Die Birkenfelder Box: gemütliches Zuhause für LoRa-Gateways & Co. in der Wildnis
Draußen muss Technik vor Witterung und Blitzen geschützt und mit Strom und Internet versorgt werden – im Einklang mit der Natur, die ihre eigenen Regeln hat.
- Rainer Maria Kreten
Der Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier liegt am Rande des Nationalparks Hunsrück-Hochwald. Dieser dient vielen Forschern aus dem ganzen Bundesgebiet als riesiges Freiluft-Labor. Wo geforscht wird, da fallen Daten an, die auch nahezu in Echtzeit auf unseren Servern landen sollen. Wo laufen die Rehe gerade herum, wie sind die Quellschüttungen, wie das Wetter und wie ist gerade die Besucherfrequenz? Für alle möglichen Parameter gibt es Sensoren, die per LoRaWAN ihre Werte in die Welt funken. Also gingen wir daran, zusammen mit der örtlichen Kommunalverwaltung am Aufbau des LoRa-Netzes zu arbeiten. "Wir" sind in diesem Zusammenhang die Nationalparkverwaltung gemeinsam mit der Hochschule.
LoRa-Standorte an Schulen, Verwaltungsgebäuden und Feuerwehrgerätehäusern waren schnell identifiziert. Dann wurde es mühsam, denn die Anwendungsfälle der Gemeinden, z.B. das Fernauslesen von Gaszählern in Kellern, erforderte eine ganz andere Netzauslegung als die Verfolgung der Wanderbewegungen von Wildtieren.
LoRaWAN gilt als flexibel, unkompliziert und preiswert. Das ist es aber nur solange, wie wir in unseren eigenen Häusern und Wohnungen agieren. Kommen Fachunternehmen ins Spiel, die sich um die Montage der Gateways an öffentlichen Gebäuden kümmern, die Leitungen verlegen, Antennen montieren und sich um Dinge wie Blitzschutz und Zugangstüren kümmern, steigen die Kosten leicht um das Zehnfache der verbauten LoRa-Hardware. Schließlich gibt es nicht überall geeignete Standorte, um auch örtlich wechselnde Forschungsprojekte mit einer stabilen Netzabdeckung zu versorgen.
So kam der Wunsch auf, flexibel einsetzbare Gateways zu haben. Die sollten nicht nur für LoRaWAN taugen, sondern auch genug Platz bieten, um weitere Technik im Nationalpark zu beherbergen.
- Router, LoRaWAN-Gateways und andere Technik in der Wildnis nutzen
- Insel-Photovoltaik-Lösung abseits von Fahrzeugen und Gebäuden
- Erfahrungen bei Montagearbeiten in freier Natur
Checkliste
Zeitaufwand: ein bis drei Arbeitstage je nach Ausbaustufe
Kosten: 200 Euro bis zu 1300 Euro je nach Ausbaustufe
Programmieren: nicht nötig,reines Hardwareprojekt
Messen: Einfache Messungen mit Multimeter
Fertigkeiten: handwerkliche Grundkenntnisse, Elektrotechnik-Kenntnisse
Gefahren: Umgang mit Bleiakkus, schwere und sperrige Komponenten
Material: Siehe Materialliste am Ende des Artikels
Werkzeug: Elektrikerkoffer, Lötkolben, Akkubohrmaschine mit Bohrerkassette und Stufenbohrer, Gewindeschneider. Je nach Bodenbeschaffenheit am Aufbauort Bohrhammer mit Durchbruchbohrer.
- Heinz Behling, Projekt mit alternativer Energiequelle: Solarstrom für Mikrocontroller
- Guido Burger, Klaus-Uwe Gollmer, Flusspegel messen mit der Citizen Science Box
Das Ziel: Eine nachbausichere Lösung
Die Grundidee – eine Kiste, eine Antenne und ein bisschen Photovoltaik in die Natur zu verfrachten – stellte sich im Detail schnell als recht komplex heraus. Die Lösung sollte nicht nur funktional und kostengünstig, sondern auch ganz oder in Teilen mit einfachen Mitteln reproduzierbar sein. Abgesehen von den LoRa-Komponenten wurde ein örtlicher Baumarkt als Hauptlieferquelle genutzt. Auch die nötigen Werkzeuge gingen nicht über die Standards einer Hobbywerkstatt hinaus.
