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 - 1 -
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... 11-2 -
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 - 3 -
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 - 4 -
Schaltbild der LM-75 Sensoren A0 = 0 A1 = 0 A2 = 1 Adresse 4 Adresse 5 A0 = 0 A1 = 0 A2 = 1-5 -
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. - 6 -
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 - 7 -
Platine mit 4052-CMOS Analog Digital Multiplexer (Schaltplan) Adresse des Multiplexer Adressen der Schalter - 8 -
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 - 9 -
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) - 10 -
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 tun zu müssen. Virtueller Bienenkasten (erstellt mit VRML) - 11 -