前端感測層建置

前端感測層建置是非常重要的前置作業，此層主要是收集環境感測資訊以及

39 步實現於印刷電路板上(Printed Circuit Board, PCB)；上述問題都需要被考量入前端 感測層的設計重點，以下介紹前端感測層各個部分，從機構介紹再到電路模組介

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落平台在天氣炎熱時會聚集大量蜜蜂在蜂箱外部急速拍動翅膀降溫。本系統 外殼下部為放置兩組特殊通道之空間，使在組裝外殼使可順利將特製通道固 定於外殼下部。一般而言，若要搬遷蜂箱時需要先行將蜂箱的阻擋門關上，

以確保蜜蜂無法再進出，如此才可以安全地執行搬移蜂箱作業，但蜂箱裝置 本外殼後，蜂箱本身的門也同時被鎖定無法再動，故本系統外殼加入一可上 下固定之閘門，如圖 3-5 所示，平時閘門是被鎖在上面，故蜂群可以正常進出，

吾人若想搬遷蜂箱進行作業是，可以將閘門放下，以阻擋蜜蜂進出，即可正 常進行一切工作。

圖 3- 3 蜂群行為監測系統外殼實體圖

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圖 3- 4 蜜蜂停留在降落平台實際圖

圖 3- 5 閘門開關示意圖

2. 蜂群行為監測系統特製通道：

本研究所研發的特製通道主要材質是電木，電木是一種粉狀的酚醛樹脂，加 進木屑、石棉或陶土等混合後，在高溫下用模子壓出成品，具有不吸水、不導電、

耐高溫、強度高等特性，因為多用在電器設備裝置上，所以叫做「電木」，由於在 本系統是放置於戶外，所以選擇電木材質以抵抗野外高熱高濕情況，又本通道上

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下端都裝有紅外線收發模組，紅外線收發模組接有 5 伏特直流電，而電木是一個 良好的絕緣材質，故選用電木是最經濟且實用之方案。特製通道實體圖如圖 3-6 所示，特製通道的長寬高為 18 公分、3 公分與 3 公分，上下兩端分別鑽有二十個 直徑 7.5 mm 孔洞，目的是要迎合紅外線收發模組上之紅外線 LED 之直徑；孔洞 內又鑽有 1 mm 之小洞，如此設計之目的是為減少紅外線收發模組之偵測靈敏度，

若孔洞直徑過大，當一隻蜜蜂經過特製通道時可能造成重複偵測同一蜜蜂狀況，

故孔洞內的小洞孔徑直徑不可太大。特製通道上裝有紅外線接收模組而下裝有紅 外線發射模組，而中間孔道部分為直徑 7.5 毫米之大小，因大多數負責出巢覓食的 工蜂其腹部至背部的直徑大約為 6 毫米，為保證其單次僅能有一隻蜜蜂出入計數 蟲道，避免有兩隻蜜蜂同時經過計數蟲道，因此其孔道之孔徑須介於一隻和兩隻 蜜蜂之間。

圖 3- 6 特製通道示意圖

如圖 3-7 所示，吾人把系統裝設於蜂箱出入口做性能測試，蜜蜂可以順利進出 本研究所設計之通道，不會發生蜜蜂卡在通道中間或是難以行進之情況；此外，

工蜂在巢內除負責出去野外採蜜外，負責巢內各個大小事務，例如：維持箱內的 溫度以及濕度在一定水平、照顧幼蟲並餵食其食物、生產蜂蜜以及清理死於箱內 的蜜蜂屍體，其中清理箱內蜜蜂屍體部分，經由系統測試，結果如圖 3-8 所示，可

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以清楚看到蜜蜂拖行著一隻死亡之蜜蜂經由本特製通道順利的出巢，將蜜蜂屍體 搬運到蜂箱外面，所以架設本系統之蜂箱，工蜂清理箱內蜜蜂方面是可行的。

圖 3- 7 蜜蜂進出特製通道

圖 3- 8 蜜蜂由特製通道拖行屍體

3.

