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Beelogger Version 2

Nach einer langen Pause habe ich den Beelogger Version 2 erstellt. Die Versuche mit Wägezellen aus Personenwaagen habe ich aufgegeben, für den Dauerlastbereich nicht geeignet. Also zurück zur alten Methode mit mehr „professionellen“ Wägezellen.

Leider sind die S-Type Zellen zu teuer geworden, sodass ich auf die Plattformwägezellen CZL601 zurückgegriffen habe, bestellt bei Tinkerforge zum Preis von 11,99 € pro Stück.

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Die Konstruktion ist wieder ein Vierling, einfach realisiert mit Alu-Schienen und kleinem Holzrahmen. Diesmal habe ich es direkt auf den Unterboden der Dadantbeute geschraubt. Kosten der Konstruktion sehr überschaubar:

  • 2 Alu-Schienen a 1 m aus dem Baumarkt, 3mm dick, 40mm breit a 5 €.
  • Schrauben und Holz waren vorhanden.

Die Konstruktion ist 65 mm hoch, ich werde von aussen noch eine Holzblende draufschrauben, um Umwelteinflüsse (Sonne, Regen, Schnee) zu begrenzen.

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Detailansicht von der Seite

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von vorne

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komplette Seite

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so wurde es verschraubt

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von unten: In der Mitte eine Verteilerdose, mit Raspberry Pi, ADC, Temperatur über 1Wire.  Im Bild oben sieht man den Temperaturfühler, der unter der Beute angebracht ist.

Die rote Teil ist eine wasserfeste Schutzkapsel für Stromzufuhr, darin sind die beiden Netzteile (1 x RPi, 1 x 9 V Anregespannung für Wägezellen).

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schräge Ansicht

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von vorne, man sieht den Kupplungsstecker für den Temperaturfühler, der in der Beute angebracht ist.

Elektronik ist getestet, Datenaufnahmeprogramm funktioniert. Der nächste Schritt ist die Daten mit MQTT zu versenden. Als Backend möchte ich den Server von  www.hiveeyes.org nutzen.

Die ersten Ergebnisse der Testmessungen/Eichungen:

Eine Versuchsreihe mit 9V Anredespannung und 5V Anredespannung ergab keine grossen Unterschiede, die Auflösung/Varianz  (definiert durch die Standardabweichung von vielen Messungen) war mit 5 V sogar besser, sodass ich für die weiteren Messungen die 5V Anredespannung vom RPi Board genommen habe.

Unten eine Messung von einem Tag (indem fast niemand ins Büro gegangen ist, als wenig Störungen vorhanden waren. Ich war lediglich von 0:00-0:20 Uhr und von 17:20-17:40 im Zimmer, dadurch erhöht sich die Temperatur leicht.

Im oberen Chart sieht man gut die Temperaturabsenkung nachts durch die Heizung, ab 6:00 geht es wieder aufwärts bis abends um 21:00 wieder die Absenkung stattfindet. Bei einem Gewicht von 37kg schwanken die Messungen im Bereich von 40g (Std über 10 Messungen ist ein Messpunkt im mittleren Abschnitt).

Das Gewicht schwankt zusammen mit der Temperatur (von 21 auf 23 Grad) von 36,96 kg auf 37,10 kg. Das würde ein Gewichtsshift von  7g pro Grad ergeben, ist also sehr klein, und auch nur ein Messpunkt mit 37kg bei F.S.=200kg.  Im Datenblatt der Wägezellen wird angegeben, das die Zelle Temperaturkompensiert arbeitet im Bereich -10 bis +40C. Der „Temperature effect on span“ wird angegeben mit 0.018% F.S./10C (= 0.018%*200kg(4 Zellen)/10C = 3,6g/C, passt also in der Grössenordnung wie oben gemessen.

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Mit Holz-„Verkleidung“ sieht der Unterboden mit Waage und Elektronik wie folgt aus:

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Die Waage steht auf dem inneren Holzrahmen, der äussere Rahmen ist direkt auf dem Unterboden verschraubt mit Hilfe von 10mm Abstandshölzern.

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Von unten sieht es so aus:

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Um die Temperatur in mehreren Wabengassen zu messen habe ich folgende Konstruktion aus Holz gewählt:

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Der Boden und Deckel ist aus 1,5mm Sperrholz gewählt, der Rahmen besteht aus 5 mm hohem, 10 mm breitem Kantholz.

