DIGITAL EINFACHER HONIGBIENEN HALTEN - WARUM IOT DEN EINSTIEG IN DIE IMKEREI ERLEICHTERN KANN 11.09.2021, PI&RADIO
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digital einfacher
Honigbienen halten
Warum IoT den Einstieg in die Imkerei erleichtern kann
11.09.2021, Pi&Radio
Agenda 1. Projektrahmen? 2. Ziele? 3. Warum ist das wichtig? 4. Wie geht das (Technik)? 5. Wie geht’s weiter? 2
Projektrahmen
Projektvolumen 355.016,66 Euro
Laufzeit 01.03.2021 – 29.02.2024
Förderprogramm Programm zur Innovationsförderung
des BMEL
Förderlinie Schutz von Bienen und weiteren
Bestäuberinsekten
3
Mittelgeber und Projektträger 4
Projektpartner / Konsortium
Wirtschaft
Iris van den Bongard
Transfer und Prof. Dr. Claus Brell
Koordination Marco Messelken
Julia Wurm
bienenwissenschaftliche
Dr. Christof Otten
Begleitung
5
Fünf Fragen & Antworten zum Projekt 1. Warum und wie kann Digitalisierung Bienenhaltung erleichtern? 2. Wieso hat das einen positiven Effekt auf Natur und Umwelt? 3. Warum kann das auch für Wildbienen und Hummeln nützlich sein? 4. Wie funktioniert das technisch? (welche Sensoren, welche Microcontroller, welche Datennetze ...) 5. Wohin geht die Reise? (Welche Ergebnisse sollen zukünftig erzielt werden? Wie funktioniert das mit den Bienen als Biosensoren? Brauchen wir KI in der Bienenhaltung?) 6
Ziele des Projekts
Mit intelligenter Sensorik wird ermöglicht, dass ein Imker mehr
über sein Bienenvolk und dessen unmittelbare Umgebung weiß,
ohne. a) zum Volk hinfahren und
b) die Beute öffnen zu müssen.
Geringere Mortalität
(kein unentdeckter Futtermangel)
POSITIVE EFFEKTE Höhere Vitalität der Bienenvölker
(weniger Varroa-Belastung)
Höherer Bienenbestand
(Schwarmfrüherkennung)
=> Größere Bestäubungsleistung
7
Förderpolitische Ziele und Maßnahmen 1/2
ZIELE MAßNAHMEN
Verbesserung der Belastungszustände (Futtermangel,
Bienengesundheit Weisellosigkeit, Parasitenbefall,
Schwarmvorbereitung) früh erkennen
Wirtschaftliche Prototypen für marktgängige Produkte zu
Verwertung entwickeln. Damit können mehr Imker eine
größere Anzahl von vitalen Völkern
(Bestäuberinsekten) halten.
Förderung des Landwirt als Bestäubungsimker.
Zusammenwirkens Mehr Awareness für die Bedarfe von
Imkerei & Bestäuberinsekten.
8 Landwirtschaft Einsatz von Bienen als Biosensoren.
Förderpolitische Ziele und Maßnahmen 2/2
ZIELE MAßNAHMEN
Entwicklung und „Bienen als Biosensoren“ für Landwirte.
Erprobung von Vereinfachte Betriebsweise für
innovativen „Balkonimker“.
Betriebsweisen Erkenntnisstransfer auf Standard-
Beutensysteme
Innovationen zur Kombination von raum-&zeitaufgelösten
Vitalitätskontrolle Temperaturdaten, Videos und Sound ,
(Störungen, Futterknappheit, ermöglichen Vitalitätskontrolle aus der
Trachtende, Weiselrichtigkeit,
Krankheiten) Ferne.
