Ultimativer Powertest ....

Feldtest-Protokoll: NEXUS Hardware-Validierung

Testumgebung: Urbanes Mikroklima (Garten, Paderborn Innenstadt) Datum: 28.03. – 29.03.2026 Dauer: 20,4 Stunden (insgesamt 36.706 Messpunkte) Messintervall: 2-Sekunden-Takt

1. Testziel

Validierung der Hardware-Stabilität, der Energieeffizienz unter Dauerlast sowie der Sensorgenauigkeit (GPS-Durchlässigkeit des Gehäuses, Regen-Registrierung und Aufzeichnung lokaler Mikroklima-Dynamiken im Vergleich zu regionalen Wetterdaten). 

2. Technische Ergebnisse

• Energieeffizienz (Dauerlauftauglichkeit): Der Energiebedarf lag bei kontinuierlicher Aufzeichnung (inkl. SD-Schreibzyklen und aktivem GPS-Tracking ohne Deep-Sleep) bei nur ca. 1,8 % pro Stunde. Der Test verbrauchte 37 % der 10.000 mAh Powerbank. Die autarke Laufzeit des Systems ist damit auf über 55 Stunden (entspricht 4-5 sommerlichen Fledermaus-Nächten) hochgerechnet.

• Gehäuse-Transparenz (GPS AIR530): Das Prall-PVC in Kombination mit dem Blechschutz erzeugt keine störende Abschirmung (Faraday-Effekt). Der GPS-Fix wurde nach weniger als 2 Minuten etabliert und über 36.653 Messpunkte hinweg ohne einen einzigen Verbindungsabbruch gehalten.

• Veto-Sensorik (Sparkfun SEN-15901 Regenmesser): Die Wippen-Mechanik und die RJ11-Steckverbindung arbeiten fehlerfrei. Das 2-Sekunden-Polling-Intervall des Seeed XIAO ESP32S3 reicht in der Praxis vollständig aus, um Niederschlag (registriertes Maximum: 1,68 mm) zuverlässig in die CSV zu schreiben. Der Sensor fungiert somit als verlässlicher Filter für akustisch unbrauchbare Regen-Phasen (Ultraschall-Rauschen).

Gas-Sensor

Luftdruck

Regenmesser inklusive "Schwall-Test"

Temperatur vs. Luftfeuchtigkeit

Windgeschwindigkeit vs. Windrichtung

3. Wissenschaftliche Erkenntnis (Mikroklima vs. Makroklima)

Der Test bewies die absolute Notwendigkeit punktgenauer lokaler Sensoren für die Berechnung der ISO 9613-1 Schalldämpfung. Im direkten Vergleich mit regionalen Standard-Wetterdaten (z. B. DWD-Stationen im Freifeld) dokumentierte der NEXUS extreme lokale Abweichungen durch das urbane Mikroklima:

• Massive Windabschirmung durch Bebauung/Vegetation (oft 0,00 m/s bei gleichzeitigen isolierten Böen bis 16,33 m/s).

• Deutliche "Urban Heat Island"-Effekte (Temperaturabfall auf 0,63 °C nachts, rapider Anstieg auf 12,66 °C am Vormittag).

• Feuchtigkeitsschwankungen von fast 35 Prozentpunkten.

Fazit: Regionale Wetterdaten sind für die Berechnung der lokalen akustischen Blase unbrauchbar. Der NEXUS validiert sich als unverzichtbares Instrument für die standortgenaue Echtzeit-Analyse.

4. Spezialauswertung: Validierung der Niederschlagssensorik (Regenmesser) unter Polling-Bedingungen

Ausgangslage und Problemstellung: Der verwendete Sparkfun SEN-15901 Regenmesser arbeitet mit einer mechanischen Wippe (Tipping Bucket) und einem magnetischen Reed-Schalter. Beim Kippen der Wippe schließt der Kontakt bauartbedingt nur für wenige Millisekunden. Es galt im Feldtest zu verifizieren, ob der Seeed XIAO ESP32S3 diesen extrem kurzen Hardware-Impuls zuverlässig erfasst, wenn der Sensor-Pin im Code nicht über einen kontinuierlichen Interrupt, sondern über ein Polling-Verfahren in einem festen 2-Sekunden-Takt abgefragt wird.

