Sensornahe KI, energieeffiziente Elektronik und satelliten­gestützte IoT-Technik für Wildtierforschung und Naturschutz

Unsere Welt verändert sich – der fortschreitende Klimawandel destabilisiert unser ökologisches Gleichgewicht, weltweiter Handel, die zunehmende Weltbevölkerung und die Rodung von Wäldern rein zum Zwecke der Agrar- und Viehwirtschaft führen zu nicht absehbaren Folgen für Mensch und Tier:

  • Immer mehr Tiere werden auf ihrer Suche nach Futter aus ihrem angestammten Habitat verdrängt und dringen in den Lebensraum des Menschen ein.
  • Eingeschleppte Tierkrankheiten und –seuchen bedrohen nicht nur Mensch und Tier in ihrem Ursprungsland, sondern immer öfter auch unser direktes Umfeld.

Zum Schutz der Biodiversität haben sich das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS und das Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) im GAIA-Sat-IoT Projekt zusammengeschlossen.

Mithilfe technologischer Neuerungen und wissenschaftlicher Expertise generieren wir neue synergetische Lösungen. Unser Ziel ist es, Kamera-Tags zu entwickeln, die mit sensornaher KI und satellitenbasierter IoT-Kommunikation ausgestattet werden und für die Besenderung von Vögeln und Wildtieren vorgesehen sind.

So können wir das Tierverhalten auf ökologische Veränderungen und Prozesse frühzeitig erkennen, dokumentieren und entgegenwirken.


 

Die Herausforderung

Hardware und energieautarker Betrieb

Die Kamera-Tags müssen an die jeweilige Tierart angepasst sein und dürfen die Tiere weder behindern noch in irgendeiner Art beeinträchtigen. Der Einsatz der Tiersender erstreckt sich über einen längeren Zeitraum und über weite Distanzen. Daraus ergeben sich Einschränkungen hinsichtlich des Gewichts, der Baugröße und des Energiebudgets.

Datenaggregation

Künstliche Intelligenz findet sich in immer mehr Lebensbereichen und Anwendungen wieder, das Training neuronaler Netze erfordert allerdings sowohl große Datenmengen als auch eine hohe Rechenleistung, die mit der entsprechenden Hardware einhergeht. Die für den Bereich der Wildtierforschung erforderlichen Datensätze sind nicht ausreichend vorhanden und beliebig reproduzierbar. Die fertig trainierten Algorithmen sind meist sehr rechenintensiv und erschweren hierdurch die Ausführung auf kleinen, portablen embedded Systemen, auf denen wenig Rechenleistung zur Verfügung steht.

Datenverarbeitung und -übermittlung

Die Verarbeitung der Sensor- und Bilddaten und die Datenübermittlung via Satellit benötigen viel Energie und Speicherkapazität und können auf den notwendigen kleinen Rechenplattformen nicht umgesetzt werden.

So gehen wir vor

Prozessierung der Daten auf dem (Tier)sender
Da die Übertragung der Rohdaten über aktuelle Satellitenkommunikationsnetze zu energieintensiv ist, arbeiten wir an einer sensornahen Bildverarbeitung. Der entscheidende Vorteil bei einer direkten Verarbeitung der Daten in der Recheneinheit ist, dass in Echtzeit entschieden werden kann, welche Daten zum Satelliten geschickt werden. Die Auslastung der Funkkanäle soll durch die Weiterentwicklung der Künstlichen Intelligenz insoweit optimiert werden, als dass nur die Bild- und Sensordaten übertragen werden, die relevante Informationen liefern. Die verbesserte Bilderkennungs-KI unterstützt dabei, die für den jeweiligen Anwendungsfall relevanten Verhaltensmuster bei Tieren zu identifizieren und den Kamerasensor nur bei Bedarf auszulösen/anzutriggern.

Senderentwicklung
In einem ersten Schritt entwickeln wir einen miniaturisierten Tiersender, der über ein Kameramodul, verschiedene Sensoren und eine lokale Speichereinheit verfügt. Da der Sender frühzeitig im Projekt zum Einsatz kommen soll, um Trainingsdaten zu sammeln, ist die Funkübertragung (noch) begrenzt. Im nächsten Schritt entwickeln wir den Sender weiter und integrieren die Elektronik der KI-Signalverarbeitung. Ein weiterer wesentlicher Teil ist die Einbindung eines leistungsfähigen Satelliten-IoT-Funkmoduls in den Sender, um die spätere Übertragung der extrahierten Informationen zu garantieren. Als Ergebnis entsteht ein kleiner Tiersender, welcher intelligent Daten vorverarbeitet und kombiniert und alle relevanten Umgebungsinformationen über eine Kommunikationsstrecke versenden kann.

IoT-Kommunikationsstruktur
Insbesondere in Gebieten außerhalb der Reichweite terrestrischer Kommunikationsinfrastrukturen ist die Unterstützung satellitengestützter Netze erforderlich. Um eine Direktübertragung vom Senderknoten auf den Satelliten zu ermöglichen, entwickeln wir ein Kommunikationssystem, welches auf einem terrestrischen mioty®-Verfahren basiert. Wir adaptieren dieses Verfahren auf das Satelliten-Szenario und gewährleisten so eine robuste und energieeffiziente Datenübertragung. Neben der Senderentwicklung muss auch die Empfangsseite, in diesem Fall der Satellit, angepasst werden, um dort Nachrichten empfangen und verarbeiten zu können.

 

Unser Beitrag

  • Fraunhofer IIS – Bereich Kommunikationssysteme
    • Embedded Software: Entwicklung und Design des Funkmoduls auf dem Sender und dem Pendant auf dem Satelliten
    • Ausgereifte IoT Technologie mioty® aus terrestrischen Einsatz
      • Frequenzadaption terrestrischer Frequenzen
      • Direktübertragung der Daten via Satellit
      • Empfängerarchitektur für verteilte LEO-Satellitensysteme
      • Dopplerkompensation am Satelliten
  • Fraunhofer IIS – Bereich Smart Sensing and Electronics
    • Embedded Software (Mikrokontrollersoftware), u.a Intelligente Bildaufnahme
    • Miniaturisierte, energieeffiziente Sensorik und Hardware, bspw. zeitgesteuerte Kameratriggerung, adaptierte Bauform
    • Sparse AI, u.a energieeffiziente Algorithmen

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