Ein gläserner Schaukasten hängt an einem Fachwerkhaus. Darin ist eine große Tafel mit Fotos von vielen verschiedenen Vogelarten zu sehen.

Das Vogelstimmen-Wunschkonzert

Hannes und Simon bastelten etwa sechs Monate an einer interaktiven Theke, die auf Knopfdruck Vogelstimmen aus der Region abspielt. Unterstützt wurden sie vom Schüler­forschungs­zentrum in Ulm. Hier erzählen sie, wie sie die Vögel zum Zwitschern brachten.

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Anhören: Vogelstimmen im Wald

Das SFZ (Schüler-Forschungs-Zentrum) ist eine Einrichtung, in der Schüler alle Voraussetzungen finden, um ihre eigenen Ideen zu verwirklichen. Dort besteht neben der Arbeit an einem eigenen Projekt auch die Möglichkeit, sich auf die Teilnahme an mehreren spannenden Wettbewerben vorzubereiten. Das SFZ bietet dabei vielseitige Unterstützung, z.B. durch hilfsbereite Betreuer oder auch finanzielle Hilfe bei Projekten. Mitte 2011 wurden wir durch unseren Physik-Lehrer angesprochen, ob uns nicht ein Projekt beim SFZ interessieren würde. Nach einem Besuch im SFZ in Ulm, von dem wir einige Ideen mitgenommen haben, entschieden wir uns für ein elektrotechnisches Projekt mit dem Thema „Vogeltheke“, später „Vogelstimmen-Wunschkonzert“. Unsere Idee war es, eine Schautafel für einen Nistkasten-Lehrpfad in Bad Saulgau zu konstruieren, die nicht nur einige Bilder und Text zeigt, sondern es interaktiv möglich macht, den Gesang bestimmter Vögel anzuhören. Es sollte eine Tafel werden, auf der man mittels Berührung eines Bildes das Gezwitscher des darauf abgebildeten Vogels abspielen kann. Anfang des Jahres haben wir die Tafel in Bad Saulgau auf dem Nistkasten-Lehrpfad installiert, wo sie seither problemlos funktioniert und täglich genutzt wird.

Wir teilten unser Projekt zunächst in zwei Teilbereiche auf. Diese konnten wir unabhängig voneinander bearbeiten und am Ende zusammenfügen. Eine Aufgabengruppe bestand darin, alle Komponenten für die Kommunikation der Vogeltheke mit der Außenwelt zusammenzustellen, darunter fallen die Sensoren und die LED-Beleuchtung. Der zweite Aufgabenkomplex war, die Hauptsteuerung aufzubauen, welche die gesamte Theke koordiniert. Unser System wird mit Hilfe von Solarzellen im Wald unabhängig vom Stromnetz betrieben. Ein eingebauter Puffer-Akku versorgt das System mit Strom, solange keine Sonne scheint. Daher war es ein wichtiger Aspekt unserer Arbeit, mit der zur Verfügung stehenden Energie so sparsam wie möglich umzugehen. Einzelne Komponenten der Schaltung haben wir deshalb so ausgeführt, dass sie von einem Hauptcontroller ausgeschaltet werden können.

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Anhören: Gesang eines Zilpzalp

Foto eines kleinen Vogels, der auf einem Stein sitzt.
Auch bei Bad Saulgau zuhause: der Zilpzalp.

Es sollten 24 Vogeltöne der am häufigsten in der Gegend gefundenen Vögel gespeichert und abgespielt werden. Mit den entsprechenden Vögeln und deren Gesänge bekamen wir Unterstützung von einem ortsansässigen Ornithologen, der uns über das SFZ vermittelt wurde. So konnten wir für jeden Vogel eine Tondatei mit einer Laufzeit von etwa 12 Sekunden erstellen, die alle relevanten Eigenschaften des Gesangs des jeweiligen Vogels enthalten. Alle Töne werden in einem 48 Megabyte großen Speicher digital gespeichert und können einzeln abgerufen werden. Ein Hauptcontroller steuert alle Funktionen der Theke. Er kümmert sich um die Signale von den Berührungssensoren und sorgt dafür, dass der angeforderte Vogelton abgespielt wird. Dazu aktiviert er entsprechend den Speicher, startet die Wiedergabe und aktiviert den Verstärker. Der Verstärker ermöglicht dann die Ausgabe des Vogeltones auf dem Lautsprecher. Während ein Ton abgespielt wird, wird der aktive Vogel durch eine LED-Beleuchtung markiert. Auf der Tafel werden alle 24 Vögel mit Bildern und ihrem Name dargestellt. Um den Ton eines Vogels abzuspielen kann entweder der Name des Vogels oder das Bild berührt werden.

