國立臺灣大學生農學院生物產業機電工程學系 碩士論文
Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering College of Bioresources and Agriculture
National Taiwan University Master Thesis
環境因子影響下之蜜蜂活動監測
Monitoring Honey Bee Activity Influenced by Environmental Factors
陳啟輝 Chen, Chi-Hui
指導教授：謝志誠 博士 Advisor: Shieh, Jyh-Cherng, Ph.D.
共同指導教授：江昭皚 博士 Co-Advisor: Jiang, Joe-Air, Ph.D.
中華民國 103 年 7 月
July, 2014
I
誌謝
時光匆匆，一轉兩年的研究所忙碌生活結束了，感謝 Lab303 的各個同仁，
碩二的夥伴：昱凱、季陽、宇騏、小萬，碩一的學弟妹：薛哥、芋圓、鯨魚、得 棟、士豪，博士班：鬍子、胖哥、XYZ、家榜哥，以及教導我 FPGA 以及提供 很多寶貴意見的龍哥，碩零即將承接我計畫的韋勝，以及實驗室助理：瑋哥、慕 華姐們的幫忙，要感謝的人太多了，有你們幫忙我才能夠順利的過每一個關卡。
謝謝我的最漂亮最聰明最有效率的最有耐心女朋友─Carol，感謝你在我低 潮時陪我度過，謝謝我的老媽無私的奉獻，給我如此大的自由讓我發揮，要感謝 的人太多了，感謝天吧!
寫於 下午兩點零一分
臺灣大學知武館 303 室 中華民國 103 年 8 月 11 日
II
中文摘要
本研究為設計並研製一蜂群行為即時監測系統，並將系統安裝至蜂箱出入口，
目的為監測蜂群每日出入蜂箱之行為，系統亦監測當下之環境溫濕度與蜂箱內溫 濕度，藉由這些感測資訊(蜂群出入數、環境溫濕度與蜂箱內溫濕度)進行分類與 統計分析，透過大量蒐集之感測資訊以了解各環境因子之消長對上蜜蜂出入巢行 為之變化；以往研究人員在觀察蜂群強度時只以目測方式判斷，如此可能會有因 人而異的偏差結果，而且需要投入大量研究人員觀察蜜蜂，但本研究之貢獻在於 可數據化每日蜂群出入巢狀況，對於將來做各種大規模蜂群行為試驗，本研究所 研製之系統可提供精準的數據化資訊。
為偵測蜜蜂出入蜂箱行為，本研究設計一特製通道，特製通道大小經過測試 除可讓蜜蜂正常進出，通道大小亦可足夠讓內勤蜂搬運蜂箱內蜜蜂屍體到蜂箱外，
特製通道上下處裝有兩組紅外線收發模組，運用紅外線被蜜蜂阻斷之訊號，運算 核心可分辨為出巢或是入巢行為；本系統使用無線感測器網路(Wireless Sensor Networking, WSN)，感測資料可即時以無線傳輸方式將資料送至附近之閘道器，
此功能可節省大量人力。
結果方面，從 18 萬筆感測資訊中，我們繪製三十日之每日蜜蜂出入數量折 線圖並且比對三十日之平均環境溫度與平均環境相對濕度，發現蜂群在溫度越高 時出入巢活動力會越高，若再加上環境相對濕度較低狀況，蜜蜂出入巢活動力會 更加旺盛，故結論為環境溫度上升對於蜜蜂出入巢活動力亦會上升，若當時環境 相對濕度也在 55%~70%之間，蜜蜂出入巢活動力會更加旺盛。
關鍵字：蜜蜂出入巢行為、環境因子變化對蜜蜂出入巢活動影響、蜂群監測、蜜 蜂每日出入巢計數
III
Abstract
In previous studies, to monitor honeybee activity largely depends on manual way to get all information including the relative humidity and temperature in beehives and bee flight activity and so on. However, there is lots of weakness about using manual way to monitor the behaviors of honeybees. For example, intensive bee labors are the most difficult problem, because to monitor all behaviors of honeybees should depend on lots of researchers to stay near the experiment place researchers. In this study, a micro surveillance system for honeybee behavior monitoring with wireless sensor networking (WSN) was designed and implemented. The proposed system was fixed at the entrance of a beehive to monitor the behavior of honeybee in-and-out to. In the meantime, the proposed system can detect the ambient temperature & humidity and the beehive temperature & humidity. Having the huge sensing data, we can analyze the data and make a deep understanding about the relationship between the change of environmental factors and the behavior of honeybee in-and-out. In addition, the contribution of the proposed system is to specify the one day in-and-out number of honeybees. Based on the one day in-and-out number of honeybees, researchers can decide the activity of every beehive precisely.
In order to detect the getting-in bees and getting-out bees, a specially made counting passageway is designed to limit the bees’ path. Paired infrared transceivers were utilized on the top and the bottom sides to detect the bees. When bees go through the passageway, infrared transceiver will be blocked by the bee, and then the infrared transceiver will send the signal that the infrared is blocked to the core computer. The core computer in proposed system can differentiate the getting-in bees from getting-out bees. Also, the proposed system is combined with wireless sensor
IV
node. All sensing data was transmitted to the nearby gateway by a sensor node.
Having the function of wireless sensor networking can save intensive manpower.
According to the results of the experiments, we plotted the line graph of thirty days and compare the in-and-out number of honeybees with average temperature and relative humidity of thirty days. We found the tendency that the honeybee in-and-out activity increases with the increasing ambient temperature. If the ambient relative humidity is low, the honeybee in-and-out activity would get more and more energetic.
