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Testaufbau: Natur-Sound-Schnipsel mit dem Raspberry Pi aufnehmen

Natur-Soundschnipsel mit dem Raspberry Pi Zero aufnehmen

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Mit wenig Aufwand kann ein Raspberry Pi Zero als automatischer Natur-Sound-Aufnahmeroboter fungieren. Erster Einsatz dieser Lösung wird die akustische Überwachung eines Bienenvolkes im Vorhaben #biene40 des Fachbereichs Wirtschaftswissenschaften der Hochschule Niederrhein sein. Die kleine Anleitung zeigt im ersten Teil die Basics zum Nachbauen in 30 Minuten.

Benötigte Materialien

Sie benötigen:

  1. Einen Raspberry Pi Zero W.
  2. Einen OTG Adapter.
  3. Eine Electret Mikrofon Kapsel. Alternativ nehmen Sie ein fertiges Mikrofon, das schon einen passenden kleinen Klinkenstecker hat.
  4. einen kleinen Lautsprecher oder Kopfhörer.
  5. Einen Audio USB Konverter.

Die Gesamtausgaben sollten 25€ nicht übersteigen. Im Netz gibt es einige Hinweise, welche Audio USB Konverter geeignet sind. Hier wurde mit einem billigen Modell („Sabrent USB Externe Soundkarte für Windows und Mac“, 6,99 bei einem großen Versender) experimentiert, dessen Klangqualität des Mikrofoneingangs subjektiv selbst die eines Macbook schlägt. 

Aufbau

Der Aufbau ist denkbar einfach. Über den OTG-Adapter schließen Sie den Audio USB Konverter an den Raspberry Pi Zero an. An die rosa Buchse kommt das Mikrofon. Dazu löten Sie an das Anschlusskabel einen kleinen Klinkenstecker und stecken den in die rosa Buchse. In die grüne Buchse kommt ein Lautsprecher oder ein Kopfhörer für den Test, ob die Audioaufnahme funktioniert.

Zum Soundschnipsel in fünf Schritten

  1. Zuerst stellen Sie mit lsusb fest, ob der Raspberry den Audio USB Konverter erkannt hat.
pi@raspberrypi:~ $ lsusb
Bus 001 Device 002: ID 0d8c:0014 C-Media Electronics, Inc. 
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub

2. Eine Anzeige der Eingabegeräte erhalten Sie mit arecord -l (ein „L“, keine „1“), eine Anzeige der Ausgabegeräten mit aplay -l.. In diesem fall ist es „card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio]„.

pi@raspberrypi:~ $ arecord -l
**** List of CAPTURE Hardware Devices ****
card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio]
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
pi@raspberrypi:~ $ aplay -l
**** List of PLAYBACK Hardware Devices ****
card 0: ALSA [bcm2835 ALSA], device 0: bcm2835 ALSA [bcm2835 ALSA]
  Subdevices: 7/7
  Subdevice #0: subdevice #0
  Subdevice #1: subdevice #1
  Subdevice #2: subdevice #2
  Subdevice #3: subdevice #3
  Subdevice #4: subdevice #4
  Subdevice #5: subdevice #5
  Subdevice #6: subdevice #6
card 0: ALSA [bcm2835 ALSA], device 1: bcm2835 ALSA [bcm2835 IEC958/HDMI]
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio]
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0

3. Bevor Sie das Mikrofon testen können, schalten Sie es mit amixer ein. Andernfalls kann es sein, dass sie sehr stille Sounddateien aufnehmen.

pi@raspberrypi:~ $ amixer -c 1
Simple mixer control 'Speaker',0
  Capabilities: pvolume pswitch pswitch-joined
  Playback channels: Front Left - Front Right
  Limits: Playback 0 - 37
  Mono:
  Front Left: Playback 17 [46%] [-20.00dB] [on]
  Front Right: Playback 17 [46%] [-20.00dB] [on]
Simple mixer control 'Mic',0
  Capabilities: pvolume pvolume-joined cvolume cvolume-joined pswitch pswitch-joined cswitch cswitch-joined
  Playback channels: Mono
  Capture channels: Mono
  Limits: Playback 0 - 31 Capture 0 - 35
  Mono: Playback 16 [52%] [-7.00dB] [off] Capture 20 [57%] [8.00dB] [on]
Simple mixer control 'Auto Gain Control',0
  Capabilities: pswitch pswitch-joined
  Playback channels: Mono
  Mono: Playback [on]
pi@raspberrypi:~ $ 

4. Testen Sie mit arecord, ob Sie mit dem angeschlossenen Mikrofon nun eine Aufnahme anfertigen können. Die Sounddatei sollten Sie dann mit ls sehen.

