als eine Funktion des Wassergehalts des dazwischen befindlichen Materials. Um den Einfluss des schwankenden Salzgehaltes im Boden zu verhindern, wird im Block in der gesättigten Gipslösung gemessen. Der Wassergehalt im Boden ist jedoch nicht derselbe wie im Gipsblock, da im Vergleich zum Gips eine andere kapillare Zusammensetzung im Boden herrscht. Hingegen steht die Lösung im Block und das Bodenwasser bezogen auf das Matrixpotenzial im Gleichgewicht. Der Gipsblock muss bodenspezifisch kalibriert werden. Neuere Generationen an Sensoren der Gipsblockmethode verwenden festgepackte Granulate oder Keramiken, die im Ausgleich mit dem Feuchtigkeitsgehalt des Erdbodens stehen.

Das pF-Meter ermittelt einen Wassergehalt des Probekörpers. Ein Sensor ist über einen Tonkörper mit der Bodenmatrix verbunden. Der Tonkörper passt sich dem Matrixpotenzial an. Der Unterschied zu den herkömmlichen Messverfahren liegt darin, dass die molare Wärmekapazität gemessen wird. Die Wärmekapazität ändert sich linear zum Wassergehalt im Boden. Durch kurze Heizimpulse, abgegeben von der Signalquelle, wird im Tonkörper die Wärmekapazität ermittelt und über eine intern gespeicherte Kalibrierkurve zum anliegenden Matrixpotenzialwert konvertiert.

Die Time-Domain-Reflectometry (TDR) bestimmt die Laufzeit eines Impulses durch Elektrodenstäbe. Dieser elektromagnetische Impuls ist abhängig von der Dielektrizitätskonstante des Mediums, das die Sonde umgibt. Zum Vergleich ist die Geschwindigkeit des Pulses im Vakuum gleich der Lichtgeschwindigkeit. Reinstwasser hat eine Permittivität von 78,38 As=V m und Boden zwischen 3 und 5 As=Vm. Durch die Laufzeit oder die Kapazität kann indirekt auf den Wassergehalt der Bodenmatrix geschlossen werden. Eine bodenspezifische Kalibrierung erhöht die Genauigkeit und reduziert den Einfluss des Bodengefüges. Temperaturabhängigkeiten der TDR-Messung sind in Nähe der Bodenoberfläche und bei stark tonigen Böden gegeben.