Die gesamte Konstruktion ist 35 cm lang, und 5 cm breit.

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Hier sind die 7 Temperaturfühler im Abstand von 3,7 cm eingebaut, es fehlt noch der Deckel. Verwendet werden DS18B20 1-Wire Fühler die einfach parallel geschaltet werden und digital ausgelesen werden und durch ihre interne Adresse unterschieden werden können.

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Jetzt die ganze Aperatur mit Deckel. Ziel war es, maximal 8mm Dicke zu erreichen, das ist genau der Platz der übrig ist bei einem Dadant Beutendeckel.

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Kleiner Test ob alles passt. Abstand der Fühler 37 mm (30 mm breite des Rähmchen) und 7mm Abstandstifte.

Und so sieht der Temperaturfühler aus, wenn er auf einem Bienenstock installiert ist:IMG_1609

Und jetzt der komplette Stock mit Bienenwaage:

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Livedaten gibt es hier, auf dem Grafana Dashboard im Detail.

 

Bienenmuseum in Oberbozen (Südtirol)

In Wolfsgruben in Oberbozen ist im Plattner Hof das Imkereimuseum von Südtirol untergebracht, und wir haben diesen Sommer die Chance genutzt, mal hineinzuschnuppern.

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Das erste Highlight ist der Plattnerhof selbst, der nicht nur idyllisch liegt, sondern als einer der ältesten Bauernhöfe am Ritten  ein Museum selbst ist und Einblicke in der Leben der Bauern gibt, mehr dazu auf der Webpage des Plattnerhofes.

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Der wunderschöne Bienengarten:

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Als wir am Hof ankamen, lief gerade ein Bienenvortrag für eine Schulklasse, allerdings im Südtiroler Dialekt, also etwas schwer zu verstehen. An diesem Bienenmodell würde viel erklärt und mit einem Diavortrag vertieft.

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Eine Sammlung von alten Beuten: 

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Alte Bienenkörbe:

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Smoker von früher:

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Man kann alte Wabenpressen anschauen, alte Schleudern aus Holz und vieles mehr, eine schöne Imkereisammlung.

Und um dem Plattnerhof herum, ist ein  Bienenlehrpfad zu bestaunen:

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Also, wer in Südtirol Urlaub macht und Bienen/Imkern mag, der kennt jetzt sein Ziel.

BeeLogger Architektur und erster Prototyp

Der erste Prototyp des BeeLogger mit den Gewichtssensoren und Temperatursensor funktioniert. Jetzt muss das ganze noch in ein ein spritzwassergeschützes Gehäuse gebracht werden und es kann losgehen, das wird noch ein wenig dauern. Hier ein Bild des momentanen Aufbaus, auf einem Unterrahmen sind die Gewichtssensoren aufgeschraubt:

Beelogger-Unterbau
Beelogger-Unterbau

Auf die Gewichtssensoren wird der Beutenunterboden aufgesetzt.

Beelogger Aufbau
Beelogger Aufbau

Der RPi ist in einer spritzwassergeschützten Verteilerdose (IP54, bei Obi für 7 Euro) untergebracht, und auf dem Unterrahmen montiert.

Der Temperatursensor ist mit dem DS18S20 (kostet bei Conrad 5 Euro) realisiert.

Temperatursensor DS18S20
Temperatursensor DS18S20

Der Sensor im TO92 Gehäuse ist mit Schrumpfschläuchen eingeschweisst.

DS18S20 in Schrumpfschlauch
DS18S20 in Schrumpfschlauch

Die Bienenstöcke sind im Garten, WLAN Empfang ist ausreichend für die Übertragung der Loggerdaten.

Es ist Zeit die Ideen konkreter aufzuschreiben und die Architektur des Systems vorzustellen.

Der BeeLogger basiert auf der Idee, Sensoren an einen Raspberry-Pi Minicomputer anzuschliessen und dort die Messdaten zu erfassen und für die weitere Verarbeitung bereitzustellen.

Bild 1: BeeLogger Architektur
Bild 1: BeeLogger Architektur

 

Die Sensoren werden entweder über die GPIO Schnittstelle direkt angeschlossen (bsw Temperatur) , über ein ADC Board (DeltaSigma, bsw die Gewichtssensoren) oder über die zur Verfügung stehende USB Schnittstelle (bsw Kamera, Mikrofon). Über WLAN oder GSM werden die Daten an den BeeServer übertragen. Der RPi soll lediglich als Datalogger , also Datenspeicher dienen.

