東北林業(yè)大學(xué) 晏兆雄 李雪瑤 邵 琦

摘要：經(jīng)過(guò)對(duì)牡丹、郁金香、薰衣草近五年開(kāi)花日期規(guī)律的研究，得出有關(guān)牡丹、郁金香、薰衣草開(kāi)放日期的算法，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一款利用單片機(jī)預(yù)測(cè)花期的電子植物名片并通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓其成為具有分機(jī)收集數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，總機(jī)匯總數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)展示等功能的總–分機(jī)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(kāi)花時(shí)間預(yù)測(cè)公式以及該電子系統(tǒng)的運(yùn)行方式。通過(guò)對(duì)多種花卉五年的周圍環(huán)境溫度等因素與當(dāng)年開(kāi)花時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行分析，得到它的開(kāi)放時(shí)間預(yù)測(cè)公式，將該公式運(yùn)用到電子系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，使得電子系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)年環(huán)境數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)該地區(qū)花卉當(dāng)年的開(kāi)花日期并將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總同步到互聯(lián)網(wǎng)上。

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

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ

文章編號(hào)：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(gè)景點(diǎn)，受到廣大市民的垂愛(ài)，5月份左右，人們相繼來(lái)到這里進(jìn)行賞花，此時(shí)，哈爾濱植物園進(jìn)入賞花高峰期，而精準(zhǔn)的各種花卉的花期預(yù)測(cè)可讓工作人員提前準(zhǔn)備游樂(lè)觀賞活動(dòng)，加強(qiáng)宣傳與監(jiān)管，拓展相應(yīng)游樂(lè)項(xiàng)目，可向游客展示準(zhǔn)確信息以確定合理的參觀時(shí)間。所以花期預(yù)測(cè)的設(shè)計(jì)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(qiáng)度和濕度等。該植物的吐苞開(kāi)花等主要受季節(jié)環(huán)境因素變化的影響。牡丹的開(kāi)花特性除了因?yàn)槊磕昙竟?jié)環(huán)境因素不同而有差異外，也因品種差別而有些許開(kāi)放時(shí)間上的不同，持續(xù)時(shí)間上的不同。但是對(duì)多種品種的牡丹花開(kāi)花情況缺少準(zhǔn)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(cè)以及回歸分析的方法對(duì)其進(jìn)行記錄與分析，通過(guò)對(duì)該種類花在哈爾濱市近幾年的開(kāi)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(kāi)放日期關(guān)系的公式，融入到編程中，開(kāi)發(fā)一款利用單片機(jī)計(jì)算開(kāi)放日期的系統(tǒng)。可以便捷對(duì)植物的實(shí)地觀賞行動(dòng)。在能夠預(yù)測(cè)花期的同時(shí)，還通過(guò)編程的設(shè)計(jì)，將其設(shè)計(jì)成總機(jī)—分機(jī)的電子系統(tǒng)，分機(jī)在室外進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，該種花卉花期時(shí)間的預(yù)測(cè)，總計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)礁鱾€(gè)想要觀賞花卉的游客電腦中，使游客足不出戶就可以對(duì)自己的行程進(jìn)行規(guī)劃，方便了管理部門的同時(shí)也方便了游客。分機(jī)使用太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電，解決電線損壞時(shí)候的用電問(wèn)題。

一、整機(jī)結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

（一）整機(jī)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(hù)和承重的作用，包裹支撐著內(nèi)部?jī)x器例如五合一傳感器和顯示屏等器材。展示部分為為語(yǔ)音介紹裝置，點(diǎn)擊即可播放植物基本信息。透明的玻璃是為了方便從機(jī)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(jìn)入機(jī)器，防止外界環(huán)境因素影響機(jī)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)行壽命（如圖1、2）。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

分機(jī)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(yáng)能發(fā)電模塊供電，避免了布線的限制，可放置于任何可見(jiàn)陽(yáng)光之處。

主機(jī)由樹(shù)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(cè)的數(shù)據(jù)送到主控芯片中處理并儲(chǔ)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(lái)供游客查詢。

（二）主要涉及參數(shù)：該電子系統(tǒng)總–分機(jī)的設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)立姿斜面閱覽人機(jī)工程學(xué)尺寸，確定參數(shù)時(shí)參考目前公共場(chǎng)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(jiǎn)約，與周圍環(huán)境相適應(yīng)。機(jī)器高度設(shè)計(jì)目的是適合游客站姿預(yù)覽。分機(jī)高度較低，總機(jī)放置于大廳內(nèi)，高度正常。

