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Bienenstock Sensordaten

Gewicht, Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einen Bienenstock werden gemessen. Dazu wird ein Arduino Controller und das TTN LoRaWAN-Netzwerk verwendet.
English text.

Arduino compile test

Um Bienenzüchter bei der Überwachung ihrer Bienenvölker zu unterstützen und die Bienen möglichst wenig zu stören, werden mit Sensoren die wichtigsten Werte in kurzen Intervallen erfasst und übermittelt. Ziele des Designs:

  • Energieeffizienz. Die Geräte sollen mit einer kleinen Solarzelle und einem Bufferakku unbeschränkt laufen (auch im Winter und bei schlechtem Wetter).
  • Strahlungsarm. Ich bin kein Experte was den Einfluss von Strahlung auf Bienen betrifft. Mit einer energie- und strahlungsarmen Technologie wie LoRa statt WLAN oder GSM wird der Einfluss auf jeden Fall minimiert.
  • Günstig. Kleine Microcontroller und öffentliches LoRaWAN sind sehr günstig und für den Zweck und die Datenmenge ausreichend.

Systemübersicht

  • Arduino (entweder Uno + Dragino LoRa Shield, Dragino LoRa Mini Dev oder CubeCell LoRa Dev)
    Ein kleiner Microcontroller hat genug Leistung für die gelegentlichen Messungen. Eine wiederaufladbare Batterie dient als Buffer während der Nacht und bei schlechtem Wetter.
    Das Gerät läuft ohne manuelle Interaktion ausser einem Knopf, um es in in den 'Manuellen Modus' zu setzen während am Bienenstock gearbeitet wird.

    • Mehrere (z.B. 5) DS18B20 Temperatursensoren mit dem 1-wire-Protokoll
    • DHT11/22 Temperatur- und Feuchtigkeitssensor
    • Wägezelle(n) mit HX711 Konverter
    • LoRaWan Verbindung (TTN)
    • Solarzelle und wiederaufladbarer Batterie (LiPo)
    • Push-Button mit LED für temporäre Ausschaltung (Manueller Modus)
    • Evtl. weitere Geräte mit RS-485 Schnittstelle?

  • LoRaWAN TTN-Gateway/Netzwerk/Applikation
    Bienenstöcke haben normalerweise keinen Kabel-Internetanschluss. Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit GSM und WLAN sind nicht nötig und werden wegen der Strahlenbelastung vermieden.
    TheThingsNetwork (TTN) ist ein globales, offenes LoRa Netzwerk. Wenn kein Gateway innerhalb einiger km verfügbar ist, kann ein zusätzlicher eigener Gateway einfach installiert werden.

    • Übermittelt empfangene Nachrichten vom LoRa Gateway ins Internet, prüft die Authorisierung (OTAA/ABP) und kodiert/dekodiert Nachrichten
    • Erlaubt direkte ThingSpeak-Integration (jedoch nur 1 Gerät pro Applikation mit 1 Kanal)
    • HTTP-Integration erlaubt jedes beliebige Internet-Backend anzusprechen (z.B. eigene Verarbeitung, siehe unten)
    • siehe TTN application (english)

  • Übersicht und Visualisierung mit ThingSpeak-Kanal
    Das ist der schnelle und einfache Weg um Sensordaten anzuzeigen.

    • Einfaches Aufsetzen und Teilen von ThingSpeak
    • Mobile App ist verfügbar
    • Matlab Analyse ist möglich
    • Beschränkt auf 8 Felder/Kanal
    • Keine Verlinkung von mehreren Kanälen (z.B. Bienenstöcken desselben Imkers)
    • Beschränkte Interaktion

  • Verarbeitung und Weiterleitung von Sensordaten z.B. AWS (in Bearbeitung)
    Alternative oder Ergänzung zu ThingSpeak. Eine eigene Backend-Anwendung kann verwendet werden um Sensordaten zu sammeln und eine eigene Webanwendung zu betreiben.

    • siehe AWS serverless (english)
    • Weiterleitung von ThingSpeak-Kanälen wie oben, aber hier können mehrere Geräte/Kanäle pro TTN-Applikation verwendet werden.
    • Zusätzliche Speicherung von Sensordaten in DynamoDB, siehe AWS recording
    • Keine Einschränkungen der Anzahl Felder oder wie Sensordaten visualisiert werden (eigene Web-Applikation)

Geräte-Hardware

Drei unterschiedliche Boards wurden getestet:

