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angelaschule-os/UnserDigitalerBienenstock

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Unser digitaler 🐝-stock (Projektskizze)

Unsere Projektskizze ist lizenziert unter CC BY-SA 4.0.

Über unsere Bienen

Sechs Carnica-Bienenvölker bestehend aus ca. 20.000 Tieren:

  • Circus maximus
  • Honeybee home
  • Honey cube
  • Goldmine
  • Carnica castle
  • Goldrausch

Die Holz-Magazinbeuten sind ca. 1cm breiter als Deutsch-Normal-Maß (DNM) und doppelwandige (damit die Bienen im Winter besser geschützt sind).

Ab Februar ist die Winterpause bei unseren Bienen vorbei. Am besten lässt sich mit den Bienenstöcker um die Mittagszeit arbeiten, denn dann haben die meisten unsere Bienen ihre aktive Phase. Daher findet unsere Imker-AG meistens auch in der Mittagszeit (in der 7. und 8. Stunde (13:00-14:45 Uhr)) statt.

Mehr Informationen: https://www.angelaschule-os.de/category/imker-ag/

Anlass und Ziele

Digitaler Schutz unserer Schulbienen und trotz Distanz im digitalen Gedächtnis der Schülerinnen und Schüler bleiben.

Wir haben uns überlegt, wie wir den Schülerinnen und Schüler trotz Distanzlernen und dem Fernbleiben der Schule die "Nähe" zu den Schulbienen erhalten können. Wir hoffen, dass neben den anderen Vorteilen die Digitalisierung eines Bienenstock bietet, vor allem auch das Sorgen, Kümmern und Interesse unsere Schülerinnen und Schüler erhalten bleibt und vielleicht sogar gestärkt wirkt - trotz Distanz -.

Die Themen können in Kooperationen mit Akteure unserer Region und Kommune oder in anderen Regionen und Kommunen umgesetzt werden. Dazu gehören Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft, Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Verbänden, Vereinen, ­Stiftungen, kommunalen Wirtschaftsverbänden, Bildungsträgern, Gebietskörperschaften, Kommunalverbänden und Körperschaften des öffentlichen Rechts zum Zwecke des Aufbaus und der Bereitstellung von Strukturen für regelmäßige und betreute Angebot für unsere Schülerinnen und Schüler ob in Präsenz oder Distanz. Schulisch oder Außerschulisch.

Zielgruppe

Zurzeit interessieren sich hauptsächlich Schülerinnen und Schüler aus den Jahrgängen 5 bis 8 für die Imker AG.

Wir hoffen das wir mit dem Projekt auch Schülerinnen und Schüler der Jahrgänge 9 bis 13 ansprechen, sowie aufgrund der vielseitigen digitalen Themen auch Kolleginnen und Kollegen andere Fachbereiche wie Physik, Informatik, Chemie, Erdkunde (wegen Wetter und Klima), Musik (Soundanalyse) und Kunst.

Wir denken, dass die digitalen Themen für alle Jahrgänge interessant sein könnten.

Darüber hinaus streben wir die Teilnahme an den Schüler- und Jugendwettbewerben, Schüler experimentieren für die 4. Klasse bis 14 Jahre und Jugend forscht ab 15. Jahre (9. Klasse), an.

Weitere Infos zu den Schülerwettbewerben:

Fahrplan

Überblick über die geförderten Themen

Themen Förderung Beginn Bienenvolk
LoRaWAN und Sensorik 👍 Nach Osterferien Honey cube
Wetter- und Umweltdaten außerhalb des Bienenstocks
Luftqualität außerhalb des Bienenstocks
Lärmbelastung
Videografie
Videografie und KI
Soundbewertung
VR / Einen virtuellen Bienenstock entdecken

Thema: LoRaWAN und Sensorik

Das Thema wird unterstützt von der SWO Netz GmbH und der items GmbH.

Grundlage für das Thema bildet die Abschlussarbeit von Leon Weber und der PRAXISBERICHT – DER DIGITALE BIENENSTOCK von Leon Weber und Marcel Linnemann.

Das Thema führt ein in das Internet der Dinge (IdD) (auch: „Allesnetz“; englisch Internet of Things, Kurzform: IoT).

Wie viel Nektar und Pollen eingetragen werden oder wie schnell die Winterfuttervorräte schwinden, das zu wissen hilft ungemein bei der Einschätzung wie gesund und fit unsere Schulbienen sind. Hierzu wird eine digitale Bienestockwaage gebaut. Grundlage hierfür ist die folgende Anleitung: https://hiverize.org/eine-stockwaage-bauen/.