Testdurchführung: Zur Simulation eines massiven, plötzlichen Niederschlagsereignisses wurde während des laufenden Betriebs manuell eine große Menge Wasser in den Trichter des Regenmessers gegeben ("Schwall-Test"). Ziel war es, eine maximale mechanische Frequenz der Wippe zu erzwingen und zu prüfen, ob die Impulse im 2-Sekunden-Raster des Mikrocontrollers untergehen.

Ergebnis der Datenanalyse: Die Auswertung der 36.706 Zeilen umfassenden CSV-Datei belegt die Funktion des 2-Sekunden-Takts eindeutig. Trotz der systembedingten Pausenzeiten des Mikrocontrollers zwischen den Messintervallen wurde der Niederschlag in exakt 20 separaten Mess-Ticks erfolgreich und fehlerfrei registriert. Der dokumentierte Spitzenwert lag dabei bei 1,68 mm innerhalb eines einzelnen 2-Sekunden-Intervalls. Das System konnte die kurzen Impulse des Reed-Schalters auch bei sehr hoher mechanischer Auslöserate der Wippe zuverlässig einfangen und auf die SD-Karte schreiben.

Fazit für den Feldeinsatz: Das 2-Sekunden-Polling-Intervall ist in vollem Umfang praxistauglich. Eine Umprogrammierung auf eine fehleranfälligere Interrupt-Steuerung ist nicht erforderlich. Der Regenmesser erfüllt seinen primären Zweck für das NEXUS-Projekt zu 100 %: Er fungiert als präziser „Veto-Sensor“. Er markiert in der CSV-Datei verlässlich jene Zeitfenster, in denen die Ultraschall-Aufnahmen des TeensyBat durch breitbandiges Regenrauschen kontaminiert sind und in denen die Berechnungen der akustischen Blase (Dämpfung) aufgrund von physikalischer Schallstreuung durch Wassertropfen ausgesetzt werden müssen. Das aktuelle Hard- und Software-Setup bleibt für die anstehende Validierungsphase im Wald unangetastet.

5. Die Bedeutung hochauflösender Mikroklima-Daten für die angewandte Bioakustik

In der bisherigen bioakustischen Fledermausforschung werden Detektionsreichweiten und Rufanalysen häufig auf Basis regionaler Wetterdaten (Makroklima) interpretiert. Hochfrequente Ultraschallrufe unterliegen jedoch einer massiven atmosphärischen Dämpfung, die extrem sensibel auf kleinräumige und kurzfristige Schwankungen von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit reagiert. Die Aufzeichnung des lokalen Mikroklimas durch autarke Sensorsysteme wie den NEXUS schließt hier eine kritische wissenschaftliche Datenlücke. Das System erfasst die physikalischen Parameter exakt in der Luftschicht und dem Habitat, in dem die akustische Interaktion der Tiere stattfindet.

Durch die hochauflösende Messung vor Ort lässt sich die reale atmosphärische Dämpfung dynamisch und zeitlich hochpräzise berechnen. Die „akustische Blase“ – der tatsächliche Erfassungsradius der Ultraschallmikrofone – wird somit nicht länger als statischer Durchschnittswert angenommen, sondern als variables, stark atmendes Volumen verstanden. Für die Forschung vor Ort bedeutet diese Genauigkeit einen Paradigmenwechsel in der Dateninterpretation: Die Abwesenheit von aufgezeichneten Rufen wird nicht mehr fälschlicherweise als Abwesenheit der Tiere interpretiert, wenn in Wahrheit lediglich die Detektionsreichweite durch eine lokale Feuchtigkeitsspitze oder urbane Wärmeinsel kollabiert ist. NEXUS-Daten heben die akustische Fledermausforschung von groben Schätzungen auf die Ebene belastbarer, physikalischer Fakten und erhöhen die Validität von Risikobewertungen (beispielsweise an Windkraftanlagen) maßgeblich.