iSpindel — Die Idee

Einsatzbereite iSpindeln

Ver­mut­lich gibt es den Brau­er nicht, der von der Neu­gier geheilt ist. Mit zuneh­men­der Erfah­rung ver­schiebt sich nur der Punkt, an dem die Neu­gier über die Vor­sicht siegt, nach hin­ten – irgend­wann muss man ein­mal anfan­gen, den Rest­ex­trakt zu mes­sen.

Man ver­bringt Tage damit, das per­fek­te Rezept zu desi­gnen, und beginnt den lan­gen Brau­tag. Das Malz wird gewo­gen und kon­di­tio­niert, die Quet­sche fein­jus­tiert, das Brau­was­ser getunt, die Tem­pe­ra­tur beim Mai­schen skep­tisch kon­trol­liert, und dem Kocher wird per­ma­nen­te Schüt­zen­hil­fe geleis­tet. Wirk­lich nichts wird dem Zufall über­las­sen. Nach dem Rehy­drie­ren der Hefe und dem Anstel­len beginnt die Unge­wiss­heit, und der Kon­troll­ver­lust sägt an den Ner­ven­enden. Tage­lan­ges War­ten, deu­ten von Blub­ber­in­ter­val­len, und irgend­wann die­se end­lo­se Stil­le. Ver­än­dert sich der Rest­ex­trakt­ge­halt noch, oder ist es Zeit zum Abfül­len? Der Fla­schen­gä­rer und der Zwangs­kar­bo­ni­sie­rer wer­den unge­dul­dig und der Grün­schlau­cher ner­vös, den per­fek­ten Zeit­punkt zu ver­pas­sen. Doch bei jedem Öff­nen des Gär­be­häl­ters pocht das schlech­te Gewis­sen, den hei­li­gen Sud dabei zu infi­zie­ren.

Als Hobbybrauer‐​Quereinsteiger bin ich von Anfang an über die­sen Sta­tus quo gestol­pert. Es wird qua­si nichts dem Zufall über­las­sen, aber zum Ver­lauf der Gärung hat man sel­ten mehr als ein vages Bauch­ge­fühl. Wäre es nicht schön zu mes­sen, wann die Hefe ange­kom­men ist? Von der Arbeit aus zu beob­ach­ten, wie der Extrak­te­ge­halt des Jung­biers abnimmt? Recht­zei­tig zu erken­nen, dass die Hefe doch nicht ankommt? Die ech­te Tem­pe­ra­tur im Gär­ei­mer zu ken­nen, anstatt Annah­men anhand der Außen­tem­pe­ra­tur zu tref­fen? Wür­de man sich nicht über eine Weck‐​SMS freu­en, wenn der der per­fek­te Zeit­punkt zum Grün­schlau­chen gekom­men ist? Oder getrost in den Urlaub fah­ren und das Anhe­ben auf Dia­ce­tyl­rast­tem­pe­ra­tur von einer Auto­ma­tik steu­ern las­sen?

Das Experiment

Ganz klar! Es muss­te eine Lösung dafür gefun­den wer­den. Das Prin­zip der Spin­del zur Mes­sung der Dich­te ist bewährt und vor allem por­ta­bel, ein­fach zu hand­ha­ben und gut sau­ber zu hal­ten.

Folg­lich wäre eine Spin­del ide­al, deren Mess­wert digi­tal gele­sen wer­den kann. Der ers­te Ansatz war, die Ein­dring­tie­fe durch zwei Elek­tro­den zu mes­sen. Dabei stell­te sich her­aus, dass die Kräu­sen elek­trisch lei­tend sind und das Ergeb­nis ver­fäl­schen. Es muss­te ein ande­res Prin­zip her! Bei der Recher­che kamen mir das Kickstarter‐​Projekt Tilt und des­sen Prin­zip eines kip­pen­den Zylin­ders zu Augen. Das wäre eigent­lich die per­fek­te Lösung, wenn es nicht die Ein­schrän­kun­gen gäbe, die durch die Bluetooth‐​Übertragung gege­ben sind. Die Erfor­der­nis, mit dem Smart­pho­ne in die Nähe des Gär­fas­ses gehen zu müs­sen, wider­strebt der eigent­li­chen Idee, alles aus der Fer­ne zu über­wa­chen und auto­ma­tisch die Daten wei­ter­ver­ar­bei­ten zu kön­nen.