Zusätzlich wird die Temperatur im Beuteinneren gemessen (Die Behausung allein wird Beute genannt). Die Überwachung der Temperatur des Bienenstocks wird erfolgt durch eine selbstgebaute Lösung auf Basis von https://hiverize.org/einbautemperatursensor/ und der Abschlussarbeit von Leon Weber.

Die Temperatur verrät einiges über den Zustand unseres Bienenvolkes. Da die Temperatur nicht nur an einer Stelle gemessen wird, sondern über einige Waben verteilt gemessen wird, ist beispielsweise die Größe des Brutnests abschätzbar oder erkennbar, ob überhaupt Brut da ist. Das ist vor allem im Winter sehr nützlich, wenn die Restentmilbung mit Oxalsäure ansteht. Denn hierfür wird ein brutfreies Volk benötigt. Auch die Bewegung der Bienen in der Beute kann durch das Temperaturprofil nachvollziehbar. Zusätzlich kann das Temperaturprofil im Bienenstock auch ein Indikator für die vorhandene Futtermenge sein.

Die Bienenstock-Waage und die Temperatur- und Feuchtigkeitsensoren übermitteln die Messwerte über das Osnabrücker LoRaWAN-Funknetz der SWO Netz GmbH.

Exkurs LoRaWAN: LoRaWAN – das WiFi für das Internet der Dinge. Mit Reichweiten von mehreren km, keinen laufenden Übertragungskosten und einem extrem niedrigen Energieverbrauch, ist dieses Funknetzwerk bestens für das Internet der Dinge (IoT) geeignet.

Zur internen Visualisierung der Messwerte und Alarmierung bei der Überschreitung von Grenzwerten werden wir ein Grafana Dashbord einsetzen.

Das Grafana Dashboard bietet zusätzlich die Möglichkeit Wetterdaten und Wetterprognosen des Deutschen Wetterdienst (DWD) anzuzeigen. Hinweis von Prof. Dr. Michael Uelschen. Es ist zu prüfen, inwieweit die phänologischen Daten des DWD sich in das Dashboard integrieren lassen. Phänologische Daten bieten eine Antwort auf die Frage "Was blüht jetzt". Dabei ist zu beachten das nicht alle Pflanzen für Bienen interessant sind. Weiterführende Information zum Phänologischen Kalender.

Das öffentliche Bereitstellen der Messergebnisse erfolgt über openSenseMap: https://opensensemap.org/explore/601ebb99e443a0001ba8be02.

Materialliste:

Kosten geschätzt ab 300 Euro.

Thema: Erweiterte Temperaturmessung

Eine Bienenbeute hat bewegliche Waben, die einzeln entnommen werden können. Die Bienenbeute wird unterteilt in Brutraum und Honigraum. In den verschiedenen Bereiche der Bienebeute herrschen unterschiedliche Temperaturen. Ziel ist die ortsabhängige Temperaturmessung. Bisherige Messung beschränkten sich auf die räumliche punktuelle Messung im Beuteinneren.

Die Visualisierung der gemessenen Daten und des berechneten Temperaturgitters soll mittels geeigneter Interpolationsmethoden und Heatmaps in 2D und 3D erfolgen.

Thema: Wetter- und Umweltdaten außerhalb des Bienenstocks

Außerhalb des Bienenstocks werden bereits Daten zur Außenlufttemperatur, Außenluftfeuchte, Lichtintensität, Luftdruck und Windrichtung von der Wetterstation der Angelaschule erhoben und an das openSenseMap-Projekt aus Münster übertragen: https://opensensemap.org/explore/5f5dc63f84e5a2001b1d5dbc

Die openSenseMap ist eine für jeden frei nutzbare Karte mit Umweltdaten.

Allerdings ist die Wetterstation aus 2006 auf dem Dach des Klassentraktes der Angelaschule etwas in die Jahre gekommen und muss gewartet und die Sensorik zur Windgeschwindigkeit und Niederschlag instand gesetzt bzw. ausgetauscht werden.

Um den genauen Zustand zu ermitteln wurde im Januar 2021 im Rahmen des IMAGEFILM 2021 eine Drohnenbefliegung durchgeführt. Eine Analyse der Befliegung steht noch aus.