Ausführende waren hauptsächlich Studierende und natürlich gab es bei Bedarf Hilfe von Profis aus der Nationalparkverwaltung und der Hochschule. Um es vorwegzunehmen: Das Projekt hat uns allen Spaß gemacht, aber auch gezeigt, dass wir nur dann wirklich weiterkommen, wenn wir unser Ingenieurwissen im Kopf und die Bauteile in der Hand halten.
Zurück zur Grundidee: Ein geeignetes Gehäuse wird an einem Pfosten montiert, dazu die Photovoltaik und ein Antennenmast. Die Elektronik soll dabei weg vom Boden, damit Schneelagen und Starkregen ihr nichts anhaben können.
Das Fundament – Verankerung im Boden
Löcher ausheben und Fundamente betonieren ist zwar eine bewährte Methode, scheidet aber im Nationalpark aus Naturschutzgründen aus. Schließlich soll nach einem späteren Abbau der Anlage nichts mehr in der Natur zurückbleiben und das Ausgraben und Entsorgen von Fundamenten ist teuer oder schweißtreibend. Meistens beides.
Große Stative, wie man sie für Scheinwerfer benutzt, waren zu annehmbaren Preisen nicht zu haben. Diese Idee wurde deshalb ebenso verworfen wie der Gedanke, mit dem Erdbohrgerät ein Loch zu bohren und den Pfosten darin einfach festzustampfen.
Zur Montage von Wäschespinnen gibt es Hülsen, die wie ein Korkenzieher in den Boden gedreht werden. Das führte zur Lösung. Diese Bodeneinschraubhülsen gibt es in verschiedenen Größen und Ausführungen zu kaufen. Billig sind sie nicht. Man kann Schilder, Häuser, Brücken und ganze Solarparks damit verankern. Und im Nationalpark sind sie bereits vielfach im Einsatz.
Um sie in den Boden zu bekommen, gibt es spezielle Eindrehmaschinen, die auch gleich für den senkrechten Sitz sorgen. Für unser Projekt war das eine verführerische Perspektive, hätte uns aber von der Leitlinie weggebracht, keine Spezialmaschinen zu verwenden. Also starteten wir die Probe aufs Exempel, besorgten eine solche Hülse von 70 cm Länge, ein altes Eisenrohr (½ Zoll) sowie eine Wasserwaage und machten auf dem Campusgelände unsere Versuche damit.
Tatsächlich gelang es uns, die Hülse sauber in der Wiese zu versenken. Am Anfang dreht man alleine und vorsichtig unter maximalem Druck, bis die Hülse "beißt". Dann mit der Wasserwaage den senkrechten Sitz kontrollieren, ggf. gerade drücken und weiter eindrehen. Immer wieder auf senkrechten Sitz prüfen. Erst wenn das Drehen zu schwer geht, die Hülse also ein gutes Stück in der Erde steckt, können zwei Leute anpacken.
Um sicher zu sein, haben wir den Versuch an anderer Stelle wiederholt, einem ehemaligen Hubschrauberlandeplatz mit geschottertem Untergrund. Auch hier waren wir letztlich erfolgreich, wenn es auch deutlich anstrengender war und wir mehrere Anläufe nehmen mussten. Hilfreich war auch, mit einem Bohrhammer und einem 40-mm-Durchbruchbohrer zunächst ein senkrechtes Loch zu setzen.
Der Pfosten
Als Zubehör für die Bodeneinschraubhülsen gibt es Adapterdeckel in verschiedenen Durchmessern. Damit hat man die konstruktive Freiheit, Pfosten in unterschiedlichen Durchmessern zu verwenden. Wir haben uns für ein 1,5 m langes Edelstahlrohr von 70 mm Durchmesser entschieden, welches zum Bau von Balkongeländern verkauft wurde. Es passte genau in die Bodenhülse und stand bereits ohne Anziehen der seitlichen Halteschrauben stabil.
Um es vorwegzunehmen: Beim Abbau hatten wir Mühe, es wieder aus der Hülse zu ziehen. Zwischen der verzinkten Hülse und dem Edelstahl hatte sich eine dünne, weiße Kruste gebildet. Den Tipp eines Profis, vorab Vaseline oder ein für Trinkwasserinstallationen zugelassenes Fett aufzubringen, haben wir beim nächsten Aufbau beherzigt. Die Schrauben wurden auch nur leicht angezogen und mit Muttern gekontert, um das Standrohr nicht zu verformen. Etwa 50 cm über dem unteren Ende sorgt eine Querbohrung mit einer 8 mm starken Schraube dafür, dass der später darin steckende Antennenmast einen definierten Fußpunkt hat und nicht nach unten in die Bodenhülse rutscht.