In conclusion, if the ambient temperature is getting more higher and the ambient relative humidity is between 55% and 70%, the honeybee in-and-out activity would get more and more energetic.
Keywords: honeybee in-and-out activity, relationship between in-and-out activity
and environmental factors, monitoring honeybees, counting daily number of
honey in-and-out.
V
目錄
誌謝……….I 中文摘要………II Abstract……….III 目錄………....V 圖目錄………..VII 表目錄………...…XI
第一章、前言………..………1
1.1 研究背景………..1
1.2 研究動機及目的………..2
1.3 論文架構………..5
第二章、文獻探討………..6
2.1 蜂群崩潰症候群………..………6
2.2 溫室授粉………12
2.2 環境因子對蜂群巢內行為探討………14
2.2.1 巢內溫度對蜂群行為探討……….14
2.2.2 巢內濕度對蜂群行為探討……....……….16
2.3 現行蜜蜂行為監測方法探討………17
2.3.1 人力監測蜂群行為……….18
2.3.2 機構設計用於監測蜂群行為……….20
2.3.3 無線射頻識別系統用於監測蜂群行為……….21
2.3.4 人工視覺(CCD 鏡頭)用於監測蜂群行為………..23
2.3.5 紅外線收發特性用於監測蜂群行為……….25
2.4 無線感測器網路監測系統介紹………26
VI
2.4.1 無線感測器網路系統基本架構……….26
2.4.2 無線感測器節點硬體介紹……….28
2.4.3 無線感測器網路應用於農業與生態監測……….32
第三章、實驗材料與方法………..………..36
3.1 蜂群行為監測系統架構………...36
3.2 前端感測層建置………...38
3.3 實驗用蜂─義大利蜂(Apis mellifra linneae) ………53
3.4 飼養方法介紹………...54
3.5 蜂群行為監測運作機制與系統佈建運作………...56
3.5.1 蜂群行為監測系統運作機制……….56
3.5.2 蜂群行為監測系統佈建……….58
第四章、結果與數據分析討論………60
4.1 實驗結果分析………..………..60
4.1.1 三十日之蜂群出入巢行為結果分析……….60
4.1.2 三十日之環境溫度對上巢內溫度結果分析……….62
4.1.3 三十日之環境濕度對上巢內濕度結果分析……….63
4.1.4 雨天之蜂群行為對上環境因子結果分析(單日) ……….64
4.1.5 晴天之蜂群出入巢行為結果分析(單日) ……….…67
4.1.6 環境因子變化對蜜蜂出巢行為結果分析……….70
4.1.7 定區間環境相對濕度之環境溫度變化對蜜蜂出巢行為結果分析…….75
4.2 綜合討論………78
4.2.1 三十日之環境因子(溫度與相對濕度)對上蜜蜂出入巢行為討論……...78
4.2.1 單日環境因子(溫度與相對濕度)對上蜜蜂出入巢行為討論…………...80
第五章、結論與未來工作………. ………..81
參考文獻………..………82
VII
圖目錄
圖 2- 1 世界各地近年疑似因蜂群衰竭失調症候群損失的蜜蜂比例………...7
圖 2- 2 遭受蜜蜂崩潰症候群影響蜜蜂大量減少實體圖………...8
圖 2- 3 健康的幼蟲………...9
圖 2- 4 感染蜂群崩潰症候群之幼蟲………...9
圖 2- 5 蜜蜂遭受螨蟲迫害……….11
圖 2- 6 蜂類溫室授粉實體架設圖………...…….………13
圖 2- 7 熊蜂..………..……….14
圖 2- 8 蜜蜂以腹部施加熱量給幼蟲……….15
圖 2- 9 孵化區、花粉區以及控制組之溫度、絕對溼度以及相對濕度示意圖……17
圖 2- 10 溫度、照度、相對濕度、太陽輻射與蜜蜂出入巢曲線圖………...19
圖 2- 11 以機構設計觀察蜜蜂出巢行為之示意圖………..……...………21
圖 2- 12 RFID 標籤示意圖………..22
圖 2- 13 (A)為一隻蜜蜂上方貼著 RFID 標籤(B)將 RFID 讀取器架設於蜂箱出口用 於讀取被標記蜜蜂經過的訊號………..………23
圖 2- 14 黏貼上雷射標籤之蜜蜂……….24
圖 2- 15 影像辨識系統用於蜜蜂出入巢之硬體架構示意圖……….24
圖 2- 16 影像辨識系統擷取擁有雷射標籤隻蜜蜂做影像處理分析……….25
圖 2- 17 Liu 等人所研製支紅外線特製通道…….………..26
圖 2- 18 無線感測器網路系統架構圖………...27
圖 2- 19 節點多跳回傳資料示意圖………...28
圖 2- 20 無線感測器節點實體圖 (a) Crossbow 公司所開的的 Iris (b)研華科技公 司所開發的 ADAM-2510Z……….29 圖 2- 21 無線感測器節點實體圖(a)清華大學資工系所開發的 OctopusII (b)台灣大
VIII
學電機系所開發的 SuperNode………..31
圖 2- 22 無線感測器節點構成示意圖………...31
圖 2- 23 溫室監測系統架構圖………...33
圖 2- 24 無線感測結點整合周邊電子設備………...………34
圖 3- 1 蜂群行為監測運作架構圖………..………...38
圖 3- 2 蜂群即時監測系統架構方塊圖………..………...38
圖 3- 3 蜂群行為監測系統外殼實體圖……….40
圖 3- 4 蜜蜂停留在降落平台實際圖……….41
圖 3- 5 閘門開關示意圖……….41
圖 3- 6 特製通道示意圖……….42
圖 3- 7 蜜蜂進出特製通道……….43
圖 3- 8 蜜蜂由特製通道拖行屍體……….43
圖 3- 9 電源供應單位實體圖……….44
圖 3- 10 紅外線發射模組………...44
圖 3- 11 紅外線接收模組………...45
圖 3- 12 蜜蜂經過特製通道所產生之訊號示意圖………...45
圖 3- 13 訊號處理模組………..……….46
圖 3- 14 類比訊號經由訊號處理版轉換為數訊訊號示意圖………...46
圖 3- 15 訊號處理模組方塊原理圖………...48
圖 3- 16 LM324 內部構造………48
圖 3- 17 DE0-Nano Development and Education Board……….50
圖 3- 18 Octopus II 無線感測器節點。(a)正面；(b)背面圖……….51
圖 3- 19 工業電腦 ARK-3360L………52
圖 3- 20 架設於台大安康農場的蜂群行為監測系統自動化監測系統之閘道器及氣 象模組面板………..52
IX
圖 3- 21 本實驗用蜂─西方蜂………...53
圖 3- 22 本實驗用蜂─西方蜂蜂后………...54
圖 3- 23 蜂箱內部配置圖………...55
圖 3- 24 研究人員觀察蜂群狀況………...55
圖 3- 25 運算處理核心做運作流程圖………...57
圖 3- 26 蜜蜂出入特製通道之不同狀況………...58
圖 3- 27 後端系統與試驗場地位置圖………...59
圖 3- 28 系統實體佈建圖………...59
圖 4- 1 三月六日到四月六日之蜜蜂出入蜂箱之折線圖……….61
圖 4- 2 各天回傳率折線圖……….61
圖 4- 3 環境溫度與巢內溫度折線圖……….62
圖 4- 4 環境溫度對上巢內溫度點狀圖……….63
圖 4- 5 環境濕度與巢內濕度折線圖……….64
圖 4- 6 環境濕度對上巢內濕度點狀圖……….64
圖 4- 7 三月八日蜜蜂出入巢折線圖……….66
圖 4- 8 三月八日環境溫度與巢內溫度折線圖………..66
圖 4- 9 三月八日環境濕度與巢內濕度折線圖……….67
圖 4- 10 三月二十七日蜜蜂出入巢折線圖………...69
圖 4- 11 三月二十七日環境溫度與巢內溫度折線圖……..……….69
圖 4- 12 三月二十七日環境濕度與巢內濕度折線圖……..……….70
圖 4- 13 環境溫度對上蜜蜂出巢數量之點狀圖………...71
圖 4- 14 環境濕度對上蜜蜂出巢數量之點狀圖………...72
圖 4- 15 巢內溫度對上蜜蜂出巢數量之點狀圖………...73
圖 4- 16 巢內濕度對上蜜蜂出巢數量之點狀圖………...73
圖 4- 17 溫差(巢內溫度-環境溫度)對蜜蜂出巢之點狀圖………..74
X
圖 4- 18 相對濕度差(巢內相對濕度-環境相對濕度)對蜜蜂出巢之點狀圖..…….75 圖 4- 19 (左)：環境相對濕度 40%~50%下之環境溫度對上蜜蜂出巢數量(右)：環 境相對濕度 50%~60%下之環境溫度對上蜜蜂出巢數量……….……76 圖 4- 20 (左)：環境相對濕度 60%~70%下之環境溫度對上蜜蜂出巢數量(右)：環 境相對濕度 70%~80%下之環境溫度對上蜜蜂出巢數量………77 圖 4- 21 (左)：環境相對濕度 80%~90%下之環境溫度對上蜜蜂出巢數量(右)：環 境相對濕度 90%~100%下之環境溫度對上蜜蜂出巢數量……….……..78
