Die Projektsoftware
Grundsätzlich besteht das eHive Projekt aus einem Netzwerk von Clients, einem pro eHive, die Messdaten sammeln und an einen zentralen Server senden. Dieser speichert die Daten in einer Datenbank und stellt sie für ein weites Spektrum von Anwendungen bereit.
Die Clients benutzen einen Arduino Due, um die Daten zu sammeln. Im Nachhinein bereuen wir diese Entscheidung ein wenig: Einerseits ermöglicht die Plattform einfachen Zugriff zu den grundlegenden Funktionen eines Microcontrollers, andererseits blockieren oder behindern die zugehörigen Bibliotheken den Zugriff auf komplexere und tiefer liegende Funktionen des Microcontrollers. Beispielsweise wollten wir zur Überwachung des Chips die Prozessortemperatur erfassen, eine Funktion, die Arduino nicht bereitstellt. Und unsere eigene Implementierung passt wiederum nicht in das Arduino-Konzept hinein. Für kleine Projekte und zum Testen von Konzepten ist dieses System sicher eine gute Wahl, aber in unserem Fall hat es die Dinge eher komplizierter als einfacher gemacht.
In der letzten Zeit konnten wir einige revolutionäre Features in die Software einbauen, die für andere Projekte ebenfalls interessant sein können. An dieser Stelle werden wir sie nur umschreiben. Wenn Sie an einer detaillierten technischen Beschreibung interessiert sind, können Sie uns direkt kontaktieren.
Verschlüsselung basierend auf der mbedTLS-Bibliothek
Das klingt nach einer der einfacheren Aufgaben, schließlich ist es nicht schwer, eine Bibliothek zu implementieren. Doch wir haben ein auf unsere Anwendung zugeschnittenes Verschlüsselungssystem entwickelt: Server und Clients haben ihre eigenen privaten und öffentlichen Schlüssel und tauschen damit halbstündig temporäre AES-Schlüssel aus, die dann für die eigentliche Kommunikation (Datenübertragung, Statusabfragen, Zeitsynchronisation, Updates, …) genutzt werden. Dies ermöglicht maximale Datenintegrität und -sicherheit bei gleichzeitig sehr schnellen Algorithmen, und tatsächlich führt die Verschlüsselung nur zu kleinen Performanceeinbußen, wenn Server und Client neue Kommunikationsschlüssel austauschen.
GSM mit dem Arduino Due (d.h. mobile Datenverbindung)
Wie Sie vielleicht wissen, funktioniert die GSM-Bibliothek von Arduino nur mit den Chips auf AVR-Basis, zu denen der Due nicht gehört. (Genauer gesagt basiert die GSM-Library auf einer anderen Bibliothek namens SoftwareSerial, die vom SAM3X-Chip des Due nicht unterstützt wird). Daher mussten wir eine eigene Bibliothek entwickeln (sie enthält nur Internet-Funktionalität, es gibt keine Pläne, Unterstützung für Anrufe oder SMS hinzuzufügen). Außerdem war die Arduino-Bibliothek für unsere Zwecke viel zu aufgebläht. Derzeit polieren wir sie noch an ein paar Stellen, aber sie ist schon jetzt deutlich schneller als die Arduino-Bibliothek für LAN-Verbindungen!
Firmware Over The Air-Funktionalität
Das war der vielleicht schwierigste Teil an der Softwareentwicklung: Wie kann man die Firmware des Arduino aktualisieren, ohne ihn an einen Computer anzuschließen, so dass wir automatische Updates und Verbesserungen verteilen können? Nun ja, es ist möglich! Man muss dazu lediglich das neue Programm aus dem Flash-Speicher an die Stelle verschieben, von denen Programme ausgeführt werden, wobei das aktuelle Programm im RAM weiterläuft, um das Update korrekt abzuschließen. Dann wird der Mikrocontroller durch seine eigene Software neu gestartet. Auf dieser hohen Abstraktionsebene klingt das recht einfach, aber es gibt praktisch keine Quellen zu diesem Thema, erst recht nichts Arduino-bezogenes, außer dem Datenblatt und ein paar zusätzlichen Informationen durch den Hersteller.