Die Box – ein Schaltschrank
Schaltschränke gibt es in unterschiedlichen Größen, mit Hutschienen und Montageplatten. Wir haben letztere genommen, natürlich wetterfest in Schutzart IP64, also geschützt vor allseitigem Spritzwasser und staubdicht. Die herausnehmbare Montageplatte aus verzinktem Stahlblech hat den Vorteil, dass man das Innenleben komplett montieren kann, erst danach wird die Platte wieder ins Gehäuse eingesetzt.
So banal es klingt, es erfordert schon etwas räumliches Vorstellungsvermögen wie die einzelnen Geräte angeordnet werden. Steck- und Schraubverbindungen müssen bequem zugänglich sein, also Platz zum Rand haben. Das koaxiale Antennenkabel darf nicht geknickt werden, weil insbesondere Kabeltypen mit Luftdielektrikum (man erkennt sie meist an der Silbe "air" im Handelsnamen) solche Misshandlung übel nehmen und ihre elektrischen Werte irreversibel verändern. Als Faustregel gilt, dass der Biegeradius maximal so eng sein darf, dass er um eine Halbliter-Bierflasche herum passt. Auch zu fest angezogene Kabelbinder können Koaxkabel quetschen und beschädigen. Praktiker nehmen ein wenige Zentimeter langes Stück Wasserschlauch, schneiden es der Länge nach auf und legen es an möglichen Quetschstellen um das Antennenkabel.
Layout lohnt sich
Die Anordnung der Geräte haben wir zunächst auf einem Papierbogen entworfen und samt der Bohrlöcher eingezeichnet. Auch ein Radiergummi war dabei im Spiel. Dann wurde der Entwurf mit Klebestift auf der Montageplatte fixiert, die Löcher durch das Papier angekörnt und gebohrt. Das funktioniert deutlich sicherer als das Markieren unmittelbar auf dem glatten Blech. Das Papier wurde danach abgezogen und Klebstoffreste wurden mit einer Bürste unter fließendem Wasser entfernt.
In die Montagebohrungen haben wir Gewinde M4 geschnitten. So können die Geräte bei Bedarf demontiert werden, ohne die komplette Montageplatte auszubauen. Alternativ wären auch Blechschrauben möglich gewesen.
Die diversen Leitungen sind an der Unterseite des Kastens durch Kabelverschraubungen geführt. Dabei darf es ruhig die eine oder andere über den aktuellen Bedarf hinaus geben, denn später im Gelände mit dem Stufenbohrer nachzuarbeiten funktioniert eigentlich nur im Liegen. Und es ergibt sich ein weiteres Problem: Bohrspäne in der Werkstatt werden nach getaner Arbeit einfach zusammengefegt und entsorgt. In der Wildnis funktioniert das nicht, eine Plane zum Unterlegen wird gebraucht und mit etwas Pech fegt ein Windstoß das Plastik in die Natur. Apropros Natur: Die kann auch sonstige Überraschungen bereithalten. Unbenutzte Öffnungen laden Insekten zum Nestbau ein, müssen also z.B. mit einem Kabelstückchen verschlossen werden.
Das Antennenkabel haben wir fertig konfiguriert mit beidseitig montierten Steckern erworben. Die passen leider nur bei der unteren Preiskategorie durch die Kabelverschraubung. Hier kam eine flexible Gummitülle zum Einsatz, durch die der Gateway-seitige Stecker (SMA) passte. Zuerst den Stecker hindurchstecken, dann die Tülle in die Gehäuseöffnung einsetzen und – siehe oben – schön an die Bierflasche denken.
Die Montage am Pfosten
Schaltschränke sind dazu da, an eine Wand geschraubt zu werden. Entsprechend dünn und wabbelig ist die Rückwand abseits der vorgesehenen Befestigungslöcher. Wir haben den Kasten auf eine 20 mm dicke Siebdruckplatte geschraubt. Dieser wasserfeste Holzwerkstoff wurde vor Jahrzehnten zum Bau von Waggonböden entwickelt. Die Oberfläche aus Kunststoff ist ziemlich hart, Vorbohren der Schraubenlöcher also empfehlenswert.
