Bienenstockwaage und Telemetrieplattform

Vom Bienenstock direkt zur Webplattform

Wie verändert sich das Gewicht eines Bienenstocks im Laufe des Tages? Wann beginnt ein starker Honigeintrag, wie wirken sich Wetter und Temperatur aus und wann tritt eine ungewöhnliche Gewichtsveränderung auf?

Aus diesen Fragen entstand meine Bienenstockwaage: ein autarkes Mess- und Telemetriesystem, das Gewicht und Temperaturen direkt am Bienenstock erfasst, die Daten prüft und über Mobilfunk an eine Webplattform überträgt.

Das Projekt verbindet Embedded-Entwicklung, Sensorik, Mobilfunk, Energiemanagement und Webtechnik in einem einzigen System.

Die Grundidee

Eine normale Waage liefert nur dann einen Wert, wenn jemand vor Ort ist. Meine Lösung soll die Entwicklung des Bienenstocks dagegen laufend dokumentieren.

Dafür misst das System:

• das aktuelle Gesamtgewicht des Bienenstocks
• die Temperatur im beziehungsweise am Bienenstock
• die Außentemperatur
• auffällige Gewichtsveränderungen
• den zeitlichen Verlauf der Messwerte

Die Daten werden lokal verarbeitet und anschließend an eine Webplattform übertragen. Dadurch kann ich die Entwicklung des Bienenvolks aus der Entfernung verfolgen, ohne den Stock für jede Kontrolle öffnen oder direkt aufsuchen zu müssen.

Technischer Aufbau

Als zentrale Steuereinheit verwende ich einen TTGO T-Call mit ESP32 und integriertem SIM800L-Mobilfunkmodul. Der ESP32 übernimmt die Messwerterfassung, Plausibilitätsprüfung, lokale Konfiguration und Datenübertragung.

Zum System gehören:

• TTGO T-Call ESP32
• SIM800L für die mobile Datenübertragung
• HX711-Wägeverstärker
• vier Halbbrückensensoren für die Gewichtsmessung
• zwei DS18B20-Temperatursensoren
• lokale WLAN-Serviceoberfläche
• EEPROM zur dauerhaften Speicherung
• Deep-Sleep-Funktion für einen energiesparenden Betrieb
• JSON-basierte Datenverarbeitung
• Webplattform auf Joomla-Basis
• zusätzliche Servo-Ansteuerung im Prototyp

Der HX711 verarbeitet die sehr kleinen Signale der vier Gewichtssensoren und stellt sie dem ESP32 als auswertbaren Messwert zur Verfügung. Die DS18B20-Sensoren erfassen die Temperaturen digital über den OneWire-Bus.

Plausible Messwerte statt einzelner Schwankungen

Eine der wichtigsten Anforderungen war für mich, nicht einfach jeden einzelnen Messwert ungeprüft zu übernehmen. Gewichtssensoren reagieren empfindlich auf Bewegung, Wind, mechanische Spannungen und elektrische Störungen.

Das System wartet deshalb auf mehrere plausible beziehungsweise ausreichend ähnliche Messungen. Im frühen Entwicklungsstand waren fünf übereinstimmende Messungen vorgesehen. Erst danach wird der Wert als stabil betrachtet, im EEPROM gespeichert und auf der lokalen Oberfläche beziehungsweise der Webplattform angezeigt.

Dadurch sollen kurze Störungen oder einzelne Ausreißer nicht sofort als tatsächliche Gewichtsveränderung gespeichert werden.

Lokale Bedienung über WLAN

Für Wartung, Kalibrierung und Konfiguration stellt der ESP32 einen eigenen WLAN-Access-Point bereit. Ich kann mich dadurch direkt mit einem Smartphone oder Notebook mit der Bienenstockwaage verbinden, ohne dass am Aufstellungsort ein vorhandenes WLAN benötigt wird.

Die lokale Weboberfläche wurde mit mehreren Bereichen geplant. Ein eigener Bereich zeigt die Gewichtsdaten des HX711 an. Weitere Funktionen dienen der Anzeige von Sensordaten, der Konfiguration und der Servo-Ansteuerung.

Die Werte werden innerhalb der Oberfläche dynamisch aktualisiert, ohne dass die gesamte Seite ständig neu geladen werden muss.

Datenübertragung über Mobilfunk

Da Bienenstöcke häufig außerhalb der Reichweite eines normalen WLAN-Netzes stehen, erfolgt die Verbindung zur Webplattform über das SIM800L-Mobilfunkmodul.

Der ESP32 bereitet die Messwerte auf und überträgt Gewicht und Temperaturen über das Mobilfunknetz an den Server. Auf der Webplattform können die Daten gespeichert, ausgewertet und über einen längeren Zeitraum dargestellt werden.

Als technische Grundlage dienen strukturierte Datensätze und eine Webanbindung, die sich in meine Joomla-basierte Plattform integrieren lässt. Die Projektumgebung ist mit meiner Webplattform bienchen.life verbunden beziehungsweise dafür vorgesehen.

Erste Prototypen

Die ersten Aufbauten entstanden bewusst als Werkstattprototypen. Hier habe ich Funktionen erst einmal zusammengeführt, bevor ich sie später verkleinert und auf eigene Platinen gebracht habe.