XI
表目錄
表 2- 1 蜜蜂喜愛環境因子範圍……….……19 表 3- 1 LM324 作為比較器運作原理………..49 表 3- 2 HEF4538 動作原理………..49
1
第一章、前言
1.1 研究背景
蜜蜂是自然界中不可或缺的授粉者，他影響大自然間植物的演進與繁衍，人 類的部分，蜜蜂影響許多果實鮮蔬等食物生長，例如：果樹類、瓜類、十字花菜 類等等，都是藉由昆蟲來授粉，而蜜蜂授粉於這些植物之比例又是占最大宗。根 據調查，蜜蜂授粉比率佔所有授粉昆蟲的 66%以上(Kremen et al., 2002)，為農作物 生產扮演傳媒的重要角色，是極富經濟價值的有用昆蟲。換句話說，蜜蜂在植物 是否能授粉及結實方面扮演著重要支配者的角色，而幫助植物所生產之果實也間 接性的影響到低至第二級消費者高至人類之飲食。而且，在養蜂過程中蜜蜂會生 產蜂蜜、蜂王漿、花粉等等之蜂產品，蜂蜜至今仍是一個重要的國際大宗商品，
於 2007 年估計下來，全球一年共生產 107 萬公噸的蜂蜜，跟 1961 年來比，蜂蜜 生產數量足足增加了 58%之多(FAO, 2009)。更長期來看，根據聯合國農糧組織 (Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)於 2013 的報告指出，
全球十年來糖與蜂蜜的出口金額從每年 100 億美金逐年上升到 400 億美金，此項 研究是針對 2000 年到 2010 年的糖與蜂蜜出口金額統計(FAO, 2013)，每年糖與蜂 蜜出口成長率有穩定 10%成長，可見人們對於蜂蜜的需求量與日俱增；用 2007 年 所生產的蜂蜜數量來估計蜂蜜經濟價值，達 1.25 億美元，故蜂蜜不只提供人們生 活更多樣的食品之選擇，亦為高經濟蜂產品(VanEngelsdorp et al., 2010)；蜜蜂在造 訪花朵時，在採集的過程中也替農作物提供重要的貢獻─授粉；因為大多數的農作 物、經濟果樹、蔬果瓜類皆是異花授粉(Cross pollination)植物，故蜜蜂的授粉行為 提供作物受精進而達到正常結果與果實品質的要求，帶來龐大的經濟效益。根據 統計，在世界上 1500 種作物物種當中，有百分之 66%是仰賴蜜蜂作播種的工作 (Kremen et al., 2002)，並且直接或間接性的估計有百分之 15%至 30%是與糧食生產 有絕對的關係，目前在全球被農民養殖的蜜蜂品種中，西方蜂(Apis mellifera)作為
2
美國人工養養蜂場中主要的品種，據統計，蜜蜂在美國一年授粉所產生的經濟價 值大於 14 億美元之多(Morse, 2000)，由此可知，蜜蜂對於人類以及自然界中都有 不可被其他生物取代的重要性。但是，近年來氣候變遷，氣溫上升以及怪異天候 肆虐，全球各地出現異常的氣候，研究指出，蜜蜂是一種對於環境參數極為敏感 的昆蟲(Abrol, 1992)，如：溫度劇烈變化、濕度變化、照度不同、太陽輻射等等，
這些氣候消長都會影響蜜蜂族群生長。
1.2 研究動機及目的
蜜蜂是一種具有高經濟價值且可平衡大自然生態的昆蟲，蜜蜂除了生產蜂蜜 以及蜂蠟等等蜂產品之外，更重要的是許多農作物以及果樹都需要蜜蜂的授粉才 會結實，雖然全球的蜜蜂族群數量有一直增加之趨勢，但人們對於蜂產品的需求 量增加速度更加快速；此外，在世界各地，蜜蜂的族群數量並不是均勻的增加，
這現象即發生在歐洲與北美(VanEngelsdorp et al., 2010)，蜜蜂的數量不增反減，這 其中的因素科學家正在進行調查與研究，科學家猜測有以下因素造成蜜蜂族群數 量減少，如：疾病、寄生蟲、農藥、環境、養蜂業者技術等等，這些因素可以單 獨或者相互作用去造成不同程度的結果。
「蜂群崩潰症候群」(Colony Collapse Disorder, CCD) 是近年來在世界各地蜂 巢內工蜂大量消失但原因不明的自然現象。CCD 之爆發最早被發現是在 2006 年秋 末於北美(Vanengelsdorp et al., 2009)，類似的跡象接連發生，包括：德國、法國、
比利時、義大利、瑞士、西班牙、希臘、波蘭及荷蘭等歐洲國家，台灣在 2007 年 有發現蜂群崩解失調症候群的個案發生現象，雖然目前仍不明顯，但亦須防患於 未然才是；CCD 發生至今，國際間的政府機構、科學家都關注此問題，CCD 的顯 著現象是指蜜蜂大量而不正常的消失且嚴重者在蜂箱中僅僅剩下蜂后、幼蟲以及 少數的工蜂，而且蜂巢的巢室內仍有蜂蜜及花粉，但在蜂巢周圍卻僅能發現少數 的工蜂屍體。蜂群消失的可能原因包括郊區城市化、殺蟲劑、蟲害、病毒感染、
3
電磁波以及蜜蜂養殖場的減少。然而，2006 年末至 2007 年初這段時間，蜂群的減 少幅度突然增快，對於這樣不正常的現象，研究的學者使用「蜂群崩壞症候群」
一詞表示(Cox-Foster et al., 2007)。
因此此一現象已經成為目前國際高度關注的問題，針對蜂群崩壞症候群發生 原因，目前研究顯示致病病原體如病毒、細菌及微粒子蟲與新型殺蟲藥劑的使用 被認為是引起蜂群崩壞的重要因素(Sumner and Boriss, 2007)。農藥的使用可能會直 接或間接地殺死蜜蜂，甚至影響整個蜂群的運作。其中屬於神經毒的新類尼古丁 (neonicotinoid) 新型殺蟲劑，例如普遍被使用的益達胺(imidacloprid) 也被認為是 造成蜂群崩解的直接原因(Sumner and Boriss, 2007)。然而，對於引起蜂群崩壞症候 群的原因眾說紛紜，無法做出一個確定性的結論，因此相當多的學者投入針對蜜 蜂知行為學以及其生理學的探討，例如蜜蜂的採集習慣，殺蟲劑對於蜜蜂知神經 學的探討，甚或是電磁場對於蜜蜂行為之影響(Kirschvink et al., 1992)等。
蜂群崩壞症侯群之現象，影響層面不僅僅只在各種蜂產品的產養多寡，更要 著眼的問題是蜜蜂的授粉，蜜蜂消失後，在田地與果園間的等待授粉之花朵就沒 辦法接受蜜蜂授粉，目前為止，蜜蜂對人類以及大自然的最大貢獻即是授粉，在 全球 115 種重要的糧食以及果實作物中，藉由蜜蜂授粉的農作物高達 52 種之多 (Klein et al., 2007)，可見蜜蜂對於人們的日常生活飲食來源扮演重要的生產腳色。
近年來由於農藥大量的噴灑，導致授粉昆蟲急遽減少，許多作物嚴重授粉不 足，如果花柱頭沒有授粉完全，果實的產量會偏低及畸形果出現機率也隨之升高 (Morandin et al., 2001)，農民不得不依賴人工授粉，但在台灣，人工短缺、工資昂 貴的現象日益顯著而逐漸不允許人工授粉作業，以致生產成本不斷提高，因此利 用蜜蜂授粉被認為是一項簡單、經濟、有效的農業增產措施，蜜蜂授粉同時兼具 高效率以及成本低的優點，此外，藉由蜜蜂授粉後所結實的作物出現畸形果的機 率也大大降低，大大提昇農業競爭力；加上近年天氣變遷怪異，使得全球各地出 現不尋常之炙熱天氣或是寒冷天氣，這些現象都是發生在不尋常的時間，如：夏
4
季出現超過 38 度的溫度或是 2014 年一月北美洲所發生的極地渦漩，特別是 2014 年一月所發生的極地渦漩寒流，他打破美國低溫紀錄，導致大量企業公司與學校 機關停止運作，這些異常的氣候影響不僅止於人類，對環境變化的植物與動物也 都會受到極大影響；這些溫度、濕度、照度等等的環境因子也都會影響蜜蜂的出 入巢行為(Abrol, 1992 與 Dukku et al., 2013)，但有關於溫度與濕度等環境因子的研 究都僅止於人力觀察或者是試驗時間非長時間觀測。
有鑑於氣候異常變遷以及蜜蜂崩潰症候群(CCD)，我們更需要了解當環境 因 子的變化會有哪些行為變化；由於蜂箱內蜜蜂族群量相當可觀，以往研究通常是 採用人工計數蜜蜂出入巢行為，研究人員需要花長時間待在蜂箱附近蒐集蜜蜂資 訊；但是，若蜂群密度太高或是當下天氣是蜜蜂喜愛之氣候，蜜蜂出入巢頻率會 出現極高之情況，由於人的計算能力有限，若是再利用人工計數計數之精確度會 出現不準確情形；因此本研究就是以此為出發，希望針對實驗設備方面做出貢獻，
開發一可長時間觀測蜜蜂出巢與入巢活動力之監測系統，並且系統會記錄當下蜂 箱周遭溫度與濕度以及蜂箱內的溫度與濕度，利用蜂箱內溫度與濕度、蜂箱周遭 溫度與濕度、蜜蜂出巢與入巢作統計分析，分析這些感測參數之間的關係，歸納 出蜜蜂出入行為頻率最佳方程式。在此方面的偵測使用到易於實現大規模電路的 FPGA 開發板，使用高頻率的偵測並配合大量腳位，精準的掌控蜜蜂出入巢之行為，
而做為一量產型開發版，FPGA 之開發版一向以低成本為考量，從而也降低大量之 人力成本，亦或是需要高複雜操作或是高成本之監控設備。
此外，利用本研究所研製系統可以數據化蜜蜂每日之出入蜂箱情況，透過數 據化蜜蜂行為過程，以往人們分辨蜂箱強弱的方法僅止於人為目視，人為目視去 分辨蜂箱的強弱會依人員不同有不同結果，透過本研究所研製之系統計算每日蜜 蜂出入蜂箱頻率即可有效的分辨蜂箱強弱，對於進行蜜蜂各種研究數據化方面，
更是一大精進。
5
1.3 論文架構
本論文共分為五個章節，每一章節的內容概述如下：
第一章： 敘述蜜蜂對於人類以及大自然的重要性，並說明本論文研究之主要動機、
目的及架構。
第二章： 介紹蜂群崩潰症候群的成因以及其對於蜂群和受感染蜂群之症狀，另外 探討蜜蜂之行為學與環境因子對於蜜蜂出入巢活性之探討，分別針對環 境溫度、環境濕度、蜂箱內溫度、蜂箱內濕度做前人研究探討，最後介 紹現今用於監測蜜蜂出入巢之技術以及用於視覺刺激之平台。