Um die Kiste an den Pfosten zu bekommen, fanden wir lange keine leicht beschaffbare Lösung. Die gab es schließlich doch im Baumarkt: Auspuffschellen und Flachverbinder. Die Autoteile sind korrosionsbeständig und für diverse Rohrdurchmesser lieferbar. Flachverbinder sind mit verschiedenen Bohrungen versehene, verzinkte oder beschichtete Flacheisen. Damit ließ sich die Siebdruckplatte samt Schaltschrank stabil am Pfosten befestigen.
Hoch hinaus – der Antennenmast
Auch hier sprühten die Ideen: Der alte Segelmast eines Surfbrettes, ein zerlegbarer Fahnenmast oder auch ausgedientes Militärequipment. Richtig professionell und nachbausicher ist nichts davon.
Ein großer Händler für Amateurfunkbedarf in der Region bietet Teleskopmasten an, variabel ausziehbar auf bis zu sechs Meter. Die stabile Ausführung in Leichtmetalllegierung und Edelstahl hat uns überzeugt, dass wir damit auch bei künftigen Projekten auf der sicheren Seite sind. Mit nur 2 mm Spiel passt der Teleskopmast in den Pfosten – eine zusätzliche Fixierung, wie ursprünglich geplant, war nicht erforderlich. Ein unbestreitbarer Vorteil von Teleskopmasten ist, dass die Montage von Antennen und Sensoren in bequemer Greifhöhe erfolgen kann. Danach wird der Mast Segment nach Segment ausgeschoben und die Arretierungsmuttern werden festgezogen. Bei diesem Arbeitsschritt floss in unserem Projekt leider etwas Praktikantenblut. Löst man irrtümlich die Arretierungsmuttern, saust der geölte Teleskopmast unter seinem Eigengewicht nach unten.
Abspannen – ab 4 Metern Höhe ein Muss
Windlastberechnungen gehören von jeher zum Ingenieurstudium. Die Königsdisziplin. Natürlich kamen auch wir nicht ohne aus, an dieser Stelle schauen wir aber nur auf die praxisrelevanten Ergebnisse.
Der Mast ragt bei etwa 1,5 Metern Höhe aus dem Pfosten. Bis zum Doppelten dieser Länge oberhalb des Einspannpunktes kann er unter üblichen Bedingungen ohne Abspannung genutzt werden, womit wir inklusive Antenne bei etwa 4,5 Metern wären. Geht es höher hinaus, muss abgespannt werden. Wir haben den Abspannkranz auf etwa 5 Metern Höhe montiert und vier 8 mm starke Kunststoffleinen mittels Schäkeln, Seilkauschen und Klemmen angebracht.
Das Spannen der Seile sollte ähnlich wie bei den Seilspannern bei Campingzelten funktionieren. Beim Nachbau des Prinzips kamen wir schließlich auf eine Lösung aus einem 20 mm dicken Elektro-Installationsrohr. Ein Stück von 20 cm Länge wird abgeschnitten und erhält etwa 5 cm von den Enden entfernt durchgehende Bohrungen von – in unserem Fall – 10 mm Durchmesser. Das Seil wird über das Rohrinnere durch eines der Löcher nach außen geführt und verknotet. Das andere Ende des Seiles führt durch den Bodenanker hindurch zurück in den Spanner, durch zwei der seitlichen Löcher (raus-rein) und weiter zum Mast. Durch Verschieben dieses Spanners kann man den Seilzug sauber regulieren.
Geflochtene Leinen eignen sich am besten. Die waren zeitweise nicht erhältlich, weshalb wir zu Anfang auf gedrehte Leinen in einem allzu leuchtenden Blau ausweichen mussten. Die Enden kann man mit einer kleinen Gasflamme, etwa der eines Sturmfeuerzeugs, verschmelzen. Dabei aber unbedingt Arbeitshandschuhe aus Leder tragen, es besteht Verbrennungsgefahr!
Zeltheringe, zumindest solche aus dem Campingbedarf, erwiesen sich als nicht stabil genug für unsere Zwecke. Eine Forschergruppe aus der Pfalz schenkte uns zwar Bodenanker, wie sie im Weinbau Verwendung finden und die sich in Sandböden mit einer Eindrehstange auch gut setzen lassen. Auf den Quarzitböden des Hunsrücks waren sie aber nicht brauchbar. So griffen wir auch hier auf kleine Einschraubhülsen zurück.