Dazu gehörten unter anderem:

• Lochrasterplatinen mit Wemos D1 Mini und HX711
• Aluminiumträger mit vier Wägezellen
• größere Testaufbauten mit mehreren Messkanälen
• frühe Gehäuse mit TTGO T-Call, Akkus und Kabelverschraubungen
• Versuche mit zusätzlichen Sensoren und Aktoren wie Regen-, Licht- und Temperatursensorik

Diese frühen Versionen waren größer und unübersichtlicher – aber genau dadurch konnte ich messen, verdrahten, fehlerhafte Annahmen korrigieren und die spätere kompakte Master-/Slave-Steuerung vorbereiten.

Kompakte LoRaWAN-Generation mit Master und Slave

In der weiteren Entwicklung habe ich die Steuerung deutlich verkleinert. Statt einer ausladenden Verdrahtung am Rahmen entstand eine kompakte Platinenlösung rund um den Heltec CubeCell HTCC-AB01.

Die aktuelle Ausrichtung:

• LoRaWAN statt dauerhafter Mobilfunklast
• Solaranschluss für den energiesparenden Außeneinsatz
• zwei Waagenkanäle (WAAGE1 / WAAGE2) über HX711
• getrennte Temperatursensoren (TEMP1 / TEMP2)
• Dockingport für Steuerung und Erweiterungen
• Master-/Slave- beziehungsweise Steuerungsaufbau in kompakter Form

Schaltplan, PCB-Layout und 3D-Ansichten zeigen die kleine Steuerungsplatine sowie die Doppel-HX711-Platine. Die Lochraster-Prototypen mit CubeCell und HX711 dienten mir als Zwischenstufe, bevor die Eigenbau-Platinen bestückt wurden.

Energiesparender Betrieb

Ein dauerhaft aktiver ESP32 mit Mobilfunkverbindung würde unnötig viel Energie verbrauchen. Deshalb ist die Bienenstockwaage für einen zyklischen Betrieb ausgelegt.

Der grundsätzliche Ablauf:

1. Der ESP32 wird aus dem Deep Sleep aufgeweckt.
2. Gewicht und Temperaturen werden gemessen.
3. Die Messwerte werden auf Plausibilität geprüft.
4. Gültige Werte werden gespeichert.
5. Die Daten werden an die Webplattform übertragen.
6. Das System wechselt wieder in den energiesparenden Schlafmodus.

Bei auffälligen Gewichtsveränderungen kann das System in einen Ereignis- beziehungsweise Alarmmodus wechseln. In diesem Zustand werden die Messintervalle verkürzt, damit ungewöhnliche Veränderungen genauer dokumentiert werden können.

Herausforderungen bei der Entwicklung

Die eigentliche Messung war nur ein Teil des Projekts. Eine besondere Herausforderung bestand darin, verschiedene Funktionen gleichzeitig zuverlässig auf einem ESP32 zu betreiben:

• HX711-Gewichtsmessung
• zwei Temperatursensoren
• WLAN-Access-Point
• lokale Weboberfläche
• Mobilfunkkommunikation
• Speicherung im EEPROM
• Deep Sleep
• Servo-Ansteuerung

Während der Entwicklung musste ich außerdem unterschiedliche Bibliotheksversionen und Abhängigkeiten berücksichtigen. Im frühen Aufbau kam es unter anderem zu Problemen mit einer fehlenden ESPAsyncWebServer-Bibliothek und mehrfach vorhandenen WLAN-Bibliotheken.

Der erste dokumentierte Entwicklungsstand entstand mit Arduino IDE 1.8.19 und ESP32-Core 1.0.6. Durch diese Erfahrungen habe ich die Softwarestruktur schrittweise angepasst und die einzelnen Funktionen klarer voneinander getrennt.

Was dieses Projekt für mich besonders macht

Die Bienenstockwaage ist für mich mehr als nur eine digitale Waage. Sie verbindet mehrere technische Bereiche, mit denen ich mich gerne beschäftige:

• praktische Sensorik
• Mikrocontroller-Programmierung
• Mobilfunk und Datenübertragung
• Energiemanagement
• lokale Weboberflächen
• Datenbanken und Webplattformen
• verständliche Darstellung realer Messdaten

Besonders interessant ist die Verbindung zwischen Naturbeobachtung und Technik. Die Elektronik soll nicht in den Bienenstock eingreifen, sondern Informationen liefern, die sonst nur durch häufige Kontrollen oder Schätzungen verfügbar wären.

Das Projekt zeigt, wie sich Embedded Systems, IoT und Webentwicklung zu einer praxisnahen Gesamtlösung verbinden lassen.

Mein Beitrag

Freizeitprojekt: Ich habe Hardware, Firmware, Platinenlayouts, lokale Serviceoberflächen und die Webanbindung über mehrere Generationen hinweg selbst aufgebaut – vom ersten Lochrasterprototyp bis zur kompakten LoRaWAN-Steuerung.

Herausforderungen

• Mehrere Funktionen gleichzeitig zuverlässig auf einem Mikrocontroller betreiben
• Plausible Gewichtswerte trotz Wind, Bewegung und Störungen
• Energiesparender Betrieb mit Deep Sleep, Mobilfunk und später LoRaWAN
• Übergang von großen Werkstattprototypen zu kompakten Master-/Slave-Platinen
• Kompakte Platinen für zwei Waagen und getrennte Temperaturen

Ergebnis und Nutzen

Modular aufgebautes IoT-System zur Erfassung, Prüfung, Speicherung und Übertragung von Messwerten – mit lokaler Konfiguration, Webdarstellung und einer kompakteren LoRaWAN-Steuerungsgeneration.