Sensoren im Projekt Biene40 werden zunächst in Laborsituationen (Bienen in Mini-Plus-Beuten) entwickelt, die gewonnen Erkenntnisse werden in Feldtests mit Bienen in Dadant 12er (Holz) und Kombibeuten (Styropor) mit Temperaturmessungen und Soundanalysen weiter überprüft. Die in diesem Beitrag beschriebene Testreihe untersucht Temperatur- und Sound-Kombisensoren. Die Messergebnisse und insbesondere die Bienen-Sound-Daten werden begleitend zum Test bereitgestellt und können schon jetzt von anderen Forschergruppen genutzt werden.
Stand 12.03.2024
Testreihe für Temperaturmessungen und Soundanalysen – Aufbau und Rahmenbedingungen
Untersuchungszeitraum
Die Untersuchung startete am 25.01.2024. Förderende ist der 29.02.2024, die Untersuchungen werden allerdings danach fortgeführt.
Untersuchungsgegenstand und -ziel
Untersucht werden die im Projekt Biene40 entwickelten Prototypen der Kombisensoren, es werden zwei Entwicklungsstufen der Kombisensoren miteinander verglichen. Die Kombisensoren bestehen in der aktuellen Entwicklungsstufe aus einer flachen ´Kunststoffdose mit einem Vibrationssensor, der Schwingungen im Frequenzbereicht von 1,5Hz bis 10kHz aufnehmen kann, sowie einem digitalen Temperatursensor (siehe Abb. 1). Die Kombisensoren werden entweder im Innendeckel (Dadant-Beute) oder in einem flachen Zwischendeckel (Kombi-Beute) montiert. In der Entwicklungsversion vorher war als Soundsensor ein Kondensatormikrofon verbaut. Ein qualitativer Labortest der Sound-Sensoren ist in einen youtube-Video dokumentiert.
Voruntersuchungen ergaben, dass die Lebensdauer von Kondensatormikrofonen im inneren von Bienenstöcken begrenzt ist. Hier wollen wir einen direkten Vergleich herstellen und herausfinden, ob die neue Bauart der Kombisensoren eher den Bedingungen im Bienenstock standhält.
Es ist anzunehmen, dass sich das Klanggeschehen und die Temperaturen an einer definierten Stelle in der Beute mit der Volksentwicklung im phänologischen Vorfrühling ändert. Diese Annahme wollen wir – zunächst qualitativ und ohne statistische Evidenz – prüfen.
In Vorversuchen hat sich gezeigt, dass die Temperatur am Oberträger in Styroporbeuten höher ist als in Holzbeuten. Das wollen wir – nun zu einer anderen Jahreszeit – überprüfen.
Die vernetzten Sensoren basieren in der aktuellen Version auf dem Microcontroller ESP8266. Durch geeignete Energiesparmaßnahmen scheint ein Batteriebetrieb ohne weitere Energie-Harvesting-Lösungen möglich. Im Labor wurde das getestet, die Praktkabilität unter Rahmenbedingungen, wie sie in einer Vollerwerbsimkerei gegeben sind, soll hier ebenfalls geprüft werden.
Probanden für Temperaturmessungen und Soundanalysen
Es werden 4 Kombisensoren mit einem keramischen Vibrationssensor und 4 Kombisensoren mit Kondensatormikrofonen verglichen. Je ein Kombisensor mit Vibrationssensor und ein Kombisensor mit Kondensatormikrofon kommen in ein Bienenvolk. Die 4 Bienenvölker (2 in Dadant und 2 in Styro-Kombibeuten) stehen an einem Standplatz am mittleren Niederrhein. Den Aufbau der Beuten zeigt Abb. 2, in den Abb. 3 und 4 ist die Anbringung im Innendeckel bzw. im Zwischendeckel gezeigt.
Abb. 1: Der Kombisensor
Abb. 2: Die Bienenvölker für den Test. Von Links nach rechts werden die Beuten als Dadant 2, Dadant 1, Kombi 1 und Kombi 2 bezeichnet. Zu sehen – im weißen Gehäuse – der Microcontroller, der die Daten an einen Konzentrator über Funk überträgt.