Ground Penetrating Radar (GPR) sendet mittels Ultrabreitband-Verfahren sehr kurze Impulse im Pico- und Nanosekundenbereich in das Erdreich. Eine separate Antenne empfängt das gesendete und reflektierte Signal. Über die Geschwindigkeit und die Schwächung des reflektierten Signals lassen sich über dieselben Analysen wie bei der TDR die Permittivität und die Leitfähigkeit bestimmen und somit auch der Wassergehalt. Mit dem GPR kann der Wassergehalt bis in Tiefen von bis zu 15 m bestimmt werden. Als ähnliche Verfahren sind noch die Radarbeugungsmessung, das passive Mikrowellenverfahren und das elektromagnetische Induktionsverfahren zu nennen. Das GPR und die erwähnten Verfahren sind ungeeignet für kontinuierliche Messungen, da sie grundlegend schlecht automatisierbar sind. Eine weitere wirksame Methode ist die Einstrahlung von Schallwellen in einen Probekörper, insbesondere Ultraschallwellen mit Frequenzen in der Größenordnung von 20 kHz bis 100 kHz. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die Geschwindigkeit der Schallwellen im Probekörper mit dem Feuchtegehalt ändert. Insbesondere wird eine Mehrzahl von Wellenzügen in den Erdboden eingeleitet, wobei die einzelnen Wellenzüge kontinuierlich und/oder in Intervallen von der Signalquelle gesendet werden. Außerdem kommen kapazitive Sensoren zum Einsatz. Ein kapazitiver Sensor ist ein Sensor, welcher auf Basis der Veränderung der elektrischen Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines Kondensatorsystems arbeitet. Ein kapazitiver Sensor zur Messung der Bodenfeuchte besteht zum Beispiel aus einem Kunststoffrohr, das innen im Abstand von etwa 10 cm mit zwei breiten Metallfolien bedeckt ist, deren Elektrische Kapazität gemessen wird. Diese wird sehr stark von der Dielektrizitätszahl der Umgebung beeinflusst, insbesondere vom Wassergehalt.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Sensoreinheit eine Detektionseinheit auf, wobei die Detektionseinheit dafür geeignet und vorgesehen ist, ein Rücksignal des von der Sensoreinheit ausgesandten Signals zu detektieren. Die Detektionseinheit ist weiterhin eingerichtet, je entsprechend der Art des ausgesandten Signals ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle zu detektieren. In einer Weiterführung der Erfindung ist die Detektionseinheit dafür geeignet und vorgesehen ist, ein Rücksignal des von der Sensoreinheit in den Probenkörper eingeleitetes Signal zu detektieren.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Detektionseinheit dafür vorgesehen und dafür geeignet, ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 30 cm zu detektieren. Das rückgestreute Signal weist dann ebenfalls einen gleichen Wellenlängenbereich wie das ausgesandte Signal auf.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Waldbrandfrüherkennungsund/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem ein Gateway-Netzwerk, das einen Netzwerkserver aufweist. Außerdem weist das Netzwerk mehrere Endgeräte auf. Bei einem derartigen Netzwerk sind ein oder mehrere Endgeräte direkt (Single Hub) über Funk mittels LoRa-Modulation oder FSK-Modulation FSK an Gateways angebunden und kommunizieren über die Gateways mit dem Internetnetzwerkserver mittels eines Standard-Internetprotokolls.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem ein Mesh-Gateway-Netzwerk, das ein erstes Gateway sowie ein zweites Gateway aufweist. Erstes und zweites Gateway sind in einem Gerät zusammengefasst. Diese sogenannten Mesh-Gateways sind eine Kombination eines ersten Gateways und eines zweiten Gateways. Die Mesh-Gateways unterhalten sich mittels Multi- Hub-Funknetzwerk MHF untereinander, und mindestens ein Mesh-Gateway MGDn ist über das Standard-Internetprotokoll mit dem Netzwerkserver verbunden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kommuniziert das erste Gateway ausschließlich mit anderen Gateways und Endgeräten des Mesh-Gateway-Netzwerks direkt. Insbesondere die Kommunikation zwischen Endgeräten und einem ersten Gateway ist eine direkte, d.h. ohne weitere Zwischenstationen (Single-Hop-Verbindung). Die Kommunikation zwischen den Gateways kann durch eine direkte Single-Hop-Verbindung erfolgen, möglich ist auch eine Multi-Hop-Verbindung. Dadurch wird gleichzeitig die Reichweite des Mesh- Gateway-Netzwerks erweitert, weil das erste Gateway über ein vermaschtes Multi-Hop- Netzwerk in Verbindung zu dem zweiten Gateway steht und somit die Daten der Endgeräte an den Internet-Netzwerkserver weiterleiten kann. Die Verbindung zweites Gateway- Netzwerkserver erfolgt drahtlos oder drahtgebunden. In einerweiteren Ausführung der Erfindung umfasst das Mesh-Gateway-Netzwerk ein LPWAN und bevorzugt ein LoRaWAN. LPWAN beschreibt eine Klasse von Netzwerkprotokollen zur Verbindung von Niedrigenergiegeräten wie batteriebetriebene Sensoren mit einem Netzwerkserver. Das Protokoll ist so ausgelegt, dass eine große Reichweite und ein niedriger Energieverbrauch der Endgeräte bei niedrigen Betriebskosten erreicht werden können. LoRaWAN kommt mit besonders geringer Energie aus. Die LoRaWAN -Netzwerke setzen eine sternförmige Architektur mittels Gateways-Nachrichtenpaketen zwischen den Endgeräten und dem zentralen Netzwerkserver um. Die Gateways sind an den Netzwerkserver angebunden, während die Endgeräte per Funk über LoRa mit dem jeweiligen Gateway kommunizieren. In einer weiteren Gestaltung der Erfindung verfügt das zweite Gateway über eine Kommunikationsschnittstelle, die eine Internetverbindung mit dem Netzwerk-Server bereitstellt. Die Internetverbindung ist eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung, vorzugsweise mittels eines Standard-Internet-Protokolls. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weisen die Endgeräte und/oder die ersten Gateways eine autarke Energieversorgung auf. Um die Endgeräte sowie die mit ihnen verbundenen ersten Gateways auch in unwirtlichen und insbesondere ruralen Gegenden fernab von Energieversorgung installieren und betreiben zu können, sind die Endgeräte und die ersten Gateways mit einer autarken Energieversorgung ausgestattet. Die Energieversorgung kann z.B. durch Energiespeicher - auch wiederaufladbar - erfolgen.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die autarke Energieversorgung einen Energiespeicher und/oder eine Energiekonversionsvorrichtung auf. Insbesondere ist die Energieversorgung mittels Solarzellen zu nennen, bei denen eine Energiekonversion Lichtelektrischer Energie erfolgt. Die elektrische Energie wird üblicherweise in einem Energiespeicher gespeichert, um die Energieversorgung auch in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung (z.B. in der Nacht) sicherzustellen.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Endgeräte und die ersten Gateways off-grid betrieben. Aufgrund der autarken Energieversorgung von Endgeräten und ersten Gateways sind diese Geräte ohne ein Versorgungsnetz autonom betreibbar. Daher können Endgeräte und erste Gateways insbesondere in unwegsamen und mit üblichen Funknetzen nicht erreichbaren Gegenden hinein verteilt und vernetzt werden.