Berührungssensoren leiten dann das Signal an den Hauptcontroller weiter. Der große Sensor hinter jedem Bild besitzt außerdem eine LED-Beleuchtung zur Markierung des Vogels. Die Berührungssensoren arbeiten mit Kapazitätsänderung, ähnlich einem Handy-Touchscreen (siehe auch: Wie funktionieren Touchpad und Touchscreen?). Eine Sensorfläche, die unter elektrischer Spannung steht, erzeugt ein elektrisches Feld. Wenn sich nun zum Beispiel eine Hand im elektrischen Feld befindet, dann ändern sich die Eigenschaften des Raumes um die Elektrode: Bei gleicher Spannung „passen“ mehr oder weniger Ladungsträger auf die Elektrode. Diese Änderung muss dann von einer passenden Elektronik ausgewertet werden.

Um die Vorgänge in der Schaltung zu erklären, ersetzen wir in Gedanken die Elektrode des Sensors durch einen Eimer, die Ladung durch Wasser und die Spannung durch die Füllhöhe des Eimers. Der Eimer ist dabei verschieden groß, je nachdem ob der Sensor berührt wird oder nicht. Füllen wir nun den Eimer bis zu einer bestimmten Höhe mit Wasser, können wir uns die benötigte Wassermenge merken. Je nachdem, ob der Sensor gerade berührt wird, braucht es dann mehr oder weniger Wasser, ihn bis zu unserer bestimmten Höhe zu füllen. Nach diesem Prinzip bestimmt unsere Elektronik, ob eine Berührung vorliegt oder nicht.

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Anhören: Gesang eines Buchfinken

Foto einer einfachen elektrischen Platine mit drei LEDs und weiteren Bauteilen.
Die Elektronik des Berührungssensors

Der Plan war, zunächst einen Prototypen zu bauen, an dem wir vor allem die Sensoren testen und einstellen konnten. Wir haben etwa drei Monate an der Entwicklung gesessen, dann konnten wir die ersten Sensoren und die Hauptsteuerung aufbauen. Ingenieure verwenden für den Aufbau von größeren elektronischen Schaltungen sogenannte Platinen. Sie geben einerseits den Bauteilen einen mechanischen Halt, sorgen aber auch für eine stabile elektrische Verbindung zwischen den Bauteilen. Die Platinen konnte unser Betreuer für uns anfertigen. Die Bauteile haben wir dann jedoch selbst, unter Verwendung eines Lötkolbens, im SFZ in Ulm aufgelötet. Durch die enorme Hitze eines Lötkolbens wird das Lötzinn, ein schnell schmelzendes Metall, flüssig und verbindet so die Bauteile mechanisch und elektrisch mit der Platine.

Zwei junge Männer an einem Messestand, die einen großen Prototypen ihrer Berühungssensoren vorführen.
Hannes Funk und Simon Rühle mit ihrem Prototypen

Die Wiedergabe der Töne funktionierte von Anfang an relativ gut, allerdings bereiteten die Sensoren noch Probleme. Bei der benötigten Empfindlichkeit, um durch die relativ dicke Frontscheibe (11 Millimeter) zu funktionieren, wurden viel zu viele Signale ausgesandt. Dies führte dazu, dass die Theke anfangs häufig von selbst einen Ton abspielte. Wir versuchten zunächst die Empfindlichkeit der Sensoren sehr genau anzupassen sowie die Sensoren zu reinigen, was jedoch nicht den erhofften Erfolg erbrachte. Bis zu unserer Teilnahme bei Jugend forscht konnten wir die Fehlauslösungen jedoch auf ein Minimum reduzieren. Auf dem Regionalwettbewerb in Künzelsau erhielten wir mit unserer Demotheke sogar den ersten Preis im Bereich Technik. Überrascht über unseren Erfolg waren wir auch auf dem Landeswettbewerb von Jugend forscht in Fellbach mit dabei. Zwar ohne Podiumsplatz, jedoch um einige Erfahrungen und Tipps reicher, kehrten wir wieder zurück.

