3.0 BOB
beeobs146
Bee Observation 146unser Programm zur Bienen-Forschung
digitaler Bienenstock
3.0 Bee Observer - BOB
Projekttyp: Citizen Science Projekt - Bürger schaffen Wissen
Beginn: Jan 2018 / Ende: Dez 2020
Motivation
Mit einigen Berliner „Elektro-Imkern“ aus der Maker Community haben wir uns kompetenten Mitstreitern angeschlossen. Seit Oktober 2018 sind meine Frau und ich als Bürgerforscher/innen im BOB Projekt beteiligt. Das Citizen Science Projekt, Bee Observer - BOB, ist eine gute Ergänzung zu meinen Forschungen und eröffnet einen weiteren Weg zum digitalen Bienenstock.
Zielstellung
In Zusammenarbeit von Bürger/innen und Wissenschaftler/innen werden bundesweit Bienenstöcke mit Sensoren ausgestattet, über Internet vernetzt, Daten aufgezeichnet, ausgewertet und nutzbar gemacht. Anhand dieser Daten möchte ich insbesondere die Auswirkungen der unterschiedlichen imkerlichen Betriebsweisen auf die Gesundheit der Bienenvölker herausfinden.
Inhalt
Die von den Projektinitiatoren erprobten Sensoren werden von den teilnehmenden Imker/innen einheitlich und praxisnah angewendet. Das beinhaltet:
- Sensorkits motieren und mit der Elektronik verdrahten
- Sensoren am und im Bienenstock montieren
- Sensordaten auf den Projektserver senden
- digitale Stockkarte führen und Informationen zu Beobachtungen dokumentieren
Stand Dezember 2018
Wir haben die nötigen Kabel für Strom und Internet verlegt. Somit ist unmitttelbar am Bienenstock keine Datenübertragung per Funk erforderlich. Im Oktober 2018 erhielten die Teilnehmer/innen von der Projektleitung, der Universtiät Bremen, erste Komponenten der Sensorkits. Dies sind die Tempertursensoren und Bauteile für die Stockwaage. Der Temperatursensor Typ DS18B20 ist mit Kabel vorkonfektioniert. Das Modul ist für Temperaturen von -55°C bis +125°C ausgelegt und ermöglicht eine Genauigkeit ±0,5°C. Die hochwertige Wägezelle der Firma Bosche ist für eine Gewichtslast bis 200kg ausgelegt und erlaubt eine Auflösung von 10g. Das entspricht dem Gewicht von ca. 100 Bienen.
Fotos:
1 Bausatz mit fünf Temperatursensoren
2 DS18B20 Temperatur Sensor Modul LS4G (Ø max 6,5 mm)
3 Bauteile der Stockwaage (Platten: 500 mm x 500 mm)
4 Wägezelle Bosche H40A-C3-0200
Stand Mai 2019
Unser ausgewählter Bienenstock steht seit Februar 2019 auf der montierten Bosche-Waage. Die zugehörige Elektronik für die Messwerterfassung und die Datenübertragung ist nocht nicht fertig und somit kann die Waage noch nicht genutzt werden. Auch die weiteren Komponenten des Sensorkits zum Betrieb der Temperatursensoren sind noch nicht verfügbar.
Foto:
5 Bienenstock auf der Bosche-Waage
Stand Oktober 2019
Inzwischen ist unser Sensorkit nahezu komplett. Das Herzstück der Elektronik ist der fipy Mini-Computer, der neben einer Verstärkerbaugruppe auf eine Platine aufgesteckt ist. Die Platine enthält alle Anschlüssen für die Waage, die Sensoren und für die Stromversorgung. Die gesamte Elektronik wird mittels USB-Netzteil (5V/2A) mit Strom versorgt. Die Verbindung mit dem Internet erfolgt per WLAN, da es quasi kostenlos im fipy enthalten ist. Die ursprünglich vorgesehene Verbindung mittels LAN-Kabel steht derzeit leider nicht zur Verfügung.
Die erhaltenen fünf Temperatursensoren für den Einbau in die Wabengassen wurden um einen, für den Einbau über dem Flugloch, ergänzt. Die Verkabelung ist so ausgelegt, dass im Warmbau (bei 12 Rahmen) jede zweite Wabengasse (5 von 11) besetzt werden kann.
