Hani-Mandl.

In den letzten Wochen bastelte der Gartenimker einen Honig-Abfüllroboter, der ihm die Dosierung des Honigs beim Abfüllen in Gläser zuverlässig abnehmen soll. Inspiration und Vorlagen wurden initial publiziert in der Facebook-Gruppe "Imkerei und Technik. Eigenbau".

 

Einführung und Motivation

Im Umfeld der Hobby-Imkerei wird der Honig üblicherweise aus einem speziellen Abfülleimer mit Quetschhahn in Gläser abgefüllt. Das leere Glas wird dabei auf eine Waage unter den Quetschhahn gestellt und dieser von Hand geöffnet. Der Honig fließt aufgrund seiner Zähigkeit mehr oder weniger langsam in das Glas. 

Die Kunst beim Abfüllen besteht darin, den Hahn im richtigen Augenblick zu schließen. Dann dauert es noch einige Sekunden, bis der unter dem geschlossenen Hahn befindliche Honig vollständig in das Glas getropft ist. Hat man den Hahn etwas zu früh geschlossen, dann muss man ihn wieder öffnen, und diesen Schritt gegebenenfalls mehrmals wiederholen. Hat man ihn zu spät geschlossen, dann wurde zu viel Honig ins Glas eingefüllt. Dieser Vorgang ist nicht nur ungenau, sondern auch langweilig und ermüdend. Deshalb soll zukünftig ein einfacher Abfüllroboter unterstützen.

 

Das Helferlein hört auf den Namen „Hani-Mandl“ („Hani“: aus dem englischen „Honey“ abgeleitet und mit österreichischem Akzent ausgesprochen, „Mandl“: österreichisch für „Männlein“).

 

Herzstück des Geräts ist ein Einplatinencomputer. Daran ist eine Waage und ein Servo angeschlossen, der den Quetschhahn bewegt. Der Computer verfügt über ein einfaches Display und einen Piezo-Piepser. Er wird über zwei Taster und einen Drehknopf bedient. Die Betriebsmodi werden über einen Kippschalter ausgewählt.

 

 

Die einzelnen Komponenten wurden in bewährter Weise direkt in China bestellt. Der Nachteil der langen Lieferzeiten ist zugleich ein Vorteil: man hat viel Zeit, das Projekt in der Theorie zu durchdenken und zu planen.

 

Komponenten

Die Steuerung übernimmt ein „Heltec WiFi Kit 32“. Dabei handelt es sich um einen ESP32 Microcontroller mit integriertem 0.96 Inch OLED Display. Als Waage kommt eine 5kg Wägezelle mit einem HX711 AD Wandler zum Einsatz. 

Zum Bewegen des Quetschhahns wird ein DS3218 PRO Servo mit 20kg Stellkraft verwendet, der über eine Spurstange mit diesem verbunden wird.

Zur Eingabe werden ein Drehwinkelgeber, zwei Metalltaster und ein Drei-Wege-Kippschalter verwendet.

Hinzu kommen das Gehäuse sowie diverse Kleinteile wie ein Micro-USB Adapter, ein Piezo Buzzer, ein Schiebeschalter und ein Drehknopf aus massivem Aluminium, nebst einigen M2- und M3-Schrauben.

Viele der Komponenten wurden in China bestellt, einige bei Amazon, das Gehäuse wurde beim lokalen Elektronikhändler erworben.

 

Zur ersten Inbetriebnahme wurden die Komponenten zunächst provisorisch angeschlossen. Als Ersatz für noch nicht gelieferte Teile mussten Teile aus des Gartenimkers über Jahrzehnte reich gefüllter Kruschtelkiste herhalten.

Vorgesehen ist zudem ein Lipo-Akku als redundante Stromversorgung für den Fall, dass die primäre Versorgung ausfallen sollte. Gründe dafür kann es viele geben, vom Stromausfall über Wackelkontakte in Kabel oder Stecker, bis hin zum versehentlich abgezogenen Steckernetzteil. Murphy’s Gesetz sagt, es sei nicht die Frage ob, sondern nur wann diese Fälle eintreten. Es ist anzunehmen, dass so etwas vorzugsweise bei geöffnetem Quetschhahn passiert, und zwar genau dann, wenn es gerade an der Haustür geklingelt hat… 

 

Anschlussplan

Der Anschlussplan zeigt die Verkabelung der einzelnen Komponenten, hingebungsvoll gemalt mit Powerpoint ;-) 

Mechanik und Design

Bodenplatte und Wägeplattform

Bodenplatte und Wägeplattform sind aus 18mm starker Siebdruckplatte gefertigt. Der Wägebalken ist mit einer umlaufenden Kiefernleiste eingefasst (nicht dargestellt).

Servohalterung und Anlenkung des Quetschhahns

Die Befestigung der Servohalterung und der Anlenkung des Quetschhahns am Auslaufstutzen des Abfülleimers erfolgte mit einer Schraubschelle und einem Metallwinkel, der mit einer M8 Schraube befestigt wurde. Servohalterung und Servoarm-Verlängerung wurden aus einem Stück Sperrholz gefertigt.