第三章： 介紹本論文提出應用於蜜蜂出入巢行為監測之系統之硬體架構以及實體 佈建圖之敘述，並說明其原理與運算核心之感測方法，以流程圖說明計 數技術，並詳細說明實作之流程與實驗方法。
第四章： 探討實驗結果之各種趨勢，並討論環境參數間之變化對蜂群出入頻率之 關係。
第五章： 歸納實驗中所遭遇到的困難並提出可解決之方案，規畫未來改進方針。
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第二章、文獻探討
本章節將對於蜂群崩潰症候群、蜜蜂授粉行為以及蜜蜂出入巢之監測技術做 文獻方面的探討，首先介紹蜂群崩潰症候群之起緣和蜂巢受其感染之現象以及目 前研究人員歸納出來對於其成因之假說，例如非致死劑量的益達胺對於蜜蜂族群 的影響。而後探討蜜蜂授粉的重要性、對於果實的產量與品質的影響以及對全球 經濟的影響；最後，對於本研究所開發之平台做相關技術方面的探討，首先對於 目前所使用之蜜蜂計數技術做分析，而後參考其優劣。
2.1 蜂群崩潰症候群
從 1971 年至 2006 年，美國野生蜜蜂的數量大量的減少，到這幾年野生蜜蜂已經 在野外幾乎完全消失，而養殖場的蜂群數量亦不斷減少。減少的原因可能包括有郊區 城市化、殺蟲劑、蟲害以及蜜蜂養殖場的減少。但在 2006 年以及 2007 年冬天，美 國發生了不明原因的蜜蜂大量消失的現象(Vanengelsdorp et al., 2007)，而此一怪異 現象在美國延續到 2007 及 2008 冬天(Vanengelsdorp et al., 2008)，造成美國蜂農嚴 重損失亦影響農業經濟成長。
其實，蜜蜂大規模的消失在美國並非首見，自 1869 年時，蜂農們就有發現十 八起類似蜜蜂不正常地大量敗亡的案例(Underwood et al., 2009)；在這些案例中，
當時蜂農敘述這些敗亡的蜂箱的特性時，剛好與 CCD 的特徵相似，如蜜蜂五月病 (May Discase)即是一個顯著例子，蜜蜂五月病最早紀錄在 1891 和 1891 年，在短時 間內大族群的蜜蜂一夕間消失無蹤(Aikin, 1897)，損失慘重；除此之外，蜜蜂消失 疾病(Disappearing disease)，蜜蜂春季減少(Spring dwindle)，蜜蜂秋季突然消失 (Autumn collapse)，蜜蜂秋季減少疾病(Fall dwindle disease)等等。均統一稱為蜂群 崩潰症候群(CCD) (Rothenbuhler, 1964)，雖然 CCD 的概念很早就被提出，但是這 些描述都只夾帶著少量的佐證資訊(Oldroyd, 2007)，圖 2-1 顯示全球有出現 CCD 現 象之國家分布圖，可發現 CCD 遍及廣泛，包括：歐洲(Crailsheim et al., 2009)、美
7
國(Evans et al., 2009)、中東(Haddad et al., 2009)、日本(GUTIERREZ et al., 2009)等 國家，但是南美洲、非洲、澳洲截至目前為止，都無明顯的 CCD 症狀發生。
圖 2- 1 世界各地近年疑似因蜂群衰竭失調症候群損失的蜜蜂比例(Neumann, P., and Carreck, N. L., 2010)
一般而言，蜂群具有社會性，分工精細，蜜蜂分為內勤蜂和外勤蜂，內勤蜂 顧名思義即是負責蜂巢內的工作，初羽化的工蜂負責清理巢穴、照顅幼蜂，是為 內勤蜂；幼蜂羽化為工蜂的二十天後即為外勤蜂，負責外出採蜜，並將花蜜吃下 肚，返回巢穴後再將蜂蜜吐出餵食內勤蜂；內勤蜂再將蜜吐於蜂巢穴中，再搧風 讓水份蒸發，成為濃縮的蜂蜜，內勤蜂最後將蜂巢蓋上，完成釀蜜的工作，然而，
研究發現在人工的養蜂場中，蜂巢中僅僅剩下蜂后、幼蟲以及大量未孵化的蜂蛹，
表示外勤蜂出去採蜜與花粉後紛紛消失沒有回巢，使得蜂箱內只剩下內勤蜂以及 嗷嗷待哺的蜜蜂蟲，整個蜂群就面臨崩潰的危機，但在蜂巢周圍的環境中僅發現 極少數死亡的工蜂，養蜂場以及野外的蜜蜂逐漸絕跡，而研究人員卻無法確定其 緣由，因此科學家對此一現象命名為「蜂群崩潰症候群」(Colony Collapse Disorder, CCD)。
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感染蜂群崩潰症候群的蜜蜂族群最後通常都會走向滅亡的情況，而感染蜂群 崩 潰 症 候 群 的 蜂 巢 會 有 一 些 可 顯 著 發 現 的 現 象 以 判 斷 蜂 群 是 否 感 染 CCD (Vanengelsdorp et al., 2009; Cox-Foster et al., 2007)。
(1) 成蜂無緣故的消失使得蜂箱內運作不正常，成蜂與待孵化及幼蜂的比例不平 衡，如圖 2-2 所示。
(2) 蜂巢內有蜜蜂的幼蟲，但工蜂通常不會遺留下巢內幼蟲不顧。
(3) 蜂箱內仍有儲蜜與花粉，故工蜂消失並非發生「逃蜂」所造成
(4) 工蜂中分配至育幼的工作量不正常的增加，即內勤蜂太多，而外勤蜂太少。
(5) 蜂后出現在蜂箱外面。
(6) 成蜂消失，但蜂箱周圍僅有少數的蜜蜂屍體。
而以上現象之所以會引起蜂巢最後崩潰的原因包括：
(1) 群內沒有足夠的工蜂來照顧維持蜜蜂幼蟲 (2) 蜂群大部分是由幼蜂組成的
(3) 蜂群不願食用蜂農供給的食物
最後蜂巢內僅遺留下營養不良之蜜蜂幼蟲，圖 2-3 中箭頭所指為正常蜂巢內之 健康的蜜蜂幼蟲，而圖 2-4 受蜂群崩潰症候群感染之蜂巢的蜜蜂幼蟲。
圖 2- 2 遭受蜜蜂崩潰症候群影響蜜蜂大量減少實體圖(Vanengelsdorp et al., 2009)
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圖 2- 3 健康的幼蟲(Vanengelsdorp et al., 2009)
圖 2- 4 感染蜂群崩潰症候群之幼蟲(Vanengelsdorp et al., 2009)
為了去確認 CCD 發生的真正原因，對於有被 CCD 影響的和未被 CCD 影響的 蜂箱，科學家們做了許多動物生理學的研究，研究最主要重點放在蜜蜂的族群數 量變化(包含工蜂與雄蜂)，然後蒐集其他特徵與現象去推定 CCD 真正原因，如：
成蜂屍體鑑定、蜂蠟鑑定、花粉蜜鑑定(蜂蜜與花粉)、是否為寄生蟲的作祟基因改 造農作物、氣候轉變、電磁波輻射(Martin and Lindauer, 1977)、蟲蟎、真菌感染以 及是否農藥噴灑過度等等原因，其中大量的研究指出 CCD 可能與以色列急性麻痺 病毒(Israeli acute paralysis virus, IAPV)有關(Cox-Foster et al., 2007; Maori et al.,
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2009; Martin, 2001)，由以上大量原因進行研究分析，總而言之，可以確定的是至 今能無法確認 CCD 是由單一成因引起的而亦或是由多個成因組合所造成，同時也 未能確定 CCD 是否為一新的自然現象，或是過去已經發生但僅僅未被人們所查 覺。
以下針對這些假說提出探討：
1. 營養不良：根據美國的研究指出，蜂群在出現 CCD 之前，都曾受都外來 壓力的影響，一般以營養不良或受乾旱影響較為常見，而此一因素也是大 多數 CCD 所屬個案共同擁有的情況。由此可知 CCD 並不會發生在一營養 充足而健康的蜂群，較有可能的情況是發生在營養較為不足的地區，研究 人員認為 CCD 與以玉米糖液（High fructose corn syrup）餵食養蜂有關。
此一糖液是用於補充蜂群在冬天期間因花粉採集量不足時而短缺的糧食。
但另外有研究指出 CCD 應與製造糖液的基因改造玉米有較大的關係。因 為如果果糖液是 CCD 唯一的成因，CCD 應該僅僅發生在冬季期間，但實 際上 CCD 個案發生在各種不同的情況下，其中也包括沒有使用糖液餵食 的養蜂場。另外，不少農民都依賴飼養的蜜蜂傳播花粉。而由於農民種植 的果實種類單一，導致養飼的蜜蜂只能以某一兩種農作物的花粉作為主要 食糧，此情況可能導致蜜蜂缺乏其中幾項維繫族群的關鍵維生素，間接性 的造成營養不良。
2. 抗生素及殺蟎劑：圖 2-5 為蜜蜂遭受螨蟲侵襲，不少發生 CCD 的養蜂場都 有對養蜂使用不同的抗生素及殺蟎劑，因此難以斷定引發 CCD 的化學物 劑；部份以有機方式飼養蜜蜂的人士指出，縱使他們附近的非有機養蜂場 發生 CCD，他們並無受到 CCD 的影響。
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圖 2- 5 蜜蜂遭受螨蟲迫害(Sumner and Boriss, 2007)
3. 病毒感染：美國陸軍「艾奇伍德化學生物中心」和蒙大拿大學、蒙大拿州 立大學合作的研究指出，出現 CCD 症狀的蜂巢都感染昆蟲虹彩病毒（insect iridescent virus）和蜜蜂微孢子蟲（Nosema ceranae），沒有 CCD 症狀的蜂 巢則沒有這兩種病原體蹤跡；而且，這兩種病菌無法單獨造成巨大殺傷力，
但當兩者聯手攻擊蜂巢時，致命性可達百分之百。
4. 寄生蟲：在人工養蜂場中發現蜜蜂大量的死亡，原因可能是蜂群受到寄生 蟲蚤蠅感染，干擾牠們的生理時鐘、方向感及行為，令牠們集體飛離蜂巢，