Auf der Serverseite gibt es viele Möglichkeiten, die Daten weiterzuverarbeiten. Zunächst werden die Logdateien (eine Datei pro Tag) in eine MySQL Datenbank eingelesen und dann mit einem grafischen Ausgabetool zur Verfügung gestellt. Den BeeServer habe ich noch nicht realisiert, ist bisher nur eine Idee, sollte aber alles möglich sein.

Jetzt zu den Sensoren. Da gibt es im Netz ja schon viele Ideen, wie die Sensordaten beim „Imkern“ helfen können.

  1. Gewicht der Beute
    • Abschätzung, ob genügend Winterfutter vorhanden ist
    • anzeigen von Honigverlust durch Räuberei im Herbst
    • Honigverbrauch im Winter
    • Honigvorräte im Frühjahr abschätzen, falls noch keine Pollen vorhanden sind
    • feststellen und messen des Honigeintrages
    • festlegen, wann Honigräume aufgestellt werden müssen
    • Zeitpunkt für Honigernte bestimmen
  2. Gewichtsverteilung der Beute
    • durch die 4 Gewichtssensoren und unabhängige Messungen lässt sich einfach der Schwerpunkt der Beute bestimmen
    • Feststellen, wo das Brutnest liegt und wieviele Rähmchen Honig tragen
    • Verteilung des Honig beim Honigeintrag im Frühjahr/Sommer
    • Imkern mit Trennschied
  3. Temperatur in der Beute
    • Temperaturverlauf im Bienenstock (Tag/Nacht) im Vergleich zur Aussentemperatur
    • Beginn der Brutzeit durch Messung der Temperatur im Brutnest (33-36 C)
    • Warnung bei Überhitzung des Bienenstocks (Gefahr für Brut und instabile Wachsmittelwände)
    • Temperatur der Wintertraube (20-22 C) überwachen
    • feststellen ob Stock brutfrei ist zu Beginn des Winters
  4. Feuchtemessung in der Bienenbeute
    • Überwachung der Feuchteregulierung im Bienenstock
    • Beziehung zwischen Brutnestgrösse und Wasserhaushalt im Stock
    • Tagesgang der Feuchte/Temperatur
  5. Endoskopkamera in der Beute
    • beobachten der Aktivität im Bienenstock
    • Wärmebildaufnahme Brutnest?
  6. Mikrofon in der Beute
    • Tuten der Jungkönigin, Schwarmalarm (Vorschwarm mit alter Königin schon weg?)
    • Quaken der ungeschlüpften Königinen (Nachschwarm?)
    • Piping der Arbeiterinnen (200-250 Hz) bevor Schwarm Nest verlässt, Schwarmalarm (siehe www.beehacker.com)
  7. Lichtschranke am Nesteingang 
    • Abschätzung der Flugaktivitäten, Zählen der Flüge
    • Räubereialarm (Kämpfe am Nesteingang)
    • Schwarmalarm bei viel Aktivität am Nesteingang
    • Alarm das Gemüll am Nesteingang nicht weggeräumt

Es gibt sicher noch viele Ideen mehr, mal sehen was sich realisieren lässt. Bei Hobos findet man noch einiges an Informationen. Sehr empfehlenswert.

 

 

 

Vorüberlegungen um Bienenwaage zu bauen mit RPi

Hallo Welt,

schon seit einiger Zeit will ich dieses Projekt realisieren, jetzt habe ich alle Materialien zusammen und lege los.

  • Raspbeery Pi B 2.0
  • MCP3424  (ADC für Wägezelle)
  • einige Widerstände, Kondensatoren und ein Board um die Schaltung aufzubauen

Wägezellen http://de.wikipedia.org/wiki/Wägezelle sind Kraftaufnehmer, die vorallem zum wiegen eingesetzt werden und einen grossen Messbereich abdecken bis zu einigen Tonnen (Kraftfahrzeugwaagen). Diese Zellen besitzen einen „Dehnungsmessstreifen“
http://de.wikipedia.org/wiki/Dehnungsmessstreifen
, der die elastische Verformung der Zelle erfasst und in ein elektrisches Signal umsetzt.