Die Energieversorgung
Der Strom für unsere Anlage soll weitgehend über Solarpanels gedeckt werden. "Weitgehend" bedeutet, dass wir bei der Dimensionierung der Anlage in Kauf nehmen, dass wir in der lichtschwachen Jahreszeit von November bis Anfang Februar möglicherweise eine Unterdeckung haben und uns durch Wechseln des Akkus über den Winter retten müssen.
Die zu versorgende Einheit, in unserem Beispiel ein LoRa-Gateway, benötigt permanent etwa 2,5 Watt. Als Energiespeicher haben wir einen AGM-Bleiakku von 12 Volt Nennspannung und 100 Ah Kapazität gewählt. Der bringt immerhin 27,5 kg auf die Waage. Energiespeicher auf Lithium-Basis sollen nach mehreren Unfällen derzeit im studentischen Umfeld nicht mehr zum Einsatz kommen, als Alternative kann man durchaus darüber nachdenken.
Auch wenn AGM-Batterien als zyklenfest vermarktet werden, ist es im Sinne der Langlebigkeit, die Kapazität nur zu etwa 70 Prozent auszunutzen. Also stecken in einem solchen Block 12V · 100 Ah · 0,7 = 840 Wattstunden, die sich im Schonbetrieb nutzen lassen. Damit können wir den Verbraucher also 336 Stunden oder zwei Wochen lang versorgen.
Solar-Prognose
Auf der Erzeugerseite haben wir zwei Solarpanels mit je 100 Watt Nennleistung gewählt. Was aber liefert so ein Kraftwerk tatsächlich abhängig vom Montageort im Jahresverlauf? Das Team um Professor Henrik te Heesen am Umwelt-Campus der Hochschule Trier hat hierzu eine umfangreiche Sammlung an Tools zusammengestellt.
Nach Eingabe der Koordinaten 49,69° Nord, 7,05° Ost ist der Januar mit 27,1 kWh / kWp installierter Leistung der Monat mit dem geringsten Ertrag. Bei 0,2 kWp installierter Leistung dürfen wir auf gerade mal 5,4 kWh Solarertrag hoffen. Setzen wir für die Akkuspeicherung einen Wirkungsgrad von 70 Prozent an, bleiben uns davon noch 3,78 kWh. Demgegenüber haben wir einen Bedarf von rund 1,9 kWh. Das sollte also reichen – dachten wir.
Es gibt aber noch weitere Faktoren, die den Solarertrag schmälern können – Schneelagen zum Beispiel oder Bewuchs. Tiefe Temperaturen nagen am Wirkungsgrad des Akkus, andererseits wird tagsüber Energie auch unmittelbar genutzt und muss nicht erst zwischengespeichert werden. Nach den Erfahrungen aus zwei Wintern sind zwei bis drei Akkuwechsel im Jahr erforderlich, was aber akzeptabel ist: Zum einen ist in unserem speziellen Anwendungsfall durch ein Monitoring der Batteriespannung dafür gesorgt, dass wir rechtzeitig per Datentelegramm über den Akkustand informiert werden. Zum anderen gehört die Inspektion der Station zu den regelmäßigen Aufgaben der Ranger, weshalb sich der zusätzliche Aufwand sehr in Grenzen hält. Und generell werden wir die Betriebsdaten archivieren und auswerten, um damit letztlich auch die Modellrechnungen weiter zu verfeinern.
Hardware-Varianten
Ursprünglich kam zur Überwachung ein IoT Octopus mit LoRa-Wing zum Einsatz, neben der Batteriespannung hat man so gleichzeitig eine generelle Funktionsüberprüfung des LoRa-Gateways realisiert. Als Benutzerschnittstelle diente die Plattform Thingspeak.
Mikrocontroller benötigen aber selbst relativ viel Energie. Per Software müssen sie daher trickreich zwischen den Übermittlungen der Werte in den Tiefschlaf geschickt werden. Auch ihre A/D-Wandler arbeiten nicht eben genau. Die Werte schwanken nicht nur zwischen einzelnen Exemplaren, sondern hängen auch von der Betriebstemperatur ab. Streuungen um die 10 Prozent waren letztlich für uns nicht hinnehmbar.
Wer es dennoch versuchen möchte, es gibt zwei Ansatzpunkte, um zu guten Ergebnissen zu kommen: Mit einer Referenzspannung, z.B. 2,5 Volt wird ein Faktor ermittelt und in den Sketch eingearbeitet. Stehen mehrere Analogeingänge zur Verfügung, so kann man die Referenzspannung aus einem Festspannungsregler auch permanent zuführen und daraus einen gleitenden Korrekturfaktor ableiten.