Wenn man sowie­so an Flug­steue­run­gen arbei­tet, ist folg­lich der nächs­te logi­sche Schritt, die Lage­er­ken­nung der elek­tro­ni­schen Spin­del mit einem WLAN‐​fähigen Mikro­con­trol­ler zu kom­bi­nie­ren, um die Daten des Beschleu­ni­gungs­sen­sors im WLAN zur Ver­fü­gung zu stel­len. Von nun an hat man alle Frei­hei­ten und kann dar­auf auf­bau­en.

Das Konzept

Die Wahl fiel auf den ESP8266, da die­ser leicht ver­füg­bar und schon in vie­len ver­schie­de­nen Boards zur Ver­fü­gung steht. Dazu kommt ein klas­si­scher Beschleu­ni­gungs­sen­sor MPU60x0, der aus der Smartphone‐​Produktion stammt, durch sei­ne Genau­ig­keit sei­nen Sie­ges­zug antrat und inzwi­schen Quasi‐​Standard bei der Kopter‐​Flugsteuerung gewor­den ist. Mit etwas Trick­se­rei passt er Hucke­pack auf den Micro­con­trol­ler, womit das Test‐​Setup schon fast zusam­men­ge­stellt war. Eine LiPo‐​Zelle bringt die nöti­ge Ver­sor­gungs­span­nung, und nach einem Abend war eine ers­te Firm­ware gestrickt, die die Daten sen­den kann. Das Expe­ri­ment konn­te begin­nen. Als Gehäu­se muss­te ein Brau­se­ta­blet­ten­be­häl­ter her­hal­ten, der genü­gend Platz für die Bau­tei­le her­gab.

Doch wie ver­hält sich ein schwim­men­der Zylin­der in Schräg­la­ge nun bei Dich­te­än­de­run­gen? Dazu ergab die Recher­che im Inter­net erschre­ckend wenig Auf­schluss, also muss­ten empi­ri­sche Erfah­run­gen gesam­melt wer­den.

Eine Test­rei­he zur Simu­la­ti­on ver­schie­de­ner Extrakt­ge­hal­te wur­de auf­ge­baut. Test­lö­sun­gen mit rei­nem Lei­tungs­was­ser und typi­schen Eck­wer­ten zwi­schen 2 und 20° Pla­to wur­den ange­mischt und die Brausetabletten‐​Spindel dar­in ver­senkt, die dann mun­ter ihren Win­kel an den Com­pu­ter sen­de­te. Das kon­ti­nu­ier­li­che Hin­zu­ge­ben von Trimm­ge­wich­ten hat schnell erge­ben, dass ein Bereich exis­tiert, in dem es grö­ße­re Win­kelän­de­run­gen bei unter­schied­li­chen Dich­ten gibt. Die gesam­mel­ten Mess­wer­te erga­ben, dass der Bereich mit der höchs­ten Emp­find­lich­keit bei 45 Grad Nei­gung liegt und in die­sem Bereich ein annä­hernd linea­rer Kur­ven­ver­lauf vor­liegt.

Wenn man nun die­sen Bereich um die Mit­te der zu erwar­te­ten Stamm­wür­ze ansie­delt (10 °P), ergibt das einen „Sweet Spot” von ca. 25° in rei­nem Was­ser. Damit waren wich­ti­ge Grund­la­gen gesam­melt, und der ech­te Test muss­te erfol­gen.

Nun muss­te ein schnel­ler Sud gebraut wer­den, um das Erforsch­te zu bele­gen. Lei­der war nach einem Tag Betrieb auch schon der Akku leer, denn der ESP mit WLAN ist logi­scher­wei­se – was Mikro­con­trol­ler betrifft – ein Strom­fres­ser. Eine intel­li­gen­te­re Lösung muss­te her!

