Ein mobiles Mikroklima-Monitoringsystem zur Berechnung des atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten α nach ISO 9613-1 — entwickelt für die bioakustische Fledermausforschung unter realen Feldbedingungen.
„Mein Name ist Jochen Roth und ich bin Maschinenschlosser aus Paderborn. Keine Uni, kein Biologiestudium. Aber seit Jahren beobachte ich Fledermäuse — und irgendwann hat mich die Frage nicht mehr losgelassen: Wie weit trägt ein Ruf wirklich, wenn es kalt und feucht ist? Das NEXUS-System ist mein Versuch, diese Frage messbar zu machen."
Vier Kernkomponenten bilden das NEXUS-System. Jede Komponente wurde gezielt nach Genauigkeit, Formfaktor und Energieeffizienz für den Feldeinsatz ausgewählt.
Dual-Core Prozessor mit integriertem WLAN für lokales Daten-Streaming. Ausreichend Rechenleistung für ISO-9613-1-Berechnungen in Echtzeit (<5 ms/Zyklus).
Thermisch entkoppelt montiert — ca. 12 cm diagonal vom Prozessor entfernt, um Eigenerwärmung auszuschließen. Radiation Shield (3D-Druck, weißes ASA) für Phase 2 vorgesehen.
Liefert präzise UTC-Zeitstempel zur Synchronisation mit TeensyBat-Aufnahmen (<1 s Genauigkeit erforderlich). Koordinaten werden aus Habitatschutzgründen nicht veröffentlicht.
Erfasst Windeinfluss auf die Rufausbreitung und Niederschlag (Fledermausaktivität bei Regen ≈ 0). Winddaten sind ausschließlich im stationären Modus valide.
Energieversorgung: 10.000 mAh LiPo Powerbank (USB-A zu USB-C) — Laufzeit >72 Stunden bei Dauerbetrieb mit 240 MHz. Der Prozessor läuft bewusst mit voller Taktung, um die automatische Abschaltung der Powerbank zu verhindern.
Kernalgorithmus des NEXUS: Berechnung des frequenzabhängigen Dämpfungskoeffizienten α nach ISO 9613-1 in Echtzeit auf dem ESP32S3.
Relevanz für Rhinolophus hipposideros (110 kHz): α kann zwischen 0,8 dB/m (kalt/trocken) und 2,5 dB/m (warm/feucht) variieren — bei 10 Metern Distanz bedeutet das einen Intensitätsverlust von 8 bis 25 dB!
Alle Messwerte werden auf microSD im CSV-Format gespeichert.
Dateiname: DD-MM-YY-N.csv
· Abtastrate: 2 Sekunden (fest) —
optimiert für die Ankopplung an BatDetect2 (bevorzugt 2-Sekunden-Aufnahmen)
und BattyBirdNET-Analyzer (bevorzugt 3-Sekunden-Aufnahmen)
Modus-abhängige Datenqualität: Bei Mode=Mobil (Transektbegehung) sind Windgeschwindigkeit und Windrichtung NICHT valide — die Eigengeschwindigkeit des Trägers verfälscht die Messung. Wind-Daten dürfen in der Auswertung von Transektdaten nicht zur Interpretation der Fledermausaktivität herangezogen werden.
| Spalte | Einheit | Beschreibung | Mobil | Stationär |
|---|---|---|---|---|
| Date / Time | DD.MM.YYYY / HH:MM:SS | Datum und Uhrzeit (Lokalzeit, GPS-synchronisiert) | ||
| Lat / Lon | Dezimalgrad WGS84 | GPS-Position · „NoFix" wenn kein Signal · Koordinaten werden nicht veröffentlicht (Habitatschutz) | ||
| Sats / HDOP | Anzahl / – | GPS-Satellitenanzahl (≥4 für Fix) · HDOP <2 = gute Genauigkeit | ||
| Temp_C | °C | Lufttemperatur (BME680) · thermisch entkoppelt | ||
| Hum | % rH | Relative Luftfeuchtigkeit (BME680) | ||
| DewPoint | °C | Taupunkt (berechnet aus Temp + Humidity) | ||
| Pres_hPa | hPa | Luftdruck (BME680) · validiert gegen DWD-Station Paderborn-Lippstadt (EDLP) | ||
| Gas_kOhm | kΩ | VOC-Sensor Rohdaten · benötigt 25–30 Min Stabilisierung nach Start | ||
| Cloud | Okta (0–8) | Bewölkungsgrad · manuelle Eingabe vor Start · 0=wolkenlos, 8=vollständig bedeckt | ||
| Wind_Avg_ms / Wind_Gust_ms | m/s | Windgeschwindigkeit & Böen · SEN-15901 | ||
| Wind_Dir / Wind_Dir_deg | Text / ° | Windrichtung (8 Hauptrichtungen) / in Grad (0–360) | ||
| Rain_mm | mm | Niederschlag kumulativ seit Systemstart (Kippwaage) | ||
| Mode | Text | Mobil = Transektbegehung · Stationär = festes Setup | ||
| a20k – a110k | dB/m | Atmosphärische Dämpfung bei 20 / 40 / 55 / 80 / 110 kHz nach ISO 9613-1 |
Date,Time,Lat,Lon,Alt,Sats,HDOP,Temp_C,Hum,DewPoint,Pres_hPa,Gas_kOhm,Cloud,Wind_Avg_ms,...,a20k,a40k,a55k,a80k,a110k
03.02.2026,15:00:30,51.720558,8.760098,112.3,12,1.0,9.45,45.23,-1.83,988.92,8.43,8,0.0,...,0.4536,0.7429,0.9917,1.5468,2.4686
Transparenz ist Grundlage guter Wissenschaft. Alle bekannten Einschränkungen und systematischen Artefakte des NEXUS-Systems sind hier vollständig dokumentiert. Rohdaten werden grundsätzlich nicht nachträglich verändert — stattdessen werden Artefakte beschrieben, damit andere Forscher sie bei der Auswertung berücksichtigen können.
