System zur Messung der Ameisensäure-Konzentration im Bienenstock bei der Varroa-Behandlung

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Wir ihr vielleicht schon gelesen habt, wurde der Imkerverein Steglitz bei ZukunftsPreis der PSD-Bank ausgezeichnet. Mit dem Preisgeld soll nun u.a. ein System zur Messung der Ameisensäure-Konzentration im Bienenstock bei der Varroa-Behandlung entwickelt werden.

Ameisensäure zur Varroa-Behandlung

Ameisensäure (AS) wird in der Imkerei schon seit vielen Jahren als probates Mittel zur Varroabehandlung eingesetzt. Es wirk auch in die Brut, reichert sich nicht im Wachs an und ist als organische Säure für Honig und Wachs unproblematisch. Auch die Bildung von Resistenzen wird nicht so kritisch eingeschätzt wie bei anderen systemisch wirkenden Mitteln.

Die Anwendung ist allerdings etwas tricky, da die Verdunstung sehr von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit abhängt. Daher gibt es auch die Seite www.varroawetter.de, die wetterbedingte Enpfehlungen für den Behandlungszeitpunkt gibt.

System-Anforderungen

Hier ein paar Überlegungen zum technischen System

  • Arduino- oder RasPi-basiert
  • loggen der Daten auf SD-Karte
  • RTC (mit Pufferbatterie) für Timestaming
  • Display zur Kontrolle der Funktion / Meßwerte
  • ?? Stromversorgung, Sensoren haben ggf. Heizelement, kleiner LiPo wird vermutlich nicht lange reichen, Power-Bank?
  • ?? Gehäuse, soll transportabe, halbwegs wetterfest und wachs- / Propolis-verträglich sein
  • ?? 5 V- oder 3.3 V-System
  • ?? wie viele Gas-Sensoren
  • ?? welche Gas-Sensoren
  • ?? Kalibrierung, s. Calibrating a Figaro TGS822 sensor, by drawing… – jenslabs
  • ?? können die AS ab?

Gas-Sensor

Marco vom IV Steglitz hat schon wegen möglicher Sensoren für die Messung von Ameisensäure in der Gasphase einige Firmen angeschrieben.

TGS822

Als tauglich wurde uns der Figaro TGS822 genannt.

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Bildquelle: AliExpress

Für den TGS822 habe ich schon mal etwas code und auch eine Schaltung gefunden, scheint machbar zu sein:

Allerdings würde ich das System nicht 1:1 übernehmen, sondern anpassen, z.B. logging auf SD-Karte oder wegschreiben der Werte auf einen Server. Das hängt aber davon ab wie und wo wir testen wollen (gibt es da Strom / WLAN?), wie lange der Messbereich zeitlich sein soll, ggf. wie viele Sensoren wir verbauen, was wir noch erheben – Temperatur und Feuchte habe ich minimal gedacht, aber mit einem besseren Sensor als dem DHTxx … das sollten wir vorher als kleinen Anforderungskatalog / use case definieren.

Auf der oben verlinkten Seite steht übrigens:

This sensor is far from ideal to be applied in an application as this, it is slow to start, sensitive to humidity and temperature, sensitive to many other gasses other than acetone, and almost impossible to calibrate without special equipment. A wisdom I can pass on, is that one of the gasses the TGS822 is sensitive to is ethanol so don’t try to demo or measure your breath acetone during a dinner where there is wine served. The sensor is so sensitive that it goes bananas if you just have a glass of whine next to it.

Also wir werden viel Spaß damit haben!

Wenn ich das richtig sehe, ist der Sensor nicht speziell für Säuren konzipiert. Ich sehe bei AS immer nur, dass alle Dinge in der Beute, die nicht Edelstahl sind wegrosten. Was meinst du, ist der Sensor AS-verträglich oder korrodiert der nach ein paar Messungen dann auch weg? Wenn er zu Lebzeiten reliable Ergebnisse liefert und irgendwann einfach nicht mehr geht wäre das ja kein Ding, kostet nur ein paar EUR wenn ich das gerade richtig gelesen habe - hätte ich nicht erwartet! - wenn sich aber unsystematische Fehler einschleichen, wäre das doof.

MQ-3

Hier https://jenslabs.com/2013/02/22/sensors-to-check-characteristics-for/ wird der MQ-3 als Alternative zum TGS822 genannt. Könnte der für uns auch interessant sein? Den MQ-3 hat auch Segor in Berlin.

