東北林業(yè)大學(xué) 晏兆雄 李雪瑤 邵 琦

摘要：經(jīng)過對牡丹、郁金香、薰衣草近五年開花日期規(guī)律的研究，得出有關(guān)牡丹、郁金香、薰衣草開放日期的算法，進而設(shè)計了一款利用單片機預(yù)測花期的電子植物名片并通過系統(tǒng)的設(shè)計，讓其成為具有分機收集數(shù)據(jù)預(yù)測，總機匯總數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進行聯(lián)網(wǎng)展示等功能的總–分機系統(tǒng)。本文介紹該電子系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)、工作原理、開花時間預(yù)測公式以及該電子系統(tǒng)的運行方式。通過對多種花卉五年的周圍環(huán)境溫度等因素與當年開花時間的關(guān)系進行分析，得到它的開放時間預(yù)測公式，將該公式運用到電子系統(tǒng)的程序設(shè)計中，使得電子系統(tǒng)可以根據(jù)當年環(huán)境數(shù)據(jù)，預(yù)測該地區(qū)花卉當年的開花日期并將數(shù)據(jù)進行匯總同步到互聯(lián)網(wǎng)上。

關(guān)鍵詞：預(yù)測花期、多種花卉、電子系統(tǒng)、回歸分析、單片機、互聯(lián)網(wǎng)同步

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：Ａ

文章編號：1003-0069(2017)08-0115-03

Abstract：After nearly five years of research on the laws of the peony, tulip and lavender flowering date, open date algorithm of the peony, tulip and lavender is concluded, and then uses single chip computer to design a flowering electronic card plant and through the design of the system, makes its have the extension to collect data to predict, and switchboard collects data and displays data networking functions such as total – extension system. This paper introduces the main structure, working principle of the electronic system, flowering time prediction formula, and the operation mode of the electronic system. Based on five years data on many kinds of flowers, environmental factors such as temperature and the flowering time were analyzed, and the relationship between them and gets its opening time forecast formula. Then the formula is used in electronic system programming, making the electronic system based on the environmental data forecast date of flowers that bloom in the region and collect data which will be synchronized to the Internet. 

Keywords：Predict flowering A variety of flowers Electronic system Regression analysis Singlechip The Internet synchronization

前言

植物園作為哈爾濱市的一個景點，受到廣大市民的垂愛，5月份左右，人們相繼來到這里進行賞花，此時，哈爾濱植物園進入賞花高峰期，而精準的各種花卉的花期預(yù)測可讓工作人員提前準備游樂觀賞活動，加強宣傳與監(jiān)管，拓展相應(yīng)游樂項目，可向游客展示準確信息以確定合理的參觀時間。所以花期預(yù)測的設(shè)計具有重要的作用。

以牡丹為例：從資料了解到，牡丹是毛茛科、芍藥屬植物，為多年生落葉小灌木。影響牡丹花物候變化的大致包括生物因素如物種，環(huán)境因素如氣溫、光照強度和濕度等。該植物的吐苞開花等主要受季節(jié)環(huán)境因素變化的影響。牡丹的開花特性除了因為每年季節(jié)環(huán)境因素不同而有差異外，也因品種差別而有些許開放時間上的不同，持續(xù)時間上的不同。但是對多種品種的牡丹花開花情況缺少準確詳盡的研究數(shù)據(jù)與分析。

本研究以牡丹等比較經(jīng)典的三種花卉為例，使用灰色預(yù)測以及回歸分析的方法對其進行記錄與分析，通過對該種類花在哈爾濱市近幾年的開花規(guī)律的研究分析，推導(dǎo)出氣溫、光照及其他氣候因素與開放日期關(guān)系的公式，融入到編程中，開發(fā)一款利用單片機計算開放日期的系統(tǒng)。可以便捷對植物的實地觀賞行動。在能夠預(yù)測花期的同時，還通過編程的設(shè)計，將其設(shè)計成總機—分機的電子系統(tǒng)，分機在室外進行數(shù)據(jù)的收集，該種花卉花期時間的預(yù)測，總計進行數(shù)據(jù)的匯總，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)礁鱾€想要觀賞花卉的游客電腦中，使游客足不出戶就可以對自己的行程進行規(guī)劃，方便了管理部門的同時也方便了游客。分機使用太陽能電池進行供電，解決電線損壞時候的用電問題。

