Der Aufbau und das Prinzip ist bei jeder GSM / GPRS online Waage sehr ähnlich und wird im Folgenden beschrieben. Die Begriffe Bienenstockwaage, Stockwaage oder Bienenwaage werden in diesem Artikel synonym verwendet. Dabei handelt es sich um eine Wägevorrichtung zur Ermittlung der Gewichtsveränderung eines Bienenvolkes.
GPRS ist ein packetorientierter Dienst zur Übertragung in GSM-Netzen. GSM ist die Abkürzung für Global System for Mobile Communication und beschreibt das Übertragungsprotokoll für mobile Kommunikation.
Abb. 1: Aufbau und Prinzip einer GSM
/ GPRS online Bienenstockwaage
I.) Wägemodul bzw. Wägezellenmodul
Das Wägemodul besteht im wesentlichen aus zwei Teilen. Aus einer Wägezelle und einer Konstruktion die das Gewicht auf die Wägezelle bringt. Die Wägezelle ist meist ein Aluminumblock der sich durch die Krafteinwirkung des Gewichts verbiegt. An diesem Aluminiumblock ist ein Dehnungsmessstreifen angebracht der proportional zur Dehnung seinen Widerstand ändert. Dieser Widerstand ist Teil einer Brückenschaltung. Die Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifen wird durch die Brückenschaltung in eine kleine Spannungsänderung umgewandelt.
Abb. 2: Feuerverzinktes Wägemodul bzw. Wägezellenmodul
Damit das Gewicht eines Bienenvolkes auf die Wägezelle wirkt ist eine entsprechende Konstruktion notwendig. Viele Stockwaagen verwenden eine Stahlkonstruktion wie in der Abbildung 2 gezeigt wird. Diese Konstruktion hat sich seit vielen Jahren bewährt. Zum Schutz gegen Korrosion wird der Stahl meist verzinkt (galvanisch oder feuerverzinkt) oder lackiert. Feuerverzinkt bietet dabei den besten Korrosionsschutz, wobei galvanisch verzinkte Stockwaagen vielleicht optisch ansprechender sind.
In den letzten Jahren wurden aber auch neue Konstruktionen entwickelt. So verwenden einige neue Stockwaagen auch vier Wägezellen die in allen Ecken angebracht werden. Dadurch kann auf die schwere Stahlkonstruktion verzichtet werden. Dies ist durchaus sinnvoll da der Preis für die Wägezellen und den Messverstärker stark gefallen sind.
II. Messverstärker bzw. Wägezellenverstärker
Die Brückenschaltung liefert eine sehr kleine Ausgangsspannung, die zu gering ist damit sie direkt vom Microcontroller verarbeitet werden könnte. Es ist daher ein Messverstärker notwendig der das Ausgangssignal der Brückenschaltung entsprechend verstärkt. Der Messverstärker sollte vorallem temperaturunabhäging und rauscharm sein. Diese beiden Vorgaben können den Preis für einen Messverstärker auch sehr schnell in die Höhe treiben. Die meisten Open Source Waagen verwenden für diese Aufgabe den HX711 - Wägezellenverstärker.
Abb. 3: HX711 - Wägezellenverstärker - Messverstärker - Instrumentenverstärker - AD-Wandler
Der HX711 - Messverstärker hat einen 24-bit Analog-Digital-Wandler im Chip integriet und ermöglicht dadurch eine sehr hohe Auflösung. Das HX711-Modul ist für eine Bienenstockwaage ausreichend temperaturstabil und rauscharm.