Diese Baugruppe macht zugegebenermaßen noch einen recht provisorischen Eindruck - da finden sich in der Community inzwischen sehr viel ansprechendere Ausführungen. Dies zu überarbeiten ist Aufgabe für eine Version 2.0, die nach der Honig-Abfüll-Saison umgesetzt werden könnte.

 

Programmcode und Modifikationen

Der ESP32 wird zum Programmieren über USB an den PC angeschlossen. Die Programmierung erfolgt in der Programmiersprache C innerhalb der Entwicklungsumgebung „Arduino IDE“.

 

Größte Herausforderung ist sicherlich die Implementierung eines geeigneten Regelalgorithmus, der die Änderungen der Fließgeschwindigkeit abhängig von der Viskosität des Honigs (abhängig von Honigsorte, Temperatur, Kristallisation) und des Drucks (abhängig vom Füllstands des Eimers) korrigiert.

 

Derzeit ist ein recht pragmatischer Ansatz umgesetzt, der im Prinzip so arbeitet, wie ein Mensch das tun würde. Noch genauere Ergebnisse wären vermutlich mit einem PID-Regler zu erzielen. Es wurde allerdings eine Adaption („Auto-Korrektur“-Funktion) implementiert, die bei jedem befüllten Glas die Abweichung vom Sollgewicht erfasst und diese Differenz als Korrekturwert für den nächsten Befüllvorgang „lernt“. Mit dieser Funktionalität wird eine in der Praxis ausreichende Genauigkeit erreicht.

 

Der Gartenimker hat einige kleinere „kosmetische“ Verbesserungen implementiert und kleinere Fehler behoben. Andreas Holzhammer, einer der Programmierer, hat diese Modifikationen weiterentwickelt und in den „offiziellen“ Programmcode übernommen.

 

Weitere Ideen zur Erweiterung der Funktionalität:

  • Akustische Rückmeldung über den Piepser ausbauen, Silent Modus über Menü einstellbar
  • Zählwerk: Anzahl der befüllten Gläser und Honigmenge, heute und insgesamt, im EEPROM speichern

Des Gartenimkers Sohn, der an einer Elite-Uni Informatik studiert, lacht übrigens über den Programmcode, muss aber zugeben, dass er funktioniert, und meint, das Ganze sei für einen Maschinenbauer auch gut genug J

 

 

Betrieb

Das Befüllen der Gläser funktioniert hervorragend. Die Arbeitsgeschwindigkeit mit Unterstützung des Kübelroboters ist deutlich höher als zuvor, und die Hände werden nicht mehr klebrig, da der Quetschhahn nicht mehr berührt werden muss. Die Füllmenge wird mit einer Genauigkeit von 1g eingehalten. 

Anmerkungen

Der Anpressdruck der Lagerschraube am Quetschhahn musste so eingestellt werden, dass sich der Hahn leicht bewegen lässt. Das ist ein Balanceakt, denn wenn die Schraube zu locker ist, dann dichtet der Hahn nicht mehr 100% ab.

 

 

Wichtig war auch, zur Spannungversorgung des Servos nicht den 5V-Pin des Microcontrollers zu nutzen, sondern ihn direkt an die USB Versorgungsleitung anzuschließen, um den doch recht hohen Strombedarf zu decken. 

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Kommentare: 12
  • #1

    Gertraud Kuder (Sonntag, 19 Juli 2020 12:41)

    Das ist ja ein Wahnsinns-Know how, welches da drinnen steckt in Eurem Hani-Mandl!
    Das könntest Du wahrscheinlich patentieren lassen, Herr Dipl.Ing.
    Kannst echt stolz darauf sein!!!!!
    Liebe Grüße auch an Lisa - das "Hani-Madl"
    von Mama/Oma

  • #2

    Christian Schmidt (Samstag, 02 Januar 2021 18:50)

    Moin :-) Gerade über Ecke (Facebook Nachfrage zum Thema Met abfüllen :-) ) auf deine / eure Seite gekommen.

    Coole Konstruktion. Ich habe selbst in ähnlicher Richtung überlegt, jedoch bin ich tatsächlich am "Ablass" gescheitert. Die Steuerung ansich sollte nicht das Problem sein...

    Wie auch immer - ich wollte mal schöne Grüße aus Nordhessen da lassen. Gute Arbeit!

    Viele Grüße

    Christian

  • #3

    Fux (Freitag, 19 Februar 2021 13:49)

    Mich würde mal interessieren, ob das Servo bei Deiner Schaltung im Falle eines Stromausfalls noch ausreichend Strom durch den Akku erhält, um (ohne Systemabsturz) sicher zu schließen.

    Warum betreibst Du den Rotary Encoder mit 5V? Meines Wissens sind die Eingänge des ESP32 nicht spannungsfest.

  • #4

    Johannes (Sonntag, 21 Februar 2021 18:56)

    Der Akku liefert 4.2V (wenn er voll geladen ist, was ja eigentlich immer der Fall ist). Das reicht dem ESP32 und auch dem Servo. Obwohl außerhalb der Spec betrieben, schließt der Servo schließt den Hahn zuverlässig, wenn dieser leichtgängig genug eingestellt ist.