Abb. 3: Zwischendeckel mit Kombisensoren für Styropor-Kombibeuten. Der Zwischendeckel hat eine Dicke von 8 mm, durch die Falz im Styropordeckel wird er umschlossen und es entsteht durch den Einbau keine Wärmebrücke.
Abb. 4: Innendeckel mit Kombisensoren für Dadant-Holzbeuten. Die Kombisensoren sind von unten flächenbündig, so dass die Gesamtkosntruktion mit dem Stockmeißel gereinigt werden kann.
Messtechnik für Temperaturmessungen und Soundanalysen in Bienenstöcken
Die Temperaturen werden zu festgelegten Zeitpunkten manuell geprüft. Hierzu wird ein selbstentwickeltes Anzeigegerät auf Basis des Microcontrollers Atmega328p verwendet. Für Temperatur-Zeitreihen wird ein Sensor Sender und ein Konzentrator (beide auf Basis des ESP8266) mit SD-Karte genutzt. Der Konzentrator ist zudem die Basis für ein Gateway, dass die Daten zukünftig über Mobilfunkt an einen Server im Internet sendet.
Soundaufnahmen erfolgen in dieser Messreihe manuell mit einem Smartphone und einer verlustfreihen Audiokompression.
Messungen und Daten
Temperaturdaten
Zu ausgewählten Zeitpunkten werden die Temperaturen aus den Kombisensoren festgehalten. Zum Vergleich dient die Außentemperatur (Tab. 1). Temperaturen sind mit einer Nachkommastelle und in °C angegeben. Abb. 5 zeigt den Temperaturverlauf für einen Tag. Alle 5 Minuten wurde ein Datensatz aufgezeichnet.
Zeitpunkt Dadant2 Dadant1 Kombi1 Kombi2 Außen Wetter/Bienen 25.01.2024 14:00 13,5 16,3 20,9 20,1 9,0 mild, trocken, bedeckt 27.01.2024 11:00 5,3 7,9 8,6 6,3 1,5 windstill, wolkenlos 29.01.2024 16:00 17,6 19,4 23,1 20,6 9,6 Flugbetrieb, Polleneintrag 29.01.2024 16:00 10,5 13,9 14,7 10,4 7,0 bedeckt, luftfeucht 10.02.2024 17:00 21,3 16,2 20,4. 28,1. 12,0 bedeckt, leichter Regen, kein Flug 12.02.2024 11:02 11,3 11,3 9,4 18,6 8,6 leicht bewölkt, trocken, kein Flug 19.02.2024 17:09 14,0 15,3 11,7 21,3 9,5 bewölkt trüb, leichter Regen, windig, kein Flug 09.03.2024 09:22 11,6 19,4 6,0 22,6 10,1 Sonne trocken, sanftes Lüftchen (Start Datenlogging 09:47) 10.03.2024 12:10. 20,5. 27,3 11,3 29,9 13,5 trocken, lockere Bewölkung, kein Wind 12.03.2024 16:20. 18,3. 24,6. 10,9. 27,5. 11,4. trocken nach regen, bedeckt, kein Wind ------------------------------------------------------ 16.03.2024 12:15 18,3. 24,5. 15,5*. 25,5. 10,1. bedeckt, kühl, Wind, kein Flug
Tab. 1: Temperaturen zu ausgewählten Zeitpunkten. (*) Volk in Komb1 wurde am 14.03.2024 ausgetauscht
Abb. 5: Temperaturverläufe in den 4 Beuten und am Außensensor. Alle 5 Minuten wurde ein Datensatz mit ´Temperaturen aufgezeichnet. Start der Aufzeichnung war 29.01.2024 15:55, Ende 30.01.2024 18:55. Das Ende war dadurch bestimmt, dass die Kabel (vermutlich durch ein Tier) aus dem Sender herausgezogen wurden.
Abb. 6: Temperaturverläufe über drei Tage in zwei Styropor-Kombibeuten. Die Außentemperatur wurde im Schatten auf der Nordseite der Beute gemessen (blau), Beute Kombi 1 ist grün und Beute Kombi 2 orange. Zu sehen ist, dass die Temperaturen der Außentemperatur folgt. Da Sound und Reaktion auf Klopfprobe vergleichbar waren, bleibt der Schluss, dass die Bienen einen unterschiedlichen Abstand zum Sensor haben. Bei einer nur wenig gefüllten Beute dominiert die Topologie die Messergebnisse mehr als das befinden der Bienen. Allerdings: Es ist wärmer in der Beute als außerhalb, die Bienen leben noch.