一、整機結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

（一）整機結(jié)構(gòu)：外部結(jié)構(gòu)包括外部造型支架，透明玻璃罩。造型支架起防護和承重的作用，包裹支撐著內(nèi)部儀器例如五合一傳感器和顯示屏等器材。展示部分為為語音介紹裝置，點擊即可播放植物基本信息。透明的玻璃是為了方便從機器外部觀看設(shè)備內(nèi)液晶顯示屏上的內(nèi)容，也可以防止外界灰塵等進入機器，防止外界環(huán)境因素影響機器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運行壽命（如圖1、2）。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

分機由主控芯片mega 328和溫度、濕度、氣壓、高度、光線五合一傳感器和WIFI通訊模塊構(gòu)成，由5V太陽能發(fā)電模塊供電，避免了布線的限制，可放置于任何可見陽光之處。

主機由樹莓派3,21寸液晶顯示器，使用220V交流電供電，傳感器將所監(jiān)測的數(shù)據(jù)送到主控芯片中處理并儲存數(shù)據(jù)，處理出結(jié)果再反饋到用戶交互端，并上傳至網(wǎng)站的服務(wù)器，來供游客查詢。

（二）主要涉及參數(shù)：該電子系統(tǒng)總–分機的設(shè)計符合人機工程學(xué)立姿斜面閱覽人機工程學(xué)尺寸，確定參數(shù)時參考目前公共場所中引導(dǎo)儀器的外觀風(fēng)格與大小、整體形態(tài)。風(fēng)格簡約，與周圍環(huán)境相適應(yīng)。機器高度設(shè)計目的是適合游客站姿預(yù)覽。分機高度較低，總機放置于大廳內(nèi)，高度正常。

主機整機高度：1332mm

整機寬度：350mm 分機高度與寬度主機有所區(qū)別。

總分機信息顯示區(qū)域與機器承重部位的夾角：44.5°

二、花期預(yù)測公式

（一）公式推導(dǎo)原理

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，花卉開花時間的主要影響因素是氣溫。運用灰色預(yù)測法，通過對已知的溫度改變及其他因素進行分析，進而對植物開花日期進行分析。經(jīng)過對相鄰幾年內(nèi)哈爾濱氣溫數(shù)據(jù)的采集及與花卉開花時間進行線性回歸分析，推導(dǎo)出花卉開放時間的計算公式。

以溫度的推導(dǎo)方法為例：

丁香花的開花時間一般是5-6月，即將5月初作為公式推導(dǎo)的開始時間。通過線性分析可知丁香花開花時間與3月上旬、下旬、4月上旬平均氣溫有較明確的關(guān)系。建立3月上下旬、4月上旬平均溫度的函數(shù)關(guān)系式，得到結(jié)論為Y=-1.7a-2.11b-0.07c（a為3月上旬溫度，b為3月下旬溫度，c為4月上旬溫度）。得出Y值，并計算出5月Y號為丁香花的盛開時間。

根據(jù)相同原理，得到牡丹花預(yù)測公式。牡丹花的開花時間一般是5-6月，即將4月初作為公式推導(dǎo)的開始時間。通過線性分析可知牡丹花開花時間與4月下旬、5月上旬、5月下旬平均溫度有較明確的關(guān)系。建立4月下旬、5月上下旬平均溫度的函數(shù)關(guān)系式，得到結(jié)論為Y=-5.63a+9.35b-3.99c（a為4月上旬溫度，b為5月上旬溫度，c五月下旬溫度）。得出Y值并計算出六月Y號為牡丹的盛開時間。

郁金香的開花時間一般是4-5月，即將4月初作為公式推導(dǎo)的開始時間。通過線性分析可知郁金香花期與4月上旬、4月下旬、5月上旬平均氣溫有較明確的關(guān)系。建立4月上下旬、5月上旬平均溫度的函數(shù)關(guān)系式，得到結(jié)論為Y=2.56a+1.29b-1.70c（a為4月上旬平均氣溫，b為4月下旬平均氣溫，c為5月上旬平均氣溫）。得出Y值并計算出五月Y號為郁金香的開放日。