Die Aufgabe wird weiterhin mittels des Verfahrens zur Waldbrandfrüherkennung und/oder Waldbrandgefahrenanalyse gelöst. Weitere Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das Verfahren zur Waldbrandfrüherkennung und/oder Waldbrandgefahrenanalyse weist vier Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird von einer Signalquelle der Sensoreinheit ein Signal ausgesandt. Das Signal kann kontinuierlich oder bevorzugt in Intervallen ausgesandt werden. Im zweiten Verfahrensschritt wird das Signal in einen nahegelegenen Probekörper eingeleitet. Die Einleitung kann durch direkte Verbindung von Signalquelle mit dem Probekörper oder über eine geeignete Leitung erfolgen. Der Probekörper ist daher in einer Entfernung von 0 m bis 10 m von der Signalquelle angeordnet. Im dritten Verfahrensschritt wird mit einer Detektionseinheit der Sensoreinheit ein Signal detektiert. Im vierten Verfahrensschritt wird das detektierte Signal ausgewertet. Insbesondere beinhaltet die Auswertung eine Klassifikation der Waldbrandgefahr über ein Gefahrenstufensystem. Zusätzlich kann ein bereits ausgebrochener Waldbrand detektiert werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das detektierte Signal ein rückgestreutes Signal des ausgesandten Signals. Das an einem Probekörper rückgestreute Signal lässt daher Rückschlüsse auf die Waldbrandgefahr zu.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird aus dem detektierten Signal die Gaszusammensetzung und/oder die Temperatur ermittelt. Ein Waldbrand erzeugt neben starker Rauchbildung eine Vielzahl von Gasen, insbesondere Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Art und Konzentration dieser Gase sind bei einem Waldbrand charakteristisch und lassen sich mittels geeigneter Sensoren detektieren und analysieren. Die von der Sensoreinheit erfassten Signale werden hinsichtlich der Konzentration der Zusammensetzung der Gase analysiert. Bei Überschreiten einer Konzentration der Gase wird ein Waldbrand detektiert. Außerdem wird die Temperatur der Gase analysiert. Neben Art und Konzentration der bei einem Waldbrand entstehenden Gase ist deren Temperatur ein Indikator für einen Waldbrand. In Kombination der analysierten Konzentrationen der Zusammensetzung der Gase und/oder aus den analysierten Temperaturen wird auf das Entstehen und/oder Vorhandensein eines Waldbrandes geschlossen. Art, Zusammensetzung und Temperatur der bei einem Waldbrand entstehenden Gase lassen gerade auch auf das Entstehen eines Waldbrandes schließen.