Die meteorologische Messgeräte stammen von der Fa. Thies., welche Meteorologie- und Umweltmesstechnik anbietet, welchen den Anforderungen der nationalen und internationalen Wetterdienste entsprechen. Siehe auch hierzu: Leitfäden für die Ausbildung im Deutschen Wetterdienst (DWD), Band 6.

Weitere Information über die Wetterstation der Angelaschule: https://github.com/angelaschule-os/wetterstation

Geplanter Ersatz für:

Thema: Luftqualität außerhalb des Bienenstocks

Feinstaub belastet nicht nur die Gesundheit des Menschen, sondern die Luftverschmutzung macht auch unseren Bienen zu schaffen.

Daher ist es sinnvoll Daten zur Luftqualität (NO2, PM2.5, PM10, Aerosol) und Lärmbelastung nicht nur zum Schutz der Schülerinnen und Schüler zu Erfassen, sondern auch für unsere Schulbienen. Mehr Infos: https://www.spektrum.de/news/luftverschmutzung-macht-bienen-zu-schaffen/1758924

Die erfasst Daten könnten auf https://luftdaten.info/ bereitgestellt werden: http://deutschland.maps.sensor.community/#14/52.2939/8.0293

Materialliste / Hinweise auf mögliche einzusetzende Sensorik:

Kosten ohne Lärmbelastung ab 250 Euro.

Thema: Lärmbelastung

Hat Umgebungslärm (besonders in den Pausen) einen Einfluss auf die Bienen, oder lässt dieser unsere Schulbienen unbeirrt?

https://luftdaten.info/einfuehrung-zum-laermsensor/

Materialliste:

Kosten ab 70 Euro.

Thema: Videografie

Eine Kamera könnte den Bereich des Einflugloches aufzeichnen und die Bilder oder den Videostream im Internet bereitstellen, damit unsere Schülerinnen und Schüler jeder Zeit nach unseren Bienen "schauen" können.

Zusätzlich könnte ein Infrarot-Video aus dem Brutbereich der Bienen gestreamt werden. Die Infrarot-Beleuchtung kann von den Bienen nicht wahrgenommen werden, Infrarotlicht mit einer Wellenlänge größer 780 nm ist für sie unsichtbar.

Quelle: https://chelifer.de/infrarot-videos-aus-dem-brutbereich-der-honigbienen/

Software:

Materialliste:

  • Raspberry Pi 4 2 GB (ab 50 Euro)
  • Gehäuse und Lüfter(Argon One) (ab 40 Euro)
  • Netzteil (ab 8 Euro)
  • Powerbank mind. 5V (besser 5,1V) und mind. 10.000 mAh (ab 15 Euro)
  • USB-Kamera / Raspberry Pi Kamera V2 (ab 30 Euro)
    • Alternativ: RASP CAM HQ Raspberry Pi - Kamera, 12MP, Sony IMX477R (ab 60 Euro) mit RPIZ CAM 16MM TO Raspberry Pi - 16 mm Kameralinse, Teleobjektiv (ab 60 Euro)
  • Infrarot-Scheinwerfer/Strahler
  • Oder Kamera mit Infrarot-Strahler
  • Outdoor IP65-Gehäuse (ab 40 Euro)

Kosten ab 190 Euro (einfache Kamera) oder 260 Euro (fortgeschrittene Kamera).

Thema: Videografie und KI

Am Beispiel von Prof. Dr. rer. nat. Claus Brell (Hochschule Niederrhein, Fachbereich Wirtschaftswissenschaften)

Einführung in das Thema maschinelles Sehen und Erkennen.

Mit einem Einplatinen- oder einem Kleinstcomputer und einer Kamera werden Videobilder aufgenommen. Die KI auf dem Einplatinencomputer oder dem Kleinstcomputer erkennt und klassifiziert die Bilder und überträgt die Bewertung an einen Webservice. Vorteil der Edge-Computing-Lösung: Es können schmalbandigen Netzverbindungen* (wie LoRaWAN, TTN) zur Übertragung genutzt werden. Die KI-Kamera liefert eine wertvolle Datenbasis.

Quellen:

Die Kamera und "Künstliche Intelligenz" hilft beim ...

  1. Bienen erkennen.

2) digitalen Bienenzählen, dem Schätzen wie starke unsere Völker sind. 3) bestimmen und zählen der Anteile von Bienen mit und ohne Pollenhöschen.

