Der digitale Bienenstock
In jedem guten Vorgarten und Stadtbild wie auch in der Natur sind Sie vertreten die Bienen. Meist gelten Sie in unserer Gesellschaft als ein gutes Zeichen für eine intakte Umwelt sowie Vorboten des Frühlings. Bedingt durch den Klimawandel und die zunehmende Umweltverschmutzung ist die Lebensgrundlage der Bienen zunehmend bedroht. Aus diesem Grund hat sich die items GmbH entschlossen im Kontext der Smart-City mehr über das Leben und den Zustand unserer kleinen Stadtbewohner zu erfahren und eine Abschlussarbeit zum Thema digitaler Bienenstock vergeben. Im Rahmen seiner Abschlussarbeit durfte unser Praktikant Leon Weber sich mit den verschiedenen Technologien zur Digitalisierung von Bienenstöcken mit dem Schwerpunkt LoRaWAN beschäftigen.
Dauerhafte Überwachung von Bienen
Laut dem deutschen Imkerbund zählen Honigbienen wegen ihrer Bestäubungsleistung zu den wichtigsten landwirtschaftlichen Nutztieren. Durch die Arbeit der Bienen wird der Erhalt von Nutz- und Wildpflanzen gesichert. Daher ist es wichtig sich stets über das Wohlergehen eines Bienenvolkes auf dem Laufenden zu halten. Dort kommt die Digitalisierung von Bienenstöcken mithilfe von Sensoren ins Spiel.
Durch die ständige Überwachung des Bienenschwarms kann man sich stets über dessen Zustand informieren. Dadurch kann ein Imker bei ungewöhnlichem Verhalten des Bienenvolkes sofort reagieren und somit verhindern, dass ein gesamtes Volk stirbt oder den Bienenstock verlässt. Außerdem ist eine Optimierung des Honigertrages mögliches. Gleichzeitig können zusätzliche Daten für Forschungsprojekte in diesem Bereich gesammelt werden.
LoRaWAN vs. Mobilfunk
Um die Bienen aus der Ferne überwachen zu können, ist die Übertragung der gemessenen Werte an einen Server notwendig. Viele bereits etablierte Systeme zum Bienen-Monitoring nutzen dafür das Mobilfunknetz, da in Deutschland eine nahezu 100-prozentige Netzabdeckung existiert. Die items GmbH hat bisher diverse LoRaWAN-Projekte in Kooperation mit Stadtwerken realisiert. Aus diesem Grund sollte ein System verwendet werden, das sich dieser Technik bedient.
Um die Vorteile und Nachteile beider Übertragungsarten in diesem Use-Case zu vergleichen, werden unterschiedliche Sensorik-Systeme an baugleichen Bienenstöcken angebracht. Hier sieht die items GmbH in der Umsetzung des digitalen Bienenstocks mittels LoRaWAN auf Grund der Energieeffizienz und hohen Reichweite der Technologie einen erheblichen Vorteil gegenüber dem Mobilfunknetz. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der Bachelorarbeit ein Technologievergleich mit unterschiedlichen Varianten durchgeführt. Die Vorstellung der eingesetzten Sensorik erfolgt in diesem Artikel. Konkret wurden drei verschiedene Varianten getestet. Zwei der Varianten basierten auf LoRaWAN. Eine auf dem Mobilfunknetz.
Digitaler Bienenstock Variante 1: All-in-One
Das All-in-One Modell ist von dem Unternehmen Wolf Waagen und die Produktbezeichnung lautet ApiGraph 3.1. Dieses Produkt beinhaltet eine Waage für den Bienenstock und einen Sensor für Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Um genauere Daten der Umgebung zu erfassen, gibt es als Zubehör noch eine Wetterstation, die Wind und Niederschlag misst. Diese Sensoreinheit ist per Funk mit der Waage verbunden. Die Platzierung ist laut Hersteller bis zu 30 Meter von der Waage möglich.
Mittels eines weiteren Termperaturfühlers ist neben der Messung von Werten außerhalb des Bienenstocks die Datenerhebung auch innerhalb möglich. Somit erfolgt eine Überwachung der Temperatur im Inneren des Bienenstocks. Der Nachteil daran ist, dass dadurch nur eine Messung im Brutraum des Bienenstocks stattfindet. Die sogenannte „Traube“ (Kugelförmige Ansammlung von Bienen) bewegt sich im Laufe der Zeit innerhalb des Brutraumes. Somit ist die Temperaturmessung mit nur einem Sensor ungenau sobald sich die Traube bewegt. Dies erfordert eine Umpositionierung des Temperaturfühlers.
Die Bienenstockwaage übermittelt die Messwerte mit Hilfe eines GSM-Moduls über das Mobilfunknetz. Die Übertragung der Messwerte erfolgt ein- bis dreimal täglich. Je öfter die Datenübertragung erfolgt, desto geringer beträgt die Akkulaufzeit des Gerätes. Es gibt auch einen Live-Modus, der alle fünf Minuten die gemessenen Werte an den Server übermittelt. Bei diesem Modus ist aber eine dauerhafte Stromversorgung notwendig. Laut dem Hersteller muss der Akku nur ein- bis zweimal im Jahr aufgeladen werden, sofern maximal eine Datenübertragung pro Tag erfolgt.
