Die RaspberryPi-Horchbox

NEWS 08.11.2016:
Das RaspberryPi Bat-Project (Bat-Pi) hat jetzt einen eigenen Internetauftritt unter: www.bat-pi.eu
Die Seite beinhaltet ausführliche Informationen zum Thema RaspberryPi-Horchbox und ist jedem Interessierten wärmstens ans Herz zu legen!

 


Mehrmals habe ich jetzt schon angesprochen, dass ich für meine Arbeit Fledermausrufe mit Hilfe von Horchboxen aufnehme. Da die auf dem Markt erhältlichen Horchboxen alle sehr teuer und mein Budget sehr begrenzt ist, habe ich mich für einen Eigenbau entschieden und ich glaube es wäre ganz interessant den Aufbau und die Idee, die hinter der Benutzung dieser Geräte steht einmal zu erläutern.


Vorweg sei noch gesagt, dass die Idee und der Plan für diese Horchbox nicht von mir stammen, sondern von der AK Fledermausschutz Aachen, Düren, Euskirchen (NABU/BUND/LNU). Der Link über den Namen führt auf die Seite des RaspberryPi-bat-project, auf der man eine gut erklärte und ausführliche Beschreibung runterladen kann, um sich (ein bisschen Interesse am Programmieren vorausgesetzt) eine Horchbox zu bauen. Nach diesem Plan habe ich auch meine Horchboxen gebaut und lediglich eine Funktion ergänzt, sodass ich sie ohne weitere Komponenten direkt über einen Laptop auslesen und auch programmieren kann.

 


Was aber ist überhaupt eine Horchbox?

Fledermäuse sind ja bekannt als lautlose nächtliche Jäger. Nächtlich stimmt. Lautlos aber keinesfalls! Tatsächlich brüllen manche Fledermäuse fast mit der Lautstärke eines Presslufthammers in die Stille der Nacht hinein und wir können das nur nicht hören. Das liegt daran, dass die Töne, die Fledermäuse dabei benutzen für unsere Ohren zu hoch sind. Die Höhe eines Tons kann man in Hertz (Hz) angeben und die Ohren eines jungen Menschen hören normalerweise Töne bis ungefähr 16.000Hz (16kHz). Töne darüber nennt man dann Ultraschall und solche Töne benutzen Fledermäuse um sich in der Dunkelheit, wie mit einem Echolot, zu orientieren.

Ganz so lautlos fliegen Fledermäuse also nicht durch die Nacht und mit geeigneten technischen Geräten kann man das auch beweisen. Ein Fledermausdetektor zum Beispiel kann die Ultraschalltöne für das menschliche Ohr hörbar machen. Das Problem ist nur, dass dafür immer ein menschliches Ohr in der Nähe sein muss, das auch zuhört. Bei einer Horchbox erübrigt sich das, weil sie quasi einen Fledermausdetektor mit einem Aufnahmegerät kombiniert und deswegen autonom funktioniert. Meine Horchboxen sehen so aus:

BatBox-outside
Eine RaspberryPi-Horchbox

Warum benutzt man Horchboxen?

Man benutzt Horchboxen um eine bestimmte Stelle auf Fledermausaktivität ‚abzuhorchen‘, ohne selber die ganze Zeit anwesend sein zu müssen. Am nächsten Tag, oder bei manchen Modellen auch nach mehreren Wochen, holt man die Horchbox zurück und schaut sich die Aufnahmen an.

Ein großer Vorteil ist, dass man dadurch auch mehrere Stellen in einer einzigen Nacht rund um die Uhr beobachten kann. Ein weiterer Vorteil ist natürlich auch, dass man seine Nacht dann zum Beispiel mit schlafen verbringen kann, anstatt im Wald mit einem Fledermausdetektor zu stehen 🙂 Oder aber man untersucht andere Stellen parallel mit einem Detektor.

Dabei muss man natürlich aufpassen, dass man die Geräte gut versteckt, damit sie keine Beine bekommen. Dafür benutze ich Rundschals (Buffs) mit Flecktarnmustern. Auf diesem Bild ist eine Horchbox im Gebüsch in Pahiyangala versteckt:

DSC_8721
Horchbox versteckt im Blattwerk

Wie funktioniert die RaspberryPi-Horchbox?

Grundsätzlich besteht die RaspberryPi-Horchbox aus vier Komponenten, sie hat ein Ohr, einen Kopf, ein Herz und eine Rüstung. Das Ohr, also das Mikrofon der Horchbox, ist ein sehr empfindliches Ultraschallmikrofon. Das besondere an diesem Mikrofon ist, dass es die aufgenommenen Schallwellen direkt in digitale Signale umwandelt, die dann an den Kopf der Horchbox, den RaspberryPi weitergeleitet werden.

Der RaspberryPi (Modell B+) ist ein Computer im Taschenformat. Eigentlich wurde er in England als Lehrmittel entwickelt, sodass Schüler an ihm Programmieren lernen können. Inzwischen wird er aber auf der ganzen Welt, nicht nur von Privatnutzern, für die verschiedensten Aufgaben verwendet, weil er klein, aber trotzdem leistungsstark ist. Für eine Horchbox ist vor allem auch der niedrige Energieverbrauch sehr praktisch.