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Fünf Fragen & Antworten zum Projekt 1. Warum und wie kann Digitalisierung die Bienenhaltung erleichtern? 2. Wieso hat das einen positiven Effekt auf Natur und Umwelt? 3. Warum kann das auch für Wildbienen und Hummeln nützlich sein? 4. Wie funktioniert das technisch? (welche Sensoren, welche Microcontroller, welche Datennetze ...) 5. Wohin geht die Reise? (Welche Ergebnisse sollen zukünftig erzielt werden? Wie funktioniert das mit den Bienen als Biosensoren? Brauchen wir KI in der Bienenhaltung?) 10
Rezeption digitaler Methoden in der (auflagenstarken) Bienen-Sachpresse Recherche(*) für den Zeitraum 2019 - 2021 in: § Deutsches Bienenjournal und bienen&natur (monatliche Erscheinungsweise / ca. 60.000 Auflage) § iTmagazin (vierteljährig, Erwerbsimker, ca. 700 Auflage) § Bienen aktuell (Österreich, monatlich, 28.400 Auflage) § Bienen Zeitung (Schweiz, monatlich, 13.500 Auflage) Drei Trends / häufige Artikel (ges. 35): 1. Digitale und vernetzte Stockwaagen (Einsetzende Tracht, Ende der Tracht, Winterverbrauch). 2. Verwaltung der Bienenvölker / digitale Stockkarten auf dem Smartphone 3. Internet der Dinge (IoT), Sensorik in Verbindung mit Wetterdaten etc… Messelken, Marco (2021) Arbeitsbericht zu Biene40 (noch nicht veröffentlicht) 11
Vorteile digitaler vernetzter Werkzeuge Drei Vorteile für den Einsatz IoT, Trachtwaage und Co: 1. Remote: Erkenntnisse über den Bienenstock, ohne hinfahren zu müssen. 2. Minimalinvasiv: Erkenntnisse über den Bienenzustand, ohne Beute zu öffnen. 3. Dokumentation und Dissemination: Austausch mit Community und Historienbetrachtung möglich 12
Wie kommt man an die Forschungs- /Arbeitsergebnisse aus Biene40? Verbreitung über drei Wege geplant: 1. „Arbeitspapiere“ auf der Projektseite http://bieneviernull.de 2. Technik als open source / open hardware (GIT HUB …) 3. Fachartikel in anwendernahen Organen § Deutsches Bienenjournal und bienen&natur (monatliche Erscheinungsweise / ca. 60.000 Auflage) § CT´make (36.000) und Raspberry Pi Geek (13.000 p.m.) 13
Fünf Fragen & Antworten zum Projekt 1. Warum und wie kann Digitalisierung Bienenhaltung erleichtern? 2. Wieso hat das einen positiven Effekt auf Natur und Umwelt? 3. Warum kann das auch für Wildbienen und Hummeln nützlich sein? 4. Wie funktioniert das technisch? (welche Sensoren, welche Microcontroller, welche Datennetze ...) 5. Wohin geht die Reise? (Welche Ergebnisse sollen zukünftig erzielt werden? Wie funktioniert das mit den Bienen als Biosensoren? Brauchen wir KI in der Bienenhaltung?) 14
Interesse an Honigbienen hilft Wildbienen Wer über Honigbienen nachdenkt, denkt über 1. Trachtpflanzen 2. Klima 3. Umweltbelastung nach. Folge des „Umdenkens“: 1. Es gibt mehr naturnahe Gärten („Vernetzungsinseln“) 2. Es gibt mehr Blühstreifen als Futter für Wildbienen 3. Es gibt mehr Nistgelegenheiten für Wildbienen 4. Es werden weniger Gifte verwendet.
Beispiel aus dem Imkerchat 16
Bienenstöcke als Lebensraum 17
Exkurs: Wie macht man solche Fotos? Makrovorsatz für Ipad Pro und Iphone SE Entwicklung: clabremo GmbH, Mönchengladbach 18
Energieversorger NEW
legt Blühwiese an
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Mobilfunk – Messplatz auf dem NEW-GeländeFünf Fragen & Antworten zum Projekt 1. Warum und wie kann Digitalisierung Bienenhaltung erleichtern? 2. Wieso hat das einen positiven Effekt auf Natur und Umwelt? 3. Warum kann das auch für Wildbienen und Hummeln nützlich sein? 4. Wie funktioniert das technisch? (welche Sensoren, welche Microcontroller, welche Datennetze ...) 5. Wohin geht die Reise? (Welche Ergebnisse sollen zukünftig erzielt werden? Wie funktioniert das mit den Bienen als Biosensoren? Brauchen wir KI in der Bienenhaltung?) 20
Designparadigma: einfach
wenige verschiedene minimalistische
(Sensor-)Varianten Datennetze Präsentation,
mobile first
Hostertz, Alec (2020) Visualisierung von Sensordaten mit Progressive Web Apps. BA
21Drei Problemstellungen
für die Bienen-Sensorik
1. Es gibt keinen Strom
---- Energie-Harvesting
2. Es gibt kein Netz / Bandbreite
---- Edge-Computing, verschiedene Netze
3. Stört: Es ist beim Imkern im Weg ….
---- Klein, kompakt, robust, wenig Kabel
22Grundsätzliche Lösungsansätze für Sensorik
Daten-
Energie- Speicher Energie Verbrauchs- Daten-
vor-
harvesting Schutz Speicherung Steuerung transport
verarbeitung
Sensorik
Solar Schutz Bleigel Schutz vor Temperatur Daten-
vor NiMH Tiefentladung,
Temp.