Vor dem Flugloch ist ein Einplatinen- oder Kleinstcomputer mit Kamera montiert. Auf dem Einplatinen- oder Kleinstcomputerläuft eine KI, welche die Bienen mit und ohne Pollenhöschen zählt. Für eine Bildanalyse werden laut Brell 29 Sekunden benötigt.

Alle zwei Minuten nimmt der Einplatinen- oder Kleinstcomputer ein Bild auf, archiviert und analysiert es, ermittelt die Anzahl der sichtbaren Bienen mit und ohne Pollenhöschen und logt die Anzahlen im Internet.

Nach: https://cbrell.de/blog/honigbienen-2019/ -> 27.08.2019 KI-Zählung der Bienen funktioniert nach wie vor zuverlässig

  1. Erkennen von und warnen vor Feinde wie Wespen und Hornissen.

Materialliste:

  • zusätzlich Edge TPU: Coral USB Accelerator (ca. 60 Euro)

Kosten zusätzlich zum Thema Videografie 60 Euro.

Thema: Soundbewertung

Am Beispiel von Prof. Dr. rer. nat. Claus Brell (Hochschule Niederrhein, Fachbereich Wirtschaftswissenschaften)

https://cbrell.de/blog/honig-bienen-2020/ -> März -> Soundanalysen 06.03.2020

Link zur Forschungsidee von Claus Brell:

Kontinuierliche Soundanalysen können dabei helfen, herauszufinden, ob unsere Bienen zufrieden sind. Denn Bienen produzieren Summ-Geräusche mit einem Schwerpunkt bei einer Frequenz von 200 Hz. Sind die Bienen unzufrieden, könnte dies an der geänderten Frequenz so um die 300 Hz erkannt werden.

Nach Rückmeldung von Prof. Dr. Michael Uelschen lässt sich an dem Geräusch der Bienen auch erkennen, ob die Königin gestorben ist. Weiterhin könnte es ggf. möglich sein die Wanderung der Bienen ebenfalls mittels über die Waben verteilen Mikrofonen per Soundanalyse zu beobachten.

Mit einem Einplatinen- oder Kleinstcomputer und einem Messmikrofon werden bspw. jede 5 Minuten 10 Sekunden lange Tonschnipsel aufgenommen. Die KI auf dem Einplatinen- oder Kleinstcomputer bewertet den Tonschnipsel und überträgt die Bewertung an einen Webservice. Vorteil der Edge-Computing-Lösung: es können schmalbandigen Netzverbindungen (LoRaWAN, TTN) zur Übertragung genutzt werden.

https://cbrell.de/blog/ki-bewertung-von-klangereignissen-bei-honigbienen/

Natur-Soundschnipsel mit dem Raspberry Pi Zero aufnehmen: https://cbrell.de/blog/natur-soundschnipsel-mit-dem-raspberry-pi-zero-aufnehmen/

Materialliste:

  • Raspberry Pi Zero W (ca. 20 Euro)
  • OTG Adapter (ca. 6 Euro)
  • Electret Mikrofon Kapsel (ca. 1 Euro)
  • einen kleinen Lautsprecher oder Kopfhörer
  • Audio USB Konverter/ Adapter ab (ca. 10 Euro)
  • Powerbank mind. 5000mAh (ca. 15 Euro)
  • Gehäuse aus dem 3D-Drucker (ca. 10 Euro)

Kosten ab 60 Euro.

Thema: VR / Einen virtuellen Bienenstock entdecken

Die virtuelle Realität, kurz VR, ermöglicht es unseren Schülerinnen und Schüler das Innere des Bienenstocks zu entdecken oder auf virtuelle Erkundungstour auf einer Wildblumenwiese zu gehen. Dabei können sie die VR-Technik kennenlernen, entweder mithilfe von Tablets oder Smartphones, mit selbstgebauten VR-Brillen aus Pappe oder Kunststoff oder spezielle VR-Brillen.

Weitere Infos und Unterrichtsmaterialien: https://www1.wdr.de/schule/digital/unterrichtsmaterial/bienenstock-dreisechzig-100.html

Kosten für das Virtual-Reality-Headset Oculus Go ab 350 Euro bzw. Oculus Quest 2 ab 500 Euro.

Wortwolke / Tag Cloud

KI /AI, Edge Computing, Soundanalyse, IoT, Makern, Computer Vision, LoraWan, Einplatinencomputer, Kleinstcomputer (eingebettetes System), Raspberry Pi, Tensorflow, Bilderkennung, Tensor Processing Units (TPUs), VR, Kleinstcomputer, Embedded maschine learning

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