pi@raspberrypi:~ $ arecord -d 5 -f cd -t wav -D plughw:1,0 test1.wav
Recording WAVE 'test1.wav' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 44100 Hz, Stereo
pi@raspberrypi:~ $ ls -l
total 2592
-rw-r--r-- 1 pi pi  882044 Feb 22 12:15 test1.wav
-rw-r--r-- 1 pi pi 1764044 Feb 22 11:22 test.wav
drwxrwxrwx 2 pi pi    4096 Feb  9 23:20 wave27
pi@raspberrypi:~ $

5. Ob die Aufnahme gut funktioniert hat, testen Sie, indem Sie die Datei gleich über den USB-Audioconverter mit aplay ausgeben.

pi@raspberrypi:~ $ aplay --device=hw:1,0 test1.wav
Playing WAVE 'test1.wav' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 44100 Hz, Stereo
pi@raspberrypi:~ $

Wenn Sie bis hierhin erfolgreich waren, können  Sie den Aufbau nun in eigene Projekte einbinden.

Energieverbrauch

Der Aufbau benötigt im Betrieb mit 5V durchschnittlich 153mA. Bei Ausgabe von Audiodaten steigt der Stromhunger auf über 200 mA. Entfernt man den USB-Audio-Konverter, sinkt der Strombedarf auf 118 mA. Der Konverter benötigt also im „Leerlauf“ 35 mA. Das sollte bei einer Versorgung mit Batterien oder Power Bank berücksichtigt werden. Einen Test verschiedener Betriebsweisen mit Batterie- und Akkusorten finden Sie in einem separaten Beitrag.

Es ist möglich, im laufenden Betrieb den USB-Audio-Konverter abzuziehen und wieder anzustecken. Nach etwa 3 Minuten wird der Konverter wieder  erkannt.

Anwendungsmöglichkeiten

Basierend auf diesem Testaufbau lassen sich verschiedene Projekte leicht realisieren:

    • Mit CRON können Sie die Aufnahmen automatisieren, z.B. jede Stunde einen kurzen Soundschnipsel aufnehmen.
    • Die Soundschnipsel können Sie mit scp auf Ihre Notebook übertragen und dann mit z.B. Audacity analysieren.
    • Die Soundschnipsel können Sie auf einen Internetserver übertragen und damit aus der Ferne kontrollieren, was sich gerade in Ihrem Haushalt so tut.
  • Mit Hilfe des Testaufbaus könnten Sie Ihren Hummelnistkasten überwachen, ob schon Hummeln eingezogen sind.

Quellen

Ausgabe über USB Testen: https://learn.adafruit.com/usb-audio-cards-with-a-raspberry-pi/testing-audio

Sprachsteuerung selber bauen für die Hausautomatisierung: https://tutorials-raspberrypi.de/raspberry-pi-sprachsteuerung-selbst-bauen/

Audio über Raspberry Pi abspielen: https://dafrk-blog.com/de/audio-ueber-raspberry-pi-abspielen-mittel-und-wege/

Ansicht des Hummelniskastens vor einer Hauswand

Hummelnistkasten 2019

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In 2019 soll ein oberirdischer Hummelnistkasten für Erdhummeln (Bombus Terrestris) erprobt werden. Ein wichtiger Aspekt die Möglichkeit, Hummeln bei der Brutpflege beobachten zu können.

Ziel und Anforderungen für den Hummelnistkasten 2019

Ziel ist, das Brutverhalten vor Hummeln mit Sensoren zu erfassen, eine Videobeobachtung zu ermöglichen und die Daten über das Internet bereitzustellen. Die Technik soll so einfach sein, dass jeder sie nachbauen kann (Abb.1). In 2018 wurde in Zusammenarbeit mit Cornel van Bebber ein unterirdischer Hummelnistkasten aus Gasbeton entwickelt und getestet. Die Tests waren nicht erfolgreich, in 2019 wird eine andere Technik erprobt.

Das erfordert einen Hummelnistkasten, der mechanisch stabil und bearbeitbar ist. Weiterhin soll der Kasten es erlauben, dass man ihn nach erfolgreicher Besiedlung umstellt (Vgl. Bienenbeuten des Wanderimkers). Für die Anbringung von Videotechnik  und den Sensoren sollen von vornherein die baulichen Gegebenheiten vorhanden sein.

Die Sensortechnik folgt den Experimenten an Bienenbeuten aus 2018 (Brell 2018) und soll folgende Messgrößen umfassen:

  1. Temperatur in verschiedenen Zonen des Nistkastens.
  2. Luftfeuchte
  3. CO2
  4. Geräuschanalysen

Ein Befall mit Wachsmotten soll vermieden werden. Es wird das System von Harry Abraham, die Wachsmottenklappe,  (Abraham o.J.) eingesetzt.

Die Anforderung nach Stabilität und Bearbeitbarkeit wird durch ein Holz-Außengehäuse gewährleistet. Die Anforderung nach eine schnellen Hummelvolkentwicklung soll durch eine Innendämmung mit XPS Schaum Platten erreicht werden. Die Forrm ist so konzipiert, dass der Kasten auf dem Boden an einer Hauswand steht.