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Neben dem oben genannten MQ-3 gibt es auch den MQ-2, der ggf. für uns interessant sein könnte:

Dazu gibt es von Pololu (oder auf deren Server :-) auch ein paar Hinweise zum Anschluss und zum Umgang mit dem Sensor, besonders Hinweise dazu was ihn kaputt macht:

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MQ-x hook up guide

  • Stromversorgung 5 V, mind. 0,3 A
  • ca, 20 kO Widerstand ist das der “appropriate load resistor”? ggf. für MQ-3 anders

from https://www.diyspacepk.com/mq3-gas-sensor-with-arduino/

MQ-2 Calibration

  • gas calibration kit
  • via Referenzwerte von “Sandbox Electronics”

auch im Video:

  • Sensor “einbrennen” / preheat, d.h. Senso 24 h anschalten / mit Storm versorgen

Tutorial bei Sparkfun

Hazardous Gas Monitor - SparkFun Learn?

Tutorial bei nootropicdesign.com

https://nootropicdesign.com/projectlab/2010/09/17/arduino-breathalyzer/

Tutorial bei jenslabs.com

pre-heat or burn in time?

Take a look at this excellent technical note from Figaro Sensors to better understand the preheating time. It ISN’T a burn-in time per se , but a stabilisation time whose duration depends on several factors.

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Bienen- und Materialliste

2 Völker aus Hohen Neuendorf
= 4 Völker im Herbst

4x Futterzargen, Styro
4x Zargen, Styro
4x Halb- oder Flachzarge (Marco muss noch nachmessen welche Höhe wir brauchen, Halb könnte zu knapp sein)
4x Deckel, Styro
4x Böden Holz
2 Packungen Lockenwickler zum Schutz der Sensoren Holtermann Imker-Shop - Imgut® Lockenwickler "Chico"

8 Zargen von MZ gestellt

2x 15 m Außenkabel f. Außenbereich
3x 3 m Verlängerung f. Außenbereich
1x 3fach-Steckdose f. Außenbereich

Elektronik

Temperatur-Sensoren DS18B20
26 Stück (6 Wabengassen x 2 BR x 2 Völker + 2x für Tests/Ersatz)
Steckverbinder dazu
Kabel dazu
Kabelbinder dazu

Feuchte-Sensor
6 Stück (2 BME280 x 2 Völker + 2x für Tests/Ersatz)

2x Waage-Gestell
ggf. 2x Wägezelle

18 Stück Gas-Sensoren (4 pro Volk x 4 Völker + 2x Tests/Ersatz)
da wir noch nicht wissen welchen Sensor wir nutzen erst mal wenige Test-Sensoren bestellt
Sparkfun breakout oder pololu breakout
dazu

TP-Link M7350 MiFi-AP für Internet-Verbindung

4x Microcontroller [was genau muss noch evaluiert werden]
ggf. 4x Display
ggf. 4x SD-shield
ggf. 6x SD-Karte

4x Geäuse
Taster
Poti
Kabeldurchführungen

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… würde ich von abraten und auf den GL-MiFi von GLiNet hinweisen wollen. Nicht nur aus eigenen guten Erfahrungen, sondern weil dieses Gerät im Gegensatz zum TPLink

  • openWRT fliegt (es gibt im openWRT-buildsystem auch ein target profile für den GLMifi, also ganz einfach loslegen…;) ), damit hast Du das Betriebssystem Deines Routers sowie aller Dienste darauf komplett selbst in der Hand - mein wichtigstes Argument; für den TPLink M7350 gibt hingegen es keine openwrt-Unterstützung.

  • der GLMifi eine Anschlußmöglichkeit für eine externe Antenne hat, der TP nicht (dafür muß man aber den GL öffnen, geht leicht, und ein uFL-SMA-Pigtail anbringen; Ausbrüche im Gehäuse für 2x SMA vorgesehen)

  • der Akku hat mit 5000 mAh mehr als doppelt so viel Kapazität

  • beim GL kannst Du das Modem selbst bestimmen, da es als miniPCIe-Karte realisiert ist.

EMEA-Variante holen wg. Art des 4G-Modems. OpenWRT dafür bauen und updaten klappt ohne ein Problem.