飛到有燈光的地方聚集死亡。
5. 益 達 胺 ：「 益 達 胺 」 (imidacloprid) 是 新 尼 古 丁 類 殺 蟲 劑 (neonicotinoid insecticide)，是根據尼古丁的構造式(Buckingham et al., 1997)而設計開發的 殺蟲劑如圖 3，而尼古丁是具有神經毒的化學物，在進入生物體內之後，
經由血液輸送在短時間之內即可到達腦部。而由於新型殺蟲劑益達胺對於 昆蟲的毒性強度遠遠高於其對哺乳類動物的效果(Liu and Casida,1993)，因 此被廣泛的使用作為殺蟲劑，對蜜蜂也具有相當大的毒性，其作用機制為 與 昆 蟲 體 內 的 尼 古 丁 乙 醯 膽 鹼 受 器 (nicotinic acetylcholine receptor, nAChR) 結合，阻斷乙醯膽鹼傳遞神經訊息的路線，導致神經系統過度興 奮而麻痺致死(Buckingham et al., 1997)。法國 1994 年開始蜂蜜的產量逐
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年明顯降低，甚至在 1997 年發生了大量蜂群消失事件。當時懷疑起因可 能與農業上大量使用經益達胺處理的高巧種子有關，因此近年來研究益達 胺對蜜蜂的影響也備受重視。
6. 農藥測試：農藥過量噴灑對於 CCD 的發生也是一個危害指標，蜜蜂在接 觸花朵和採集花粉時多少會沾黏到農藥，而這些農藥噴灑原因原本是殺害 田間壞蟲或是噴灑以去除多餘雜草；除此之外，從 1980 年開始，美國蜂 農就會定期的對他們所豢養之蜂箱噴灑除螨劑以控制寄生螨蟲的數量，避 免數量過多危害到蜜蜂族群整體發展，不同劑量的農藥噴灑於蜂箱內，會 對蜜蜂的生長與蜂農的管理造成影響(Mullin et al., 2010; Nguyen et al., 2009)，因為噴灑過多除螨劑可能對蜜蜂本身健康造成威脅，但是另一放面，
若噴灑過少，螨蟲過多亦會造成蜜蜂病敗(Desneux et al., 2007; Pettis et al., 2007; Collins et al., 2004)，生物學家便會以不同劑量的農藥或者除螨劑噴 灑，爾後觀察各變異項的變化，包括：蜂蠟生產、蜂蜜生產、育幼蟲情況、
成蜂數量等等，去做觀察然後再分析農藥大量是否跟 CCD 的發生有關。
2.2 溫室授粉
最近精緻農業一詞被大量使用，圖 2-6 即是一典型溫網室受粉的例，可發現蜂 箱直接擺放於溫室內，蜜蜂出巢便會造訪溫室內之高經濟價值之花朵，台灣農業 也努力邁向精緻化，溫網室大量建置，溫網室是一個好控制環境品質的空間，如：
害蟲管理、風雨防治等等，許多高經濟價值的農作物都以溫室或者網室等諸如此 類空間設施進行栽培耕作，希冀可生產更高品質的農產品以及提升農產品每次收 成產量。溫網室設施之建立雖然有隔離害蟲侵入之優點，但同時也一併將重要的 授粉昆蟲隔絕在外，如此必然導致溫網室內之高經濟價值農作物無法授粉完全，
所以，研究適合溫網室設施栽培環境之授粉昆蟲也廣被重視。
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圖 2- 6 蜂類溫室授粉實體架設圖(林與盧, 2010)
一個在開花期的溫網室需要有很多授粉者去協助授粉，才會有大規模的結果 行為，農名果實採收才會豐收；在溫網室中，以蜂類代替人工授粉已普遍可見，
蜂類選擇主要有兩種，一是熊蜂(Bumble Bee)如圖 2-7，另一則是西方蜂，一般而 言，蜜蜂是一種社會性昆蟲，蜜蜂依其社會結構組成，共可分為三種，分別是蜂 后、雄蜂、工蜂，工蜂因分工又分為內勤蜂與外勤蜂，其中外勤蜂負責野外之採 蜜、採花粉、收集水；所有昆蟲中，蜜蜂當然是最有效率的造訪花朵昆蟲，許多 非自交作物意即在自然狀況下會發生異花受粉的植物，例如：雌雄異花甚至異株 情況，或者自交不親合性等等，後代均為雜交而來，非自交作物例如：蘆筍、玉 米、木瓜、苜蓿等等均需要藉由昆蟲或者風力媒介才可以結果繁殖後代；用雌雄 異株農作物為例子，蜜蜂前往農作物之雄花採集花粉，再來飛至另一農作物的雌 花株採集花蜜，蜜蜂再將花粉及花蜜攜帶回巢中用來孕育幼蟲，在這過程中就發 生蜜蜂替此農作物受粉之行為，蜜蜂的體表長有許多長毛，而這些長毛形成如梳 子般將花粉顆粒聚集在蜜蜂的體表上，當蜜蜂在造訪雌花採集花蜜時，此時沾黏
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在蜜蜂體表的花粉便很容易地碰觸到雌花的柱頭，進而幫助農作物達成授粉之目 的。
圖 2- 7 熊蜂(江, 2005)
2.2 環境因子對蜂群巢內行為探討
蜜蜂是一種超有機體生物，意即牠們為一種社會性昆蟲，蜜蜂族群是一種社 會分工被高度專一化的昆蟲，任一個體蜜蜂無法長時間獨立生存，世人已經了解 蜜蜂的行為受環境因子變化而改變，此結會依序介紹蜜蜂對於各環境因子的因應 之方式，分別對於巢內濕度、環境濕度、環境溫度、當下照度等等作探討。
2.2.1 巢內溫度對蜂群行為探討
一個健康的蜂箱通常箱內是穩定且不受外界溫度影響有太大的溫度波動，蜂 群最喜愛的蜂箱內溫度是落在 33℃~38℃之間，在這區間之溫度蜂群的所有行為是 最正常且穩定的，亦即蜂群會將蜂箱溫度維持在某段溫度區間內，蜜蜂有能力去 自行產生熱能(Heinrich, 1993)，尤其是蜂箱內的孵化區，此區的溫度更是影響蜂群
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孵化的關鍵(Brandburgo and Gonçalves, 1989)；另外，當溫度落在 35 度~36 度之間 時，此溫度是蜜蜂最適合孵化幼蟲的溫度(Bujok et al., 2002)，此時在整個蜂箱溫度 場域中某幾處會出現熱點情況，Bujok 等人針對蜂箱熱點進行研究分析，發現此熱 點是工蜂對蟲蛹們以腹部加熱的方式進行熱量補給，如圖 2-8 所示，由圖 2-8 可以 發現數字 2 處是工蜂的腹部位置，他的溫度明顯的比周遭還要高，工蜂針對需要 熱量的蟲蛹進行特別照顧動作。
圖 2- 8 蜜蜂以腹部施加熱量給幼蟲(Bujok et al., 2002)
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2.2.2 巢內濕度對蜂群行為探討
蜂箱內濕度方面，蜜蜂最喜歡的蜂箱濕度是落在 40%到 80%之間蜜蜂亦會針 對當下濕度做出調節動作(Human et al., 2006; Ghamdi, 2005)，Ghamdi 針對整個蜂 箱之蜜蜂卵孵化例對上環境參數(溫度以及濕度)做研究，研究發現濕度與蜜蜂卵孵 化比例有一定比例的正相關；Human 等人針對蜂箱內的濕度繪製一組比較曲線圖，
如圖 2-13 所示，實驗共分三區做巢內濕度的真測，分別是孵化區、花粉儲存區以 及控制組，孵化區顧名思義即是孵化幼蟲的地方，通常是位在蜂箱的中間處，花 粉儲存區則是位在蜂箱的兩邊邊界部分，控制組則是量測一個空的蜂箱(裡面沒有 蜜蜂)內的濕度，偵測時間為期兩天(2005 年 7 月 13 日以及 7 月 14 日)，可以發現 這兩天的控制組的相對濕度(RH)變化隨著環境溫度的上升而下降，直到夜晚後，
溫度開始急遽下降，而相對濕度才開上升，另外控制組的相對濕度在時間早上 6 點到 8 點之間的時候會出現高峰數值，這是因為早晨的露水堆積現象，故早晨的 相對濕度特別高，隨著接近中午溫度快速上升後，控制組相對濕度就急遽下降；
花粉儲存區以及孵化區的相對濕度趨勢有一定比例與控制組相關，Human 等人更 指出某些特別的現象，在白天時花粉儲存區的相對濕度通常會比孵化區的相對濕 度還來的高，但是當夜晚時，這情況恰恰相反，花粉儲存區的相對濕度會比孵化 區的相對濕度還來的低；然而，Human 等人也指出蜜蜂對於蜂箱內的相對濕度的 調控是可行的，但是蜂群調節能力是有限的，蜂箱內的相對濕度會受到環境濕度 以及蜂箱內的水分蒸發影響，所以 Human 等人認為蜂群對於調節蜂箱內相對濕度 能力不是最理想的(suboptimal)，蜂群會權衡當下的情況作出當下最適合調節蜂箱 內環境因子的策略，蜂箱內的孵化區溫度以及相對濕度是首要要調節的，所以蜂 群會更針對此區環境因子做對應策略，以確保每個孵化中的幼蟲順利生長成蜜 蜂。
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圖 2- 9 孵化區、花粉區以及控制組之溫度、絕對溼度以及相對濕度示意圖 (Human et al., 2006)
2.3 現行蜜蜂行為監測方法探討
在春夏天氣候溫和合適蜂群成長的時候，一個蜂箱往往有超過三萬隻蜜蜂在 活動，不論是工蜂出去採集花蜜與花粉，或者是到蜂箱出口拍動翅膀散熱，工蜂 會頻繁的出入蜂箱，所以監測這些大數量的蜜蜂是一大考驗，現行方法從最早人 力監測與記錄當下參數 (Abrol, 1992)到後來加入電子設備加入到蜂箱出入口 (Henry et al., 2012; Chen et al., 2012; Tsai et al.,2012)，或蜂箱內放置大量感測器(溫 濕度感測器與熱像儀) (Stalidzans and Berzonis, 2013; Bujok et al., 2002)，利用這些 電子設備輔助監測，可以更準確地記錄當下環境參數，除此之外，以往人力監測