III.) Microcontrollerboard
Das Microcontrollerboard ist das Herzstück jeder digitalen online Waage, denn es Verarbeitet das eingehende Signal in einem Programmcode und leitet das Signal weiter. Für eine GSM / GPRS online Bienenwaage ist ein Microcontrollerboard mit GSM - Modul notwendig. Das GSM - Modul kann direkt auf dem Microcontrollerboard verbaut sein oder als sogenanntes Shield auf das Board gesteckt werden. In der Arduino Welt sind derzeit zwei GSM - Chips weit verbreitet. Das ist zum Einen der SIM800 bzw. SIM900 von SIMCom und die Sara-U2-Serie von u-blox. Der SIM800 bzw. SIM900 ist beispielsweise im GBoard von Itead Studio und im Feather 32U4 Fona von Adafruit verbaut und der Sara-U260 bzw. Sara-U270 wird vom Electron von Particle und im Dash-Board von Hologram verwendet.
| GBoard Pro von Itead Studio | Adafruit Feather 32U4 Fona | Electron von Particle | Dash von Hologram |
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Die Microcontrollerboards unterscheiden sich aber natürlich nicht nur durch das GSM-Modul, sondern durch viele unterschiedlich technische Merkmale. Für eine Stockwaage die im freien Feld über einen längeren Zeitraum ohne externe Stromversorgung funktionieren soll ist beispielsweise der Stromverbrauch ein entscheidendes Merkmal. Manche Microcontrollerboards haben einen Laderegler bereits onboard, was ein Laden der Batterie über eine Solarzelle ermöglicht. Für den Selbstbau einer Bienenwaage ist auch die Programmierschnittstelle und die zur Verfügungstehenden Bibliotheken ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal. Das Electron von Particle und das Dash von Hologram haben beispielsweise die Möglichkeit der OTA (Over the Air) Programmierung. Programmänderungen können damit direkt über das Internet ohne physische Verbindung zum Gerät bewerkstelligt werden. Diese beiden Microcontrollerboards werden auch mit einer SIM-Karte geliefert deren Datenplan für Internet of Things Anwendungen optimiert ist. Eine vollständige Ausführung der Unterscheidungskriterien würde hier zu weit führen und wird in einem eigenen Artikel (Artikel folgt) ausgeführt.
IV.) Internet Service Provider bzw. Internetdienstanbieter
Für die Übertragung der Daten ins Internet ist noch die Leistung eines Internetdienstanbieters notwendig. Die Verbindung zum Internetdienstanbieter wird über die SIM-Karte hergestellt. Für SIM-Karten gibt es unterschiedlichste Verträge in Bezug auf Datenmenge, Vertragslaufzeit, Bindung und Kosten. Nationale Internetdienstanbieter haben ihre Angebote meist auf Smartphone-Kunden ausgerichtet, die gerne für möglichst wenig Geld hohe Datenvolumen nutzen wollen. Für eine GSM Bienenwaage die nur jede Stunde einen Wert übermittelt reicht aber meist 1 MB pro Monat völlig aus. Der schnelle Anstieg von Internet of Thing Anwendungen, die mit einer geringen Datenmenge auskommen, haben einige Internetdienstanbieter dazu veranlasst entsprechende Datenpackete anzubieten. So ist beispielsweise Hologram nicht nur ein Hersteller des Microcontrollerboards Dash, sondern auch ein Internetdienstanbieter der das passende Datenpacket gleich mit anbietet. Ein weiterer Vorteil der Hologram SIM-Karte ist auch, dass sie direkt online verwaltet werden kann. Die SIM-Karte von Hologram kann online jederzeit aktiviert und deaktiviert werden. Weiters bietet das Dashboard von Hologram eine einfache Kostenkontrolle.
Auch das Electron von Particle wird mit einer SIM-Karte geliefert und kann ebenfalls online verwaltet werden.
V.) Datenserver - cloud4Bees.at
Schließlich benötigen wir noch eine Möglichkeit die gemessenen Daten zu speichern und weiter zu verabeiten. Der Datenserver cloud4Bees.at bietet eine einfache Programmierschnittstelle, um die Messwerte in einer Datenbank zu speichern und auszulesen. Die Daten können so einfach verwaltet und graphisch dargestellt werden. Durch die offene Programmierschnittstelle können Programmerweiterungen aber auch Apps für Android Smartphones oder für iPhones einfach realisiert werden.