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Beschreibung

Mit Hilfe der Wetterstation sollen verschiedene Zusammenhänge zwischen dem Wetter und der Entwicklung und Gesundheit unserer Bienen erkannt und analysiert werden können. Jeder Imker konnte gewisse Zusammenhänge bestimmt schon beobachten, hat aber dafür keine konkreten Zahlen oder Aufzeichnungen. Teils nimmt das Wetter und Klima direkt Einfluss auf unsere Bienen. Zum Teil sind die Zusammenhänge aber auch sehr komplex. 

So konnte bestimmt schon jeder Bienenzüchter beobachten, dass sich die Außentemperatur besonders im Frühjahr direkt auf die Bruttätigkeit im Bienenvolk auswirkt. Ist es sehr warm, kann ein Bienenvolk entsprechend mehr Brut pflegen und die Entwicklung geht wesentlich schneller voran. 

Das Wetter und Klima hat aber auch Auswirkungen auf die Vegetation und damit auf das Nahrungsangebot unserer Bienen. Bei der Waldhonigtracht werden die Zusammenhänge dann nochmals komplexer. Der Honigtau wird von Lachniden und Leccanien erzeugt, dessen Vermehrung wiederum ist von dessen Nahrungsangebot abhängig. Diese ernähren sich vom Pflanzensaft der Bäume. Diese wiederum benötigen Wasser und damit genügend Niederschlag und Bodenfeuchtigkeit.

Viele Imker konnten aber sicher auch schon beobachten, dass besonders starke Bienenvölker im Spätsommer aufgrund der Varroamilbe in kürzester Zeit regelrecht zusammenbrechen. Ein starkes Bienenvolk kann im Frühjahr schon wesentlich früher mit der Bruttätigkeit beginnen wie ein schwaches Bienenvolk. Das ermöglicht aber auch der Varromilbe mehr Entwicklungszyklen und damit zu einer schnelleren Vermehrung. Über die Brutraumtemperatur, könnte dieser Zusammenhang wesentlich genauer untersucht werden.

Viele Fragestellungen und Beobachtungen können mithilfe einer Wetterstation besser beantwortet werden. Eine kostengünstige Wetterstation, die von jedermann zusammengebaut und betrieben werden kann soll den Imker in seiner Arbeit unterstützen und zu neuen Erkenntnissen führen. 

Der Zusammenbau der Wetterstation ist mit dem Photon Weather Shield in ein paar Minuten erledigt.
 

Aufbau und Hardware

Wettersensoren

Für die Wetterstation wird der Weather Meters von SparkFun verwendet. Dieser Wettersensor beinhaltet die 3 Kern Komponenten: Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Regenmenge.

Das Regenmessinstrument besteht aus einer Wippe mit 2 sich selbst entleerenden Körbchen mit einem Fassungsvermögen von 0.011" Regen pro Körbchen. Ist ein Körbchen voll wird ein Taster aktiviert. Somit muss nur die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit ermittelt werden, um die Regenmenge ermitteln zu können.

Das Anemometer (Windgeschwindigkeitsmesser) misst die Anzahl der Umdrehungen. Bei jeder Umdrehung wird ein Schalter betätigt. Bei einer Windgeschwindigkeit von 1.492 MPH wird der Schalter genau einmal pro Sekunde geschlossen. 

Die Windrichtung wird über eine Spannung ermittelt, die sich durch die Kombination von Widerständen innerhalb des Sensors mit der Windrichtung ändert. Über Magnete können bis zu zwei Schalter gleichzeitig betätigt werden. Dadurch können 16 unterschiedliche Positionen angezeigt werden. Genauere Angaben können dem Datenblatt entnommen werden. 

Bodenfeuchtigkeitssensor

Zur Messung der Bodenfeuchtigkeit bzw. Bodennässe wird der Soil Moisture Sensor von SparkFun verwendet.

Die beiden exponierten Pads fungieren als Sonden für den Sensor, die ihren Widerstand aufgrund der Bodenfeuchtigkeit ändern. Je mehr Wasser im Boden desto größer wird die Leitfähigkeit der Pads und der Widerstand wird geringer. SIG liefert dann einen höheren Wert.

Der Sensor muss mit dem Microcontrollerboard (Photon oder Arduino) mit VCC (3.3V oder 5V) und GND verbunden werden. SIG wir direkt mit einem analogen Eingang des Microcontrollerboards verbunden.

Bodentemperatursensor

Für die Messung der Bodentemperatur eignet sich besonders der Temperatur Sensor DS18B20. Es handelt sich dabei um einen präzisen und wasserfesten Temperatur Sensor mit 1-Wire Technologie. Der DS18B20 liefert 9 - 12 bit (konfigurierbar) Temperaturwerte über ein 1-Wire Interface. Neben VCC und GND ist nur eine weitere Verbindung zum Microcontroller notwendig.