Das Schlafen

Das Daten­blatt brach­te eine wert­vol­le Funk­ti­on zuta­ge, die es ermög­licht, den Mikro­con­trol­ler gezielt in den Schlaf­zu­stand zu schi­cken respek­ti­ve wie­der auf­zu­we­cken. Im Grun­de wird er auch nur dann benö­tigt, wenn er die WLAN‐​Verbindung auf­baut, den Sen­sor aus­liest und die Daten sen­det. Da sich die Dich­te wäh­rend der Gärung auch nur sehr lang­sam ändert, ist es völ­lig unpro­ble­ma­tisch, den Micro­con­trol­ler 99 % sei­ner Zeit in den Schlaf­zu­stand zu schi­cken. Da der Strom­ver­brauch in die­sem „deep sleep” um den Fak­tor 1.000 gerin­ger ist, kann man ablei­ten, dass die Ener­gie­men­ge des Akkus eine bestimm­te Anzahl Daten­sät­ze erzeu­gen kann oder im Umkehr­schluss die Lauf­zeit abhän­gig von der Schla­fens­zeit ist. Mit ande­ren Wor­ten, eine lan­ge Lauf­zeit ist mög­lich, wenn man die Pau­sen ent­spre­chend ver­län­gert.

Die Wahl des Messintervalls bstimmt die Laufzeit

Die Wahl des Messintervalls bestimmt die Laufzeit (Panasonic NCR18650B)

Die Messwerte

Das Expe­ri­ment ver­lief erfolg­reich, jetzt muss­te nur noch ein attrak­ti­ver Web­dienst gefun­den wer­den, der die Daten anspre­chend auf­be­rei­ten kann. Der Anbie­ter Ubi­dots kris­tal­li­sier­te sich als guter Kom­pro­miss her­aus. Dort kann man auch die Daten wei­ter­ver­ar­bei­ten, den Win­kel in Extrakt­ge­halt umrech­nen und auto­ma­ti­sche Benach­rich­ti­gun­gen ver­sen­den.

Das Projekt

Wie geht es jetzt wei­ter mit dem Pro­jekt? Wie aus dem Test­auf­bau eine sta­bi­le Lösung bau­en, was gibt es für attrak­ti­ve­re Behält­nis­se als die Brau­se­ta­blet­te? Besteht eigent­lich Inter­es­se sei­tens ande­rer Hob­by­brau­er?

Nach der ers­ten Vor­stel­lung der iSpin­del im Hob­by­brau­er­fo­rum war klar: Das Inter­es­se ist über­wäl­ti­gend! Durch das Feed­back im Forum wur­de das Pro­jekt kon­struk­tiv vor­an­ge­trie­ben. Pet­lin­ge aus der Geträn­ke­indus­trie fan­den sich als geeig­ne­tes Gehäu­se, und der 3D‐​Druck‐​Schlitten zur sta­bi­len Unter­brin­gung der Bau­ele­men­te im Pet­ling ergab eine sta­bi­le Mon­ta­ge der Bau­ele­men­te. Her­bert Schmid aus Öster­reich erstell­te das Pla­ti­nen­lay­out der ers­ten iSpindel‐​Platine und orga­ni­sier­te mit eini­gen freund­li­chen Hel­fern eine groß­an­ge­leg­te Sam­mel­be­stel­lung, wodurch sich der Zusam­men­bau deut­lich ver­ein­fach­te. Jens War­ken­tin bemüh­te sich im Hin­ter­grund inten­siv um ver­läss­li­che Lie­fer­quel­len für Pet­lin­ge und Deckel und fand einen Händ­ler, der 3D‐​Drucke lie­fern konn­te und bereit war, alle Bau­tei­le in Form eines Pakets anzu­bie­ten. 

Das Pro­jekt iSpin­del war gebo­ren. Eine Kom­mer­zia­li­sie­rung ist nicht mein Ziel, was auch wegen des patent­recht­lich geschütz­ten Prin­zips des Tilt‐​Hydrometers pro­ble­ma­tisch gewor­den wäre. Statt­des­sen ist das Pro­jekt zum nicht­kom­mer­zi­el­len Nach­bau frei­ge­ge­ben. Quell­code und Firm­ware samt Doku­men­ta­ti­on und Schalt­plä­nen sind ver­öf­fent­licht, und ein Händ­ler wur­de gefun­den, der alle benö­tig­ten akti­ven und pas­si­ven Tei­le zum Nach­bau in einem Paket anbie­tet.

In den fol­gen­den Arti­keln wird näher auf den genau­en Auf­bau ein­ge­gan­gen. Wer sich das nicht zutraut, kann mich ger­ne im Forum oder über mail@iSpindel.de anschrei­ben; wir orga­ni­sie­ren für sol­che Fäl­le regel­mä­ßig Klein­se­ri­en.