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需要大量人力，但是利用電子設備監測，可以更準確的監測蜜蜂行為，人力需求 也可以大大減少，同時監測的時間長度可以持續更長，擁有長時間監測資訊後，
經過數據整理與統計分析，歸納出蜜蜂的特殊行為。
2.3.1 人力監測蜂群行為
蜜蜂是一種擁有社會型行為的昆蟲，蜂巢內除了一隻蜂后外與少數的雄蜂外，
蜂巢中占絕大多數的成員為工蜂，工蜂又分為內勤蜂與外勤蜂，內勤蜂顧名思義 即是待在蜂箱內打理巢內事務，如：照顧幼蟲、維持蜂箱內溫濕度、清理蜂箱內 屍體等等；外勤蜂則是出去尋找食物來源，工蜂根據其年齡的不同負責執行蜂巢 中各種不同的勞力任務，而其中最重要的任務便是為蜂巢中的其餘成員尋找食物 來源。由此可知，蜜蜂的出入巢行為，對於蜂巢的情況，尤其是其存糧提供了重 要的資訊，因此，對於其出入巢行為的了解非常的重要。
Abrol 即針對多樣的環境因子對蜜蜂出入巢行為做一系列的研究，針對兩種蜂 種─Apis cerana indica F. 與 A. dorsata F.進行出巢實驗，實驗場地是位在一大片的 桃子樹林，以人力的方式進行蜜蜂出巢紀錄工作，在記錄蜜蜂出巢同時也記錄當 下環境溫度、環境相對濕度、照度與太陽輻射能等參數，如圖 2-14 所示，蜂群的 活性會隨著環境溫度、環境濕度、照度、太陽輻射上升而有上升趨勢，但是蜂群 活性會隨著環境濕度上升而有下降趨勢，從表 2-2 整理可發現蜂群出巢的蜂值時間 落在中午 12 點到 14 點之間，喜愛溫度則是落在 18℃到 24℃之間，環境濕度部分 則是落在 48%到 57%之間。但是由於此研究溫度區間只蒐集到 10℃到 25℃，環境 相對濕度區間只蒐集到約 65%到 48%之間，與臺灣天氣狀況不相符合，需再做更 長期的實驗以探討蜜蜂行為。
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表 2- 1 蜜蜂喜愛環境因子範圍(Abrol, 1992)
區間 因子 環境溫度 環境濕度 照度 太陽輻射 出沒時間
蜜蜂喜愛 18℃~24℃ 48%~57% 5500~8800 50~80 12~14
圖 2- 10 溫度、照度、相對濕度、太陽輻射與蜜蜂出入巢曲線圖(Abrol, 1992)
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2.3.2 機構設計用於監測蜂群行為
蜜蜂出入巢行為監測從以前到現在都是一大課題，但是要執行出入巢行為既 數是非常困難的，因為蜂箱內往往有數萬隻蜜蜂在裡面運作，當天氣炎熱無下雨 時，工蜂會大量地出巢前往野外採集花粉，如果還是以人力待在蜂箱附近以肉眼 監測蜜蜂出入巢行為，勢必需要大量的人力，而光靠人眼辨識亦會出現誤判之情 況。
有鑑於此，Gary 設計一個機構，此機構可以快速且方便的觀察出巢隻蜜蜂，
並且可以輕鬆且精準的供研究人員計算蜜蜂出巢次數，機構形狀像是甜筒形狀，
底基座長度為 40 公分、寬度 50 公分，而總高度則是 70 公分，如圖 2-15 所示，此 機構相當輕可以直接鑲嵌在蜂箱的出入口，無需做螺絲固定之工作，而此甜筒形 狀機構之上方有個小開口，蜜蜂欲前往外面必須循著此開口出去，利用此項特點 可供研究人員方便的以肉眼方式計數每隻蜜蜂計數情況；但是此機構設計只能讓 蜜蜂出巢，卻不能讓蜜蜂歸巢，意即此通道只能當方向的讓蜜蜂行進，Gary 為使 實驗設計順暢，故設定每三十秒鐘後，將機構拿開始在蜂箱外面徘徊之蜜蜂可以 順利歸巢。
此研究設計可以使研究人員方便地計算出巢蜜蜂，但是由於只有單方向的通 道，必須要有頻繁裝拆的動作，使在外面欲歸巢的蜜蜂得以順利回蜂箱，無法真 正的自動化且長時間的計數蜜蜂以及觀察蜂群行為。
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圖 2- 11 以機構設計觀察蜜蜂出巢行為之示意圖(Gary, 1966)
2.3.3 無線射頻識別系統用於監測蜂群行為
無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification, RFID)目前被廣泛的應用在 各個領域上，舉凡便利超商悠遊卡刷卡付費、搭乘大眾運輸工具、繳交停車費等 等，都應用到此項技術；無線射頻識別系統分為兩大部分，一為讀取器(Reader)，
另一為 RFID 標籤(Tag)所組成；不像行動條碼(Bar code)需要一個圖案對準後才可 以掃描輸入，無線射頻識別系統可以以無線的方式簡易地識別一個目標身分，無 線射頻識別系統可以崛起的原因就是成本低廉，在製作技術突破情況下，可以量 產供應市場(Want, 2005)，圖 2-16 所示 RFID 標籤可以以不同形式方式製作，輕巧 且攜帶方便。
Henry 等人即利用無線射頻識別技術將 RFID 標籤(Tag)黏貼在蜜蜂的背部，在
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蜂箱的出入口部分裝設特製讀取器(Reader)，如 2-17 所示，背負在蜜蜂背部的 RFID 標籤有 3 毫克重，在 Henry 實驗中共有 653 隻蜜蜂背負了 RFID 標籤，利用此項 技術可以準確地觀察蜜蜂進出的情形；但是，由於 RFID 標籤的重量是約 3 毫克，
成年蜜蜂的平均重量是約 70 毫克，標記是幾乎的蜜蜂的重量的 3.6％，而且，RFID 標籤的電源來自於由讀取器發射的強力電磁波所產生的感應電流，其電磁波與前 述 RFID 標籤重量可能會影響蜜蜂的正常行為。此外，要完成大量蜜蜂背部黏貼標 籤工作需大量人力與時間，而且一般工蜂在春夏季時壽命通常只有三十五天到四 十二天之間(Seeley, 1985)，受限於蜜蜂壽命，利用無線射頻識別系統於蜜蜂的監測 期僅能維持數周，蜜蜂死亡後必須重新黏新的一批 RFID 標籤於蜜蜂背部，才能繼 續進行監測。
圖 2- 12 RFID 標籤示意圖(Want, 2005)
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圖 2- 13 (A)為一隻蜜蜂上方貼著 RFID 標籤(B)將 RFID 讀取器架設於蜂箱出口，
用於讀取被標記蜜蜂經過的訊號(Henry et al., 2012)
2.3.4 人工視覺(CCD 鏡頭)用於監測蜂群行為
Chen 等人利用人工視覺技術來監測蜜蜂出入巢行為，建置一套影像系統對蜂 箱內蜜蜂的活動路徑進行追蹤以評估蜂群狀態，影像辨別部分，將蜜蜂先放入冰 箱使其呈現暈厥狀態後，針對每隻蜜蜂刮除背部細毛並塗抹上標籤，最後使用精 密儀器於每個蜜蜂背部進行雷射標籤打點之動作，如圖 2-18 所示，每個標籤都有 其獨特符號，所以任一背部有此雷射標籤的蜜蜂所有行動都可以經由影像辨識系 統觀察出入巢狀況。
影像系統架構如圖 2-19 所示，在蜂箱的出入口裝設影像辨識系統，並且設計 特製通道，固定蜜蜂行動路徑，出入口上方裝設一個高速攝影鏡頭(Charge-coupled Device, CCD)與紅外線 LED 光源，影像資訊傳至附近之電腦做影像處理，搭配影 像系統的特有演算法可分為蜜蜂行徑軌跡追蹤與分析方法，如圖 2-20 所示；此外 蜜蜂被不知雷射標籤重量只有 1 毫克，相較於 Henry 等人所提出的方法─蜜蜂背 部的 RFIG 標籤重量 3 毫克，有更輕巧的優勢；RFID 標籤受讀取器強力電磁波所 產生的感應電流而可能影響蜂群行為問題，經由 Chen 等人所製作之影像辨識系統
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不具電子設備電磁波問題，故可以使蜜蜂以更趨於正常的狀態活動。經由收集大 量蜜蜂個體出入巢行為資訊，了解蜜蜂出巢覓食與採集花粉時間分布並分析其出 巢後在外面停留時間。
圖 2- 14 黏貼上雷射標籤之蜜蜂(Chen et al., 2012)
圖 2- 15 影像辨識系統用於蜜蜂出入巢之硬體架構示意圖(Chen et al., 2012)
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圖 2- 16 影像辨識系統擷取擁有雷射標籤隻蜜蜂做影像處理分析(Chen et al., 2012)
2.3.5 紅外線收發特性用於監測蜂群行為
Liu 等人利用紅外線收發特性製作一個特殊通道，通道上下方裝有紅外線收發 LED，藉由兩組紅外線 LED 運作，發射端發射紅外線至接收端，當蜜蜂經過特製 通道時，紅外線會被遮斷，擷取此信號後，再經由單晶片處理以判斷蜜蜂為進入 蜂箱或是離開蜂箱。但是 Liu 等人所設計之通道只有四個出入口，而一個蜂箱內往 往有幾萬隻蜜蜂，在炎熱天氣的白天，蜜蜂會大量的離開蜂箱前往附近採集食物，
四個通道之疏通量可能會有不足情況，導致蜜蜂無法正常出入狀況，進而影響到 蜜蜂的行為，而 Liu 等人實驗時間只有兩天而已，還無法長時間的正常偵測蜜蜂出 入蜂箱之情況，擁有長時間蜜蜂出入蜂箱資訊加上環境因子資訊，對於蜜蜂行為 分析可更加精確
