Im Projekt Biene40 sollen Sensoren im mehreren Bienenstöcken am Bienenstand mittels eines Konzentratorkonzeptes vernetzt werden. Als WLAN-fähige Microcontroller kommen ESP8266, Raspberry Pi Nano W und Raspberry Pico zum Einsatz. Dieser Beitrag untersucht, welche Umstände die ESP8266 WLAN Signalstärke beeinflussen. Die ESP8266 WLAN Signalstärke hat wiederum einen Einfluss darauf, wie schnell Messdaten z.B. über http übertragen werden. Bei schneller Übertragung kann die Verbindungszeit reduziert werden, das senkt den Energieverbrauch und macht ggf. einen Batteriebetrieb des ESP8266 möglich.
21.01.2024
Testreihe 1 – Einfluss der Orientierung der eingebauten Antenne auf die ESP8266 WLAN Verbindungsstärke
Testaufbau
Zum Einsatz kommen ein in´m Folgenden genanntes „WLAN-Gateway“ mit einem ESP8266 als WLAN-Access-Point, ein als Feldstärkesonde programmierter ESP8266 genannt „ESProbe“, eine Fritzbox und ein Mini-WLAN-Router TP-Link-Nano. Die Prinzipskizze des Messaufbaus ist in Abb. 1 dargestellt. Die ESP8266 sowohl für den Acesspoint als auch für die WLAN-Sonde sind jeweils auf einem kleinen Breadboard montiert.
Abb. 1: Topologie des Messaufbaus. WLAN-Gateway (1) als Accesspoint und ESProbe (4) als WiFi-Signalstärke-Sensor befinden sich in einem Raum (8), etwa 5m (6) voneinander entfernt. Der TP-Link-nano (3) ist als weitere Accesspoint im Gartenhaus auf der gleichen Ebene untergebracht. Zwischen ESProbe und TP-Link-nano befinden sich eine Glastür (doppelt verglast mit Palladiumbeschichtung) und eine 3cm Holzwand des Gartenhauses. Die Fritzbox (2) als Accesspoint ist im offenen Treppenhaus eine Etage höher angebracht, der direkte Abstand zu ESProbe (4) beträgt 5 m. Das WLAN-Gateway (1) und ESProbe (4) basieren auf dem ESP8266 D1 Mini (5). Doie Orientierung des ESP8255 im Raum wird jeweils geändert und die Signalstärke gemessen.
Fig. 1: Topology of the measurement setup. WiFi gateway (1) as access point and ESProbe (4) as WiFi signal strength sensor are located in the same room (8) without walls between them, about 5m (6) apart. The TP-Link-nano (3) is located as an additional access point in the garden shed on the same level. There is a glass door (double-glazed with palladium coating) and a 3cm wooden wall of the garden shed between the ESProbe (4) and TP-Link-nano (3). The Fritzbox-Router (2) as an access point is installed in the open stairwell one floor above, the direct distance to ESProbe (4) is 5 metres. The WLAN gateway (1) and ESProbe (4) are based on the microcontroller ESP8266 D1 Mini (5). The orientation of the ESP8255 in space is changed and the signal strength is measured for each configuration.
Messung 1.1 – Antennenausrichtung flach / parallel
Access-Point |Feldstärke am ESProbe -------------+--------------------- Gateway |-76 -------------+--------------------- TP-Link-nano |-81 -------------+--------------------- Fritzbox |-58
Messung 1.2 – Sondenantenne senkrecht, Sonden-Controller radial
Access-Point |Feldstärke am ESProbe -------------+--------------------- Gateway |-77 -------------+--------------------- TP-Link-nano |-82 -------------+--------------------- Fritzbox |-67
Messung 1.3 – Sonden antenne senkrecht, Controller-tangential
Der Aufbau entspricht Messung 1.2, ESProbe wurde um 90° in der waagerechten gedreht.