Der Status quo

Die iSpin­del hat ihren welt­wei­ten Sie­ges­zug ange­tre­ten. Neben tau­sen­den Nach­bau­ten durch Hob­by­brau­er aus aller Welt wird das iSpindel‐​Komplettpaket von 3D Mecha­tro­nics nach dem ers­ten Ansturm etwa 350–400 Mal pro Jahr ver­kauft. Hin­zu kom­men vie­le Pla­ti­nen, 3D‐​Druck‐​Schlitten und Pet­lin­ge im Ein­zel­ver­kauf. Die Kund­schaft beschränkt sich nicht auf den deutsch­spra­chi­gen Raum. Die wei­tes­ten iSpindel‐​Kunden kom­men aus Dubai, Aus­tra­li­en, Süd­ko­rea, Bra­si­li­en und den USA. Vie­le aus Nor­we­gen, den Nie­der­lan­den, Spa­ni­en und Ita­li­en.

Eben­so posi­tiv hat Ubi­dots auf die ste­tig wach­sen­de Zahl der iSpindel‐​Nutzer reagiert. Dort hat man selbst mit dem Brau­en begon­nen und nutzt wie selbst­ver­ständ­lich die iSpin­del zum Über­wa­chen der Gärung. Ende letz­ten Jah­res gab es ein Brain­stor­ming mit Agus­tin Pela­ez, dem CEO von Ubi­dots, um her­aus­zu­fin­den, wie die iSpin­del noch bes­ser durch die Online‐​Plattform unter­stützt wer­den kann. Dabei wur­den vie­le Anre­gun­gen aus­ge­tauscht und das Feed­back aus der Hobbybrauer‐​Community dis­ku­tiert.

Das Messinstrument?

Kann man nun sei­ne klas­si­sche Spin­del, das Refrak­to­me­ter oder gar das Easy­Dens ent­sor­gen?

Natür­lich nicht! Es muss bedacht wer­den, dass die iSpin­del kein Präzisions‐​Messinstrument sein will, son­dern nur den Extrakt­ab­bau über die Zeit dar­stel­len kann. Eine höhe­re Genau­ig­keit als +/​‐ 0,5 %w/​w ist nicht zu erwar­ten. Wäh­rend der Gärung sind die Stör­ein­flüs­se im Gär­bot­tich sehr hoch. Die iSpin­del kann von Kräu­sen über­la­gert wer­den, Brand­he­fe kann an ihrem Deckel kle­ben, und CO2‐​Bläschen kön­nen sie nach oben zie­hen. Das führt folg­lich zu Abwei­chun­gen, ver­gleich­bar mit einer nor­ma­len Spin­del, die in der wal­len­den Gärung auch kei­ne prä­zi­sen Mess­wer­te ermög­licht.

Jedoch ist die iSpin­del trotz die­ser „Neben­ge­räu­sche” sehr prä­zi­se in der Lage, Dich­te­än­de­run­gen im Jung­bier zu mes­sen. Dabei ist sie wesent­lich sen­si­bler als eine klas­si­sche Spin­del, die alter­na­tiv zur Mes­sung des Rest­ex­trakts ver­wen­det wer­den wür­de. Es kommt vor, dass das Ende der Gärung sehr schlep­pend ver­läuft. Einen Extrakt­ab­bau von 0,05 %w/​w pro Tag könn­te man mit einer klas­si­schen Bier­spin­del oder mit dem Refrak­to­me­ter schlicht­weg nicht erken­nen. Mit der iSpin­del ist das kein Pro­blem, sogar ohne dabei den Gär­ei­mer zu öff­nen. Die iSpin­del ersetzt also nicht das Mes­sen des Rest­ex­trakts am Ende der Gärung, aber sie lie­fert deut­lich wert­vol­le­re Infor­ma­tio­nen über den Gär­ver­lauf.

Die Zukunft

Kein Pro­jekt ohne Ver­bes­se­rungs­mög­lich­kei­ten. Die Soft­ware wird per­ma­nent ver­bes­sert, bis heu­te sind schon über 30 klei­ne­re und grö­ße­re Neue­run­gen ein­ge­baut wor­den. Dar­un­ter fal­len ver­ein­fach­te Updates, vie­le unter­schied­li­che Server‐​Systeme, die neben dem ursprüng­li­chen Ubi­dots unter­stützt wer­den. Es besteht doch ein gro­ßes Inter­es­se, die Daten im „Haus” zu belas­sen. Das wider­spricht dem Prin­zip ja nicht, im Gegen­teil soll jeder mit sei­nen Daten anfan­gen, was er will. Auch in Zukunft wird es wei­te­re Schnitt­stel­len geben; es hat sich jedoch eine all­ge­mei­ne Schnitt­stel­le gebil­det, die wie­der­um von den ver­schie­de­nen Ser­ver­sys­te­men imple­men­tiert und aus­ge­wer­tet wer­den kann.