本研究所選擇之溫網室都備有穩定的市電(110 伏特交流電)，前端系統電源部 分使用電工鐵盒降壓，如圖 3-9 所示，將 110 伏特之交流電源轉壓成 5 伏特之直流 電源，由於電力來源是市電，故在正常情況下，電源中斷可能性大大降低，提供 整套系統穩定之電源輸出。

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圖 3- 9 電源供應單位實體圖

4. 紅外線收發模組：

紅外線收發模組之收發器實體圖如圖 3-10 以及圖 3-11 所示。紅外線收發模組 是嵌在特製通道的上下端以偵測蜜蜂進出巢行為，紅外線運作原理如下，當正常 供電下，紅外線發射器會持續發射紅外光，而紅外線接受器方面，若接收器沒有 接收到紅外光，則紅外線接收端電阻值會極高，所以在固定電壓下，在紅外線接 收端的兩端電壓會極高，若紅外線接收端接收到紅外光，則紅外線接收器會依接 收到的紅外光多寡，會有不同電阻值的表現。一般來說，接收到越多紅外光，電 阻值會越低，吾人即是利用紅外線接收端此種特性去感測蜜蜂經過特殊通道的行 為。

圖 3- 10 紅外線發射模組

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圖 3- 11 紅外線接收模組

如圖 3-12 所示，當蜜蜂進入特製通道後，紅外線接收端會因為蜜蜂身體的遮 斷而漸漸地收到較少的紅外線發射端的紅外光，當紅外線接收端收到較少之紅外 光時，其電阻值會極高，此時供應在這電路上的壓降大部分會集中在紅外線接收 端上面，所以感測到的電壓由原本 5 伏特降至 0 伏特，由於蜜蜂是逐漸遮斷紅外 線接收端，所以電阻值是由低到高變化，經由圖 3-12 所示，示波器所擷取到的波 型是一個緩慢陡降的波型，此種波型屬於類比訊號(Analog signal)，而本研究所使 用之運算處理核心為 FPGA，FPGA 本身只可接收數位訊號(Digital signal)，若將此 類比訊號直接傳送至運算處理核心，運算處理核心會以誤判訊號之情況產生，所 以在紅外線接收端所送出之類比訊號波需要經過訊號處理模組做波型整理，運算 處理核心才能準確無誤地擷取蜜蜂進出通道信號。

圖 3- 12 蜜蜂經過特製通道所產生之訊號示意圖

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5. 訊號處理模組：

本研究所研發之訊號處理電路板如圖 3-13 所示主要是負責處理由紅外線接收 端送來的信號，由於紅外線接收器端所送來之訊號為類比訊號，故對於本系統所 使用之運算處理核心 FPGA 來說，需要轉換成數位訊號後，運算處理核心 FPGA 才可以執行後續蜜蜂進出判斷階段。如圖 3-14 所示，紅外線接收端之類比訊號經 過訊號處理模組後，轉變為方正的數位信號，數位信號即使受到環境的干擾，造 成失真的機會比類比訊號來得小，而且訊號準為非 0 即 1，對於計算機數位系統判 斷就非常容易且失真機率大大降低。

圖 3- 13 訊號處理模組

圖 3- 14 類比訊號經由訊號處理版轉換為數訊訊號示意圖

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圖 3-15 是訊號處理模組之方塊原理圖，訊號處理模組共使用 LM324 與 HEF4538 兩個晶片(Integrated Circuit, IC)整合於訊號處理模組，LM324 內部為四個 運算放大器(Operational Amplifier, OPA)，如圖 3-16 所示，在此是利用運算放大器 比較器的功能，運作原理如下，當接腳 2 號之電壓比接腳 3 號電壓還高，接腳 1 號會輸出電壓 0 伏特，當接腳 2 號之電壓比接腳 3 號電壓還低，接腳 1 號會輸出 電壓 5 伏特，如表 3-1 所示，藉由運算放大器之比較器功能，紅外線接收模組之訊 號會轉變為非 0(LOW)即 1(HIGH)之訊號，即符合數位訊號之格式。如果只是用運 算放大器處理訊號，當蜜蜂停留在紅外線收發路徑上，會造成訊號一直處在 0 伏 特的情況，但此訊號為同一隻蜜蜂所為，所以會有訊號擷取之問題，為使訊號處 理更臻完美，以確保運算處理核心可以準確接收到訊號，訊號處理模組加入 HEF4538 晶片，本晶片運作原理如表 3-2 所示，運作採負緣觸發運作，當 I0A/I0B 接腳感測到一個由 1 變到 0 的訊號(意即負緣訊號)時，HEF4538 晶片之輸出端