Für unser Einsatzszenario ist das zu kompliziert, daher haben wir zu industriell gefertigten Spannungssensoren gegriffen. Diese verarbeiten Werte bis zu 3,3 Volt, also muss ein Spannungsteiler vorgeschaltet werden. Wir haben den auf einem Stückchen Lochrasterplatine montiert und neben den beiden Metallfilmwiderständen zusätzlich eine Feinsicherung und einen Spindelpoti verbaut. So lässt sich die Messspannung sehr feinfühlig einstellen und es sind keine speziellen Programmierarbeiten erforderlich. Die Spannungswerte stehen zusammen mit den übrigen Felddaten auf einem Server zur Verfügung, wo sie mit den in der Ökosystemforschung verbreiteten Werkzeugen RStudio und Shiny ausgewertet und visualisiert werden.
Das Solarkraftwerk in der Praxis
Die beiden Panels stehen mit etwa 30 Grad Neigung auf einer Konstruktion aus Aluminiumprofilen auf dem Boden. Ausgerichtet sind sie nach Südost und Südwest. Wir haben sie zusammen mit einem darauf abgestimmten Laderegler bei einem Spezialversand gekauft. Der Laderegler hat einen geführten Arbeitspunkt (maximum power point, abgekürzt MPP), d.h. die Panels werden beim Laden so belastet, dass das Produkt aus Strom und Spannung optimal ist. Das ist heute Stand der Technik. Darüber hinaus sorgt der Laderegler dafür, dass der Akku einmal täglich(sofern der Solarertrag das hergibt)bis zum Gasungspunkt von 14,2 Volt geladen wird. Erst dann erreicht er die volle Kapazität.
Schließlich sorgt ein Tiefentlade- und Überspannungsschutz dafür, dass der Verbraucher nur innerhalb des zulässigen Spannungsbereiches versorgt wird. Daher sollte bei Anlagen dieser Art der Verbraucher immer über den Ausgang am Laderegler und niemals direkt am Akku angeschlossen werden. Einmal tiefentladen sind Bleibatterien irreversibel geschädigt und im praktischen Betrieb kommt es immer mal wieder vor, dass durch Krankheit oder spontan priorisierte Aufgaben der Akkuwechsel unterbleibt. Eine Lücke in den Datenreihen ist meistens einfacher zu verschmerzen als ein mehrtägiger Ausfall der Anlage und die spontan notwendige Ersatzbeschaffung eines Akkus.
Solarpanels haben auch einen typischerweise hohen Innenwiderstand. Ohne Last und bei Besonnung steigt deren Spannung deutlich an, oft zu viel für die angeschlossene Elektronik. Diese Spannungsspitzen treten leicht beim Wechsel des Akkus auf und sollten die Last nicht erreichen. Wir trennen vorsichtshalber die Last vor dem Abklemmen des Akkus über die Kabelsicherung.
Akku in der Kiste
Für die Unterbringung der Bleibatterie haben wir eine exakt passende Munitionskiste gefunden. Davon gibt es nur wenige standardisierte Größen. Alle sind wasserdicht.
Die Batteriekiste steht auf dem Boden, die Verbindung zum Schaltkasten haben wir mit schwerer Gummischlauchleitung HO7VV-f mit 3 Adern zu 2,5 mm² realisiert. Eine Ader ist dabei doppelt geschaltet. Unbedingt empfehlenswert ist eine Kabelsicherung 25 A nahe des Pluspoles. Wer irgendwann einmal qualmende und dann in mildem Orange aufglühende Anschlussdrähte erlebt hat, wird dem unbedingt zustimmen.
In unserem Fall erfolgt der Anschluss des Akkus über Ringkabelschuhe. Das Werkzeug zum Lösen der Schrauben sollte möglichst kurz sein, einerseits um ein Überdrehen der Schrauben zu verhindern, andererseits können lange Schraubenschlüssel einen Kurzschluss verursachen. Lange Zeit haben wir auch überlegt, die Kabelzuführung durch die Verschraubung und die Anschlussadern asymmetrisch zu gestalten, um auf diese Weise dem Verpolen entgegenzuwirken. Das haben wir aber letztlich nicht umgesetzt, da damit natürlich auch nur dazu passende Batterietypen möglich gewesen wären.