Sounddaten
Die Sounddateien sind jeweils etwas über 20 Sekunden lang. Die Sounddateien sind geordnet nach Aufnahmedatum, dann in der Reihenfolge der Aufstellung der Beuten analog zu Tab. 1 (Temperaturen) und Abb. 2.. Ab dem 29.01.2024 erfolgt nach etwa 10 Sekunden eine Klopfprobe.
Sounddateien vom 27.01.2024, ohne Klopfprobe
Sounddatei 1: Bienensound Dadant2 am 27.01.2024 11:00
Sounddatei 2: Bienensound Dadant1 am 27.01.2024 11:00
Sounddatei 3: Bienensound Kombi1 am 27.01.2024 11:00
Sounddatei 4: Bienensound Kombi2 am 27.01.2024 11:00
Sounddatei 5: Keine Bienen, sondern eine Außenaufnahme, die einen Eindruck von der Geräuschkulisse am Bienenstand – also Störgeräusche – gibt.
Sounddateien vom 29.01.2024, mit Klopfprobe
Sounddatei 6: Bienensound Dadant2 am 29.01.2024 15:54, Klopfprobe
Sounddatei 7: Bienensound Dadant1 am 29.01.2024 15:52, Klopfprobe
Sounddatei 8: Bienensound Kombi1 am 29.01.2024 15:54, Klopfprobe
Sounddatei 9: Bienensound Kombi2 am 29.01.2024 15:55, Klopfprobe
Sounddateien vom 31.01.2024, mit Klopfprobe
Sounddatei 10: Bienensound Dadant2 am 31.2024 14:37, Klopfprobe
Sounddatei 11: Bienensound Dadant1 am 31.01.2024 13,36, Klopfprobe
Sounddatei 12: Bienensound Kombi1 am 31.01.2024 13:38, Klopfprobe
Sounddatei 13: Bienensound Kombi2 am 31.01.2024 13:39, Klopfprobe. Achtung, der Aufnahme ist ein lautes Pfeifen überlagert, die Ursache dafür ist noch nicht geklärt.
Sounddateien vom 10.02.2024, nachmittags, mit Klopfprobe
Bei einer Außentemperatur von 12°C und leichtem Regen war kein Flugwetter. Die Reaktionen er Bienen auf die Klopfprobe war in allen Fällen sehr kurz. In Beute Kombi 2 wurde eine zusätzliche Aufnahme mit Stimme außen aufgenommen. Deutlich zu hören sind die Regentropfen, auf den Metalldeckeln der Dadant-Beuten klingen sie deutlich metallischer.
Sounddatei 14: Bienensound Dadant 2 am 10.02,.2024 17:03, Klopfprobe.
Sounddatei 15: Bienensound Dadant 1 am 10.02,.2024 17:02, Klopfprobe.
Sounddatei 16: Bienensound Kombi1 am 10.02,.2024 17:04, Klopfprobe.
Sounddatei 17: Bienensound Kombi2 am 10.02,.2024 17:05, Klopfprobe. Das Pfeifen vom 31.01. ist nicht wieder aufgetreten
Sounddatei 18: Bienensound Kombi2 überlagert von Stimme außen, keine Klopfprobe, Kontrollaufnahme
Abb. : Zwei Spektrogramme zum Vergleich: Aufnahme in Kombi-Beute 2 mit Klopfprobe ohne Stimme (unten) und ohne Klopfprobe mit Stimme (oben). Deutlich sind die Frequenzen der Stimme im Bereich unter 600 Hz zu sehen.