Außerdem bietet der Hersteller Wolf Waagen eine eigene Software zur Visualisierung der Messergebnisse an. Die Darstellung der Messwerte erfolgt komprimiert in zwei Diagrammen. Unterhalb der Diagramme sind die aufgelisteten Messwerte nochmals in einer Tabelle entnehmbar.
Der digitale Bienenstock Variante 2: LoRaWAN Fertig-Module
Die zweite Variante besteht aus drei verschiedenen LoRaWAN-Sensoren und einer selbstgebauten Waage. Für das Umweltmonitoring wird der Außensensor RAK7205 von RAK verwendet. Dieser misst Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Gase. Des Weiteren ist er mit einem GPS-Modul ausgestattet und wird mit Hilfe einer Solarzelle aufgeladen. Das Gehäuse ist wasserdicht. Eine Platzierung im Freien ist somit problemlos möglich. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass der Sensor nicht einer erhöhten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, da dies die Temperaturmessung verfälscht. Zur Gewährleistung einer reibungslosen Aufladung des Akkus durch die Solarzelle, ist eine Erfassung des Sensors über einen gewissen Zeitraum allerdings notwendig.
Der Hauptsensor dieses Systems ist vom Hersteller Dragino und ist ein wasserdichter Sensor-Knoten. Die Produktbezeichnung lautet LSN50 v2. An ihm ist die selbstgebaute Waage und ein Temperatursensor angeschlossen. Der Temperaturfühler wird, wie bei dem Gerät von Wolf Waagen, im Brutraum des Bienenstocks platziert.
Um zusätzliche Genauigkeit bei der Temperaturmessung zu erreichen, ist der Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor LHT65 von Dragino im Inneren des Bienenstocks befestigt. Der Sensor ist im Deckel des Bienenstocks angebracht und misst dort die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit. Der externe Temperaturfühler hängt im Brutraum. Die Sensoren liefern somit zwei Temperaturmessungen im Brutraum und drei im gesamten Bienenstock. Die Messwerte wurden in einem Grafana-Dashboard dargestellt.
Am Anfang des Dashboards sind vier Paneele, die die aktuellen Wetterdaten und Wetterprognosen zeigen. Die Datenbereitstellung erfolgt über eine Schnittstelle des Deutschen Wetterdienstes.
Unterhalb der Wetterübersicht sind die Temperaturen und die Luftfeuchtigkeit im Bienenstock und die Außentemperatur aufgelistet. Die Visualisierung der Temperaturen erfolgt einzeln und zusätzlich in einem gemeinsamen Diagramm, um Abweichungen voneinander zu verdeutlichen.
Die Gewichtsmessung wird mit vier verschiedenen Paneelen dargestellt. Die oberen zwei Darstellungen zeigen den Gewichtsverlauf und den letzten gemessenen Wert an. Die beiden Unteren fokussieren sich auf den Ertrag bzw. die Gewichtsschwankungen im Bienenstock.
Am Ende des Dashboards werden noch die Werte des Außensensors dargestellt.
Der digitale Bienenstock Variante 3: Vollständiger Eigenbau
Die dritte Variante zur Überwachung des Bienenstocks besteht aus einer selbstgebauten Lösung und ist somit individuell auf den Use-Case angepasst. Das System basiert auf dem Heltec Cubecell Entwicklerboard, das einen LoRa-Chip bereits installiert hat.
Fünf Sensoren sind für die Überwachung des Bienenstocks verantwortlich. Bei vier der Sensoren handelt es sich um Temperatursensoren. Der Fünfte misst die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur. Die Bewegung der Bienen im Inneren ist somit nachvollziehbar. Eine Umplatzierung von Sensoren ist nicht erforderlich. Ein weiterer Temperaturfühler übernimmt die Aufgabe der Außentemperaturmessung.
Bei dieser Variante kommt die gleiche Waagen-Konstruktion zum Einsatz wie bei den LoRaWAN Fertig-Modulen. Auf dem Gehäuse ist eine Solarzelle angebracht, damit eine Aufladung des Akkus nicht von Hand erforderlich ist und somit weniger Wartungszeit in Anspruch nimmt. Die Visualisierung der Daten geschieht ebenfalls mittels eines Grafana-Dashboards.
Nutzung der Daten für die Forschung
Die Sensorik zur Digitalisierung von Bienenstöcken soll der FH Münster im kommenden Jahr bereitgestellt werden und wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit bei der items GmbH von Leon Weber entwickelt. Geplant ist eine Auswertung der generierten Daten aus den Jahren 2020 und 2021, um neue Erkenntnisse für die Forschung zu sammeln. Wir als items freuen uns auf die Ergebnisse in diesem Jahr. Wenn ihr mehr über das Thema erfahren möchtet, sprecht uns gerne an.