Abb. 1: Mit wenig Material und Werkzeug zum Hummelnistkasten

Materialien und Pläne

Für das Außengehäuse werden als „IkeaHack“ 19 mm Kiefernleimholzplatten des Ivar-Regals verwendet. Aus zwei Regalböden lassen sich alle Holzteile mit wenig Verschnittt erstellen (Abb. 2). Das Aussengehäuse ist in Abb. 4 zu sehen. Insgesamt sind die Außenmaße B=48cm, T=20 cm, H=20cm.

Für die Innendämmung werden 20 mm XPS Dämmplatten aus dem Baumarkt verwendet.

Die Füße, der Einsatzrahmen für das Sichtfenster, der Knauf für den Sichtfensterverschluss und das Lüftungsgitter stammen aus dem 3D-Drucker. Der geneigte Heimwerker wird hier ggf. andere Materialien bevorzugen.

Das Sichtfenster erhält eine 0,4 mm Folie, die sonst als Abdeckfolie von Imkern eingesetzt wird.

Die „Innenausstattung“ besteht aus speziellem Kleintierstreu aus Baumwolle und einer kleinen vorgefertigtem Nestkugel aus Katzen-Unterfell (Dank an die beiden Siamkatzen Claude und Claire für die Haarspende)

Abb. 2: Zugeschnittene Holzplatten

Aufbau und Montage des Hummelnistkastens

Die Bretter werden mit einem teflonbeschichteten Fuchsschwanz aus den Regalbrettern gesägt. Den Schnittplan zeigt Abb. 4. Alle Seitenteile werden mit der Bodenplatte verschraubt (Abb. 4). Der Deckel liegt später nur auf und wird durch vier Holzdübel fixiert..

Die XPS Platten lassen sich sehr gut mit einem scharfen Küchenmesser auf Gärung schneiden. Für die Innendämmung gibt es kein Schnittmuster, die Zurichtung erfolgte nach Augenmaß.

Das Holz wird einmal mit Leinöl imprägniert. Auf den Deckel kommt eine Auflage aus Teichfolie. Die se Konstruktion hat sich bereits bei Singvogelnistkästen bewährt.

 

Abb. 3: Erste Konstruktionszeichnung, Schnittplan der Holzplatten

Abb. 4: Das montierte Außengehäuse

Innenleben des Hummelnistkastens vor Befüllung

Abb. 5: Das Gehäuse mit Innendämmung und eingebautem Wellschlauch.

In den Kasten wird Kleintierstreu und ein vorgeformtes Mini-Nest aus Katzenhaaren eingebracht. Abb. 5 zeigt die Materialien, der Einbau ist in Abb. 6 zu sehen.

Kleintierstreu und Katzenhaare

Abb. 5: Kleintierstreu aus Baumwolle und Katzenhaare

 

Innenleben des Hummelnistkastens

Abb. 6: Mit Kleintierstreu und Katzenhaaren befüllter Hummelnistkasten

Hummelnistkasten - Blick durch das Fenster

Abb. 7: Der Blick durch das Sichtfenster in den Hummelnistkasten. Rechts ist der Wellschlauch (Simulation des Mäusegangs) zu sehen, durch den die Hummeln in den Kasten gelangen.

Aufstellung

Die erste Aufstellung erfolgt an der Ostseite eines Wohnhauses mit dem Einflugloch nach Südosten. An dieser Stelle wurden in den vergangenen Jahren öfter suchende Erdhummelköniginnen beobachtet.

Erfahrungen und Beobachtungen

Ab 17.02.2019 steht der Hummelnistkasten bereit. Sobald erste Erfahrungen vorliegen, sind sie hier zu finden. Im Falle einer Besiedlung soll der Kasten auf den Hochschul-Campus in Mönchengladbach umziehen.

Erdhummelvideo im Zeitraffer

Im Rahmen der Schulkooperation mit der Bischöflichen Marienschule ist es gelungen, bei Biologielehrer Cornel van Bebber Zeitrafferaufnahmen von Erdhummeln im Nistkasten von 2018 anzufertigen:


Direkter Link zu youtube:
https://youtu.be/cwHI7sQNxqA

 

Quellen

Abraham, Harry (o.J.) Das Hummelhaus, Online Ressource https://www.das-hummelhaus.de/

Brell, Claus (2019) Der Körperwärme des Biens auf der Spur – Internetgestützte Temperaturanalyse zur Überwachung von Bienenvölkern In: bienen&natur 02.2019, München. S. 18-19. Zu den Verlagsseiten

Van Bebber, Cornel (2019) Aktion Hummelschutz. Online Ressource https://aktion-hummelschutz.de/ 

 

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