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Danke für den Tipp @weef! In Ergänzung – wollte das schon länger mal hier dokumentieren, bin aber nicht dazu gekommen – hatte ich mit meinen älteren blau.de-SIM-Karten mit dem M7350 Probleme, die wurden partou nicht erkannt, dachte schon an einen technischen Defekt des Geräts, mit einer congstar-Karte funktionierte er dann aber, den eigentlichen Grund für die “Fehlfunktion” habe ich bisher nicht rausgefunden.

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Erster Test: Alkohol-Sensor MQ-3

So, heute mal Trinken im Dienst der Wissenschaft!

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Der MQ-3 Segor-Sensor ist auf einer kleinen Platine montiert. Auf dieser sind zwei LEDs, eine für “an” und eine zweite, die mit einem per Poti einstellbaren Komparator verbunden ist. Neben der LED wir am digitalen pin eine 1 für unter dem Sollwert und einer 0 für über dem Sollwert ausgegeben.

// the digital output is vice versa the expectation 
// you may have, 
// - a high signal means limit not reached
// - a low signal means limit reached

Der zweite pin liefert einfach einen analogen Wert je nach Stoffkonzentration. Einen hohen Wert für viel Alkohol, ein niedriger für wenig.

Zu Testzwecken ist der Sensor gerade an einem klassischen Arduino Uno angeschlossen. Der Sensor hat ein Heizelement, das mit 5 V betrieben wird. Der Sensor selbst wird dadurch merklich warm, d.h. wir sollten nicht direkt daneben die Temperatur messen. Auch direkten Wachskontakt sollten wir vermeiden, dafür haben wir ja schon die Lockenwickler angedacht. Hoffe der Abstand damit reicht dann. D.h. es wird auch einiges an Energie verbrauchen. Wir müssen schauen, ob es noch ok ist, z.B. 4 oder 6 Sensoren über den 5 V-pin des Arduinos zu betreiben.

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Der Sensor ist noch nicht eingebrannt, verläßliche Werte soll er erst nach 24h Dauerheizen liefern. Daher diese Angaben mit Vorsicht: Bei Raumluft liefert er analoge Werte um 130, Spiritus auf einem Wattebausch läßt die Werte auf über 800 steigen. Selbst wenn der Wattebausch dann weg ist braucht es aber ein, zwei Minuten bis der Wert wieder auf unter 200 ist.

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Trinken war übrigens gar nicht nötig, schon die Elektro-Nase im Schlehen-Likör-Glas lässt die Werte auf über 700 steigern!

Aber zuerst müssen wir mal schauen, ob die Dinger neben Alkohol auch AS messen können und dabei nicht kaputt gehen.

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Das Heizelement darin hat 33 Ohm (5% tol.) , da fließen bei 5V etwa 150 mA . Rechnerisch ergibt das 750 mW, das Datenblatt spricht von “less than 750 mW”.

Sechs Sensoren davon ziehen etwa 1 A bei 5V , also 5W. Und wie willst Du diese aus Arduino-Pins herausbekommen? Oder auch nur den Strom für einen davon, also 150 mA ist nicht so elegant, wenn das alles aus der USB kommt (letzteres für Test OK).

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Stromversorgung

Mit dem Arduino Uno sollten über den 5 V-Pin Ströme bis 500 mA bzw. wenn nicht über USB bis 1 A gehen, s. http://robotics.lib-ieronimoub.gr/?p=715

Welcher Microcontroller?

Die erhobenen Daten müssen aber auch weg, und da bietet sich ein ESP oder was anderes mit WLAN an, die laufen aber mit 3,3 V und unser Sensor möchte

Circuit voltage 5V

Mit 3,3 V wird der nicht gehen, oder, selbst wenn ich die Heizung mit 5 V betreibe? Was nehme ich jetzt? Für jede Beute einen Arduino Yun?? bzw. LinkIt Smart 7688 Duo nur weil der auf 5 V läuft und WLAN kann? Den LinkIt kann ich aber nur mit USB füttern und zu current limitations des 5 V-pins habe ich noch nix gefunden. Oder ein Uno mit ESP8266 nur als Daten-Schaufel?

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Sollte™! ;)
Du hast da offenbar einen DIL-Uno v1, da ist als Linearregler ein MC33269 drauf. Der ist als 800 mA -Typ spezifiziert, das ist kein 1A-Typ. Der Uno ab Rev.2 hat einen NCP1117 , das erst wäre ein 1A-Typ.