In einerweiteren vorteilhaften Gestaltung der Erfindung wird aus dem detektierten Signal die Feuchte des Probekörpers ermittelt. Die von der Detektionseinheit erhaltenen rückgestreuten Wellenzügen-Aussagen werden dahingehend ausgewertet, einen relativen und/oder absoluten Feuchtegehalt und/oder einen Feuchtegradienten des Probekörpers zu ermitteln. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Probekörper der Erdboden und/oder ein mit dem Erdboden in Berührung stehendes Objekt. Die Feuchte des Erdbodens wird ermittelt. Der Probekörper kann auch ein Prüfgegenstand im Sinne eines Prototyps sein. Der Prüfgegenstand weist dann festgelegte Eigenschaften wie Form, Maß oder stoffliche Zusammensetzung wie der Erdboden auf. Insbesondere weist der Prüfgegenstand den gleichen Feuchtewert wie der Erdboden auf. Der Probekörper kann in einer weiteren Ausführungsform die Wurzel oder der Stamm eines Baumes sein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle mit einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 30 cm ausgesandt. Zur Anwendung kommen dabei z.B. die Gipsblockmethode, ein pF-Meter, Time-Domain-Reflectometry (TDR), die Einstrahlung von Radar- oder Schallwellen und/oder die Verwendung von kapazitiven Sensoren oder eine Kombination der genannten Möglichkeiten.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle mit einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 30 cm detektiert. Das rückgestreute Signal weist einen gleichen Wellenlängenbereich wie das ausgesandte Signal auf. Die Detektionseinheit ist eingerichtet, je entsprechend der Art des ausgesandten Signals ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle zu detektieren.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird das Verfahren mittels eines Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystems durchgeführt. Das Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem umfasst ein Gateway-Netzwerk mit einem Netzwerk-Server und mehreren Endgeräten, wobei die Sensoreinheit Teil eines Endgerätes ist und die Signale und/oder die ausgewerteten Signale überdas Gateway zu dem Netzwerkserver übertragen werden. Bei einem derartigen Netzwerk sind ein oder mehrere Endgeräte direkt (Single Hub) über Funk mittels LoRa-Modulation oder FSK-Modulation FSK an Gateways angebunden und kommunizieren über die Gateways mit dem Internetnetzwerkserver mittels eines Standard-Internetprotokolls.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist das Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem ein Mesh-Gateway-Netzwerk mit einem ersten Gateway und einem zweiten Gateway auf, wobei die ausgewerteten Signale über das erste Gateway und das zweite Gateway zu dem Netzwerkserver übertragen werden. Damit wird eine Reichweitenverlängerung von Lo aWAN- Netzwerken erreicht, indem das Multi-Hop-Netzwerk mittels Gateways zwischengeschaltet wird und somit eine vollständige Kompatibilität zur LoRaWAN-Spezifikation beibehalten wird.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung kommuniziert das erste Gateway ausschließlich mit anderen Gateways und Endgeräten des Mesh-Gateway-Netzwerks direkt, und das zweite Gateway kommuniziert mit dem Netzwerk-Server. Insbesondere die Kommunikation zwischen Endgeräten und einem ersten Gateway ist eine direkte, d.h. ohne weitere Zwischenstationen (Single-Hop-Verbindung). Die Kommunikation zwischen den Gateways kann durch eine direkte Single-Hop-Verbindung erfolgen, möglich ist auch eine Multi-Hop-Verbindung. Dadurch wird gleichzeitig die Reichweite des Mesh-Gateway-Netzwerks erweitert, weil das erste Gateway über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk in Verbindung zu dem zweiten Gateway steht und somit die Daten der Endgeräte an den Internet-Netzwerkserver weiterleiten kann. Die Verbindung zweites Gateway-Netzwerkserver erfolgt drahtlos oder drahtgebunden.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung erfolgt die Kommunikation des Mesh-Gateway- Netzwerkes über ein LPWAN- und bevorzugt ein LoRaWAN-Protokoll. Das erste Gateway steht über das vermaschte Multi-Hop-Funknetzwerk in Verbindung mit den zweiten Gateways und die Daten der Endgeräte werden an den Internet-Netzwerk-Server weitergeleitet. Damit wird die Reichweitenlimitierung der von LoRaWAN-Standard vorgesehenen Direktverbindung zwischen Endgeräten und Gateways aufgehoben. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden die Endgeräte und/oder die ersten Gateways über eine autarke Energieversorgung mit Energie gespeist. Um die Endgeräte sowie die mit ihnen verbundenen ersten Gateways auch in unwirtlichen und insbesondere ruralen Gegenden fernab von Energieversorgung installieren und betreiben zu können, sind die Endgeräte und die ersten Gateways mit einer autarken Energieversorgung ausgestattet. Die Energieversorgung kann z.B. durch Energiespeicher- auch wiederaufladbar- erfolgen.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die autarke Energieversorgung einen Energiespeicher und/oder eine Energiekonversionsvorrichtung auf. Insbesondere ist die Energieversorgung mittels Solarzellen zu nennen, bei denen eine Energiekonversion Lichtelektrischer Energie erfolgt. Die elektrische Energie wird üblicherweise in einem Energiespeicher gespeichert, um die Energieversorgung auch in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung (z.B. in der Nacht) sicherzustellen.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Endgeräte und die ersten Gateways off-grid betrieben. Aufgrund der autarken Energieversorgung von Endgeräten und ersten Gateways sind diese Geräte ohne ein Versorgungsnetz autonom betreibbar. Daher können Endgeräte und erste Gateways insbesondere in unwegsame und mit üblichen Funknetzen nicht erreichbare Gegenden hinein verteilt und vernetzt werden.