Sounddateien vom 12.02.2024, vormittags, mit Klopfprobe, auch Elektret-Mikrofon
Bei einer Außentemperatur von 8,6°C leichter Bewölkung, trocken waren keine Flugbewegungen zu verzeichnen. Die Reaktionen er Bienen auf die Klopfprobe war in allen Fällen kurz, aber ausgeprägter als am 10.02. In Beuten Dadant 2, Dadant 2 und Kombi 2 wurden zusätzliche Aufnahmen gefertigt mit dem zusätzlich einbebautem Elektret-Mikrofon. Besonderheiten: Bei der Aufnahme Kombi2 flog eine Propellermaschine über den Stand. Bei der Aufnahme Kombi2 mit Elektret-Mikrofon musste ich niesen. Beide akustischen Störungen sind deutlich zu hören.
Sounddatei 19: Bienensound Dadant2 am 12.02.2024 10:26, Klopfprobe
Sounddatei 20: Bienensound Dadant2 am 12.02.2024 10:37 Vergleich Elektret-Mikrofon, gekapselt, Klopfprobe
Sounddatei 21: Bienensound Dadant1 am 12.02.2024 10:25, Klopfprobe
Sounddatei 22: Bienensound Dadant1 am 12.02.2024 10:41 Vergleich Elektret-Mikrofon, offen, Klopfprobe
Sounddatei 23: Bienensound Kombi1 am 12.02.2024 10:27, Klopfprobe
Sounddatei 24: Bienensound Kombi2 am 12.02.2024 10:28, ,Klopfprobe, Störung „Flugzeug (Propellermaschine) “
Sounddatei 24: Bienensound Kombi2 am 12.02.2024 10:46, Vergleich Elektret-Mikrofon, gekapselt,Klopfprobe, Störung „Niesen“
Sounddateien Messkampagne ab 09.03.2024 9:22
Sounddatei 25: Bienensound Dadant2 am 09.03.2024, 11,6°C
Die Aufnahme Dadant1 (Sounddatei 26) wurde analysiert, im Vergleich dazu Kombi2. Es wurden die Binenvölker mit der jeweils höchsten Innentemperatur ausgewählt.
Sounddatei 26: Bienensound Dadant1 am 09.03.2024, 19,4°C
Abb.: Spektrogramm zu Sounddatei 26: Bienensound Dadant1 am 09.03.2024, 19,4°C . Zu sehen ist der Peak der Klopfprobe. und die Antwort der Bienen durch kurzes aufrauschen. (engl. „hiss“)
Abb.: Spektrum der Aufnahme vor (exkl.) der Klopfprobe zu Sounddatei 26: Bienensound Dadant1 am 09.03.2024, 19,4°C. Zu sehen ist ein Peak um 614 Hz, das sin i.w. Außengeräusche (Autobahn)
Sounddatei 27: Bienensound Kombi1 am 09.03.2024, 6°C
Sounddatei 28: Bienensound Kombi2 am 09.03.2024, 22,6°C
Abb.: Spektrogramm zu Sounddatei 28: Bienensound Kombi2 am 09.03.2024, 22,6°C . Zu sehen ist der Peak der Klopfprobe, die Antwort der Bienen ist schwächer und kürzer als. und die Antwort der Bienen in Dadant1
Abb.: Spektrum der Aufnahme vor (exkl.) der Klopfprobe 10 Sekunden zu Sounddatei 28: BienensoundKombi2 am 09.03.2024
Sounddateien zum Download
Alle hier genanten Sounddateien (bis zum 09.03.2024, bis Sounddatei 12) finden Sie gepackt unter dem folgenden Link.
Sounddaten-Biene40-Feldtest-ab-240127
Bis zum Abschluss der Untersuchungen werden noch weitere Sounddateien hinzukommen.
Soundanalysen
Exemplarisch für eine Sounddatei ist der Amplitudenverlauf und das Spektrogramm gezeigt (Abb.6). Nach der Klopfprobe (Peaks in der Mitte) steigt die Amplitude für wenige Sekunden an, ebenso verteilt sich der Klang mehr zu den hohen Frequenzen hin. Das heißt, die Bienen reagieren auf diese Störung mit einem kurzen Aufbrausen. Das Aufbrausen ist ein bei stärkeren Völkern auch außerhalb der Beute wahrnehmbarer Indikator, dass das Volk noch lebt. Das Aufbrausen verebbt sehr schnell, das ist ein Indikator dafür, dass das Volk weiselrichtig und gesund ist.