Hier die Wägezelle, die ich über Ebay aus China für 18 Euro (inclusive Transportkosten) bekommen habe:

Wägezelle-YZC-516

Die Wägezelle YZC-516 hat eine maximale Kapazität von 50 kg. Hier der Auszug aus dem Datenblatt:

Datenblatt-YZC-516
Gehe ich von 5 Volt Anregespannung aus (über RPi geliefert), ergibt sich folgende Empfindlichkeit:

5 * 1,998 mV/50kg = 0,2 mV / kg

Die Genauigkeit der Waage wird angegeben mit 0.02%F.S. (Full Scale), also 0.02% von 50kg ergibt 10 g.

Wenn die Waage also auf 10g genau messen soll, muss die Apparatur in der Lage sein, 2 µV genau zu messen.  Eine solche Spannung genau und ohne Schwankungen zu messen, benötigt man einen ADC (Analog-Digital-Converter) der am besten einen Vorverstärker besitzt, deshalb fällt meine Wahl auf den MCP3424 von Microchip.

Auszug aus dem MCP3424 Datenblatt:

„The MCP3424 is a four channel low-noise, high accuracy delta-sigma A/D converter with differential inputs and up to 18 bits of resolution. The on-board precision 2.048V reference voltage enables an input range of ±2.048V differentially. The device uses a two-wire I2C™ compatible serial interface and operates from a single power supply ranging from 2.7V to 5.5V. The MCP3424 device performs conversions at rates of 3.75, 15, 60 or 240 samples per second depending on user controllable configuration bit settings using the two-wire I2C™ compatible serial interface. The I2C™ address is user configurable with two address selection pins. This device has an onboard programmable gain amplifier (PGA). User can select the PGA gain of x1, x2, x4, or x8 before the analog-to-digital conversion takes place. This allows the MCP3424 device to convert a smaller input signal with high resolution. The device has two conversion modes: (a) Continuous mode and (b) One-Shot mode. In One-Shot mode, the device enters a low current standby mode automatically after one conversion. This reduces current consumption greatly during idle periods. The MCP3424 device can be used for various high accuracy analog-to-digital data conversion applications where ease of use, low power consumption and small footprint are major considerations.“

Screen Shot 2014-09-12 at 4.01.43 PM

Der MCP3424 von Microchip hat bei Gain=8 einen Fullscale Input von 2.048V/8= 256 mV. Um 2 µV zu messen, müsste man also 256 mV / 2 µV = 128k Skala messen können. Bei einer geringen Samplerate von 1 SPS (also 1 Messwert pro Sekunde) stehen 18 Bits zur Verfügung, das ergibt einen Coderange von 131k bis -131k (siehe Datenblatt). Sollte also auch passen.
Die Angabe im Datenblatt des ADC bei 18 Bits ist angegeben zu 15,625 µV (LSB Least Significant Bit). Der Output Noise des ADC ist angegeben mit 1.5 µV.

Wichtig zu wissen für die Bienenwaage, der absolute Wert ist nicht so wichtig, +- 0.5 kg ist genau genug. Aber die relative Änderung ist wichtig. Trägt das Bienenvolk Honig ein, nimmt die Beute ca 100-300 g pro Tag zu, und diese Zunahme, oder auch Abnahme zeigt dem Imker, wie es um die Bienen bestellt ist.

Also, Papieranalyse sieht gut aus, es sollte klappen wenn ich alles berücksichtigt habe.

Um die Apparatur empfindlicher zu machen, könnte ich mehrere Wägezellen einsezten und damit empfindlichere Modelle zu nutzen.

Im Datenblatt ist folgende Schaltung vorgeschlagen:

Screen Shot 2014-09-12 at 4.04.10 PM

Kurz zur Erklärung der Kondensatoren und Widerstände.  Der 0.1 µF Keramik Kondensator ist dafür da, hohe Frequenzen auf der Schaltung abzuschwächen und parallel dazu der 10µF Tantalum Kondensator um mögliches Spike-Rauschen zu unterdrücken. Die beiden 5kOhm Widerstände sind sogenannte „Pull-up“ Widerstände, die eine Signalleitung mit dem höheren Spannungspotential verbindet. Durch diese hochohmigen Widerstände (1-10kOhm) wird die Leitung auf höhere Potential gebracht, für den Fall das kein Ausgang die Leitung aktiv auf ein niedrigeres Potential bringt.