Das Beste daran: Das Update funktioniert unabhängig von der Netzwerkverbindung (also ob GSM oder Ethernet) und wird verschlüsselt, so dass kein fremder Code eingeschleust werden kann. Vermutlich ist die Funktionsweise sogar mit geringen Änderungen auf fast allen Atmel-ARM-Prozessoren lauffähig. Übrigens nehmen wir bereits an unserem eHive in Würzburg experimentell Daten auf, wobei die Kiste über GSM verschlüsselt verbunden ist.
Diagrammanzeige
Aber nicht nur auf Client-Seite haben wir Fortschritte bei der Software gemacht. Wir haben auch die Datenverwaltungssoftware verbessert und eine Live-Diagrammanzeige hinzugefügt, die sich noch in einem recht frühen Entwicklungsstatus befindet. Dieses Modul unserer Server-Software dient dazu, die Daten auch für Nicht-Informatiker verständlich und übersichtlich anzuzeigen. Die Seite funktioniert schon auf verschiedensten Geräten, von Smartphone bis Desktop-PC, und kann bis zu 8 verschiedene Sensoren, unabhängig von ihrer physikalischen Einheit, anzeigen! Wie bereits erwähnt, haben wir die Seite schon in 6 verschiedene Sprachen übersetzt. Übrigens sieht man, wie etwa alle 10 Minuten neue Daten ankommen. Bitte haben Sie Verständnis, wenn noch nicht alles wie geplant funktioniert. Zu finden ist es hier: Diagram. Viel Spaß damit! Wenn Sie Verbesserungsvorschläge haben, freuen wir uns über eine Mail.
(jh, ds) 2015-11-30
Die Projekthardware
Nachdem wir den Sommer über der Schaltplan und das Layout der Platine komplett überarbeitet haben, konnten im September zwei Prototypen gefertigt werden. Die Leiterplatten selbst wurden bei einer externen Firma bestellt und anschließend von uns mit knapp 90 Bauteilen mit über 400 Lötstellen von Hand bestückt. Die SMD-Bauteile wurden im Reflow-Verfahren gelötet. Dabei wird erst Lotpaste auf die einzelnen Pads der Leiterplatte aufgetragen, dann werden die Bauteile bestückt, die an der Paste kleben bleiben. Schließlich wird die gesamte Platine so weit erhitzt, dass die Lotpaste schmilzt. Die bedrahteten Bauteile wurden konventionell mit einem Lötkolben gelötet, was auch später in der Kleinserie so gemacht werden muss, da sich bei dem üblichen industriellen Lötverfahren für bedrahtete Bauteile, dem Wellenlöten, an den Stiftleisten, mit denen die Platine auf den Arduino gesteckt wird, zu viel Lot ablagern würde. Die SMD-Teile hingegen werden später von einer Bestückungsmaschiene vollautomatisch bestückt.
Einer der beiden Prototypen ist aktuell in einem Stock an der Umweltstation Würzburg in Betrieb.
Kurznachrichten
Vereinsgründung
BeeBIT ist seit Anfang November ein eingetragener, als gemeinnützig anerkannter Verein. Wir hoffen, dass wir mit der Gründung des Vereins eine Plattform geschaffen haben, die es uns und unseren Projektpartner erleichtert, auf regionaler wie auf internationaler Ebene vertrauensvoll und greifbar miteinander in Kontakt zu treten - sowohl projektintern, als auch mit externen Institutionen, Unternehmen und ganz besonders mit Bildungs- und Forschungseinrichtungen. Insbesondere die Organisation und die Vertretung des Projekts nach außen liegen zukünftig in den Händen von BeeBIT e.V..
Projekttreffen
Anfang Oktober haben wir das zweite Projekttreffen mit den Partnerinstitutionen aus ganz Europa durchgeführt. Neben dem gegenseitigen Kennenlernen und der Vertrauensbildung stand hierbei vor allem die weitere Projektplanung im Vordergrund. Die Anwesenden konnten sogar schon Teile unserer Homepage in ihre Muttersprache übersetzen.