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圖 3- 15 訊號處理模組方塊原理圖

圖 3- 16 LM324 內部構造

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I0A/I0B I1A/I1B CDA/CDB OA/OB OA(bar)/OB(bar)

↓ L H

H ↑ H

  L L H

H = HIGH voltage level; L = LOW voltage level;  = don’t care;

↑ = positive-going transition; ↓ = negative-going transition;

= one HIGH level output pulse, with the pulse width determined by Ctc and RCtc;

= one LOW level output pulse, with the pulse width determined by Ctc and RCtc;

6. 運算處理核心：

本研究使用 FPGA 開發板作為核心運算單位如，FPGA 又稱為現場可編程邏輯 閘陣列，其為一種可以重複改變組態的電路，使用者可對邏輯閘元件進行邊程，

此一產品是用於開發時必須不斷變更設計的應用，因此在實作產品特別有效快速。

FPGA 的邏輯閘特性，可依設計者的需要加以改變，並提供各種基本功能。圖 3-17 為本研究使用之開發板 DE0-Nano Development and Education Board，其為一標準開 發板，但與一般常用的 FPGA 開發板最大的不同處為，其面積較小僅有一般 FPGA

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開發板的四分之一，但其仍擁有 153 個腳位可以用於訊號偵測，且其價格低廉，

大約是其他常用模組的十分之一到五分之一，因應在本研究中需要製作為數相當 龐大的特殊通道計數設備，對於此設備之開發相當有益，同時也有助於推廣蜜蜂 計數設備於蜜蜂出入巢之研究，以便研究人員了解蜜蜂相關習性。

運算處理核心燒錄有本研究所撰寫之硬體描述語言程式，其功用主要是要判 別來自 40 組之紅外線收發模組之訊號，藉由晶片內預先燒錄之進出巢判斷機制來 做分類，並且判斷每個訊號代表蜜蜂是出巢抑或是入巢，並且把蜜蜂出入巢資訊 加總起來，週期性的將這些蜜蜂出入巢資料總數以 UART 方式傳送至無線感測器 節點，目前系統設定每分鐘傳送蜜蜂出入巢資訊至節點。此外，運算處理核心裝 有一個四位數之七段顯示器，目的是方便吾人在組裝蜂群行為監測系統時可快速 地測試 20 個紅外線通道是否正常運作，並且方便在裝置完系統於蜂箱出入口後，

藉由七段顯示器上面所顯示的數字，以方面觀察蜜蜂在出入巢時紅外線是否可以 正常地偵測蜜蜂出入，在進行系統偵錯方便又省時間。

圖 3- 17 DE0-Nano Development and Education Board

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7. 無線感測器節點：

本系統所使用之無線感測器節點為清華大學資工系所開發之Octopus II，其組 成 元 件 如 圖 3-18(a) 與 圖 3-18(b) 所 示 。 Octopus II 使 用 TI 所 生 產 的 8 MHz MSP430F1611微處理器作為核心晶片，由於其低耗能之表現，所以普遍使用在具

本系統所使用之無線感測器節點為清華大學資工系所開發之Octopus II，其組 成 元 件 如 圖 3-18(a) 與 圖 3-18(b) 所 示 。 Octopus II 使 用 TI 所 生 產 的 8 MHz MSP430F1611微處理器作為核心晶片，由於其低耗能之表現，所以普遍使用在具