baden-württemberg

DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
BADEN-WÜRTTEMBERG
Temperaturmessung in einem
Bienenkasten
Siegfried Kienzle
Patrick Ondratschek
Schule:
Robert-Bosch-Schule,
Ulm
Jugend forscht 2012
Temperaturmessung in einem Bienenkasten
von
Patrick Ondratschek und Siegfried Kienzle
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Inhaltsverzeichnis
Idee ........................................................................................................................................................ 3
Warum Temperaturmessung mit I²C ? ..................................................................................... 4
Das I²C-Protokoll .............................................................................................................................. 4
Übertragungsablauf ......................................................................................................................... 4
Schaltbild der LM-75 Sensoren .................................................................................................... 5
Wie sitzen die Sensoren in den einzelnen Waben ? ............................................................. 6
Warum verwenden wir USB-Steckverbinder ? ...................................................................... 6
Verwendung des 4052-CMOS Analog Digital Multiplexer .................................................. 7
Platine mit 4052-CMOS Analog Digital Multiplexer (Schaltplan) .................................... 8
Mikrocontroller (Schaltbild) ........................................................................................................ 9
Display ............................................................................................................................................... 10
Ergebnisse bis zum derzeitigen Zeitpunkt ........................................................................... 11
Ausblick............................................................................................................................................. 11
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Idee
Wieso gerade Temperaturmessung im Bienenstock?
Zuerst wollten wir eine Wetterstation bauen die ihre Daten an eine Datenbank schickt,
welche dort protokolliert und grafisch dargestellt werden sollten. Als wir jedoch mit unserer
Idee zu unserem Klassenlehrer gingen, zeigte der uns ein bereits fertiges Exemplar dieses
Projektes. Anscheinend waren wir nicht die ersten mit dieser Idee. So gingen wir also etwas
bedrückt nach Hause. Am nächsten Schultag trafen wir noch vor Unterrichtsbeginn Herrn
Weber der von uns gehört hatte. Er erzählte uns von seinen Bienenvölkern und fragte ob wir
Interesse daran hätten, die Temperatur in den Bienenkästen zu messen. Unser Interesse war
geweckt, schließlich wäre es doch interessant zu wissen, ob die Bienen eine konstante
Temperatur haben, oder ob sie oft wechselt, oder vielleicht im Winter nur ein paar Grad hat.
Also beschlossen wir unsere Projektarbeit der Temperaturmessung im Bienenstock zu
widmen.
Unser Bienenkasten
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Warum Temperaturmessung mit I²C ?
Es gibt mehrere Möglichkeiten die Temperatur zu messen. Eine davon ist ein intelligenter
Sensor. Dieser Sensor heißt LM-75 und wird zum Beispiel auch auf Motherboards verwendet
um dort die Temperatur zu messen. Er funktioniert unter anderem mit dem I²C-Protokoll, für
welches wir uns entschieden haben, da es sich für unseren Mikrocontroller anbietet und wir
gleich Digitalsignale zurückbekommen, die es uns leichter machen die Daten zu verarbeiten.1
Das I²C-Protokoll
I²C steht für Inter-Integrated Circuit und wird im Deutschen als I-Quadrat-C ausgesprochen.
Der I²C wird hauptsächlich für die die Kommunikation geräteinterner Schaltungsteile
benutzt.
Eine der 1. I²C-Systeme wurde von Philips in den 1980er Jahren entwickelt.
Unter einem I-Quadrat-C versteht man einen Master-Slave-Bus (dabei sendet der Master
und der Slave reagiert).
Es werden zwei Signalleitungen benötigt: eine Takt- (SCL) und eine Datenleitung (SDA).
Beide Leitungen liegen mit den Pull-up-Widerstände Rp an der Versorgungsspannung VDD.1
Übertragungsablauf
Beim Start der Übertragung wird vom Master das Start-Signal angezeigt und dann erst folgt
die Adresse. Vom Slave wird dieses durch das Acknowledge-Bit bestätigt. Daten werden in
Abhängigkeit vom Read/Write-Bit, Byte-weise geschrieben (Daten an Slave) oder gelesen
(Daten vom Slave).
Beim Schreiben wird das Bestätigungsbit vom Slave gesendet beim Lesen vom Master.
Um das Ende der Übertragung anzuzeigen wird das letzte Byte eines Lesezugriffs vom
Master mit einem Not Acknowledge quittiert. 1
Quelle:
1
http://de.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C
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Schaltbild der LM-75 Sensoren
Adresse 4
Adresse 5
A0 = 0
A1 = 0
A2 = 1
A0 = 0
A1 = 0
A2 = 1
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Wie sitzen die Sensoren in den einzelnen Waben ?
Wir haben uns entschlossen pro Wabe zwei Sensoren zu verwenden. Einer wäre eventuell zu wenig
und mehr als zwei wären überflüssig oder gar lästig, da Sie sonst zu verkabelt wären und die Bienen
ja schließlich auch noch etwas Anspruch auf Platz haben. Nun galt es die zwei Sensoren so zu
befestigen, dass die Bienen nicht gestört werden, aber auch im Gegenzug nichts kaputt machen
können. Die Wahl fiel auf Bienenwachs. Mit diesem kann man die kleinen Sensoren gut hinein kleben
und es ist völlig ungefährlich für die Bienen. Es war etwas lästig das Bienenwachs zu erhitzen und
dann auf die Waben zu bringen. Wir bauten einen Aufsatz für den Lötkolben der mehr Fläche hatte
als eine Lötspitze und somit geeignet war um das Wachs zu erhitzen. Die Drähte, die aus isoliertem
Kupferdraht bestehen, mussten natürlich auch „verklebt“ werden, da es im Interesse der Bienen liegt
jeden, auch wirklich jeden, Fremdkörper solange zuzukleben bis er keine Bedrohung mehr darstellt.