Alle Leitungsenden sind mit gecrimpten Aderendhülsen oder Kabelschuhen versehen, die wir zusätzlich verlötet haben. Anschlüsse für hohe Gleichströme sind in feuchter Umgebung anfällig für Korrosion. Diesen Effekt kann man erfahrungsgemäß durch Verlöten minimieren. Auch die Steckverbinder zu den Solarpanels sind mit Kabelbindern hochgebunden, um der Bodenfeuchtigkeit zu entgehen.
Erdung und Blitzschutz
Die Birkenfelder Box steht ohne galvanische Verbindung zu Netzen oder Gebäuden im Wald. Bei Gewitter sollte man sich dem Aufbau nicht nähern, woran man ggf. durch einen Aufkleber erinnern kann. Ansonsten ist prinzipiell kein Blitzschutz oder Potenzialausgleich erforderlich.
Hier stellte sich unerwartet die Frage, welcher Anschluss als Masse zu betrachten und zu erden ist. Panel-Minus, Akku-Minus und 12-Volt-Ausgang-Minus liegen bei unserem Solarwandler nämlich nicht auf dem gleichen Potenzial.Wir haben die Montageplatte und damit die Masse des verbauten Gateways und den Schirm des Koaxialkabels über eine 10 mm² starke Leitung mit der Bodenhülse verbunden. Einschraub-Bodenhülsen sind übrigens auch gut geeignet, um temporär aufgebaute Anlagen zu erden und das auch wieder rückstandslos rückzubauen.
Diebstahl- und Manipulationsschutz
Im Nationalpark wurden bereits Solarpanels entwendet. In einem Wildnisgebiet wird man das nicht mit Sicherheit verhindern können. Dennoch wollten wir es Dieben nicht allzu einfach machen und haben ein langes Stahlkabel durch und um alle Teile geführt, ähnlich wie man es zuweilen in der Außengastronomie findet. Die End-Ösen werden von einem Vorhängeschloss gehalten, das auch die Munitionskiste mit dem Akku sichert.
Arbeiten im Gelände
Beim Aufstellen der Box im Nationalpark – soviel Ehrlichkeit muss sein – hat uns dann doch ein Ranger mit der Eindrehmaschine und einem Bohrhammer zur Seite gestanden. Wir hatten das zwar auf der Wiese am Campus mehrfach per Hand durchexerziert, wie eingangs beschrieben, im Gelände auf hartem Taunusquarzit, dem vorherrschenden Gestein im Hunsrück, half aber nur schweres Gerät.
Nach rund zwei Stunden war die Anlage aufgestellt und betriebsbereit, in diesem Fall mit einem LoRaWAN-Gateway bestückt. Auch hier konnten wir praktische Erfahrungen sammeln, Stichwort Badelaken: Ein solches kam nämlich zum Einsatz, um darauf Werkzeuge und Material diszipliniert abzulegen. Wenn nämlich fünf Händepaare einander zuarbeiten, verteilen sich Werkzeuge und Materialkomponenten nahezu zwangsläufig zwischen Gras, Farnkraut und jungen Bäumchen. Ein zentraler Ablageplatz schafft hier Struktur und minimiert Verluste.
Auf Hirsche schien die Installation übrigens eine besondere Anziehungskraft auszuüben. Bei Kontrollen in den darauffolgenden Tagen fanden wir große Mengen ihrer Losung unmittelbar am Aufbauplatz. Eine plausible Erklärung dafür hatte niemand.
Erfahrungen nach 18 Monaten im Echtbetrieb
Die Birkenfelder Box läuft nun seit 1 ½ Jahren störungsfrei, bislang zum Glück auch unbehelligt von böswilligem, menschlichem Einfluss. Natürlich gab es Verbesserungen, neben dem bereits beschriebenen Austausch des Spannungswächters setzen wir nun Gateways vom Typ DLOS8N des Herstellers Dragino ein. Gegenüber den ursprünglich verbauten Geräten ist deren Energiehunger mit 2,5 Watt deutlich geringer, die Konfiguration wesentlich einfacher und sie sitzen an der Mastspitze. So entfällt das Verlegen der empfindlichen koaxialen Antennenzuleitung, es genügt ein einfaches Kabel zur Stromversorgung. Auch das LTE-Modul ist durch die Mastmontage in einer besseren Position.