Die Aufgabe wird ebenfalls mittels des Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerätes gelöst. Weitere Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungsund/oder

Waldbrandgefahrenanalyseendgerät weist eine Signalquelle zum Aussenden eines Signals, eine Detektionseinheit zur Detektion eines Signals sowie eine Kommunikationseinheit auf. Das ausgesandte Signal kann kontinuierlich oder bevorzugt in Intervallen ausgesandt werden. Das ausgesandte Signal ist ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle mit einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 30 cm. Die Detektionseinheit ist dafür eingerichtet, ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle mit einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 30 cm zu detektieren. Mittels der Kommunikationseinheit können Mitteilungen, insbesondere Messdaten, als Datenpaket drahtlos mittels einer Single-Hop-Verbindung und/oder einer Multi- Hop-Verbindung versandt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kommunikationseinheit separat von der Signalquelle und der Detektionseinheit angeordnet. Signalquelle und Detektionseinheit können z.B. über Kabelverbindung oder Bluetooth-Verbindung mit der Kommunikationseinheit derart verbunden sein, dass Signalquelle und Detektionseinheit flexibel auch in einer Entfernung von der Kommunikationseinheit angeordnet werden können.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem, des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyse und des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalyseendgeräts sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 a: Aussenden einer Welle durch das erfindungsgemäße

Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem

Fig. 1 b: Detektion einer von einer Wurzel rückgestreuten Welle durch das

Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem

Fig. 1 c: Detektion einer vom Waldboden rückgestreuten Welle durch das

Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem

Fig. 2 a: Mit Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerät verbundene Sensor-/Detektoreinheit in Kontakt mit dem Waldboden Fig. 2 b: Mehrere mit dem Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalyseendgerät verbundene Sensor-/Detektoreinheiten in Kontakt mit den Baumwurzeln