Remote Konfiguration

Wei­te­re grö­ße­re Anpas­sun­gen ent­ste­hen mit der dem­nächst fer­tig­ge­stell­ten Funk­ti­on, die Intervall‐​Einstellung von außen ändern zu kön­nen. Mit einer zukünf­ti­gen Firmware‐​Version wird es mög­lich sein, die Inter­val­le nicht nur durch die Kon­fi­gu­ra­ti­ons­sei­te zu kon­fi­gu­rie­ren, son­dern wäh­rend der Gärung über das Ubidots‐​Dashboard anzu­pas­sen. Ande­re Server‐​Backends wer­den fol­gen.

Dadurch erhält man die Mög­lich­keit, am Anfang der Gärung eine schnel­le und genaue Auf­lö­sung zu erhal­ten bzw. im spä­te­ren Ver­lauf, wenn sich die Gärung ver­lang­samt, den Akku zu scho­nen. Man kann damit womög­lich auch ver­mei­den, die iSpin­del für jeden Sud neu kon­fi­gu­rie­ren zu müs­sen, was den täg­li­chen Ein­satz doch erheb­lich ver­ein­fa­chen wür­de.

Als Bei­spiel, wie das ein­ge­rich­tet wird, hier bebil­dert anhand Ubi­dots. Im Dash­board fügt man ein Wid­get „Sli­der” hin­zu, den man auf die Varia­ble „inter­val” ver­bin­det.

Nun hat man einen Schie­be­reg­ler, der von der iSpin­del in regel­mä­ßi­gen Abstän­den abge­fragt wird und die Inter­vall­zeit intern ersetzt. Natür­lich gehört etwas Vor­sicht dazu, denn ein hoher Wert wird den nächs­ten Kon­takt ent­spre­chend lan­ge ver­zö­gern.

Die Signalstärke

Eine wei­te­re nütz­li­che Funk­ti­on ist das Über­mit­teln der Emp­fangs­stär­ke der iSpin­del als Daten­quel­le. Damit las­sen sich Situa­tio­nen klä­ren, bei denen nicht alle Wer­te emp­fan­gen wur­den, und die Fra­ge beant­wor­ten, ob man einen WLAN‐​Extender in der Nähe des Gär­be­häl­ters instal­lie­ren soll­te. Als Anhalts­punkt kann gel­ten, dass der RSSI nicht unter -80dBm lie­gen soll­te.

WLAN Signalstärke

WLAN-Signalstärke und Restextrakt

… und mehr

Wei­ter­hin wird an der Mög­lich­keit geforscht, über einen Hel­lig­keits­sen­sor und eine Licht­quel­le im Infrarot‐ oder Ultraviolett‐​Bereich die Trü­bung zu mes­sen, um damit noch mehr Details zur Hefe­ak­ti­vi­tät zu erhal­ten.

Die ver­mut­lich größ­te Neue­rung wird sein, die Reich­wei­te zu erhö­hen. Da WLAN im 2,4-GHz-Bereich begrenz­te Reich­wei­te hat und kaum die Fähig­keit besitzt, durch Was­ser oder Edel­stahl­be­häl­ter zu drin­gen, ermög­licht die Nut­zung eines nie­der­fre­quen­ten Fre­quenz­bands eine neue Dimen­si­on an Reich­wei­te. Damit sind dann auch wei­te­re Expe­ri­men­te von Unter­was­ser­mes­sun­gen mög­lich. In dem Zusam­men­hang wird mit einer neue­ren MCU expe­ri­men­tiert, und auch ein Dis­play mag mög­lich sein. Sobald das ver­füg­bar ist, wer­de ich Details im Hobbybrauer‐​Forum bzw. auf der Web­sei­te www.ispindel.de ankün­di­gen. Bleibt also dabei!

Schreibe einen Kommentar