Fernsehbericht
Zur gleichen Zeit erhielten wir einen Besuch vom Bayerischen Rundfunk, der unser Projekt in einem dreiminütigen Kurzfilm vorstellte. Dabei wurden David Schneller, Leiter unserer Softwareentwicklung, Christoph Bauer, Vorstandsmitglied von BeeBIT e.V. und Schüler Julian Schmitt vom Friedrich-Koenig-Gymnasium Würzburg interviewt. Der Bericht ist leider nicht mehr verfügbar.
Auszeichnungen
Das Projekt „Die digitalisierte Untersuchung der Bienenwelt in ganz Europa“ wurde im „Land der Ideen“ ausgezeichnet. Dieser Preis wurde von der damaligen Bundesregierung ins Leben gerufen und wird seit dem alljährlich an kreative Projekte in Deutschland vergeben. Am 21.10.2015 wurde das Projekt im Rahmen eines naturwissenschaftlichen Kolloquiums am Friedrich-Koenig-Gymnasium prämiert. Am 10.11.2015 waren Christoph Bauer und Arnold Weibel für BeeBIT e.V. auf dem Preisträgertreffen in Berlin vertreten.
MINT-EC-Tagung
Vom 13.11.-14.11.2015 fand die bundesweite Schulleitertagung des MINT-EC-Vereins am Friedrich-Koenig-Gymnasium statt. Im Rahmen eines Workshops stellten dabei Martin Otersen (DHG) und Christoph Bauer (FKG) den eHive interessierten Schulleitern vor. Dabei wurde auch auf die Möglichkeit hingewiesen, durch den Erwerb eines eHives oder eines Datenzugangs sich am Netzwerk zu beteiligen.
Kooperationen
Dankenswerterweise erfährt unser Projekt auch Unterstützung aus der Industrie. Schneider Electric, ein weltweit agierender Elektrotechnik-Konzern mit ca. 170 000 Mitarbeitern, unterstützt BeeBIT bei der Produktion und der technischen Weiterentwicklung der Technik für den eHive. Durch die Unterstützung bieten sich uns weitere Möglichkeiten der Weiterentwicklung des eHives. Der weitere Zeitplan sieht vor, dass Schneider Electric die komplett überarbeitete Platine bis zum Jahreswechsel produziert und im Laufe des Januars alle Module an die Projektpartner in ganz Europa verschickt werden. Im Februar sollen dann möglichst alle bisher aufgestellten eHives Daten liefern, damit dann in der kommenden Zeit mit der Vergrößerung unseres Netzwerks begonnen werden kann.
Außerdem konnten wir die LMU München für unser Projekt gewinnen, die die Aufgaben der Universität Würzburg übernehmen wird. Darunter fallen unter anderem die Erstellung von Unterrichtsmaterialien und die wissenschaftliche Begleitung der didaktischen Aufgaben. Zudem sollen wissenschaftliche Arbeiten zu unseren Daten angeboten werden. Wir möchten uns schon jetzt bei Frau Dr. Monika Aufleger vom Institut für Didaktik der Biologie bedanken.
Bedanken möchten wir uns außerdem bei der Umweltstation Würzburg. Diese ist seit dem Beginn unseres Projekts am DHG mit dabei und unterstützt uns mit Knowhow und Werkzeug zum Thema Imkern. Zudem stehen zwei unserer eHives auf ihrem Gelände.
Schulprojekt
Das BeeBIT-Projekt entstand aus einem Projektseminar am Deutschhaus-Gymnasium, und auch dieses Jahr gibt es wieder ein solches Seminar, das unser Team langfristig vergrößern soll. Auch dort sind talentierte Programmierer am Werk, die unter anderem bis zum nächsten Frühling ein mehrsprachiges Verwaltungssystem für Unterrichtsmaterialien entwickeln werden. Zudem produziert die Gruppe einen Imagefilm mit 3D-Modellen zu unserem Projekt.