薰衣草的開花時間一般是6-7月，即將6月初作為公式推導(dǎo)的開始時間。通過線性分析可知薰衣草花期與6月上下旬、7月上旬平均氣溫有明顯的函數(shù)關(guān)系。建立6月上下旬、7月上旬平均氣溫的線性方程函數(shù)，并求解出結(jié)果為Y=-0.18a+1.21b-0.32c（a為6月上旬溫度，b為6月下旬溫度，c為7月上旬溫度）。得出Y值并計算出七月Y號為薰衣草的盛開時間。

（二）公式推出過程及公式檢驗

丁香花

經(jīng)過對相鄰五年內(nèi)哈爾濱丁香花開花時間的規(guī)律的把握，對氣溫的研究以及查詢有關(guān)論文多篇。經(jīng)對紫丁香3月上半月、下半月，4月上半月的平均氣溫分析，利用間斷年間（2011、2014、2015）的氣溫建立出有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式。

建立3月上下旬、4月上旬平均溫度的函數(shù)關(guān)系式，得到結(jié)論為Y=-1.7a-2.11b-0.07c（a為3月上旬溫度，b為3月下旬溫度，c為4月上旬溫度）。得出Y值，并計算出5月Y號為丁香花的盛開時間。并將算出的結(jié)果代入未使用過的年份進行公式檢驗：

在核對之后，誤差在允許的范圍內(nèi)。所以Y=-1.7a-2.11b-0.07c;當作本項目的編程依據(jù)公式1。

牡丹

經(jīng)過對相鄰五年內(nèi)哈爾濱牡丹花開花時間的規(guī)律的把握，對氣溫的研究以及查詢有關(guān)論文多篇。經(jīng)對紫丁香4月份下半月，5月份上半月、下半月的平均氣溫分析，利用間斷年間（2011、2014、2015）的氣溫建立出有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式。

建立4月下旬、5月上下旬平均溫度的函數(shù)關(guān)系式，得到結(jié)論為Y=-5.63a+9.35b-3.99c;（a為4月上旬溫度，b為5月上旬溫度，c五月下旬溫度。）得出Y值并計算出六月Y號為牡丹的盛開時間。并將算出的結(jié)果代入未使用過的年份進行公式檢驗：

在核對之后，誤差在允許的范圍內(nèi)。所以Y=-5.63a+9.35b-3.99c;當作本項目的編程依據(jù)公式2。

郁金香

經(jīng)過對相鄰五年內(nèi)哈爾濱郁金香花開花時間的規(guī)律的把握，對氣溫的研究以及查詢有關(guān)論文多篇。經(jīng)過對郁金香4月上半月、下半月，5月上半月的平均氣溫分析，利用間斷年間（2011、2015、2016）的氣溫建立出有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式。

建立4月上下旬、5月上旬平均溫度的函數(shù)關(guān)系式，得到結(jié)論為Y=2.56a+1.29b-1.70c（a為4月上旬平均氣溫，b為4月下旬平均氣溫，c為5月上旬平均氣溫）。得出Y值并計算出五月Y號為郁金香的開放日。并將算出的結(jié)果代入未使用過的年份進行公式檢驗：

在核對之后，誤差在允許的范圍內(nèi)。所以Y=2.56a+1.29b-1.70c;當作本項目的編程依據(jù)公式3。

薰衣草

經(jīng)過對相鄰五年內(nèi)哈爾濱薰衣草開花時間的規(guī)律的把握，對氣溫的研究以及查詢有關(guān)論文多篇。經(jīng)過對薰衣草6月份上半月、下半月，7月份上半月的平均氣溫分析，利用間斷年間（2011、2013、2015）的氣溫建立出有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式。

建立6月上下旬、7月上旬平均氣溫的線性方程函數(shù)，并求解出結(jié)果為Y=-0.18a+1.21b-0.32c（a為6月上旬溫度，b為6月下旬溫度，c為7月上旬溫度）。得出Y值并計算出七月Y號為薰衣草的盛開時間。 

