Bekämpfung von Waldbränden mit Technologien mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch
Dieser Artikel erschien zuerst auf EEWeb. Vielen Dank an Marc Pegulu für den Bericht.
Im November 2018 brannte ein Waldbrand 17 Tage lang, tötete 85 Menschen und zerstörte fast 19 000 Häuser, Geschäfte und andere Gebäude in der Stadt Paradise in Kalifornien, die in den Ausläufern der Sierra Nevada liegt. Drei Jahre später stehen ganze Landstriche in Paradise leer und sind von verkohlten Bäumen und trockenem Boden umgeben. Laut einem Bericht von CAL FIREwurde das Feuer durch fehlerhafte Stromleitungen ausgelöst, die durch einen schlecht gewarteten Stahlhaken, der eine Hochspannungsleitung hielt, in Brand gesetzt wurden. Im Durchschnitt brennen Waldbrände doppelt so viel Landfläche als noch vor 40 Jahren. Paradise ist nur eines von vielen Beispielen für Städte und Gemeinden, die durch Waldbrände verwüstet wurden.
Wilde Brände schaffen wilde Brände
Seit Anbeginn der Zeit haben Waldbrände Wälder und Felder niedergebrannt und alles zerstört, von Tieren und Pflanzen bis hin zu Gebäuden und Häusern. Brände können zwar nützlich sein, aber wenn wir die Grenzen des städtischen Wachstums verschieben und Waldbrände unterdrücken, nehmen sie nur an Größe und Schwere zu. Im Jahr 2021 erlebten die USA rekordverdächtige Höchstwerte Dürreperioden und Hitzewellen, von denen viele die Waldbrände im ganzen Land anheizten.
Neben dem Verlust von Eigentum, Wildtieren und Menschenleben tragen Waldbrände auch erheblich zum Klimawandel bei. Ein durchschnittlicher Waldbrand emittiert zwischen 5 bis 30 Tonnen Kohlenstoff pro 2,5 Hektar - etwa so groß wie zwei nebeneinander liegende Fußballfelder.
Wenn dann noch andere Auswirkungen von Waldbränden wie Erosion und Überschwemmungen hinzukommen, ergeben sich weitere Herausforderungen, wie die Zuverlässigkeit der Energie- und Versorgungsunternehmen, auf die sich die Menschen täglich verlassen, sowie die Gesundheit und Sicherheit der Bürger.
Die Herausforderungen bei der Erkennung von Waldbränden
Brände im Frühstadium zu erkennen, kann die Reaktionszeit verkürzen und das Ausmaß der potenziellen Schäden durch einen Flächenbrand verringern. Leider ist dies leichter gesagt als getan.
Von der Stichflamme bis zur Asche können die kleinsten Brände zu einem Flächenbrand werden. Da Waldbrände von verschiedenen Faktoren abhängen, z. B. von der auslösenden Ursache, der Umgebung und den Löscharbeiten, ist ihr Lebenszyklus oft unterschiedlich. Und wie bei vielen Waldbränden in ländlichen Gebieten kann der Lebenszyklus durch dichte Vegetation, zugewachsene Wälder und Schutt verschlimmert werden.
Bei so vielen Faktoren, die zu einem Waldbrand beitragen, und in Anbetracht der Tatsache, dass 90 Prozent der Waldbrände sind vom Menschen verursachtist es äußerst schwierig, vorherzusagen, wann und wo sie entstehen werden, was die Früherkennung umso wichtiger macht.
LoRa®- und IoT-fähige Sensoren
Jetzt können die Internet der Dinge (IoT) -Fähige Sensoren können nun dabei helfen, Waldbrände zu erkennen und die zuständigen Behörden zu alarmieren, bevor sie überhaupt entstehen. Das IoT hat sich in Branchen wie dem Gesundheitswesen, dem Transportwesen, der Industrie und dem Einzelhandel zu einem wichtigen Instrument entwickelt, um Geräte und Anwendungen zu verbinden und Prozesse zu optimieren, die großen Gruppen von Menschen helfen. Dank der LoRa-, NB-IoT- und Wi-Fi-Technologien mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch können IoT-fähige Geräte mit größerer Reichweite arbeiten und mit einer geringeren Rate mit Geräten kommunizieren.