(cw, ds, cb, jh) 2015-11-28
Das eHive Projekt
In diesem Artikel möchten wir Ihnen einen Überblick über das Projekt, die Möglichkeiten für Sie und die aktuellen Fortschritte in der Entwicklung geben.
Was wollen wir mit dem Projekt erreichen?
Schon seit Jahren sterben jedes Jahr mehr Bienenvölker, derzeit etwa 40% jährlich. Bei Wissenschaftlern klingeln da alle Alarmglocken, denn: Die Biene gehört zu den wichtigsten Nutztieren unserer Landwirtschaft. Gleichzeitig gilt nur ein Bruchteil ihrer Eigenschaften als erforscht, d.h. bei Vorschlägen gegen das Bienensterben kann man meist wenig über deren Wirksamkeit aussagen. Unser Ziel ist es, durch die BeeBIT eHives ein System bereitzustellen, das auch Schülern die Forschung an der Biene nahebringt und gleichzeitig Wissenschaftlern ein mächtiges Werkzeug zur qualitativen und quantitativen Bienenforschung an die Hand gibt.
Was sind die eHives?
Entstanden ist das BeeBIT-Projekt aus dem HOBOS-Projekt der Universität Würzburg. Bei HOBOS handelt es sich um einen Bienenstock, der mit Hightech-Sensoren überwacht wird und dessen Daten online zur Verfügung stellt. Doch es ist eben nur ein Bienenvolk mit fest definierten geographischen und meteorologischen Rahmenbedingungen, dessen Daten nur eingeschränkt auf Völker in anderen Regionen der Welt übertragbar sind. So entstand die Idee des eHives: Ein relativ günstiges System zur Überwachung von Bienenvölkern, dessen Anschaffungshürde durch die geringen finanziellen und Wartungsanforderungen für Schulen und andere Einrichtungen relativ niedrig ist.
Jeder der eHives ist mit einem Paket an Sensoren ausgestattet: 6 Temperatursensoren und ein Feuchtesensor überwachen das Klima des Bienenstocks. Eine Stockwaage erlaubt jederzeit Rückschlüsse auf den Honigertrag. Mit einem eigens entwickelten Sensor zur Messung der Ein- und Ausflüge wird die Aktivität der Bienen überwacht. Die professionelle Wetterstation liefert Umweltdaten – all diese Parameter werden im Minutentakt aufgezeichnet und können in Echtzeit auf den Server gesendet werden.
Wie kann eine Bildungseinrichtung davon profitieren?
Das BeeBIT-Projekt ist durch Erasmus+ von der Europäischen Union gefördert, um Unterrichtsmaterialen aufbauend auf den Daten der eHives zu erstellen. Schüler können mit echten Daten statt realitätsfernen und konstruierten Beispielen arbeiten, sei es im Biologie-, Mathematik- oder Informatikunterricht. Wir haben bereits eine Beispielstunde auf unsere Homepage gestellt. Die im Rahmen des Erasmus-Plus-Projektes erstellten Stunden werden kostenlos und öffentlich zugänglich auf der Projekthomepage veröffentlicht. Wenn Sie selbst Unterrichtsmaterialien anderen Schulen zur Verfügung stellen wollen, sprechen Sie uns an!
Natürlich lässt das Projekt auch eigenständige Schülerforschungsprojekte zu und fördert durch mögliche Kooperationen mit anderen Schülern in anderen Ländern auch die interkulturelle Zusammenarbeit.
Wie kann eine Forschungseinrichtung davon profitieren?
Das BeeBIT-Projekt gibt durch die baugleichen eHives die Möglichkeit, nicht nur von einem Volk Daten zu erheben und auszuwerten, sondern von mehreren Völkern in ganz unterschiedlichen geographischen Gegebenheiten. Dadurch existieren vergleichbare Daten, welche freilich helfen können, das Leben – und Sterben – der Bienen besser zu verstehen. So konnte beispielsweise ein CCD-Event (Colony Collapse Disorder) noch nie sensorisch aufgezeichnet werden, dies könnte uns dank Beobachtung vieler Völker durchaus gelingen.
(team) 2015-08-01
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