Fig. 2 c: Zwei mit dem Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalyseendgerät verbundene Sensor-/Detektoreinheiten in Kontakt mit der Baumwurzel und dem Waldboden

Fig. 3 a: Sensoreinheit und Detektionseinheit eines Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalysesystems

Fig. 3 b: Sensoreinheit und Detektionseinheit eines Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalysesystems gekoppelt an den Baumstamm

Fig. 3 c: Sensoreinheit und Detektionseinheit eines Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalysesystems gekoppelt in den Erdboden

Fig. 4: LoRaWAN -Mesh-Gateway-Netzwerk mit Endgeräten, einem Netzwerkserver,

Gateways und Grenz-Gateways

Fig. 5: Detailansicht des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalysesystems

Fig. 6 a: Ausführungsbeispiele des Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalyseendgerätes

Fig. 6 b: Ausführungsbeispiele des Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalyseendgerätes

Fig. 6 c: Ausführungsbeispiele des Waldbrandfrüherkennungs- und/oder

Waldbrandgefahrenanalyseendgerätes

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungsund/oder Waldbrandgefahrenanalysesystems 10. Sensoreinheit SE mit Signalquelle S und Detektionseinheit DE sind im Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerät ED angeordnet. Das Waldbrandfrüherkennungsund/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerät ED selbst ist an einem Baum B in einem Abstand zum Waldboden, der einen Probekörper PK1 bildet, angeordnet. Zur Ermittlung der Waldbrandgefahr oder eines Waldbrandes sendet die im Endgerät ED angeordnete Signalquelle S ein Signal in die Probekörper PK1, PK2 (Fig. 1 a). Der erste Probekörper PK1 ist in diesem Ausführungsbeispiel der Waldboden, der zweite Probekörper PK2 ist eine Wurzel des Baumes B. Das ausgesendete Signal wird an den Probekörpern PK1 , PK2 rückgestreut (Fig. 1 b, 1 c) und von der Detektionseinheit DE, die ebenfalls im Endgerät ED angeordnet ist, detektiert. Das ausgesandte Signal ist ein akustisches, ein elektrisches und/oder ein elektromagnetisches Signal. Falls das Signal eine Welle ist, weist die Welle eine Wellenlänge von 1 mm bis 30 cm auf. Das von der Detektionseinheit DE detektierte Signal weist dann dementsprechend ebenfalls eine Wellenlänge von 1 mm bis 30 cm auf.

Aus dem rückgestreuten Signal wird dann mittels der Auswerteeinheit ein Feuchtewert der Probekörper PK1, PK2 ermittelt. Die Auswerteeinheit kann im Endgerät ED selbst angeordnet sein, der Feuchtewert wird dann über ein Gateway-Netzwerk 1 bzw. ein Mesh-Gateway- Netzwerk 1 (s. Fig. 4) an den Netzwerkserver NS übermittelt und dort gespeichert. Die Auswerteeinheit kann aber auch extern angeordnet sein, bevorzugt auf dem Netzwerkserver NS (s. Fig. 4). In diesem Fall wird lediglich das rückgestreute Signal mittels Gateway-Netzwerk 1 bzw. ein Mesh-Gateway-Netzwerk 1 an den Netzwerkserver NS übertragen. Die Auswerteeinheit ermittelt ebenfalls einen Feuchtewert. Der ermittelte Feuchtewert ist in diesem Ausführungsbeispiel ein gemittelter Wert der Probekörper PK1, PK2 (Waldboden und Baumwurzel).