Der RaspberryPi wurde so programmiert, dass er ein bestimmtes Programm  startet, sobald er Strom hat. Dieses Programm macht eine Aufnahme, wenn über das Ultramic 250k Audiosignale gesendet werden, die über 10kHz liegen und eine bestimmte Lautstärke überschreiten. Die Aufnahmen dauert so lange, bis die Lautstärke des eingehenden Signals, für eine einstellbare Dauer, unter einen bestimmten Schwellenwert sinkt. Die Aufnahmen speichert der kleine Computer auf seiner Festplatte, einer micro-SD Karte, im .wav-Format.

Für diese Aufgabe bekommt er Strom von einem USB-Battery-Pack mit 16.000mAh. Damit kann er theoretisch 48 Stunden laufen. Um rauszufinden welche Einstellungen am energieeffizientesten sind (man kann ja tagsüber das Programm ausschalten, oder zum Beispiel dem ganzen USB-Port den Strom entziehen)  habe ich vorher ein kleines timelogger-Programm geschrieben und die Akkus mit verschiedenen Einstellungen jeweils komplett leer laufen lassen, um hinterher die Laufzeiten zu vergleichen.

Geschützt wird der ganze Apparat durch einen staub- und wasserdichten Koffer, der mit einer Kabelverschraubung ausgerüstet ist, durch die das Mikrofon perfekt durchpasst und festgeschraubt werden kann. Damit es auch was hören kann 😉 Um dann auch das Mikrofon gegen Regen abzudichten, spanne ich ein Stück Küchenklarsichtfolie darüber (guter Tipp von Herr Körber!). Das ganze sieht dann von Innen so aus:

BatBox-inside
Horchbox von Innen. Links oben das Mikrofon von Dodotronic, in der Mitte rechts der RaspberryPi und ganz unten die USB-Batterie.

Was passiert dann am nächsten Tag mit den Aufnahmen?

Nachdem die Horchboxen am nächsten Morgen wieder eingesammelt wurden, werden die Aufnahmen am PC ausgewertet. Ich habe dafür das Projekt vom AK Fledermausschutz so angepasst, dass ich den RaspberryPi direkt mit einem LAN-Kabel an meinen Laptop anschließen kann. Dann kann ich über meinen Laptop an dem kleinen Computer Einstellungen vornehmen, oder auch die Rufe auf meine Laptopfestplatte übertragen. Auf dem Laptop werden sie dann mit verschiedenen Programmen analysiert.

Man kann sich dann zum Beispiel die Aufnahmen 10x langsamer, also quasi in Zeitlupe, anhören. Dadurch rutschen die Frequenzen der Rufe in einen Bereich, der für mich hörbar ist. Das klingt dann so:

Nur durchhören reicht aber nicht, denn die kleinen Feinheiten hören wir einfach nicht. Wichtig für die Auswertung sind zum Beispiel die Tonhöhe, die Länge des Rufes und die Zeit zwischen den Rufen. Das sind alles Informationen, die wir nur durch reinhören nicht bekommen. Menschen sind halt Augentiere, wir müssen sowas sehen. Also visualisiert man die Aufnahme, indem man ein Spektrogramm erstellt. Für den Ruf oben sieht das dann so aus:

Taphozous melanopogon_16.05.2015short

An diesem Spektrogramms kann man dann für jeden Zeitpunkt die Lautstärke und Tonhöhe ablesen. Diese Werte vergleicht man dann mit anderen Aufnahmen und Literaturwerten um letztendlich herauszufinden, was für eine Fledermaus denn da gerade an der Horchbox vorbei geflogen ist.

Fazit

Horchboxen ermöglichen ein Gebiet bei Nacht untersuchen zu können, ohne selber an Ort und Stelle sein zu müssen. Dazu nehmen sie für uns nicht hörbare Ultraschallrufe auf, die Fledermäuse nämlich zur Orientierung benutzen, und speichern diese. Durch die Auswertung dieser Rufe kann man hinterher Rückschlüsse darauf ziehen, welche Fledermaus über die Horchbox hinweg geflogen ist.


 Ich habe in Sri Lanka zwei solche Horchboxen dabei. Eine ist meine eigene und die andere hätte ich nicht, wenn der Zoo Krefeld nicht so freundlich gewesen wäre, sich als Sponsor am Sri Lanka bat-project zu beteiligen und eine Horchbox zu finanzieren. Vielen Dank deshalb an den Zoo Krefeld, durch den meine Arbeit sehr viel effektiver geworden ist, weil ich doppelt so viel Fläche pro Nacht ‚abhorchen‘ kann!


Ich bin hier auf die einzelnen Programmierschritte und Möglichkeiten/Grenzen der RaspberryPi-Horchbox nicht genauer eingegangen, weil das den Rahmen gesprengt hätte und außerdem habe ich die Programmierung ja auch fast vollständig vom RaspberryPi-bat-project des AK Fledermausschutz Aachen, Düren, Euskirchen übernommen. Sollte also noch Interesse an weiteren Informationen zur RaspberryPi-Horchbox bestehen, möchte ich gerne jedem noch einmal wärmstens die Seite der Erfinder der RaspberryPi-Horchbox: AK Fledermausschutz Aachen, Düren, Euskirchen (NABU/BUND/LNU) für ausführliche Informationen zum Aufbau und zur Technik empfehlen. Soweit ich das kann, beantworte ich aber natürlich auch weitergehende Fragen und freue mich über eure Nachricht, entweder hier als Kommentar, oder über das Kontaktformular.

Viele Grüße,
Tim

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