Abb. 6: Amplitudenverlauf und Spektrogramm für die Sounddatei Dadant1 vom 31.01.2024. Zu sehen ist das Aufbrausen nach der Störung (zweimaliges Klopfen)
Anhang
Quellen und Weiterlesen zu Temperaturmessungen und Soundanalysen
Das Biene40-Projekt zur Entwicklung vernetzter Sensoren im Bienenstock http://bieneviernull.de
Das Projekt zur Entwicklung eines KI-gestützten Bienenmonitorings AI4Bee https://ai4bee.de
Natur-Soundschnipsel mit dem Raspberry Pi Zero aufnehmen
USB Audio Adapter Test für Sound aus dem Bienenstock
Tuten und Quaken – Bienenkönigin und -Prinzessin kommunizieren
Glossar
Klopfprobe
Die Klopfprobe ist ein mittelinvasives Verfahren, um Informationen über den Zustamd eines Bienenvolks zu erhalten. Anwendung findet die Klopfprobe zu Zeiten, in denen sich das Leben der Bienen nicht anders äußert, etwa im Winter. Bei der Klopfprobe klopft man mit dem Knöchel gegen die Beute und induziert so eine Störung. Sind die Bienen gesund, zufrieden und weiselrichtig (= sie haben eine gut riechende Königin), werden sie kurz – wenige Sekunden – aufbrausen und wieder in das sonstige Summen zurückfallen. Hält die Unruhe länger an oder geht in eine jammernd klingende Geräuschkulisse über, so kann das Volk weisellos oder krank sein. Ist nach dem Klopfen nichts zu hören, ist das Volk entweder sehr schwach oder tot. Die Klopfprobe ist weniger belastend für die Bienen als Beute öffnen. Auch die Klopfprobe beunruhigt die Bienen und der Futterverbrauch steigt. Die Klopfprobe sollte im phänologischen Winter sparsam eingesetzt werden.
Danksagung
Die Untersuchung ist Teil des Projektes „Biene40 – vernetzte Sensoren für vitalere Bienen“. Biene40 ist eines von 16 geförderten Projekten (siehe Abb. Förderlogo), die unter der Vernetzungs- und Transfermaßnahme Beenovation zusammengefasst werden. Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL). Mit dem Förderaufruf „Bekanntmachung über die Förderung von Forschungsvorhaben zum Schutz von Bienen und weiteren Bestäuberinsekten in der Agrarlandschaft“ hat BMEL 16 Forschungsvorhaben, darunter „Biene40“, in drei Förderprogrammen eingeworben, die seit 2021 mit einem Fördervolumen von ca. 12. Mio. Euro umgesetzt werden. Die Vorhaben zielen auf die Entwicklung von innovativen und praxisorientierten Produkten und Verfahren für die Verbesserung der Widerstandskraft von Honigbienen, die Ermöglichung eines bestäuberfreundlichen Pflanzenbaus sowie die Entwicklung und Erprobung von Maßnahmen zur Förderung von Bienen und anderen Bestäuberinsekten in Agrarräumen. Die dazugehörige Vernetzungs- und Transfer Maßnahme „Beenovation“ verfolgt das Ziel, durch Veranstaltungen und Öffentlichkeitsarbeit eine hohe Sichtbarkeit und nachhaltige Breitenwirksamkeit der geförderten Verbundprojekte und der Fördermaßnahme sicherzustellen. Hierdurch werden sowohl der Wissensaustausch zwischen den verschiedenen beteiligten Stakeholdern aus Wissenschaft, Politik und Praxis, als auch die Innovationsprozesse der Verbundprojekte unterstützt und Synergien zu anderen Forschungsprojekten geschaffen.
Abb.: Förderlogo
Autor und Lizenz
Autor: Prof. Dr. rer. nat. Claus Brell, aktuelle Projekte: Biene40, AI4Bee
Lizenz: CC BY
Inhalte des Beitrages können Sie entsprechen der Lizenz verwenden. Unter dieser Lizenz veröffentlichte Werke darf jedermann für private, gewerbliche und sonstige Zwecke nutzen verändern und auch neu ohne CC-Lizenz vermarkten. Als Urheber mache ich keine Rechte geltend.