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungsund/oder Waldbrandgefahrenanalysesystems 10 zeigt Fig. 2. In diesem Ausführungsbeispiel wird im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel (s. Fig. 1) kein gemittelter Feuchtewert der Probekörper PK1, PK2 ermittelt, sondern jeweils ein Feuchtewert für einen Probekörper PK1, PK2. In diesem Ausführungsbeispiel kommen bevorzugt kapazitive Sensoren zum Einsatz, die in den Probekörpern PK1 , PK2 angeordnet werden. Ein kapazitiver Sensor ist ein Sensor, welcher auf Basis der Veränderung der elektrischen Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines Kondensatorsystems arbeitet. Um hohe Genauigkeit zu erreichen, sollte der Sensor zuvor am Boden, idealerweise vor Ort, kalibriert werden. Das Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerät ED ist an einem Baum B in einem Abstand zum Waldboden angeordnet. Sensoreinheit SE mit Signalquelle S und Detektionseinheit DE sind in einem Gerät angeordnet und mit dem Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerät ED mittels Kabelverbindung verbunden. Dabei kann auch eine Mehrzahl von mit dem Endgerät ED verbundenen Sensoreinheiten SE derart angeordnet werden, dass die Sensoreinheit SE im Waldboden PK1 (Fig. 2 a), an unterschiedlichen Orten der Wurzel PK2 des Baumes B (Fig. 2 b) oder im Waldboden PK1 und an der Wurzel PK2 (Fig. 2 c) angeordnet ist. Eine beliebige Kombination der genannten Anordnungen ist ebenfalls möglich. Die Auswerteeinheit ermittelt vorteilhafterweise einen Feuchtewert für jede Sensoreinheit SE, in diesem Ausführungsbeispiel also einen Feuchtewert für den Waldboden PK1 (Fig. 2 a), einen gemittelten Feuchtewert für die Wurzeln PK2 des Baumes B (Fig. 2 b) und einen gemittelten Feuchtewert für den Waldboden PK1 und eine Wurzel PK2 des Baumes B (Fig. 2 c).

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystems 10. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinheit SE derart aufgeteilt, dass Signalquelle S und Detektionseinheit DE in einem Abstand voneinander und jeweils über eine Kabelverbindung mit dem Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerät ED verbunden sind. Aufgrund des Abstandes von Signalquelle S zu Detektionseinheit DE einerseits und Signalquelle S bzw. Detektionseinheit DE zum Endgerät ED andererseits ist eine flexible Anordnung des Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystems 10 möglich, zusätzlich können von unterschiedlichen Probekörpern Feuchtewerte ermittelt werden.

Signalquelle S und Detektionseinheit DE sind derart angeordnet, dass sie ein Signal durch den Waldboden PK1 leiten (Fig. 3 a). Mittels der Auswerteeinheit wird daher ein Feuchtewert des Waldbodens PK1 ermittelt. Außerdem können Signalquelle S und Detektionseinheit DE in einem derartigen Abstand voneinander angeordnet werden, dass ein Mittelwert der Feuchte von zwei Probekörpern PK1, PK2 ermittelt wird (Fig. 3 b). Signalquelle S und Detektionseinheit DE können auch derart angeordnet werden, dass der Probekörper PK2 der Stamm des Baumes B ist (Fig. 3 c). Hierzu gibt die Signalquelle S ein elektromagnetisches Signal im Bereich von 1 cm (Zentimeterwellen) ab, das im Holz eine Eindringtiefe von ca. 15 cm aufweist. Das von der Signalquelle S abgegebene Signal dringt daher durch die Baumrinde in den Baumstamm ein. Mittels der Auswerteeinheit wird daher ein Mittelwert des Feuchtewerts des Baumstammes PK2 ermittelt. Zusätzlich kann das Endgerät ED optional einen Temperatursensor und/odereinen Gassensor aufweisen. Aus dem detektierten Signal wird die Gaszusammensetzung und/oder Temperatur ermittelt wird.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerks 1 als Bestandteil des Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystems 10 zeigt Fig. 4. Das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk 1 weist ein Mesh-Gateway-Netzwerk 1 auf, das die Technologie eines LoRaWAN-Netzwerks nutzt. Das LoRaWAN- Netzwerk weist eine sternförmige Architektur auf, in der mittels Gateways Nachrichtenpakete zwischen den Sensoren ED und einem zentralen Internetnetzwerkserver NS ausgetauscht werden.