SparkFun Photon Weather Shield

Das SparkFun Photon Weather Shield verfügt über einen Luftdrucksensor (MPL3115A2) und einen Luftfeuchtigkeits- und Temperatursensor (HTU21D humidity).  Über zwei RJ11 Buchsen können einfach der Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitssensor und das Regenmessinstrument angeschlossen werden. Die Sensoren für Bodenfeuchtigkeit und Bodentemperatur können an jeweils 3 Lötaugen angelötet werden.

Das Photon Microcontrollerboard mit WLAN Modul von Particle kann direkt aufgesteckt werden. 

Der Zusammenbau der Wetterstation ist mit dem Photon Weather Shield in ein paar Minuten erledigt.

Particle Photon

Das Photon von Particle ist ein Microcontrollerboard mit einem STM32 ARM Cortex M3 Microcontroller und einem Cypress Wi-Fi Chip. Es verfügt über 1MB flash Speicher und 128 kB RAM. Aufgrund des geringen Stromverbrauches ist es besonders für autonome Outdoor-Anwendungen besonders geeignet.

SparkFun Sunny Buddy 

Der Sunny Buddy von SparkFun ist ein Maximum Power Point Tracking (MPPT) Solar Laderegler für einzellige LiPo Batterien. Dieser Solar Laderegler holt ein Maximum an Leistung aus der Solarzelle heraus und speichert diese effizient in der LiPo Batterie. Der Anschluss der Solarzelle auf der einen Seite des Boards und die LiPo Batterie auf der anderen Seite ist denkbar einfach. 

Der Sunny Buddy lädt die LiPo Batterie mit maximal 450 mA. Die empfohlene Eingangsspannung liegt zwischen 6 - 20 V. 

Solarpanel

Für den autonomen Betrieb der Wetterstation über einen längeren Zeitraum ist natürlich ein Solarpanel erforderlich. Der Sunny Buddy sollte in einem Spannungsbereich zwischen 6 V - 20 V betrieben werden, weshalb sich ein 6 V bzw. 12 V Solarpanel eignen würde. Die notwendige Leistung von mehreren Faktoren abhängig (insbesondere Sonneneinstrahlung und Software).

Installation und Programmierung

Für die Wetterstation wird das Particle Photon verwendet. Ein Microcontrollerboard mit Wi-Fi Modul. Particle bietet zusätzliche Cloud Services, die das Vernetzen der Geräte mit anderen Webservices wie beispielsweise dem Datenserver cloud4Bees wesentlich vereinfachen.  

In diesem Projekt habe ich mich dazu entschieden, den Particle Command Line Interpreter (CLI) zu verwenden. Dieser macht das Arbeiten mit dem Photon wesentlich einfacher. Der Particle CLI ist eine node.js Anwendung zum Arbeiten mit dem Paricle Photon und mit der Particle Cloud. Die Particle CLI wird dazu verwendet, um das Photon mit dem Internet  und mit der Particle Cloud zu verbinden.

Particle-CLI installieren (Windows)

Um den Particle-CLI auf Windows zu installieren muss zunächst node.js installiert werden.

1.) Gehe auf https://nodejs.org/de/download/ und lade die passende (32-bit bzw. 64-bit) Installationsdatei herunter.

2.) Doppelklick auf die .msi Datei startet den Installationswizard. Folge den Anweisungen des Wizards.

Nach der erfolgreichen Installation von node.js auf dem Betriebssystem kann jetzt sehr einfach die der Particle Command Line Interpreter installiert werden:

1.) Öffne die Windows Eingabeaufforderung

2.) nmp install -g particle-cli

Erstelle ein kostenloses Particle Cloud Konto

Gehe auf  https://build.particle.io/signup, um ein neues Particle Cloud Konto zu erstellen.

Setup Photon

1.) Photon über ein USB-Kabel mit dem PC verbinden 

2.) Photon in Listening Mode (LED blinkt blau) wechseln

Um das Photon in den Listening Mode zu wechseln, muss der SETUP Taster für mindestens 3 Sekunden gedrückt werden, bis die LED blau blinkt.

Das Photon wartet jetzt auf die Eingabe für das WLAN-Netzwerk.

3.) Öffne die Eingabeaufforderung von Windows. 

particle login

4. ) Seup Photon

particle setup

Particle Photon programmieren

1.) Lade die Firmware vom Github Repository herunter. 

2.) Öffne eine Windows Eingabeaufforderung

3.) Wechsele in den Ordner mit der Binary Datei .bin

4.) Verbinde das Photon über ein USB Kabel mit dem PC

5.) Wechsle das Photon in den DFU Mode (LDE blinkt gelb). Drücke zunächst beide Taster. Der Reset-Taster wird jetzt losgelassen und der Setup-Taster wird solange gehalten bis die LED gelb blinkt.

6.) Übertragen Sie die Binary Datei auf das Photon mit folgender Eingabe in die Eingabeaufforderung von Windows:

particle flash --usb photon_1.0.1_firmware_xxxxxxxxxxxxx.bin

7.) Nach dem Übertragen des Programms verbindet das Photon automatisch wieder mit dem Internet und der Particle Cloud und das Programm wird gestartet.