Neben den vorgenannten Temperatursensoren gibt es noch eine Sensor-Baugruppe. Diese enthält einen Sensor-Chip Typ BME280 von der Firma Bosch. Der Sensor-Chip erfasst die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und den Luftdruck. Die Sensor-Baugruppe habe ich in eine kleine, Luft duchlässige Verteilerdose eingebaut und unter dem Bienenstock montiert. Hiermit werden ausschließlich Daten aus der direkten Umgebung des Bienenstocks erfasst.
Alle Komponenten, außer der Waage, habe ich inzwischen separat getestet. Die Einzelfunktionen sind soweit in Ordnung. Probleme gibt es allerdings fortwährend bei der Datenübertragung. Die Verbindung bricht nach kurzer Zeit (eine Minute bis 2 Stunden) ab. Das Problem liegt an der Software. Es ist im Projekt bekannt und kein Einzelfall. Derzeit wird an der Fehlerbehebung gearbeitet und eine entsprechende Korrektur ist mittels Update vorgesehen. Aufgrund der zunehmenden kalten Tage wurde entschieden, den Einbau der Sensoren in den Bienenstock dennoch zeitnah vorzunehmen.
Im Oktober konnte erstmals der Funktionstest mit dem gesamten Sensorkit, angeschlossen an die Beute D-B2 (14513 Teltow), erfolgen. Dazu wurde zuvor die Elektronik in eine wasserdichte Verteilerdose eingebaut und diese dann in der zum Kit gehörenden Elektro-Box komplett verkabelt. Anschließend wurde für die Waage unter der Beute (siehe weiter oben Foto 5) erstmals der Nullpunkt (0,000kg) mit Hilfe einer zuvor ermittelten Referenzlast von 4,978kg kalibriert. Daraufhin wurden die Temperatursensoren in die Beute – obere Zarge D2; Wabengassen 2 (=Ti1), 4 (=Ti2), 6 (=Ti3), 8 (=Ti4), 10 (=Ti5) plus Flugloch (=T0) – eingebaut. Die untere Spitze eines Temperatursensors ragt ca. 11 bis 12 cm von der oberen Rahmenkante in die Wabengasse. Die Rahmenhöhe (Ober- bis Unterkante) beträgt 22,4 cm. Die Gewichtszunahme von 2,8kg ergibt sich aufgrund einer erfolgte Fütterung.
Inzwischen konnten mehrmals, allerdings nur kurzzeitig, Daten von unserem Bienenstock an Bee Observer gesendet werden. Die dort angezeigten Daten sind soweit schlüssig.
Fotos:
6 Elektronik mit fipy Mini-Computer
7 Sechs Temperatursensoren verkabelt für den Einbau in den Bienenstock
8 BME280 Sensor-Baugruppe für Temperatur, Feuchtigkeit und Luftdruck
9 Sensor-Baugruppe in Luft durchlässige, kleine Verteilerdose eingebaut
10 Sensor-Baugruppe vorne, rechts unter dem Bienenstock montiert
11 Elektro-Box komplett verkabelt
12 Temperatursensoren im Brutraum der Beute eingebaut
13 Auf Bee Observer angezeigte Messwerte (22. Okt. 2019)
Stand März 2020
Mitte März, die Erst-Durchsicht 2020 steht an. Das ersehnte Software Update ist noch nicht verfügbar. Vormittags starte ich erstmals nach dem Winter die Elektronik. Daten werden übertragen, aber, wie erwartet, die Verbindung bricht nach kurzer Zeit ab. Dennoch, nicht nur die Bienen, sondern auch die Elektronik, hat den Winter überstanden. Zur Durchsicht am Nachmittag müssen die Temperatursensoren aus den Wabengassen (dem s.g. Rechen) entnommen werden. Die dabei auftretenden Beschädigungen sind deutlich und alle Temperatursensoren zeigen Wabenanbau. Jedes Einsetzen birgt insbesondere die Gefahr, die Königin zu verletzen. Deshalb entscheiden wir uns, den Rechen erst wieder einzusetzen, wenn der BOB-Kit stabil läuft.