在核對之后，誤差在允許的范圍內(nèi)。所以Y=-0.18a+1.21b-0.32c;當作本項目的編程依據(jù)公式4。

三、電子系統(tǒng)的數(shù)值化設(shè)計

（一）工作原理和過程

工作原理：該電子系統(tǒng)的多個分機使用溫度傳感器將不同種類花卉所在地區(qū)周圍氣溫進行采集，使用單片機進行數(shù)據(jù)的處理與運算，最終將結(jié)果輸出至顯示屏并同時將預(yù)測數(shù)據(jù)上傳至總機，在總機上進行匯總，顯示在大廳的大屏幕上，同時通過數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，總機將匯總過的數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)并顯示在植物園網(wǎng)站的通知上。 

工作過程：溫度傳感器收集的氣溫數(shù)值輸出給單片機，單片機按照已編寫的程序?qū)?shù)據(jù)處理運算并存儲，等到數(shù)據(jù)采集完成 ，計算出花卉開花日期，并輸出至顯示屏，同時上傳至總機及互聯(lián)網(wǎng)上。

（二）工作流程 

由于分機主控的內(nèi)存有限，所以定義a、b、c、d、e5個數(shù)組分別來存放傳感器所傳遞回來的五個參數(shù)，設(shè)定每5min采集一定數(shù)據(jù)，同時每1小時將所采集的數(shù)據(jù)取平均值后通過通訊模塊傳遞至主機，由主機存儲至Rom中的sj.csv文件中，當數(shù)據(jù)滿足預(yù)測所需后，由主機進行讀取sj.csv，將數(shù)據(jù)代入建模所得出的公式之中，得出預(yù)測結(jié)果，顯示在主機的顯示器上，同時上傳至網(wǎng)站服務(wù)器存儲。

（三）流程框圖

四、討論與展望

本文目標重點在于解決現(xiàn)在不能精準計算多種植物花期并把結(jié)果展示出來的問題，此電子系統(tǒng)具有操作簡便，可同時精確預(yù)測多種植物花期時間，將結(jié)果傳輸?shù)娇倷C內(nèi)部從而進一步傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，收集的數(shù)據(jù)留給科研人員進行科學(xué)實驗的特點，極大程度上節(jié)省了財力和人力，為工作人員、研究人員和游客帶來了極大方便，在有關(guān)科研方面有傳播發(fā)

展的極大價值。但是由于本文的公式原理只涉及了影響開花時間的少數(shù)環(huán)境因素（如氣溫、濕度等），未把降水量一類對花卉開花時間也有影響的微小環(huán)境因子涉及在運算中，所以在開花時間的計算上還有相對較小的誤差，該誤差的縮小有待進一步的研究。

（一）具有準確性和便捷性：該電子系統(tǒng)設(shè)計可為游客提供準確開花時間并上傳到互聯(lián)網(wǎng)上，游客不僅可以在植物園內(nèi)部看到植物開花的時間，也可以自己在家查詢到開花時間從而合理安排自己的出游時間。這對于植物展示，花圃都存在很高的價值，能夠招攬更多的觀賞者，并發(fā)展當?shù)氐穆糜螛I(yè)。在植物信息的展示上還安裝有語音播放功能，進一步方便游客。

（二）具有推廣性。該電子系統(tǒng)計算開花時間的方法原理合理且具有科學(xué)性，能運用到不同種類的植物上。對于數(shù)量較多的花卉種類，僅需要收集其以往年份的花期鄰近月份的氣溫數(shù)據(jù)，就能夠使用這個辦法進行準確的計算。此外，這里只是設(shè)計了一個總機分機系統(tǒng)的概念模型，后續(xù)可以根據(jù)研究和預(yù)測的實際需要，添加無數(shù)個分機進行各種不同預(yù)測工作，只需要進行花期預(yù)測公式的推導(dǎo)。該系統(tǒng)不僅可以運用在植物園，也可以運用在一切有調(diào)查范圍過大問題的地方。

（三）具有易操作性。所設(shè)計的預(yù)測花卉開花時間的電子系統(tǒng)使用方式簡單，工作人員在平時不用第二次適應(yīng)其他機器。機器中儲存的氣溫、濕度一類數(shù)據(jù)能夠隨時拷貝，供研究人員使用，精減了工作人員用在日常數(shù)據(jù)收集，記錄植物環(huán)境溫度上的時間精力。

（四）具有科研價值：在不需要進行花期預(yù)測的時間段，分機可以保留并上傳所收集到的數(shù)據(jù)，給進行科研工作的人使用，具有較大的剩余價值和科研價值。 

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