Mobile Based Animal Tracker (Mobile-BAT)

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Alexander Kölpin; Professor Dr. Michael Karl-Heinz Veith
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 327661705

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Im Projekt Mobile Based Animal Tracker (Mobile-BAT) wurde ein neuartiges Ortungssystem entwickelt, welches zur Langzeituntersuchtung von Migrations- und Zugbewegungen von Fledermäusen eingesetzt werden kann. Das Verfahren nutzt die bestehende Mobilfunkinfrastruktur, indem die Zellkennungen aller verfügbarer GSM-Basisstationen im 900 MHz-Band ausgelesen werden. Dabei wählt sich der Logger nicht ins Mobilfunknetz ein, sondern empfängt und dekodiert die unverschlüsselt ausgesendeten, eindeutigen Cell-IDs, deren geographischen Positionen auf Grundlage von Daten der Netzbetreiber bekannt sind und nachträglich zur Positionsrekonstruktion genutzt wurden. Da Mobilfunk-Chipsets heutzutage nicht mehr in kleinen Stückzahlen erhältlich sind, wurde ein Software-definierter GSM-Empfänger auf Basis eines Sub-GHz-Transceivers und eines Mikrocontrollers implementiert. Durch den direkten Zugriff auf die Hardware und die Eigenentwicklung eines architekturoptimierten GSM-Stacks konnte die pro Scan benötigte Energie minimiert werden, indem der Empfänger nur zu den relevanten Bursts eingeschalten und die Signalverarbeitung in Echtzeit abgearbeitet wurde. Die entwickelten Logger wiegen inklusive Batterie 2,0 g und besitzen mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Höhe von 3,3 mm die Abmessungen zweier übereinander gelegter 1 Eurocent-Münzen. Eine dünne, flexible Leiterplatte trägt die elektronischen Komponenten und dient gleichzeitig der Kontaktierung der Batterie, indem sie um diese herumgefaltet und leitend verklebt wurde. Zum Langzeitschutz vor Umwelteinflüssen (Kot, Urin, mechanische Beanspruchung) wurde der Logger verstärkt durch eine Glasfaser vollständig in Epoxidharz vergossen. Die im internen Speicher des Loggers gesammelten Cell-ID-Daten können mit einem Detektions- und Datenübertragungssytem per Funk im 868 MHz-Band heruntergeladen werden. Das Übertragungsprotokoll wurde auf größtmögliche Energieeffizienz seitens des Loggers ausgelegt. Die Basisstationen sind mit einem Solarpanel vollständig energieautark und wurden an Bäumen im Wald installiert. Über eine GPRS-Verbindung kann der Datenstand zwischen allen Basisstationen synchronisiert werden, was außerdem den Fernzugriff auf die Messdaten der Logger ermöglicht. In mehreren Feldtests wurde die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems nachgewiesen. Die Messrate ist flexibel: Für einen zweiwöchigen Kurzzeiteinsatz wurde eine Messung pro zehn Minuten durchgeführt. Bei den Langzeituntersuchungen mit einer angestrebten Laufzeit von zwölf Monaten wurden vier Messungen pro Tag getätigt. Zur Rekonstruktion der Aufenthaltsorte der Logger wurden die zu erwartenden Empfangsleistungen der jeweiligen GSM-Basisstationen auf Grundlage von Funkausbreitungssimulationen unter Einbeziehung der Topographie berechnet. Anschließend wurde die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für jeden Kartenpixel unter den Bedingungen der tatsächlich gemessenen Leistungswerte anhand eines statistischen Schwundmodells berechnet und als 2D-Karte geplottet.

Publications

• “Receiving GSM Broadcast Channels with an Ultra-Low Power Sub-GHz Transceiver”. In: 2017 47th European Microwave Conference (EuMC). Okt. 2017, S. 380–383
  Stefan Erhardt, Robert Weigel und Alexander Kölpin
  
• “Enhanced GSM Broadcast Receiver Using the Phase Output of a Sub-GHz Transceiver”. In: 2018 48th European Microwave Conference (EuMC). Sep. 2018, S. 1137–1140
  Stefan Erhardt, Bernhard Gäde, Robert Weigel und Alexander Kölpin
  
• “Real-time GSM broadcast receiver on a Cortex-M4 microcontroller”. In: 2018 IEEE Topical Conference on Wireless Sensors and Sensor Networks (WiSNet). Jan. 2018, S. 55–58
  Stefan Erhardt, Felix Pflaum, Robert Weigel und Alexander Kölpin
  
• “A Small and Lightweight Ultra-Low Power GSM Cell Tracker”. In: 2019 IEEE Topical Conference on Wireless Sensors and Sensor Networks (WiSNet). Jan. 2019, S. 1–4
  Stefan Erhardt, Robert Weigel und Alexander Kölpin
  
• “An Automatic Detection and Data Downlink System for Miniature Bat Loggers”. In: 2020 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS). Jan. 2020, S. 247–250
  Stefan Erhardt, Josef Koller, Fabian Lurz, Robert Weigel und Alexander Kölpin
  
• “Design and Assembly of Miniature Long-Term Trackers for Migrating Bats”. In: 2020 German Microwave Conference (GeMiC). März 2020, S. 144–147. ISBN: 978-1-7281-4206-7
  Stefan Erhardt, Frank Tost, Fabian Lurz, Robert Weigel und Alexander Kölpin