Für eine grünere Stadt: IoT-Sensoren für Stadtbäume

Seit einigen Jahren verändern die meisten Städte in Europa ihr Gesicht. Wie? Natürlich mit Pflanzen. Die Revitalisierung wird für Kommunen allmählich zur Priorität Nummer eins. Auf den Straßen, selbst auf den belebtesten, taucht immer mehr Grün auf. Nach vielen Jahren haben wir verstanden, dass uns in der Stadt das Grün fehlt. Doch es zeigt sich: Selbst einen kleinen Baum zu pflanzen ist ein langer Prozess, der viel Fachwissen erfordert. Beispiele für Urbanisierung und Revitalisierung finden wir direkt vor der Haustür. In unserer Heimatstadt Lublin hat gerade der Umbau einer der Hauptstraßen begonnen. Die Straße war alt und heruntergekommen, für die meisten Menschen in der Stadt aber nach wie vor sehr wichtig. Vor dem Umbau hat die Stadtverwaltung mit den Menschen über die Änderungen gesprochen. Es war sehr wichtig, die Pläne mit der Meinung der Bevölkerung abzugleichen – schließlich sind die Änderungen für sie. Der Umbau der Racławickie-Straße umfasst die Pflanzung von 170 Bäumen und über 5.500 Sträuchern. Die ausführende Firma schützt Beete und Baumscheiben mit speziellen Matten und einer Schicht aus kompostierter, gehäckselter Nadelholzrinde vor zu starker Verdunstung. Der untere Teil der Stämme erhält spezielle Kunststoffmanschetten, die die Rinde etwa beim Mähen vor Schäden schützen. Das sind Standardmaßnahmen bei neuen Pflanzungen in der Stadt. 

Doch was, wenn der Platz für Pflanzen fehlt – vor allem für Bäume, die mit der Zeit groß und hoch werden? 

Die Herausforderungen

Alles wirkt einfach, aber man ahnt kaum, wie viele Lösungen vor der Investition gefunden werden müssen. Die Planung einer Revitalisierung in der Stadt bringt viele Herausforderungen mit sich. Damit ein Baum hoch und gesund wächst, reicht es nicht, ein Loch zu graben, den Baum einzusetzen und mit Erde zu bedecken. Die offensichtlichsten Probleme sind der begrenzte Platz zwischen Gebäuden und versiegelte Flächen. Es ist nicht leicht, Bedingungen zu schaffen, unter denen der Baum unter der Oberfläche ungehindert und ohne äußere Einflüsse wachsen kann. Deshalb braucht es für die Pflanzung spezielle Tragkonstruktionen, die die befestigte Oberfläche über den Wurzeln halten. So steht die Pflanze nicht unter Druck und kann normal wachsen. Laut TreeBuilders, einem Unternehmen mit Erfahrung in der Umgestaltung von Städten, gibt es Methoden, um dieses Problem zu vermeiden. Das Unternehmen setzt das System TreeParker ein, das grüne, blaue und graue Infrastruktur verbindet. Was heißt das? Das unterirdische System aus strukturellen Bodenzellen bietet den Wurzeln unbegrenzten Raum und nutzt den Platz unter der Erde optimal aus. Möglich machen das spezielle Ausleger. Das System baut auf Erfahrungen aus vielen Versuchen, Projekten und Gesprächen mit Landschaftsarchitekten, Kunden, Bauunternehmen und Baumschulen auf, um eine kosteneffiziente, passgenaue Lösung für das Wachstum großer Bäume in der Stadt zu bieten. Doch dann stellt sich die nächste Frage: Wie findet man heraus, was im Boden passiert? 

Die Lösung

Neben der Konstruktion muss auch der Boden untersucht werden. In diesem Fall ist der Boden der wichtigste Teil des gesamten Projekts. Der Baum wächst nur dann hoch und gesund, wenn der Boden in gutem Zustand und ausreichend feucht ist. Es gibt Methoden, die nicht nur das Pflanzen verbessern, sondern sich auch über viele Jahre um die Bäume kümmern. Die Lösung setzt darauf, Informationen aus dem Untergrund zu sammeln. Ziel ist es, Boden und Pflanzen über die gesamte Lebensdauer des Baums zu messen, ohne die Sensoren alle paar Jahre tauschen zu müssen. Mit speziellen Sensoren wissen wir, wann der Baum Wasser braucht und wann der Boden gut durchfeuchtet ist – die Feuchtigkeit im Blick zu behalten ist sehr wichtig, denn zu viel Wasser im Boden bedeutet keinen Sauerstoff, und dann wachsen Bäume nicht. Für die Datenerfassung über viele Jahre eignen sich PICO-Bodenfeuchtesonden, die den volumetrischen Wassergehalt im Boden und in einigen anderen porösen Materialien messen. Die Lösung sieht zwei Sensoren vor, mit denen sich Feuchtigkeit und Temperatur sogar bis zu 20 Jahre lang auslesen lassen. In dieser Zeit muss der Sensor weder getauscht noch geladen werden. 