Überladung Schutz vor Feuchte Sparsamkeit,
Schwingung NiCd
Datenlücken Druck WLAN,
Wind Lithium
Bild GPRS
Klang LoRaWAN
Speichern,
Bluetooth
23Grundsätzliche Lösungsansätze für die Weiter-
verarbeitung Javascript HTML
AJAX CSS
PHP
GDLib
Konzen- User-
ETL Webserver
trator Interface
TTN Web- Datenbank
Eigenes services
433 MHz SQLite
Gateway
… PHP
24Topologie (09.2021) Daten-
Energieversorgung Edge-Computing Quelle
+ - RPi
Standard- 12 V
Regler 10Ah ZeroW
12V 20W
ESP32
(Cam*)
+ -
6V zyklische DS18B20
Keine Laderegelung 1,2Ah Steuerung AtMega DHT22
6V 5W 328P (*)
NE555, AtTiny85, C BME280*
Python, C Pi-Cam
MCE 100
Datenmanagement WLAN Datentransfer
((( )))
Mobil
PHP Funk
Plattform
SQLite
HTML (Webserver)
LoRa
CSS ETL(*) TTN(*) RFM95W(*)
JS / AJAX (*) in Planung
Langen, Jan (in Vorbereitung) IoT und Edge Computing – Konzeption und prototypische Realisierung eines
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mandantenfähigen Sensorsystems über LoRaWANTemperaturmessungen
Energie- und netzautark / Mobilfunk
Laufender Labortest (Stand „Mobilfunk“)
mit drei Ablegern in Mini Plus
Erste Messergebnisse:
http://bieneviernull.de/messergebnisse/
Temperatursturz im vitalen Schwarm:
https://youtu.be/J2DLHgQiJVQ
26Temperaturmessungen WLAN Sensoren und Messrechner – erste Labormuster Stand Mai 2021 27
Nützliche Ergebnisse der Temperaturmessung
in der Königinnenzucht
Ergebnis :
Optimale Bruttemperatur
Erkenntnis:
Bruttemperatur auf Wabe
geringer als Literaturwerte.
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Messkampagne mit Bienenland / Imkerei van den Bongard, noch unveröffentlichtNützliche Ergebnisse der Temperaturmessung in der Königinnenzucht Beispiel-Messprotokoll 29
Nützliche Ergebnisse der Temperaturmessung für die Überwinterung Beispiel-Messprotokoll Ergebnis : Futterknappheit erkennen - Vertikales Temperaturprofil zeigt Ende der Vorräte an. 30 Quelle: Brell, Claus (2020) Genug Futter im Stock? - Temperaturmessung zeigt`s an. In: bienen&natur 03.2020, München. S. 36-37.
LoRaWAN Test
LoRaWAN - Work in Progress B20
D S1 18
8B DS18B20 DS
20
2 Internet
ok
ho
eb
W
TTN LoraWAN Gateway*
RFM
95 1 LoraWAN 8 6 8 MH z ( EU )
r r y Pico
e
R aspb
* für die, die so ein Gerät nicht schon
in der Nachbarschaft haben J
31LoRaWAN Test
Was kommt als
nächstes?
• Quellcode
• Bauanleitung (Open-Source)
• Einfacher Bausatz für Hobby-Imker mit
weniger Kabel
Stötzel, Joey & Stottmeister, Merlin (in Arbeit) LoRaWAN-Sensoren mit dem Raspberry Pico
für32 die Digitalisierung der BienenhaltungExkurs: preiswerte Trachtwaagen
Untersuchung zum Arbeitspapier „Eignung von preiswerten
Personenwaagen Zellen und AD Wandlern (HX711) für den Bau von
Trachtwagen“
Wägezellen Datenbank / Plattform / Informationsdrehscheibe
33Exkurs: preiswerte Trachtwaagen billig ist nicht gut Linearität: gut; Stabilität im Klimaraum: kurzfristig gut; nicht erklärte Streuung des Gewichts Outdoor: min. 140g 34
Exkurs: Bienen zählen mit KI
Nach dem Training eines Gute Ergebnisse bei
eigenen neuronalen Netzes… gutem Licht und
homogenem Hintergrund
Maus, Dennis (2020) KI-Architekturen zur Objekterkennung – eine praxisorientierte Untersuchung am Beispiel
von YOLO und SSD. MA
35Exkurs: Bienen zählen mit KI - Ergebnisse Bildauswertung auf dem edge-device, schlanke Datenschnittstelle 36
Exkurs: Soundanalysen im Bienenstock Technik für die Soundanalyse 37
Soundanalyse im Bienenstock - Ergebnisse
interessanter Frequenzbereich:
erwartet: höherfrequente Anteile
ZUFRIEDENE BIENEN
BIENEN
UNZUFRIEDENE
unerwartet: Grundfrequenz sinkt.