Das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk 1 weist eine Vielzahl von Sensoren ED auf, die über eine Single-Hop-Verbindung FSK mit Gateways G verbunden sind. Die Gateways G sind üblicherweise Mesh-Gateways MGD. Die Mesh-Gateways MGD sind untereinander verbunden sowie teilweise mit Grenz-Gateways BGD. Die Grenz-Gateways BGD sind mit dem Internetnetzwerkserver NS verbunden, entweder über eine drahtgebundene Verbindung WN oder übereine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.

Eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungssystems 10 zeigt Fig. 5. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 10 weist eine Mehrzahl von mit Sensoren bestückten Endgeräten ED auf, wobei jeweils acht Endgeräte ED über eine Single-Hop-Verbindung FSK mit einem Gateway G kommunizieren. Die Gateways FGD sind untereinander sowie mit Grenz-Gateways BGD verbunden. Die Grenz-Gateways BGD sind mit dem Internet-Netzwerk- Server NS verbunden, entweder über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP. Fig. 6 zeigt drei Varianten eines Ausführungsbeispiels eines Waldbrandfrüherkennungsund/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgeräts ED. Um das Endgerät ED auch in unwirtlichen und insbesondere ruralen Gegenden fernab von Energieversorgung installieren und betreiben zu können, ist das Endgerät ED mit einer autarken Energieversorgung E ausgestattet. Die Energieversorgung E ist im einfachsten Fall eine Batterie, die auch wiederaufladbar gestaltet sein kann. Möglich ist aber auch der Einsatz von Kondensatoren, insbesondere Superkondensatoren. Etwas aufwändiger und kostenintensiver, aber eine sehr lange Lebensdauer des Endgerätes ED bietende Energieversorgung E ist der Einsatz von Solarzellen. Neben der Energieversorgung E ist zusätzlich ein Speicher sowie eine Leistungselektronik (nicht dargestellt) im Endgerät ED angeordnet.

Außerdem weist ein Endgerät ED die Signalquelle S auf, die ein akustisches und/oder elektrisches Signal und/oder eine elektromagnetische Welle mit einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 30 cm aussendet. Die Detektionseinheit DE ist dazu eingerichtet, ein rückgestreutes Signal zu empfangen. Der Sensor ED weist zusätzlich die Kommunikationsschnittstelle K auf. Mittels der Kommunikationsschnittstelle K werden Mitteilungen des Endgerätes ED, insbesondere Messdaten, als Datenpaket drahtlos mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder Frequenzmodulation an ein Gateway G, MDG, BDG versendet.

Alle genannten Komponenten sind in einem Gehäuse zum Schutz vor Witterungseinflüssen angeordnet (Fig. 6 a). Signalquelle S und Detektionseinheit DE können auch über eine Kabelverbindung mit dem Endgerät ED verbunden sein, wobei Signalquelle S und Detektionseinheit DE in einem Gehäuse (Fig. 6 b) oder jeweils getrennt voneinander (Fig. 6 c) angeordnet sein können. Möglich ist auch eine Kombination der genannten Anordnungen von Signalquelle S und Detektionseinheit DE. Eine Auswerteeinheit ist im Netzwerkserver NS angeordnet, möglich ist aber auch eine Anordnung im Endgerät ED. BEZUGSZEICH EN LISTE

1 LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk

10 Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalysesystem

ED Waldbrandfrüherkennungs- und/oder Waldbrandgefahrenanalyseendgerät / Endgerät

G Gateways

NS I nternetnetzwerkserver

IP Internetprotokoll

W Wald

B Baum

MHF Multi-Hub-Funknetzwerk

BGD Grenz-Gateway

FSK FSK-Modulation

WN Drahtgebundene Verbindung

SE Sensoreinheit

S Signalquelle

DE Detektionseinheit

K Kommunikationseinheit des Endgeräts

E Energieversorgung

EK Energiekonversionsvorrichtung

ES Energiespeicher

PK, PK1, PK2 Probekörper