Drahtloser Ansatz

Eine der Ideen betrifft die Verbindung zwischen Sensor und Server. Das Konzept sieht vor, autonome Sensoren mit langlebiger Batterie in den Boden einzusetzen. Und wie kommen die Messwerte aus einem verborgenen Sensor? Die Antwort ist einfach: per Funk über LoRaWAN – die Messwerte gelangen über mehrere hundert Meter zum LoRaWAN-Gateway. Die Serverarchitektur besteht aus 2 Servern. Einer ist ein Aggregator, der alle Daten speichert und für die Kommunikation zwischen Server und Sensor zuständig ist. Der zweite, der Anwendungsserver, übernimmt Verwaltung, Konfiguration und Überwachung der Messdaten, aus denen Warnmeldungen und Statistiken entstehen. 

Vorteile: einfache Installation (keine Kabel, nur den Sensor einsetzen), Autarkie (wartungsfrei während der gesamten Batterielebensdauer), Schutz vor äußeren Beschädigungen. 

Nachteile: Kosten der Batterien (langlebige Batterien sind recht teuer). 

Kabelgebundener Ansatz

Das ist noch nicht alles. Eine andere Idee nutzt PoE. Dieses Konzept unterscheidet sich etwas vom ersten: Es sieht ein Netz aus Sensoren im Boden vor, die über Power over Ethernet (PoE) verbunden und versorgt werden. Das Netz hängt an einem Gateway, dessen Switch die Sensoren mit Strom versorgt und jederzeit Messungen auslösen kann. Das Gateway verfügt über zusätzliche Mechanismen zur Verarbeitung der Messwerte und bereitet die Datenpakete für den Versand an den Cloud-Server über die WAN-Verbindung eines GSM-Moduls vor. 

Vorteile: Stabilität (keine Funkstörungen), relativ niedriger Gerätepreis (keine Batterie, die Daten gehen direkt ins Internet), geringerer Stromverbrauch (abschaltbar, wenn nicht in Gebrauch). 

Nachteile: aufwendigere Installation, im Betrieb besteht die Gefahr, dass ein Kabel durchtrennt wird.

Beispiele für den Einsatz von Sensoren

Das ist nur ein Beispiel dafür, wie sich die Revitalisierung der Stadt zum Nutzen aller verbessern lässt. In Chile werden spezielle Sensoren an Bäumen angebracht. Das Gerät überwacht ständig die Luft und sendet die Daten an ein System, das den Beginn eines Waldbrands erkennt. So erfährt die Feuerwehr schneller von der Gefahr im Wald. 

Quelle: Fastcompany.com

Quelle: Entel

Außerdem arbeitet ein Unternehmen aus Bergen an einem Projekt für urbane Landwirtschaft in Form eines Baums. Glasir ist ein Projekt, das seit 2018 entwickelt wird. Geplant war, dass in den Straßen von Brooklyn spezielle Bäume unter Glas stehen. Laut Konzept sollte Glasir mit KI-gestützten Sensoren ausgestattet werden, die Pflanzenwachstum und Umweltbedingungen überwachen.

Quelle: FramLab

Ein gutes Beispiel direkt aus unserer Heimatstadt ist das städtische Programm Smart Mobility. Das intelligente Verkehrssystem verbessert den Verkehrsfluss auf den Straßen. Es hilft, Staus zu vermeiden, und sorgt für die Sicherheit der Menschen in der Stadt. Das System übernimmt Verkehrs- und Mobilitätsmanagement, Gebührenerhebung und Information und kann mit ähnlichen Systemen anderer Verkehrsträger zusammenarbeiten.

Quelle: lublin.eu

Sensorbasierte Technologie kann also nicht nur modern sein, sondern auch im Alltag sehr nützlich und für den städtischen Haushalt wirtschaftlicher. 

Ein besseres Morgen für alle

Die Lösung bringt viele Vorteile und lässt sich viele Jahre nutzen. Ziel ist es, über lange Zeit Daten über die Bäume, ihren Zustand und die Bodenfeuchte zu sammeln. Sie eignet sich nicht nur für die Bäume, die heute in der Stadt gepflanzt werden, sondern auch für künftige Pflanzungen, wenn alte Bäume ersetzt werden. Bisher hielten die verbreitetsten Feuchtesensoren nur wenige Jahre oder kürzer, was Probleme und zusätzliche Kosten verursachte. Wer ein solches innovatives System aufbaut, sorgt für die Zukunft unserer Straßen. Die im Artikel beschriebenen Lösungen sind langfristig und flexibel. Je nach Bedarf und Budget lassen sich beide Konzepte anpassen. Schließlich soll jedes Smart-City-Projekt die Lebensqualität der Menschen in der Stadt verbessern. Technologie wird für alle Entscheidungsträger zu einem zentralen Antrieb und prägt die Welt, wie wir sie sehen.