Bei jeder Session entsteht beim Hochschieben des Mastes eine Bewegung des Anemometers — dies erzeugt in den ersten 2–5 Minuten jeder Messung einen künstlichen Windpeak, der nicht der tatsächlichen Windgeschwindigkeit entspricht.
Handhabung: Die betroffenen Datenpunkte werden bewusst nicht aus den Rohdaten entfernt. Stattdessen gilt: Bei der Auswertung sind die ersten 5 Minuten jeder Session als Aufbauphase zu werten und bei Windanalysen entsprechend zu gewichten oder auszuschließen.
Betroffen: Wind_Avg_ms, Wind_Gust_ms der ersten ~2–5 Min. jeder Session · α-Koeffizienten und Klimadaten sind nicht betroffen.
Das Anemometer des SEN-15901 erfasst nur 8 Hauptrichtungen (N, NE, E, SE, S, SW, W, NW) — keine kontinuierliche 360°-Messung.
Grobe Richtungsangabe · für Windkorrelationsanalysen nur eingeschränkt geeignet.
Bei Transektbegehungen (Mode=Mobil) verfälscht die Eigengeschwindigkeit des Trägers die Windmessung. Winddaten sind in diesem Modus nicht valide.
Wind_Avg_ms und Wind_Dir bei Mode=Mobil grundsätzlich zu ignorieren.
Der Kaltstart des AIR530 benötigt bis zu 35 Sekunden, unter dichtem Baumbestand kann der Fix deutlich länger dauern oder ausbleiben. Betroffene Zeilen erhalten den Wert "NoFix".
Keine Koordinaten bei dichten Habitaten · Zeitstempel bleiben valide.
Der VOC-Sensor des BME680 benötigt nach dem Start 25–30 Minuten, um eine stabile Baseline zu erreichen. Frühere Werte sind qualitativ nicht belastbar.
Gas_kOhm in den ersten 30 Min. jeder Session nur orientierend verwenden.
Das aktuelle Gehäuse (Tupper-Dose) ist ein provisorisches Setup. Ein Radiation Shield für den BME680 ist für Phase 2 vorgesehen — bringt Verbesserungen besonders bei direkter Sonneneinstrahlung.
Keine Auswirkung auf Messgenauigkeit bei Nachtmessungen · finale Gehäuselösung in Entwicklung.
Der BME680 misst die Temperatur an einem einzelnen Punkt — Mikroklima-Varianz innerhalb eines Meters ist möglich und wird nicht erfasst.
Messwert repräsentiert Standortpunkt, nicht den gesamten Habitatraum.
Grundsatz zur Datenintegrität: Alle Rohdaten werden unverändert veröffentlicht — inklusive bekannter Artefakte. Nachträgliches Löschen von "störenden" Werten würde die Reproduzierbarkeit gefährden und entspricht nicht den Grundsätzen offener Wissenschaft. Diese Dokumentation ermöglicht anderen Forschern, Artefakte selbst zu identifizieren und bei der Auswertung zu berücksichtigen.
Standard-Deployment: Stativ auf 200 cm, Wetterstation auf 240 cm, 30 Minuten Vorlauf für GPS-Fix und BME680-Stabilisierung. Begleit-Hardware: TeensyBat + TOPDON TS004 Thermalkamera.
Beleuchtung im Feld: Ausschließlich Rotlicht (Simond HL 900, 900 lm) — verhindert Störung lichtscheuer Arten und erhält die eigene Dunkeladaption. Die Lampe übertrifft die Mindesthelligkeit für Fledermausforschung geringfügig — eignet sich jedoch hervorragend für neugierige Passanten und notfalls verirrte Astronauten. 🔭
NEXUS-Klimadaten werden mit akustischen Aufnahmen und visuellen Beobachtungen kombiniert, um die ursprüngliche Rufintensität unter Berücksichtigung der atmosphärischen Dämpfung zu rekonstruieren.
Primäre KI-Klassifikation der Rufaufnahmen (Mac Aodha et al., 2022). Konfidenz-Schwellwert: ≥ 0,85 für die GOLD-Liste. Kombiniert mit NEXUS-Klimadaten für korrigierte Aktivitätsbewertung.
Unabhängiger Kreuznachweis aller Rufsequenzen mit dem BattyBirdNET-Analyzer (rdz-oss, GitHub). Gesamtübereinstimmung mit BatDetect2: 78,2 %. P. pygmaeus und N. leisleri von beiden Systemen zu 100 % bestätigt. Empfehlenswert für alle Citizen Scientists als zweites Klassifikationstool.
Analyse von Ruffrequenz und Rufstruktur. Frequenzbereich, Rufcharakteristik und zeitliche Muster je nachgewiesener Art.
TOPDON TS004 für visuelle Sichtbestätigung der Tiere im Feld. Validierung der akustischen Nachweise.
Plausibilitätsprüfung gegen DWD-Wetterstation Paderborn-Lippstadt (EDLP). Abweichung Temperatur <0,3 °C, Luftdruck <0,5 hPa.