Die Sensoren sind jeweils mit der Adresse vier und fünf versehen. Nun warum gerade vier und fünf?
Dies entstand durch einen Umstand, da wir anfangs mehrere I²C-Busse verwenden wollten. Da wir
aber später auf die Idee kamen nur einen Bus zu verwenden und die einzelnen Waben über einen
Mehrfachschalter anzusprechen, waren es durch Zufall die Sensoren vier und fünf die in unserer
ersten Wabe waren. Um also Alles einheitlich zu haben entschieden wir kurzer Hand nur noch
Platinen
mit der
Adresse
vier und
fünf zu
fertigen
umso das
Programm
nicht
unnötig
komplex zu
machen.
Wabe mit Sensoren
Warum verwenden wir USB-Steckverbinder?
Um eines klarzustellen, unsere USB-Stecker sind keine USB-Stecker. Die Kabel waren einfach nur
billig und gut für uns aufgrund der einfachen „Steckverbindung“. Als Imker ist es nicht ganz so
einfach, man muss immer die einzelnen Waben herausnehmen und betrachten können. Hätten wir
nun lauter verschiedene Busse und Bausteinadressen, so müsste der Imker die Wabe immer an der
genau gleichen Stelle wieder einsetzen an der er sie herausnahm, was ein normales imkern fast
unmöglich macht. Mit den USB-Steckern geht der Imker einfach her, steckt die Wabe aus, schaut sie
sich an, schiebt sie hinten wieder rein und steckt sie an der passenden Stelle wieder ein, dies macht
das ganze viel benutzerfreundlicher. Die USB-Stecker werden direkt an den Mehrfachschaltern, auch
Multiplexer genannt, eingesteckt. Zudem eignen sich die Kabel hervorragend für das I²C-Protokoll, da
es vieradrig ist und somit Platz für Masse, Spannung (+5V), SCL (Seriell Clock) und SDA (Seriell Data)
gibt.
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Verwendung des 4052-CMOS Analog Digital Multiplexer
Den 4052 kann man sich wie schon gesagt perfekt als Mehrfachschalter vorstellen. Er ist leicht zu
handhaben und gut geeignet für unser Projekt. Mit einem 4052 kann man 4 Waben ansteuern. Da
wir pro Zarge 10 Waben haben benötigen wir drei 4052-Bausteine. Da man die Bausteine einzeln
aktiv und inaktiv schalten kann, reicht es einmalig SCL und SDA zu legen. Die Bausteine lassen sich
wunderbar über das Programm ansprechen.
Platine mit Analog Digital Multiplexer
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Platine mit 4052-CMOS Analog Digital Multiplexer (Schaltplan)
Adresse des Multiplexer
Adressen der Schalter
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Mikrocontroller (Schaltbild)
Zentrales Element in unserer Schaltung ist auch der Mikrocontroller der Robert-Bosch-Schule den wir
auch im Unterricht einsetzen.2
Quelle:
2
Robert-Bosch-Schule Ulm
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Display
Wir haben uns überlegt ein Display seitlich an der Zarge anzubringen. Es soll zwei Zeilen mit jeweils
vierzig Zeichen haben. Für jede Wabe sollen beide Temperaturen angezeigt werden. Da das Display
sich an der Seite befindet wird in der oberen Zeile jeweils der hintere und in der unteren jeweils der
vordere Sensor angezeigt. So erhält man eine Tabelle mit Spalten aus der man gut und übersichtlich
die Temperatur auslesen kann. Die Displays funktionieren vom Prinzip her alle gleich und sind nicht
schwer zu konfigurieren. Zu Beginn des Programmes wird das Display initialisiert. Danach können
ASCII-Zeichen auf die Anzeige ausgegeben werden.
Anzeige
Belegungen
Unser Musteraufbau mit Display (noch 4x16 Zeichen)
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Ergebnisse bis zum derzeitigen Zeitpunkt
Zum jetzigen Zeitpunkt sind wir dazu in der Lage, mithilfe des Mikrocontrollers die
Temperatur aus einer Zarge auszulesen und auf einem Display anzeigen zu lassen.
Ausblick
Schön wäre es die Temperatur-Daten auf einer Datenbank zu speichern. Aus dieser
Datenbank könnten wir dann die Temperaturen auf einer Website protokollieren und
grafisch darzustellen. Die VRML (Virtual Reality Modelling Language) ermöglicht es den
Bienenkasten grafisch in 3D darzustellen, was uns bereits gelungen ist. (Siehe Bild). Man
könnte nun anhand der Daten aus der Datenbank die Temperaturverteilung simulieren (zum
Beispiel rote
Kugeln sind
besonders
warme stellen
und blaue eher
kühler). So
könnte man sich
ein Bild machen
wie die
Temperatur
verteilt ist ohne
überhaupt
irgendetwas
weiter am
Bienenkasten
Virtueller Bienenkasten (erstellt mit VRML)
tun zu müssen.
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