Fotos:
14 Temperatursensor mit Wabenanbau
15 Steckverbinder mit Wabenanbau
Stand Mai 2020
Im April ist es so weit. Ich schicke den fipy Mini-Computer zum Software Update nach Berlin und bekomme ihn umgehend mit der neuesten Version (als Silberweide) zurück. Aber auch bei Silberweide bricht die Verbindung nach kurzer Zeit ab, wie schon bei der Vorgänger-Version. Daraufhin bekomme ich einen weiteren fipy (Stachelbeere) zwecks Testbetrieb. Stachelbeere zeigt sich stabiler, aber er befindet sich im Haus und hat sich direkt am Router angemeldet. Silberweide hingegen befindet sich im Garten unter der Beute und meldet sich über einen Powerline WLAN-Adapter an. Beim Testen wird auch die jeweilige Signalstärke der WLAN-Verbindung aufgezeichnet. Dabei zeigt sich, dass andere Geräte im WLAN-Netz, z.B. Smart Phones je nach Standort und Anzahl, die fipys deutlich beeinflussen. So konnte letztlich auch der Verbindungsabbruch provoziert und reproduziert werden. Daraufhin wurde der WLAN Gast-Zugang so konfiguriert, dass er ausschließlich den fipys vorbehalten ist. Nun laufen beide fipys stabil, selbst bei geringer Signalstärke. Ich entscheide mich, künftig Stachelbeere zu nuzten und ab dem 10. Mai 2020 sendet er alle BOB-Kit Daten, einschließlich der von den wieder in die Wabengassen eingebauten Sensoren.
Die Anzeige der Daten kann wahlweise auf Stunde, Tag, Woche, Monat oder Jahr eingestellt werden. Außerdem können die Grafen in beliebiger Kombination angezeigt werden; die Skalierung wird automatisch angepasst. Im Abstand von 10 Minuten können Uhrzeit und Messwert manuell eingeblendet werden. Auf dem Foto 17 sind die Daten einer Woche grafisch dargestellt.
Foto 18 zeigt im Tagesverlauf oben die Außentemperatur (dunkelgrün) und unten die Gewichtsänderung (orange). Gegen Mitternacht beträgt die Temperatur ca. 8°C und das Gewicht etwa 14,5 kg. Die nachts abfallende Kurve entspricht dem Verzehr der Bienen. Die plötzliche Gewichtsabnahme gegen 9 Uhr zeigt den Ausflug der Bienen. Kurz vor 11 Uhr beginnt dann die Gewichtszunahme durch den Trachteintrag und hält bis 18 Uhr an. Der Tagesertrag ergibt ein knappes Kilogramm.
Foto 19 zeigt die Temperaturen, die in der Woche von Mo 11. bis So 17. Mai in den Wabengassen gemessen wurden. Die oberen vier Temperaturkurven schwanken eng um 35°C . Die Kurve darunter verläuft sehr ähnlich, aber um etwa ein Grad niedriger. Die untere Kurve zeigt die Temperatur nahe am Flugloch. Das erklärt den deutlich abweichenden Verlauf und stärker schwankende Werte, teils unter 31°C. In dem betrachteten Zeitraum hat kein imkerlicher Eingriff im Bienenstock stattgefunden.
Danke für die Unterstützung seitens der Berliner Projekt-Betreuung.
Fotos:
16 fipy Stachelbeere auf expansion board im Test
17 Gesendete Daten der ersten Woche (11. bis 17. Mai 2020)
18 Außentemperatur und Gewicht (15. Mai 2020)
19 Temperatur in den Wabengassen (11. bis 17. Mai 2020)
Zu den Tücken mit der WLAN-Verbindung
Im Oktober 2019 berichtete der WESER-KURIER über das Projekt „Bee Observer“. Im letzten Absatz geht Thorsten Kloß, von der Uni Bremen, auf die Tücken mit dem WLAN ein (siehe Link „Bienenforschung zum Mitmachen - WESER-KURIER“).
Stand Juli 2020
Die Messwerterfassung läuft sehr stabil und zuverlässig, so dass die Durchsichten regelmäßig in die elektronische Stockkarte eingepflegt werden. Dazu werden die imkerlichen Arbeiten am Bienenvolk in einer Datenbank des Bee Observer Projekts protokolliert. Auszüge der Stockkarte sind in den Fotos 20 und 21 abgebildet. Die Stockkarte kann entsprechend den anfallenden Arbeiten mittels vordefinierter Kriterien angepasst bzw. erweitert werden.