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Anhören: Gesang einer Kohlmeise

Langsam rückte auch die endgültige Fertigstellung unseres Projektes näher und wir mussten das Gehäuse unseres Schaukastens fertigen. Dazu benötigten wir das teuerste Einzelstück unserer Vogeltheke, die Frontscheibe. Diese ließen wir bei einem Glaser in Ulm maßgenau anfertigen. Die Rahmenelemente aus Aluminium besorgte unser Betreuer. Für die fertige Vogeltheke haben wir die Platinen der Hauptsteuerung und der Sensoren noch einmal überprüft und kleine Änderungen vorgenommen. Die Hauptsteuerung befindet sich auf einer großen zentralen Platine. Für jedes der 24 Vogelbilder besitzt die Vogeltheke jeweils eine kleine und eine große Platine. Da unser Betreuer eine so große Anzahl an Platinen nicht selbst herstellen konnte, beschlossen wir, die Platinen von einem spezialisierten Hersteller bauen zu lassen.

Computergenerierte Grafik einer Schaltplatine.
Die Hauptsteuerung der Vogeltheke

Die Fertigstellung der Platinen war jedoch wieder reine Handarbeit, was bei 49 Platinen wirklich zeitaufwendig war. Zu zweit arbeiteten wir etwa einen Monat allein an den Sensoren. Jede Platine musste gelötet, gereinigt, geprüft und anschließend verpackt werden. Etwa zur gleichen Zeit, zu der die Elektronik der Theke komplett war, hatten wir auch alle Einzelteile für den Rahmen des Schaukastens beisammen. Der Rahmen besteht aus vier schlanken Aluminiumprofilen, welche die Glasfront einschließen. Die Glasscheibe ist von hinten mit einer Folie bedruckt, die alle in der Gegend beheimateten Vögel darstellt. Abgeschlossen wird die Tafel nach hinten mit einer Holzplatte sowie der Hüttenwand, an der die „Vogeltheke“ montiert ist. Es folgte wie geplant der Einbau der Elektronik sowie die endgültige Programmierung des Speichers mit den gewünschten Vogelstimmen. Durch entsprechende Kabelverbindungen des Sensors mit der Steuerung konnten die Töne ihrem jeweiligen Bild auf der Vorderseite zugewiesen werden.

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Anhören: Gesang eines Grünfinken

Im Test am SFZ in Ulm funktionierte die Theke einwandfrei. Nach dem Transport und dem Aufbau in Bad Saulgau sah die Sache jedoch vollkommen anders aus. Die Sensoren lösten häufig selbst aus, zum Teil sogar mehrere Sensoren auf einmal. Aufgrund der vielen gleichzeitig aktiven Sensoren konnten wir jedoch jetzt zum ersten Mal ein aufschlussreiches Muster erkennen: Die Sensoren lösten gehäuft dann falsch aus, wenn eine Erschütterung auftrat. Unser Augenmerk fiel daher auf die Verbindung zwischen der Sensorplatine und einer kleinen Kontaktplatte an der Scheibe, die jeder Sensor besitzt. Wir beschlossen daher die Sensoren und die Kontaktplatte mit einem leitfähigen Klebstoff fest zu verbinden, um Änderungen in den Kontakteigenschaften zu verhinden. Nachdem ein Test erfolgreich war, haben wir alle Sensoren in der Theke mit dem Klebstoff ausgestattet. Danach funktionierten alle Sensoren wie gewünscht und die Theke konnte endlich den Testbetrieb aufnehmen.

Die im Artikel beschriebene Vogeltheke, befestigt an einem Fachwerkhaus in einem Wald.
Die Vogeltheke an ihrem Einsatzort

Seit Mai 2013 ist unser Schaukasten mit dem „Vogelstimmenwunschkonzert“ ein neuer Bestandteil des Vogellehrpfades in Bad Saulgau. Neben viel Erfahrung im Aufbau und der Entwicklung elektronischer Schaltungen haben wir auch ein wenig über die Vogelwelt im Süddeutschen Raum gelernt. So können wir nun einige häufig auftretende Vögel anhand ihres Rufs erkennen.