In der Vergangenheit wurden herkömmliche Brandüberwachungssysteme mit Hilfe von Satellitenbildern, bodengestützten Kameras und Wachtürmen eingesetzt, um ein Gebiet auf Rauch oder Flammen zu überwachen. Aber in trockenen Landschaften breiten sich Waldbrände so schnell aus, dass es bereits zu spät ist, sie zu erkennen, wenn sie gerade erst ausgebrochen sind.
Energie- und Versorgungsunternehmen, Feuerwehren und sogar ganze Städte können IoT-fähige Sensoren in abgelegenen oder schwer zugänglichen Gebieten einsetzen, um Daten zu sammeln, die sie vor einem potenziellen Waldbrand warnen können. Sensoren mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch, die nach dem LoRaWAN®-Standard arbeiten, ermöglichen die Erfassung von Umweltdaten selbst in den waldigsten, abgelegensten oder entlegensten Gebieten. Mit IoT-Lösungen können Betreiber Probleme aus der Ferne messen und erkennen, bevor sie zu einer Krise werden. Der LoRaWAN-Standard eignet sich ideal für diese Implementierung, da die Konnektivität immer gegeben ist und die Behörden bei Änderungen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Wind und mehr alarmiert werden können.
Der geringe Stromverbrauch von Sensoren, die LoRa nutzen, ermöglicht es den batteriebetriebenen IoT-Geräten, sich drahtlos mit Standard-Gateways zu verbinden, die LoRaWAN nutzen, und bis zu 15 Jahre lang ohne Wartung in der Umgebung zu bleiben.
In die Praxis umsetzen
Dryad-NetzwerkeDryad Networks, ein IoT-Startup mit Sitz in Berlin, hat es sich zur Aufgabe gemacht, Waldbrände zu bekämpfen und deren Auswirkungen auf den Klimawandel abzuschwächen. Man könnte sich fragen, warum sich ein Startup in Deutschland auf Waldbrände konzentriert. Aber Waldbrände nehmen in den deutschen Wäldern und Forsten zu, genau wie in den USA. Tatsächlich gab es 2019 in Deutschland den größten registrierten Waldbrand. Im Jahr 2018 gab es 1.718 Waldbrände - viermal so viele wie im Vorjahr. Jahre.
Dryad in Partnerschaft mit Semtech und Schwarmeinem globalen Entwickler von Satellitenkommunikationsnetzen, zusammen, um ein System zur Früherkennung von Waldbränden zu entwickeln. Das solarbetriebene Sensorsystem des Unternehmens, SIlvanet, nutzt KI, um anormale Gasmuster in der Luft zu erkennen. Für die Verbindung des IoT-Systems stellt Silvanet ein drahtloses Netzwerk mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch bereit, das mit einer zum Patent angemeldeten Mesh-Netzwerk-Architektur erweitert wurde, um große Bereiche des Waldes abzudecken. Mit der integrierten Unterstützung für die Satellitenfunkverbindung von Swarm empfängt Dryad Daten aus abgelegenen Gebieten in Echtzeit, um schneller reagieren zu können. Das Swarm-Netzwerk aus 120 Satelliten deckt jeden Punkt der Erde ab und ermöglicht die Datenübertragung von überall her, auch wenn es keine Mobilfunkabdeckung gibt.
Silvanet setzt sich aus drei Hauptkomponenten zusammen:
Das Silvanet Mesh Gateway erweitert das Silvanet-Netzwerk für große Einsätze, die über die Reichweite der standardmäßigen Direktverbindung zwischen Sensoren und Gateways in Standard-LoRaWAN-Netzwerken hinausgehen. Die Architektur verwendet ein Multihop-Mesh-Netzwerk von Gateways, die mit LoRa-Geräten von Semtech verbunden sind. Jedes dient als Standard-Netzwerk-Gateway, das LoRaWAN für Silvanet Wildfire-Sensoren und Sensoren von Drittanbietern nutzt. Die Mesh-Gateways werden im Wald platziert und bilden ein Mesh-Netzwerk mit einer typischen Entfernung von etwa 2-6 km (1,2 - 3,7 Meilen), je nach Topologie und Platzierung der Gateways.