Fotos:
20 Stockkarte, Auszug 14. bis 28. Juni 2020
21 Stockkarte, Auszug 28. Juni bis 9. Juli 2020
Das Bienenvolk hat sich prächtig entwickelt. Die Durchsichten mit den vielen Bienen auf den Sensoren erfordern erheblichen Aufwand. Die Fotos 22 bis 25 vermitteln dazu einige Einblicke.
Fotos:
22 Temperatursensoren in den Wabengassen
23 Freilegen eines Temperatursensors
24 Knotenpunkt Kabelverbindung
25 Handhabung während der Durchsicht
Wenn zur Durchsicht die Temperatursensoren nacheinander aus den Wabengassen entnommen werden, ergeben sich falsche Temperaturmesswerte. Diese fehlerhaften Messwerte wollte ich beseitigen. Da dazu noch keine Einrichtung zur Verfügung steht, habe ich eine separate Abschaltung eingebaut und diese bei den vier Durchsichten im Juni benutzt. Das Ergebnis ist in Foto 26 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die betrachteten Temperatursensoren bis zum Zuschalten alle wieder im Bereich der Bruttemperatur liegen, obwohl die Durchsichten bei unterschiedlichen Außentemperaturen (ca. 20, 30, 24 und 26 Grad) durchgeführt wurden und jeweils gut 90 Minuten gedauert haben.
Ein interessantes Messergebnis wurde Anfang Juni 2020 von einer Teilnehmerin des BOB Projekts mitgeteilt (Foto 27). Ein Schwarmabgang kurz vor Mittag führte zu einer Abnahme des Stockgewichts um 3 kg (Kurve unten) und zeitgleich zu einem kurzzeitigen Anstieg der Brutraumtemperatur um 1,3°C (Kurve oben).
Fotos:
26 Messwerte und Durchsichten im Monat Juni 2020
27 Schwarmdaten (Brutraumtemperatur und Stockgewicht)
Ergebnis
Mit dem Jahresende 2020 endet auch das Projekt Bee Observer – BOB.
Am 11. Dezember 2020 fand eine Web-Konferenz statt, wo der Stand des BOB-Projekts zusammengefasst und sich über die Inhalte und Ergebnisse ausgetauscht wurde.
Es wurden von den geplanten 150 Sensorkits ca. 120 an Imkernde ausgeteilt und zum Jahresende sendeten noch über 30 kontinuierlich Daten.
Zu den Sensorkits wurde von Imkernden eine Vereinfachung der Montage, der Installation und insbesondere der Handhabung für die Temperatursensoren in den Wabengassen angeregt.
Neben dem Projekt-Server war für das Management aller Stockdaten auch ein interner Bereich der open source Grafana Plattform verwendet worden. Die Plattform ermöglicht die individuelle Anpassung für das Monitoring und für die Aufbereitung von umfangreichen Daten. Abbildung 28 zeigt einen Auszug der Stationsliste, die die Bienenstöcke zeigt. [Rot gestichelt, unser Bienenstock in Teltow]. Bei einem Einzelbeispiel, Sensor 206, sind die Gewichtsdaten der letzten sechs Monate dargestellt (Abbildung 29). Generell können Daten mit der Grafana Plattform sehr komfortabel und beliebig kombiniert werden. D.h. es können auch Daten aus ganz anderen Quellen, wie z.B. lokale Wetterdaten aus Bremen vom Deutschen Wetterdienst (DWD), mit Daten aus mehreren Bienenstöcken gemeinsam verarbeitet und dargestellt werden (Abbildung 30).
Neben den oben gezeigten Datenaufbereitungen erfordert eine für den Anwender gerechte Nutzung dieser Daten (im Imkerbetrieb) eine Interpretation in Form von z.B. Alarmhinweisen oder Handlungsempfehlungen. Hierzu müssen die Daten zuvor bereinigt werden. D.h. fehlerhafte Messwerte müssen gefunden und adäquat beseitigt werden. Es wurden erste Ansätze zur Datenbereinigung mit Hilfe der SW Correlaid vorgestellt. Dabei wurde deutlich, dass es teilweise unabdingbar ist, Auffälligkeiten (z.B. potenzielle Fehler) mit Hilfe imkerlicher Expertise zu verifizieren.