Wind- und Störgeräusche
interessanter Frequenzbereich:
erwartet: höherfrequente Anteile
unerwartet: Grundfrequenz sinkt.
Wind- und Störgeräusche
Smolinski, André (2021) Predictive Maintenance mit Soundanalysen und Deep Learning – Prototypische Realisierung
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eines Bewertungssystems am Beispiel von Honigbienen. BAFünf Fragen & Antworten zum Projekt 1. Warum und wie kann Digitalisierung Bienenhaltung erleichtern? 2. Wieso hat das einen positiven Effekt auf Natur und Umwelt? 3. Warum kann das auch für Wildbienen und Hummeln nützlich sein? 4. Wie funktioniert das technisch? (welche Sensoren, welche Microcontroller, welche Datennetze ...) 5. Wohin geht die Reise? (Welche Ergebnisse sollen zukünftig erzielt werden? Wie funktioniert das mit den Bienen als Biosensoren? Brauchen wir KI in der 39 Bienenhaltung?)
Wohin geht die Reise? Welche Ergebnisse sollen zukünftig erzielt werden? Vier kurzfristige Ziele für Winter 2021 / Frühjahr 2022: 1. Fertigstellung des WLAN-Bausatzes mit Temperatursensoren und Raspberry-Pi 2. Angebot der Visualisierungs-Plattform 3. Auslieferung kostenfreier Prototypen an ausgewählte Imkervereine 4. Kurzanleitung für eine „digitale Betriebsweise“ in der Bienenhaltung. 40
Wohin geht die Reise? Bienen als Biosensoren? Drei Ziele für Sommer 2022: 1. Test der Sensorik bei ausgewählten Landwirten (Bienen auf dem Acker) 2. Verschneidung der Messergebnisse mit Bodenfeuchte, Wetterdaten und Bewertung nach bäuerlichem Augenschein 3. Auslieferung kostenfreier Prototypen an ausgewählte Imkervereine 41
Wohin geht die Reise? Brauchen wir KI in der Bienenhaltung? KI & edge-computing dort, wo (Bild-) Daten für schwache Netze verdichtet werden müssen. KI & data-mining dort, wo klassische analytische / statistische Methoden (noch) keine Hilfe bieten. 42
Abschlussarbeiten Langen, Jan (in Vorbereitung) IoT und Edge Computing – Konzeption und prototypische Realisierung eines mandantenfähigen Sensorsystems über LoRaWAN Schmitz, Yvonne (2021) Digitalisierung der Bienenhaltung – Marktpotenziale für Trachtwagen und weitere Sensoren im deutschsprachigen Raum Smolinski, André (2021) Predictive Maintenance mit Soundanalysen und Deep Learning – Prototypische Realisierung eines Bewertungssystems am Beispiel von Honigbienen Maus, Dennis (2020) KI-Architekturen zur Objekterkennung – eine praxisorientierte Untersuchung am Beispiel von YOLO und SSD Hausmann, Alexandra (2020) Digitalisierung der Landwirtschaft – Wie kleinere Betriebe die Zukunft von Landwirtschaft 4.0 sehen Schmitz, Jana (2020) Bienenhaltung fördern – Entwicklung eines serious games zur Unterstützung von Neuimkern Hostertz, Alec (2020) Visualisierung von Sensordaten mit Progressive Web Apps. 43
Veröffentlichungen Brell, Claus (2021): Digitale Waagen zum Selbstbau. In: bienen&natur Sonderheft Waldtracht 1/2021, S. 65. Brell, Claus (2020): Digitale Technik im Bienenstock. In: bienen&natur: Der digtitale Bienenstock, 12/2020, München, S. 16-19. Brell, Claus (2020): Futter im Stock? – Temperaturmessung zeigt`s an. In: bienen&natur, 03/2020, München, S. 36-37. Brell, Claus (2019): Der Körperwärme des Biens auf der Spur – Internetgestützte Temperaturanalyse zur Überwachung von Bienenvölkern. In: biene&natur, 02/2019, unter: https://www.researchgate.net/publication/330727960_Der_Korperwarme_des_Bi ens_auf_der_Spur_- _Internetgestutzte_Temperaturanalyse_zur_Uberwachung_von_Bienenvolkern 44
Kontakt Prof. Dr. rer. nat. Claus Brell http://bieneviernull.de (Projektbeschreibung, Arbeitsergebnisse) claus.brell@hsnr.de (Hochschule Niederrhein, Wirtschaftsinformatik) claus.brell@clabremo.de (Wirtschaftspartner Biene40) https://cbrell.de/blog (Bits, Bienen und Berge …) http://twitter.com/clausbrell (Twitter-Kanal) 45
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