Access-Point |Feldstärke am ESProbe -------------+--------------------- Gateway |-78 -------------+--------------------- TP-Link-nano |-82 -------------+--------------------- Fritzbox |-67
Messung 1.4 – Gateway und Sonden-Controller ind paralleler Anordnung, Antennen oben
Access-Point |Feldstärke am ESProbe -------------+--------------------- Gateway |-65 -------------+--------------------- TP-Link-nano |-85 -------------+--------------------- Fritzbox |-65
Variante Messung 1.4b – mit Blechdeckel unter Sonden-Controller
Access-Point |Feldstärke am ESProbe -------------+--------------------- Gateway |-72 -------------+--------------------- TP-Link-nano |-91 -------------+--------------------- Fritzbox |-72
Messung 1.5 – Sonde mit Antenne oben und radialer Richtung, Controller waagerrecht
Der Aufbau entspricht Messung 1.4, ESProbe wurde um 90° in der waagerechten gedreht.
Access-Point |Feldstärke am ESProbe -------------+--------------------- Gateway |-64 -------------+--------------------- TP-Link-nano |-85 -------------+--------------------- Fritzbox |-71
Variante Messung 1.5b – mit Blechdeckel unter Sonden-Controller, Sonde mit Antenne oben und radialer Richtung, Controller waagerrecht
Access-Point |Feldstärke am ESProbe -------------+--------------------- Gateway |-72 -------------+--------------------- TP-Link-nano |-85 -------------+--------------------- Fritzbox |-77
Messung 1.6 – Sonden-Controller aus Breadboard herausgezogen, Sonde mit Antenne oben und radialer Richtung, Controller waagerrecht
Access-Point |Feldstärke am ESProbe -------------+--------------------- Gateway |-64 -------------+--------------------- TP-Link-nano |-88 -------------+--------------------- Fritzbox |-70
Ergebnis Zusammenfassung
Das Beste Ergebnis für die Feldstärke des Gateways für eine Verbindung zwischen zwei ESP8266 (bis zu -58dbm bei Widerholungsmessungen) wird erzielt, wenn
- beide Microcontroller flach und waagerecht angeordnet sind und
- die Antennen parallel und einander zugewandt sind.
Eine Metallfläche unter den Controllern mit Platinen-Antennen verschlechten die Feldstärke jeweils deutlich.
Testreihe 2 – Einfluss des Antennentyps
IN ARBEIT
Anhang
Quellen und Weiterlesen
Stall, Eugen, Verbesserte WLAN-Konnektivität mit externen Antennen für WIFFI, WEATHERMAN und andere Module mit ESP8266 . Der Beitrag beschreibtv einen Umbau des ESP8266 D1 Mini mit einer kleinen Drahtantenne und den dadurch erzielten Feldstärkegewinn.
Glossar
RSSI
RSSI (Received Signal Strength Indication) bezeichnet die relative Signalstärke eines Messpunkts. Sie wird logarithmisch in dbm angegeben.
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
Bezug der Untersuchung zum Projekt Biene40
Das Projekt Biene40 entwickelt vernetzte Sensoren für das Bienenstock-Monitoring. Der hier untersuchte Microcontroller ESP8266 eignet sich gut für den Aufbau solcher Sensoren. Ein Problem solcher IoT-Szenarien stellt die WLAN-Anbindung dar. Bei gegebenen Antennenformen kann die Ausrichtung der Antennen und damit die Ausrichtung der Controller eine Rolle spielen. Dies wiederum hat Auswirkungen, wo im oder am Bienenstock Sensoren befestigt werden können. Die Untersuchungen sollen diesbezüglich Handlungsoptionen aufzeigen.
Programm für den ESP8266 in der Arduino-IDE
QUELLTEXT FOLGT
Listing 1: Programm für den ESP8266 als WLAN-Sonde. Verwendet wird die Arduino-IDE Version 2.2.1 auf MacOS.
Autor und Lizenz
Autor: Prof. Dr. rer. nat. Claus Brell, aktuelle Projekte: Biene40, AI4Bee
Lizenz: CC BY
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@Martin Jetter: Herzlichen Dank. Der Quelltext muss noch von ein paar überflüssigen Relikten befreit werden ..
sehr schön übersichtlich, ich warte schon ganz gespannt auf die Veröffentlichung des quelltextes