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圖 2- 17 Liu 等人所研製支紅外線特製通道 (Liu et al., 1990)
2.4 無線感測器網路監測系統介紹
無線感測網路最早是美國為在軍事研究用途才發展出來的一種通訊架構，爾 後其用途已逐漸普及為一般用途，無線感測器網路用途廣泛，如：工廠生產(Zhuang et al., 2007)、醫學管理(Milenkovic et al., 2006)、火山監測(Peng et al., 2008) 等各領 域，此節會先介紹無線感測器網路系統基本架構與組成，接著介紹無線感測器網 路中的主角─無線感測節點的硬體架構，最後介紹應用無線感測器網路於生態監測 之各種案例。
2.4.1 無線感測器網路系統基本架構
無線感測器網路是在欲感測之區域內放置許多無線感測器節點，傳統之基本 架構為前端感測區域與後端運算處理以及優化的人機介面，無線感測器網路系統 架構圖如圖 2-21 所示。前端部分，目標感測區域建置許多節點平台，每個節點具 備運算能力、配備感測元件及最重要的無線通訊功能，因有無線通訊功能，故感
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測資料可即時的回傳至閘道器。後端監控平台部分，包含資料庫及易供使用者查 詢資料之瀏覽介面，前端資訊送至後端監控平台可以依照監控者方便可藉由有線 網路或者使用無線通訊 GSM、GPRS、3G 與 3.5G 網路傳輸。
圖 2- 18 無線感測器網路系統架構圖
散佈於感測區域之無線感測節點會週期性地回傳資料到閘道器(Gateway)，感 測網路中的閘道器通常都是高運算能力以及高穩定性，閘道器可以快速處理大量 資料、壓縮資料、去除無意義的資料以節省封包傳送之總數量，最後閘道器在經 過有線或者無線網路將所有感測節點所收集到的環境資訊傳至後端的資料庫，後 端資料可以根據不同要求，進行資料探勘(Data mining)與快速繪製圖表等等，遠端 使用者或者管理人員便可透過資料庫網頁進行分析實驗數據和即時監控環境之需 求。
由於目標感測區域往往是一個大範圍的區域，偌大區域通常以超過節點與閘 道器傳輸的距離或者資料傳輸中有許多障礙物阻饒感測資料回傳路徑，故管理者 通常會寫入程式使感測器節點具有資料轉傳的功能，即那些無法直接與閘道器通 訊之感測器節點，可以透過其他可正常與閘道器通訊的節點回傳環境資料至閘道
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器，進而達到目標感測區域之資料完整性的優點。如圖 2-22 所示，由於感測區域 過大，建置於 a 位置之節點距離閘道器已經超過資料回傳之覆蓋範圍，所以 a 位置 之節點可以靠 b、c 以及 d 節點層層以轉傳的方式至目標閘道器，此種轉傳方式為 節點之多跳(multi-hop)傳送資料。
圖 2- 19 節點多跳回傳資料示意圖
2.4.2 無線感測器節點硬體介紹
以往在執行監測任務時，監測區域通常都是人們很難前往去處，如：深山或 火山等，也有放置於某些特定場所，這些場所通常為高危險地點或是儀器定位資 訊需要快速更新，例如：高自動化工廠以及大型醫院之貴重儀器。從原先大量人 力資源轉變到有線式的電子產品監測，近年來通訊系統的技術突飛猛進，網路系 統從有線更進步到無線就可使用，其中無線感測器網路亦扮演著重要腳色，而系 統之核心腳色就是無線感測器節點。到目前為止，各國已有許多無線感測器節點
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成功開發，並可開始量產販售，例如： Crossbow 公司所製造的 Iris (USA：
Crossbow, 2008)如圖 2-23(a)所示以及研華公司(Advantech)所製造的 ADAM-2510Z 如圖 2-24(b)所示(Taiwan： Advantech, 2012)。
(a) (b)
圖 2- 20 無線感測器節點實體圖 (a) Crossbow 公司所開的的 Iris(USA：
Crossbow, 2008) (b)研華科技公司所開發的 ADAM-2510Z(Taiwan：Advantech, 2012)
無線感測器網路在這幾年蓬勃發展下，國內學術界也對於這塊新領域開始進 行研究與開發，由國科會主導之無線感測器網路前瞻研究計畫，主要就是要建立 一套完善的無線感測網路共同平台，結合產學合作目的是為加速台灣對於無線感 測網路普遍以及應用無線網路特性提升整體經濟產值。近幾年國內亦開始開發硬 體，分別為清華大學資工系的許健平教授團隊所開發的 OctopusII 如圖 2-24(a)所 示以及台灣大學電機工程系所開發的 SuperNode 如圖 2-24(b)所示。特別注意的是，
OctopusII 以及 SuperNode 都是以 Zigbee 協定為基礎去開發節點的，Zigbee 協定 在近期已被大量用於國內外學術研究。如台灣大學生物產業機電工程學系在東方 果實蠅監測計畫中整合 OctopusII 進行野外害蟲監測，即時回報建置於感測田間中 各果樹遭受害蟲為害情形，建構一套有效且即時監測農業害蟲之無線感測器系統，
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此系統整體效果顯著，對於往後空間解析度及時間解析度的資料收集能力上都將 有精確的表現並期望可建立害蟲模型(林，2007)。
無線感測器節點的主要架構如圖 2-25 所示，無線感測器節點主要包括微處理 器晶片(Microprocessor Control Unit, MCU)、無線通訊晶片(Radio Frequency Chip)、
ADC 轉換(Analog-to-Digital Converter, ADC)、電源供應(Power Supply)、記憶體 (Memory)以及感測器元件(Sensing Device)。目前市面上有再販售之無線感測器節 點來看，由於使用者希望感測器節點可以長時間運作，即使在無市電供應狀態下 也希望可以運行整個系統，故廠商在挑選微處理晶片時大多使用省電且高效能的 晶片，如 Atmel 公司所製造的 ATmega123 晶片(USA: Atmel Corporation, 2007)以及 德州儀器公司所研發的 MSP430 晶片(USA: Texas Instruments, 2007)。
感測器元件部分可依計畫需求或是使用者需要，可搭配不同的環境感測器，
如：溫溼度感應器、照度感應器、三軸加速度感應器、震動感應器、特殊氣體感 應器以及陀螺儀等等，感測器元件可連接節點上特別擴充出來供其他元件使用之 I/O 腳(Input/Output Pin)，使用者可控制處理晶片讀取各感應器數值，並且處理與 運算這些未經處理過的資料(Raw Data)。
無線通訊晶片部分最主要工作是使感測節點可透過無線通訊晶片達到互相傳 送資料，挑選通訊晶片方面，主要有三種通訊晶片，包括：CC2420, CC1000 以及 CC1021(USA: Texas Instruments, 2007a, 2007b, 2009b)，每種晶片都有不同工作頻率、
傳輸速率以及喜愛的工作電壓，市面上較多人使用的是德州儀器所製造的 CC2420 晶片，其使用頻率為 2.4GHz，傳輸速率可達 250 kbps，並且可以調整輸出功率，
目前無線感測節點通訊部分大多使用 IEEE 802.15.4 與 ZigBee 通訊協定(Baroni et al., 2007)。
電源供應端部分，無論是學術界的清華大學資工系的 OctopusII 和台灣大學電 機 系 的 SuperNode ， 或 是 科 技 公 司 所 生 產 的 節 點 ， 如 ： Tmote-Sky 、 Iris 和 ADAM-2510Z，這些節點都使用 2 個 AA 電池，只要 3V 的電壓即可使無線感測器
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節點正常運作。此外，因為政府大力提倡永續能源觀念，故也可以在整個無線感 測器系統電源供應端裝置太陽能充電系統，利用無汙染且永續的能源提升無線感 測器網路系統整體運作壽命(Liao et al., 2012)。
(a) (b)
圖 2- 21 無線感測器節點實體圖(a)清華大學資工系所開發的 OctopusII (b)台灣 大學電機系所開發的 SuperNode
圖 2- 22 無線感測器節點構成示意圖
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2.4.3 無線感測器網路應用於農業與生態監測
利用無線感測網路進行生態與環境監測越來越普遍，隨著無線感測網路技術 進步，已經突破以往的人工田野調查，無線感測網路技術更可以深入荒郊野外進 行遠端監測，不僅可以節省大量人力並且克服地形因素，同時提高時間上的準確 解析與準確率。透過有線或者無線網路的傳輸回送資料到後端資料庫，供給管理 者或者使用者能夠即時的監測環境變化，並且能夠長時間的累積環境資訊，從長 期環境資訊中歸納出各種生態的消長，進而可以建造生態模型預測生態系未來的 走向。