Es ginge irgendwie - aber Du willst das aus thermischen Gründen nicht: wenn Du nicht über USB, sondern den Linearregler gehen mußt, dann brauchst Du eine Eingangsspannung, die z.B. beim Uno 1 -Regler mindestens 1,35V höher ist als 5V (das ist V_{\text{dropout}}). Alles, was dann noch höher ist, wird genauso verheizt: wenn z.B. ein Autoakku mit nominellen 12V sechs von den Sensorheizungen speist (etwa 1A), dann brauchen Deine Sensoren P = U \cdot I = 5V \cdot 1A = 5W , aber um diese 5W bei 5V bereitzustellen, heizt der Regler den Arduino mit 7W:

P = \Delta U \cdot I = (12V - 5V) \cdot 1A = 7W

Der Winkungsgrad \eta = \dfrac{P_{OUT}}{P_{IN}} = \dfrac{U_{OUT} \cdot I_{OUT}}{U_{IN} \cdot I_{IN}} = \dfrac{U_{OUT}}{U_{IN}} ist hier dann also ganze 0,42 (42%).

Selbst wenn einem der Wirkungsgrad egal wäre: die 7W-Platinenheizung in Form des Linearreglers hat zu wenig Kühlfläche, als daß sie einem egal sein darf, das willst Du nicht lange dem Arduino-Platinchen zumuten…

Also, ich sehe als nächstes erstmal eine Festlegung auf eine Stromquelle. Außerdem denke ich, daß Du keine Not hast, den auf dem Uno verwendeten Regler für die Sensorversorgung zu nehmen. Ob externer Linearregler oder Schaltregler: sie sollten über den Prozessor schaltbar sein; auch das ginge mit dem internen nicht.

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Hmmm, sehe gerade zwei Möglichkeiten:

Ein (2A) Netzteil mit 5 V, das den Arduino per 5 V-pin oder USB füttert und parallel (nicht über den Arduino) ggf. per FET schaltbar die Heizungen der Sensoren bedient.

oder ein 7 V-Netzteil, das den Arduino über den Hohlstecker / oder Vin versorgt und an dem zusätzlich eine Abzweigung zu den Heizungen geht, die dann mit eine schaltbaren Spannungsregler oder -wandler (7 V – 5 V) die Heizungen versorgt.

[Ok, drei Möglichkeiten]
Oder zwei Netzteile, eines für den Arduino und eines für die Heizungen.

Die Säurekonzentration wollen wir nur während der Anwendung der AS messen und ggf. ein paar Tage vorher als baseline, daher weiß ich noch gar nicht, ob wir die Heizung unbedingt schalten müssen, oder die einfach die maximal 3 Wochen beim Nassenheider an läßt. Ich weiß auch noch nicht wie lange die vor einer Messung Aufheizen müssen, bzw. wie “schlimm” die Alterung bei Dauerbetrieb ist.

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Der LinkIt fällt leider schon mal raus, der Arduino-Teil läuft auf 3,3 V

http://wiki.seeedstudio.com/LinkIt_Smart_7688_Duo/

MCU
Chipset: ATmega32U4
Core: Atmel AVR
Clock Speed: 8MHz
Working Voltage: 3.3V

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Nein, wieso denn? Der ist weiter dabei:

Aus Deinem Sensor kommt doch ein Analogsignal, und solange Deine beteiligten Elektroniken die gleiche Masse teilen (also GND), ist ein Spannungsteiler komplett legitim. Nimm z.B. 30k / 47k, und es paßt an den 10-bit-ADC eines AVR, der bei 3,3V läuft.

5W (sechs Sensoren) drei Wochen lang angeschaltet bedeutet mehr als 2,5 kWh, diese Heizenergie führst Du dem Bien zu. Willst Du das wirklich ? Also, kann man ja machen, Wärme wirkt auch gegen Varroa, aber hier ging es ja nicht um Bienensauna. ;)

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Ja, die Wärmeentwicklung gefällt mir auch nicht! Vor allem hatte ich den Sensor gerade nach ein, zwei Tagen wieder angeschaltet und er brauchte mehrere Minuten bis er wieder von ca. 300 auf eine baseline von 110 runter ist (und der Wert fällt gerade immer noch)! Vor ein paar Tagen waren es ja 130, heute haben wir ggf. andere Temperaturen und eine andere Feuchtigkeit, aber die Justierung wird sicher (k)ein Spaß! Ich habe ihn aber auch noch nciht 24h “eingebrannt” vielleicht verbessert das dann auch diese Daten.