Das Silvanet-Grenztor wird an der Grenze des Zielwaldgebiets platziert, normalerweise in einem Haus oder in der Nähe eines Dorfes. Das Border Gateway kommuniziert mit der Silvanet Cloud Platform und leitet Nachrichten von den Waldbrandsensoren weiter. Das eingebaute LTE-Funkgerät sorgt für drahtlose Konnektivität oder verwendet den eingebauten Ethernet-Adapter über ein kabelgebundenes Internet. Für abgelegene Einsätze, bei denen es keine Mobilfunkabdeckung und keinen Zugang zu Strom gibt, verfügt das Silvanet Border Gateway über integrierte Unterstützung für Satelliten-Uplink über das Swarm-Satellitennetzwerk. Es wird über Strom betrieben oder kann mit einer Solarzelle betrieben werden.
Der Silvanet Waldbrandsensor wurde entwickelt, um Waldbrände im Frühstadium zu erkennen und das Mikroklima durch Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck zu überwachen. Der Sensor kombiniert die Messung der Luftqualität bei extrem niedrigem Stromverbrauch mit einem präzisen Gasmessmodus. Er detektiert Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und andere Gase im Bereich von Teilen pro Million (ppm) und nutzt die integrierte KI, um Feuer zu erkennen und Fehlalarme zu vermeiden. Der Sensor nutzt LoRaWAN-Konnektivität für die drahtlose Datenübertragung und kann 10-15 Jahre lang wartungsfrei betrieben werden.
Dryad hat sein erstes Netzwerk in einem Wald in der Nähe von Berlin in Betrieb genommen und verfügt über zehn weitere Proof-of-Concept-Einrichtungen in den USA, Europa, Australien, Indonesien und Afrika. Die Sensoren sind in der Lage, ein neues Feuer innerhalb von 30 bis 60 Minuten zu erkennen, je nach Platzierung der Sensoren.
Wenn es um Waldbrände geht, ist Zeit das A und O. Eine frühzeitige Erkennung kann nicht nur das Leben von Anwohnern retten und sie warnen, um eine angemessene Evakuierung zu ermöglichen, sondern auch viele Kosten im Zusammenhang mit der Brandbekämpfung und den dafür eingesetzten Ressourcen senken.
IoT-fähige Sensoren für die Umwelt
Einzelpersonen können sich die Macht des IoT zunutze machen, um nicht nur die Zerstörung durch Waldbrände zu verhindern, sondern auch die Umwelt zu schützen. Tatsächlich ist Silvanet nicht auf die Erkennung von Waldbränden beschränkt. Da es auf dem offenen LoRaWAN-Standard basiert, kann das solarbetriebene, groß angelegte Mesh-Netzwerk viele Sensoren von Drittanbietern über LoRaWAN und das Silvanet Mesh-Netzwerk um Sensordaten an die Cloud weiterzuleiten.
Umweltdatensensoren, die Bodenfeuchtigkeit, Ozonkonzentration, Baumwachstum und Saftfluss messen, können wichtige Daten zur Überwachung der Gesundheit und des Wachstums von Bäumen liefern und so die Forstwirtschaft unterstützen.
Wie fast alle Branchen könnte auch die Forstwirtschaft in hohem Maße von der Digitalisierung ihrer Werkzeuge und Arbeitsabläufe profitieren. In der Vergangenheit war die Branche aufgrund mangelnder Netzabdeckung im Rückstand. Dank der Vorreiterrolle von Silvanet, Semtech und Swarm ist die Netzabdeckung nun selbst in den entlegensten Gebieten der Wälder auf der ganzen Welt verfügbar.
Bekämpfung des Klimawandels mit IoT
Der vom Menschen verursachte und natürliche Klimawandel führt zu einer raschen Störung der Wettermuster und verändert das Gleichgewicht der Natur. Temperaturschwankungen schaffen Bedingungen, die Waldbrände begünstigen und veränderte Niederschlagsmuster verursachen, die zu schweren und häufigen Stürmen führen, die Überschwemmungen, Erdrutsche und die Zerstörung von Gemeinden zur Folge haben.
Die Bekämpfung der Auswirkungen des Klimawandels, einschließlich der Zunahme von Waldbränden, ist für den Schutz unseres Planeten äußerst wichtig. IoT-Technologien können dazu beitragen, die künftige Zerstörung durch einfach zu implementierende und zu bedienende intelligente Lösungen zum Schutz unserer Umwelt zu verlangsamen.