長期的生態監測將會累積巨大的資料量，加上這些資料散落於原野田間，要 即時取得根本難上加難，因為這些資料蒐集延遲，不但減少研究資料的價值，同 時也會提高研究成本。以往生態研究多仰賴人工田野調查，工作人員前往監測區 域的各個監測點讀取感測器之各個資料，而這些讀取回來的巨大資料還需額外花 時間整理、分類、處理和分析(Ho, 2008)，過程過於繁瑣。假使放置於野外的感測 器因為天氣或者野外生物侵襲之因素而損壞，但是卻無法馬上有良好的回授機制 回報置於野外的各感測器好壞情形，將會造成資料收集完全性(Data integrity)不佳，
將來處理與分析資料必然會與原野間的實際狀況有所出入；在這些繁雜的步驟中，
已經耗去大量的人力也不合乎研究效率，尋找適切的解決方法是必要的。
無線感測器網路(Wireless Sensor Network, WSN)是近年來常用的生態監測方 法，透過機電整合及無線網路通訊技術來達成自動化與即時監測的系統，經由建 置於生態感測區域的無線感測網路監測，整合環境監測資料可以分析個體、族群、
生態系各階層之龐大資料。無線感測網路之興起改變以往人工資料收集，轉變成 透過無線感測網路回傳至後端資料庫平台，有助於研究人員日後對資料的整理與 利用，促使資料的分享與整合，也可搭配近期雲端系統，Wang 等人即提出「農業 雲」的概念隨之而生，系統架構圖如圖 2-26 所示，Wang 等人以 WSN 系統監測大
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型蘭園栽種溫室，感測到之溫室資料，如：溫度、濕度、照度等，即時上傳至農 業雲端供人查詢服務，不同的是農業雲提供更強大的服務，系統可以依管理者需 求即時利用感測資訊繪製溫度場域圖、濕度場域圖以及照度分布場域圖，當溫室 出現緊急狀況需要管理者馬上處理，農業雲也提供手機簡訊通知警報，業者可以 立即訂定改善方法；比起以往派遣人力前往溫溼度感測器讀取資料，農業雲提供 更強大的服務，使管理者能夠更加準確與精準地控制蘭園溫室之環境，種植出更 加優良之蘭花，達到精緻農業之目的與知識共享管理的優點。
圖 2- 23 溫室監測系統架構圖(Wang et al., 2013)
針對監測對象的不同，無線感測器網路可搭配不同的感測器來達成即時監測 任務，針對監測對象的不同，無線感測網路可以完成不同監測目標，利用其省電 以及可以大量放佈建於傳輸線路不易到達的地方，例如應用 WSN 系統於田間監測 東方果實蠅害蟲(林，2006)以及田間建測斜紋夜盜蛾(王，2010)，此兩篇作者都使
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用系統整合技術於節點上，如圖 2-27 無線感測結點整合周邊電子設備所示，依計 畫不同製作不同的誘捕裝置(Trapping-Counting Device)，分別設計專門害蟲通道並 且在每個誘捕裝置內加入害蟲誘引藥劑以進行害蟲引誘，搭配裝置於蟲道上的紅 外線，害蟲進入通道後便會遮斷紅外線，感測資料就會傳送至節點，感測器方面 亦整合溫度、濕度以及照度，這些參數對於生態監測來說都是極為重要的資料，
供電方面，即利用車用電池搭配太陽能板與充電控制器，如此可以更長時間的監 測，維持系統穩定運作，工作人員也不用時常前往維護系統，亦降低經濟成本。
圖 2- 24 無線感測結點整合周邊電子設備
監測保育類動物亦可以使用無線感測器網路(劉，2012)，監測之保育類動物是 鳳頭燕鷗，鳳頭燕鷗又被稱為馬祖的神話鳥，因為牠們已經銷聲匿跡一段時間，
在最近幾年又被發現蹤跡，但是，由於鳳頭燕鷗稀少、出沒時間捉摸不定以及出 沒地點是在馬祖外海的小島─鐵尖島，故派遣人力必然需要許多金錢成本，而且島 嶼為無人小島，所以要近距離觀察鳳頭燕鷗根本不可能，也會擾動到鳳頭燕鷗的 生活；劉等人即利用無線感測器網路並且整合了影像監測鏡頭，供電部分即是利 用多個車用電池搭配太陽能板與充電控制器，在島嶼上佈建許多套系統，定時拍
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攝鳳頭燕鷗平時生活過程，由於搭配再生能源，故整套系統可以長時間正常運作。
由於蜜蜂之溫室受粉需要長時間監測，且其遍及範圍相當廣泛，因此本研究 希望透過機電整合及無線網路監測技術監測蜜蜂的行為，使用無線感測網路進行 遠端資料收集，達成資料即時性，並透過連續長時間的環境監測及蜜蜂出入巢行 為觀察，克服傳統蜜蜂監測在研究蜜蜂習性時無法將其行為量化的問題，觀察其 在環境變化時的行為，並進行細部分析。
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第三章、實驗材料與方法
本研究研擬發展一套能長時間放置野外環境環境之蜜蜂監測系統，且希望盡 量不影響蜜蜂平常生活以達到全自動化蜂群出入巢監測系統，在蜂箱內部以及外 部各放置一溫濕度感測器，用以感測環境溫濕度以及巢內溫濕度，同時記錄當下 蜜蜂出入巢情況，透過無線感測器網路以無線方式傳輸至後端資料蒐集站(閘道器)，
收集長時間環境資訊以及蜜蜂出入巢資訊後，最後進行資料分析歸納出蜜蜂行為 模式。
3.1 蜂群行為監測系統架構
本監測系統主要建置一精密電子裝置於蜂箱之出入口，以促使蜂群在進出時 必須經由本研究所研發之特殊通道進行進出動作，同時記錄當下環境參數，如：
溫度與濕度，圖 3-1 為蜂群行為監測系統架構圖，運作敘述如下，當蜜蜂進行出入 巢動作時，即進入前端感測層，放置於蜂箱出入口之紅外線感測模組將會被觸發，
觸發訊號經由訊號處理模組後，訊號模組把蜜蜂出入巢之信號送至運算處理核心 FPGA，運算處理核心 FPGA 將會有機制判定蜜蜂為出巢或是入巢，爾後，將蜜蜂 在此週期之出入巢數量送至無線感測節點，在此，前端系統作業即完成，後續計 數資料及環境參數透過無線感測器節點使用 ZigBee 通訊協定由閘道器負責蒐集，
由於試驗場地備有穩定的市電來源，故本研究使用研華科技公司所研製型號 ARK-3360 的工業用電腦(Industrial Personal Computer, IPC)作為閘道器，工業電腦 具有良好的運算，可即時的處理各蜂箱傳入閘道器之大量出入巢資料以及環境資 料，工業電腦備有 3G 網卡，可以隨時連線進行上傳動作將資料送至網路上之資料 庫，可即時提供研究人員及養飼蜜蜂的農民查詢參考使用。本架構共分為四大部 分；前端感測層、閘道器(資料收集站)、後端平台以及管理區域，各區塊之運作目 的以及動作原理之具體描述如下：
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1.
前端感測層(Front-end Sensing Layer)前端感測層之位置是在本研究的試驗地點─新北市新店區安坑，在本層吾人 會在蜂箱出入口裝置蜂群行為監測系統，本層最主要是負責感測環境溫溼度以及 巢內的溫溼度，同時蜜蜂須經由本研究所研製的特殊通道進出，特殊通道上裝有 紅外線感測裝置可以偵測蜜蜂進出，蜂群行為監測運作架構圖如圖 3-1 所示，經由 訊號處理模組處理波形後，送至運算處理核心判斷，運算處理核心根據一套吾人 撰寫之判斷演算法來判別蜜蜂是進巢抑或是出巢，最後運算處理核心會將當下蜜 蜂 進 出 巢 的 數 字 以 通 用 非 同 步 收 發 傳 輸 器 (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)的協定方式將資料送至無線感測器節點，爾後節點會感 測當下環境溫濕度以及巢內的溫溼度，最後彙整資料後以無線傳輸的方式送至位 於蜂箱附近之閘道器(資料收集站)
2.
閘道器(Gateway)閘道器主要是接收散佈在前端感測層之節點的回傳資訊，通常閘道器是一個 強大的運算核心機器，如：微處理晶片、桌上型電腦、筆電型電腦、工業電腦等 等，當閘道器收到大量感測資料後會進行資料彙整，一部份儲存在閘道器自身的 硬碟內，另一部份也把這些感測資料以 3G 網路的方式回傳至網路上預先建置好的 資料庫內進行資料儲存，如圖 3-2 所示。
3.
後端平台(Back-end Platform)後端平台主要負責建置資料庫以及資料處理與分析，後端我們以 MySQL 以及 PHP 所建置的資料庫，資料庫內可以分門別類地收集從閘道器傳送過來之巨量資 料，爾後巨量資料匯出後，吾人可以整理這些巨量資料進行資料分析，例如相關 係數分析(Correlation coefficient)與變異數分析(Analysis of variance, ANOVA)。
4.
管理區域(Management)系統管理者或是擁有資料庫權限之管理員都可以透過電腦或是智慧型收機裝 置進行線上資料庫查詢，只要身邊有網路連線即可查詢各蜂箱之資料，藉由此項
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服務，管理員們可以即時監測蜂箱，若發現某蜂箱內之出入巢狀況異常，有很大 的可能蜂群已經出現生病或是蜂箱過熱情形，管理者可以即時做出準確決策，解 決異常情況，使整個系統維持正常運作。
圖 3- 1 蜂群行為監測運作架構圖
圖 3- 2 蜂群即時監測系統架構方塊圖
3.2 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