    Der Rotary hängt bei mir an 5V, entsprechend der Spezifikation des KY-040. Du hast aber Recht mit Deinem Hinweis, dass die GPIOs des ESP32 mit max. 3.3V spezifiziert sind. Das ist also tatsächlich ein Fehler, richtig wäre Anschluss an 3.3V. Witzigerweise funktioniert es aber trotzdem. Das Glück des Dummen, würde ich sagen ;-)

    Habe es in der Systemskizze oben entsprechend korrigiert, für alle Nachbauer.

  • #5

    Sebastian (Sonntag, 28 März 2021 03:06)

    Hallo, das Teil ist echt super. Kannst du ggf. auch den Programmcode posten? Mit freundlichen Grüßen Sebastian

  • #6

    Johannes (Sonntag, 28 März 2021 12:35)

    Hallo Sebastian, detaillierte Informationen zum Projekt und auch den Link zum Programmcode findest Du auf der offiziellen Seite https://community.hiveeyes.org/t/hanimandl-halbautomatischer-honig-abfull-roboter/768

  • #7

    Jörg (Dienstag, 20 Juli 2021 15:12)

    Hallo Johannes,

    ein kleiner Hinweis zu deinem Verdrahtungsplan.
    Bei den neueren Versionen des Heltec Controllers (ab V2) wurde das Batteriemanagement korrigiert. VBAT wird nun nicht mehr intern auf die +5V zurückgeführt. In Folge dessen funktioniert der Servo im Akkubetrieb nicht mehr nach deiner Verschaltung. Um dieses Problem zu lösen muss der plus-Pol des Servos anders angeschlossen werden. Ich habe mich dabei für ein mini-Relais (AXICOM D2N) entschieden und wechsle damit zwischen USB und Akku.
    Ich habe mich erdreistet deinen Verdrahtungsplan entsprechend zu erweitern. Kannst du hier gern mit veröffentlichen, wenn du magst.
    Siehe Dropbox:
    https://www.dropbox.com/s/0l18niv5rni2zcr/Schaltplan_f%C3%BCr_v2.jpg?dl=0

  • #8

    Guenther (Mittwoch, 05 Januar 2022 12:50)

    Sorry aber das mit dem Akku kapier ich einfach nicht.
    Der ESP32 hat da wo Rot/Schwarz auf der rechten Seite als Akku-Anschluss eingezeichnet ist, keine Pin´s.
    Hat der ESP eigene (Lade)Anschlüsse für den Akku, oder hängt der einfach an den 5V Pin´s mit dran?

  • #9

    Johannes (Mittwoch, 05 Januar 2022 13:03)

    Hallo Guenther, der ESP hat dort einen Ladeanschluss in Form einer Steckbuchse. Ich würde aber inzwischen keinen Akku mehr verbauen, weil wie oben geschrieben wird der Servo außerhalb der Spec betrieben, weshalb das u.U. nicht zuverlässig funktioniert (Exemplarstreuungen). Außerdem: Der Akku sollte eine Vorrichtung sein um im Notfall den Hahn genau einmal schließen zu können wenn z.B. das Netzteil versehentlich ausgesteckt wird. Nun kann es aber auch passieren, dass jemand überhaupt vergisst das Netzteil einzustechen und das Gerät von vorne herein auf Akku läuft... und dann plötzlich aussteigt, weil der Akku leer geht. Dann ist das vermeintliche Sicherheitsfeature plötzlich eine gemeine Falle und bewirkt das exakte Gegenteil.

    Also: besser ohne Akku bauen :-)

  • #10

    Guenther (Mittwoch, 05 Januar 2022 14:10)

    Danke für die schnelle Antwort, aber inzwischen hätte ich es selbst rausgefunden.
    Hier habe ich ein Bild mit angeschlossenem Akku gefunden:
    https://www.thethingsnetwork.org/forum/t/big-esp32-sx127x-topic-part-1/10247?page=2

    Das mit der Notfunktion zum Schliessen geht mir auch die ganze Zeit durch den Kopf.
    Was mir dazu eingefallen ist, wäre eine einfache mechanische Lösung.
    Und zwar daß man den Quetschhahn mit einer Gabel an das Servo anschliesst und der Gabeldorn nur mit einem grösseren ß-Splint gesichert ist.
    Wenn die ganze Pampe mal offen stehenbleibt (aus welchen Gründen auch immer), den Splint ziehen, den Dorn raus und zumachen.

  • #11

    Johannes (Mittwoch, 05 Januar 2022 14:12)

    Geht viel einfacher: Wenn der Servo stromlos ist, lässt sich der Arm ganz leicht bewegen. Also einfach Hahn zu und gut :-)

  • #12

    Fux (Montag, 04 April 2022 08:36)

    Wie viele Honiggläser lassen sich denn ungefähr - ohne eingestecktes Netzteil - mit einer Ladung des 500mAh-Akkus abfüllen bzw. mit welcher Restlaufzeit des Gerätes kann man in etwa rechnen?