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".

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.

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… 

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

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

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.

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

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. 

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.