Viele spannende Fragen bleiben erwartungsgemäß offen. Obwohl das BOB-Projekt zu Ende geht, wurde den Teilnehmenden in Aussicht gestellt, dass die Aktivitäten fortgesetzt werden. Dazu soll in 2021 der BOB e.V. gegründet werden (siehe Abbildung 31). Alle Interessierten wurden eingeladen, dieses Vorhaben zu unterstützen.
Abbildungen:
28 Stationsliste (Auszug der untersuchten Bienenstöcke)
29 Gewichtsdaten von einem Bienenstock (Beispiel: Sensor 206)
30 Temperaturdaten von vier Bienenstöcken und vom DWD in Bremen
31 Vereinsgründung BOB e.V.
Was ich gelernt habe
Bei dem Citizen Science Project war für mich der Austausch zwischen Maker/innen, Wissenschaftler/innen und Imker/innen besonders interessant. Zur Kommunikation bei die Soft- und Hardware-Entwicklung, sowie zu diversen anderen Fachthemen, diente überwiegend die Plattform The Hiveeyes Community (Link siehe unten). Die Plattform ist Anlaufstelle für eine Vielzahl anknüpfender Themen und Projekte, was die Übersicht und Teilnahme am Projekt erschwerte. Insgesamt habe ich viel über Einsatzmöglichkeiten moderner Technik für die Imkerei gelernt - vor allem auch – dass dafür noch einiges zu tun ist.
Meine Anmerkungen zu den Kernkomponenten im BOB-Projekt.
Ich schätze sehr, dass für das BOB-Projekt von Vielen gute Vorarbeit und Begleitung geleistet wurde. Deshalb möchte ich, dass meine Anmerkungen nicht als Kritik, sondern als Anregung für Weiterentwicklungen verstanden werden.
Waage:
Die Präzision der Waage ist gut. Die Anordnung mit einer mittigen Wägezelle ist zwar kostengünstig, aber sie ist auch wackelig. Insbesondere wenn eine Zarge gekippt wird. Aufgrund der Plattenkonstruktion werden außerdem die Belüftung und die Hygiene bei einem darunter geöffneten Boden eingeschränkt. Eine zweiseitig gestützte und „bodenfreie Waage“ würde ich bevorzugen.
Temperatursensoren (Rechen):
Für viele Sensoren ist die Bus-Funktion ideal, allerdings behindert die sperrige Verkabelung nicht nur das Imkern, sondern auch fortwährend den Alltag der Bienen. Für das reguläre Imkern sehe ich für so viel "Sensormaterial" im Brutraum keine Notwendigkeit.
Temperatur-/Feuchtesensor:
Der Kombi-Sensor gefällt mir gut. Allerdings habe ich ihn bisher nur als Referenz für die lokalen Klimadaten unter der Beute im Einsatz. Für den Dauereinsatz des gesamten Sensormoduls (30 x 20 x 8 mm) über oder insbesondere in der Wabengasse, würde ein deutlich kleineres Gehäuse, als ein Zusetzkäfig, eher Akzeptanz finden. Maximal ein Kabel in den Brutraum könnte einen ähnlichen Effekt haben.
Datenerfassung und -übertragung:
Bis auf das anfängliche Hakeln mit der Stabilität der WLAN-Verbindung des Accsess Points hat beides gut funktioniert. Während der gesamten Laufzeit gab es nur einen kurzen Verbindungsabbruch. Das System hat die Verbindung aber eigenständig wieder hergestellt.
Datenaufbereitung:
Die Daten sind bei bee-observer sehr übersichtlich dargestellt. Bei den Gewichtsdaten wäre eine zusätzliche Darstellung der stündlichen Änderungen hilfreich. Eine anwenderfreundliche Interpretation der Daten (z.B. per Ampeln) wäre ein echter Mehrwert neben den Kurven und könnte dazu beitragen, die Akzeptanz bei den Imkernden zu steigern.
Elektronische Stockkarte:
In der Anwendung ist die Handhabung, insbesondere die Konfiguration, sehr umfangreich. Eine übersichtlichere Struktur, z.B. orientiert an der Bienen-Saison, wäre eine Möglichkeit zur Vereinfachung.