Zu den Figaro TGS-Sensoren gibt es die technical note General Information for TGS Sensors

The minimum period for preheating final assemblies would be 2 hours, but for best results it is strongly recommended that 1 day or more preheating be done.

Auch zu den Messwerten nach dem Einschalten sagen sie was:

As shown in Figure 7, all sensors exhibit a transient behavior referred to as “Initial Action” when stored unenergized and later energized in air. The Rs drops sharply for the first few seconds after energizing, regardless of the presence of gases, and then reaches a stable level according to the ambient atmosphere. The length of initial action depends on the atmospheric conditions during storage and length of storage and varies by sensor model.

In der Abb. 7 stabilisiert sich der Messwert nach ca. 1 Minute!

In diesem post bei stackexchange (zum MQ-5, das ist nicht “unser” Sensor) wird beschrieben, dass es nicht so recht klar ist was nun einmaliges “Einbrennen” und “Vorheiten” bei kontinuierlicher Messung mit Abschaltung der Heizung dazwischen ist.

one time only pre-heat and when you mean turning the sensor on to take a measurement.

Die Einschätzung zur “warm up” time:

About 5 minutes might be okay. I think that 2 minutes is definitely too short.

D.h. wenn wir in 5 Minuten-Abständen messen brauchen wir die Heizung nicht abschalten. Das war für den MQ-5, denke für den MQ-3 wird das nicht anders sein.

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Der erste Versuch mit dem MQ-3 schaut schon mal nicht ganz schlecht aus. Ein paar Tropfen 60 %ige AS auf einem Wattepad schlagen an und erzeugen Werte bis 600, das könnte schon fast zu viel sein, wenn man bedenkt, dass das Maximum 1024 (10 bit) beim Arduino Uno ist, cool!

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Wenn, wie von @weef erwähnt, ein einfacher voltage divider reicht, um den MQ-3 auch mit einem 3,3 V-System zuverlässig auszulesen, könnte auch ein ESP32 als Microcontroller funktionieren.

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Als board könnten wir den Feather Huzzah ESP32 verwenden

und dazu dieses Display das auch einr SD zur Zwischenspeicherung hätte:

Hier schon einmal ein kleines dashboard, das man für einen groben Überblick verwenden kann, im Betrieb oder für die Kalibrierung der Sensoren:

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Alle sketches unter:

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Ein Imker-Kollege hat etwas interessantes auf dem Apisticus-Tag in Münster entdeckt:

https://cdn.bee-my.world/books/deploy/beemyworld-heft.html

Dort gibt es den Prototypen einens “Tec frames”, ein breites Rähmchen, eher eine größere Box, u.a. mit verschiedenen Gas-Sensoren:

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Wenn wir nicht die fertigen Breakouts verwenden, sondern den nackten Sensor kann die Empfindlichkeit auch über den verwendeten Widerstand angpasst werden, s. https://www.diyspacepk.com/mq3-gas-sensor-with-arduino/

Resistance value of MQ-3 is difference to various kinds and various concentration gases. So,When using this components, sensitivity adjustment is very necessary. We calibrate the detector for 0.4mg/L ( approximately 200ppm ) of Alcohol concentration in air and use value of Load resistance that (RL) about 220KΩ (100KΩ to 470 KΩ).

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P.S.: Hatte heute mit Holger telefoniert (er ruft ab und an mal an :) und er meinte, es könnte ggf. auch funktionieren, wenn man den Heiz-Teil mit 5 V betreibt und den Sensor-Teil mit 3,3 V fährt, was hälst du davon?? Ginge nur mit eine nackten Sensor, da hier die beiden Stromkreisläufe getrennt sind, mit den breakouts nicht.

Ich bin etwas skeptisch, da das ja schon ein etwas komplexerer chemischer Prozess ist, wenn es im Prinzip aber nur ein Spannungsteiler ist, wäre es ja egal, ob der mit 3,3 V oder 5 V beschickt wird … nur die Platinchen, die ich schon bestellt habe bräuchte ich dann nicht mehr.