  • Arduino Uno + Dragino LoRa Shield
    • Benötigt 5V Betriebsspannung
    • Viele digitale Pins sind vom Shield bereits besetzt
    • Klassische Uno-Grösse und MCU (16MHz ATMega328P, 32KB FLASH, 2KB SRAM)
  • Dragino LoRa Mini Dev
    • 3.3V Betriebsspannung ermöglicht LiPo (nicht getestet)
    • Kleines Board, LoRa Transmitter bereits integriert
    • Klassischer Arduino MCU (16MHz ATMega328P, 32KB FLASH, 2KB SRAM)
  • Heltec CubeCell LoRa Dev. Das ist mein Favorit!
    • 3.3V ermöglicht LiPo, Ladeschaltung für Solarzelle bereits integriert
    • Energieeffizienz (1W Solarzelle mit 230mAh LiPo wird an einem Sonnentag aufgeladen und kann fast 2 Wochen überbrücken)
    • Kleines Board, LoRa Transmitter bereits integriert
    • Stärkere MCU (48 MHz ARM M0+, 128KB FLASH, 16KB SRAM)

Verwendete Pins:

Pin Funktion Verdrahtung Uno+Shield / Dragino CubeCell
1-wire Temp Sensor pull-up Widerstand 4k7 auf VCC D5 GPIO5
DHT-11/22 pull-up Widerstand 4k7 auf VCC D4 GPIO4
HX711 Dout A0 GPIO2
HX711 Sck A1 GPIO3
Push-Button auf GND (active low, triggert Interrupt) D3 GPIO7 (auch Batterie Test Control)
LED auf VCC (active low) A2 GPIO1

Übermittelte LoRa Nachricht (Binär kodiert)

  • Das Gerät misst ca. alle 5 min
  • Messungen werden bei grösseren Änderungen oder alle 30 min übermittelt (es kann jedoch passieren, dass Nachrichten verloren gehen)
  • Aktuell keine Uplink-Nachrichten
  • Fixe Nachrichtengrösse und Reihenfolge der Sensorwerte für kompakte/effiziente Übermittlung
  • Werte werden als short integer mit 2 Nachkommastellen übermittelt (-327.67 .. 327.67)
  • Spezieller Wert für null (-327.68)
 "sensor": {
   "version": 0,  // command id or version
   "battery": 3.92,
   "weight": 0.37,
   "humidity": {
     "roof": 47.5
   },
   "temperature": {
     "drop": 20.68,
     "lower": 19.5,
     "middle": 19.93,
     "outer": 20.62,
     "roof": 22.2,
     "upper": 19.37
   }
 }

Checkout von diesem Projekt

Lokale Installation von git und Arduino IDE vorausgesetzt.
Installation des CubeCell Software: https://heltec-automation-docs.readthedocs.io/en/latest/cubecell/quick_start.html (aktuelle Version 1.3.0)

git clone https://github.com/joergkeller/beehive-sensor.git
cd beehive-sensor
git submodule init
git submodule update

Spätere Aktualisierung auf die neueste Version:

cd beehive-sensor
git stash
git pull
git submodule update
git stash pop
Arduino Settings Value
File > Preferences > Settings > Board Manager URLs https://github.com/HelTecAutomation/CubeCell-Arduino/releases/download/V1.3.0/package_CubeCell_index.json
File > Preferences > Settings > Sketchbook location C:\...\beehive-sensor
File > Open... C:\...\beehive-sensor\arduino_beehive_sensor_lora\arduino_beehive_sensor_lora.ino
Tools > Board CubeCell-Board
Tools > LORAWAN_REGION REGION_EU868
Tools > LORAWAN_CLASS CLASS_A
Tools > LORAWAN_NETMODE OTAA
Tools > LORAWAN_ADR ON
Tools > LORAWAN_UPLINKMODE UNCONFIRMED
Tools > LORAWAN_NET_RESERVATION OFF
Tools > LORAWAN_AT_SUPPORT OFF
Tools > LORAWAN_RGB ACTIVE or DEACTIVE
Monitor baud rate 115200

Im Projekt sind alle verwendeten Bibliotheken bereits enthalten (das ist der Grund für das submodule-Kommando und die Einstellung des Sketchbook location).

Dann

  1. Erstelle gratis einen TTN account/application/device und übertrage die OTAA Authorisierungscodes in credentials.h
  2. Erstelle gratis einen ThingSpeak account/channel und eine TTN ThingSpeak-Integration mit den entsprechenden Werten
  3. Sketch kompilieren/laden
  4. Aktivierung mit OTAA benötigt einige Zeit (je nach Verbindungsqualität auch ca. eine halbe Stunde)
  5. Drücke den USR Knopf für den 'Manuellen Modus':
    • es werden keine LoRa Nachrichten verschickt, die LED blinkt
    • kontinuierliche Gewichtsmessung für Kalibration, daraus kann Offset/Scale berechnet werden (z.B. Excel sheet)
    • für Temperaturkompensation sollten die Gewichte zusätzlich bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen werden
    • 1-wire Temperatursensoren nacheinander einlesen, IDs aufschreiben
    • Knopf nochmals drücken um die LoRa Aktivierung wieder zu starten
  6. Eingabe der 1-wire Sensor IDs und Gewichtskalibration in calibration.h
  7. Sketch nochmals kompilieren/laden
    • Abwarten der OTAA-Aktivierung
    • Erster Messwert sollte im lokalen Monitor, als TTN-Daten und in der ThingSpeak-Anwendung erscheinen