Am Boden des zylinderförmigen Gehäuses (Ranger-Jargon "Thermoskanne") sitzt eine Status-LED, die auch aus etlichen Metern Entfernung Auskunft über den Betriebszustand gibt. Probeaufbauten z.B. auf einem Lautsprecherstativ lassen sich einfach realisieren. Das war auch bereits ganz nützlich, denn an einem Standort am Erbeskopf, der höchsten Erhebung in Rheinland-Pfalz, kam es nach kurzer Zeit beim Probebetrieb immer wieder zu Ausfällen. Da das selbe Gateway wenige Kilometer weiter klaglos seinen Dienst versah, liegt wohl ein Fluch auf dem Erbeskopf – oder eine störende Beeinflussung durch die Radarstation der Bundeswehr in der Nähe. Wir haben das nicht näher untersucht.
Ein weiteres Mysterium sind Bissspuren einer bislang nicht näher bestimmten Spezies an zwei Montageorten. Betroffen ist jeweils die Zuleitung zur Akku-Kiste aus schwerer Gummischlauchleitung HO7RN. Die übrigen Kabel mit PVC-Ummantelung wurden nicht angenagt. Dabei war unser Ziel, eben diese Verbindung wegen potenziell hoher Ströme und permanentem Bodenkontakt besonders wertig auszuführen.
Schließlich haben wir auch die Siebdruckplatten vor der Montage mehrfach mit grauer Fußbodenfarbe gestrichen. Sie gelten zwar als "wasserfest", bei senkrechter Montage im Gelände zeigte sich, dass sie nach einigen Monaten an den Stirnseiten etwas aufquellen, was so verhindert wird.
Epilog
Viele Tage haben wir als Team im Elektroniklabor verbracht und waren natürlich etliche Stunden auf Teile- und Ideensuche im Netz und sonst wo unterwegs. Mit den hier gesammelten Ideen und Erfahrungen sollte ein kompletter Nachbau in zwei bis drei Tagen möglich sein. Nicht nur unbedingt als vollständige Kopie, sondern bedarfsgerecht modifiziert, schließlich sind die Anforderungen überall andere.
Der Materialeinkauf schlug mit rund 1300 Euro zu Buche, es ist also kein billiges Projekt. Zudem waren für uns als Behörde einschlägige Internetplattformen als Lieferquellen ausgeschlossen, ein Tribut an das Landeshaushaltsrecht. Die Kosten relativieren sich aber sehr, wenn Alternativen zum Aufspannen des Funknetzes durchkalkuliert werden. Alternativen zu betrachten, das lohnt sich auch mit Blick auf die Materialliste. Vieles ist ersetzbar oder es findet sich ein brauchbares Teil in Keller oder Garage. Gerade unter den aktuell oft gestörten Lieferketten sind wir gut aufgestellt, wenn wir wissen wie wir unsere Projektziele auch unter nicht immer optimalen Rahmenbedingungen realisieren können.
Materialliste
| Komponente | Lieferant | Betrag brutto | Bemerkungen |
| Solarpanels, Laderegler | Versandhandel (Leipzig) | 200,00 € | |
| Solar-Modulträger | Baumarkt | 90,00 € | Alternative möglich |
| 2 Bleibatterien | Versandhandel (Hirschau) | 300,00 € | |
| Gummischlauchleitung | Baumarkt | 12,00 € | Alternative möglich |
| Munitionskiste | Versandhandel | 45,00 € | Alternative möglich |
| Bodenhülse 70 cm | Landschaftsbau | 90,00 € | |
| 4 Bodenhülsen klein zur Abspannung | Baumarkt | 80,00 € | Alternative möglich |
| Standrohr Edelstahl 1,5 m | Baumarkt | 35,00 € | Alternative möglich |
| Schiebemast und Zubehör | Amateurfunk-Fachhandel | 160,00 € | Alternative möglich |
| Abspannseile und Zubehör | Baumarkt | 65,00 € | Alternative möglich |
| Schaltschrank | Baumarkt | 90,00 € | |
| Siebdruckplatte, Holzzuschnitt | Baumarkt | 20,00 € | Alternative möglich |
| Auspuffschellen, Flachverbinder | Baumarkt | 15,00 € | |
| Kleinteile, Kabelverschraubungen, Schrauben, Kunststoffrohr | Baumarkt | 70,00 € | Alternative möglich |
| Stahlseil, Zubehör, Vorhängeschloss | Baumarkt | 30,00 € | Alternative möglich |
| Gesamt-Materialaufwand | 1.302,00 € | ||
(pek)