主機(jī)整機(jī)高度：1332mm

整機(jī)寬度：350mm 分機(jī)高度與寬度主機(jī)有所區(qū)別。

總分機(jī)信息顯示區(qū)域與機(jī)器承重部位的夾角：44.5°

二、花期預(yù)測(cè)公式

（一）公式推導(dǎo)原理

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，花卉開(kāi)花時(shí)間的主要影響因素是氣溫。運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)法，通過(guò)對(duì)已知的溫度改變及其他因素進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)植物開(kāi)花日期進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)對(duì)相鄰幾年內(nèi)哈爾濱氣溫?cái)?shù)據(jù)的采集及與花卉開(kāi)花時(shí)間進(jìn)行線性回歸分析，推導(dǎo)出花卉開(kāi)放時(shí)間的計(jì)算公式。

以溫度的推導(dǎo)方法為例：

丁香花的開(kāi)花時(shí)間一般是5-6月，即將5月初作為公式推導(dǎo)的開(kāi)始時(shí)間。通過(guò)線性分析可知丁香花開(kāi)花時(shí)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(jì)算出5月Y號(hào)為丁香花的盛開(kāi)時(shí)間。

根據(jù)相同原理，得到牡丹花預(yù)測(cè)公式。牡丹花的開(kāi)花時(shí)間一般是5-6月，即將4月初作為公式推導(dǎo)的開(kāi)始時(shí)間。通過(guò)線性分析可知牡丹花開(kāi)花時(shí)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(jì)算出六月Y號(hào)為牡丹的盛開(kāi)時(shí)間。

郁金香的開(kāi)花時(shí)間一般是4-5月，即將4月初作為公式推導(dǎo)的開(kāi)始時(shí)間。通過(guò)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(jì)算出五月Y號(hào)為郁金香的開(kāi)放日。

薰衣草的開(kāi)花時(shí)間一般是6-7月，即將6月初作為公式推導(dǎo)的開(kāi)始時(shí)間。通過(guò)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(jì)算出七月Y號(hào)為薰衣草的盛開(kāi)時(shí)間。

（二）公式推出過(guò)程及公式檢驗(yàn)

丁香花

經(jīng)過(guò)對(duì)相鄰五年內(nèi)哈爾濱丁香花開(kāi)花時(shí)間的規(guī)律的把握，對(duì)氣溫的研究以及查詢有關(guān)論文多篇。經(jīng)對(duì)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(jì)算出5月Y號(hào)為丁香花的盛開(kāi)時(shí)間。并將算出的結(jié)果代入未使用過(guò)的年份進(jìn)行公式檢驗(yàn)：

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

牡丹

經(jīng)過(guò)對(duì)相鄰五年內(nèi)哈爾濱牡丹花開(kāi)花時(shí)間的規(guī)律的把握，對(duì)氣溫的研究以及查詢有關(guān)論文多篇。經(jīng)對(duì)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(jì)算出六月Y號(hào)為牡丹的盛開(kāi)時(shí)間。并將算出的結(jié)果代入未使用過(guò)的年份進(jìn)行公式檢驗(yàn)：

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

郁金香

經(jīng)過(guò)對(duì)相鄰五年內(nèi)哈爾濱郁金香花開(kāi)花時(shí)間的規(guī)律的把握，對(duì)氣溫的研究以及查詢有關(guān)論文多篇。經(jīng)過(guò)對(duì)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(jì)算出五月Y號(hào)為郁金香的開(kāi)放日。并將算出的結(jié)果代入未使用過(guò)的年份進(jìn)行公式檢驗(yàn)：

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

薰衣草

經(jīng)過(guò)對(duì)相鄰五年內(nèi)哈爾濱薰衣草開(kāi)花時(shí)間的規(guī)律的把握，對(duì)氣溫的研究以及查詢有關(guān)論文多篇。經(jīng)過(guò)對(duì)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(jì)算出七月Y號(hào)為薰衣草的盛開(kāi)時(shí)間。 

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

三、電子系統(tǒng)的數(shù)值化設(shè)計(jì)

（一）工作原理和過(guò)程

工作原理：該電子系統(tǒng)的多個(gè)分機(jī)使用溫度傳感器將不同種類花卉所在地區(qū)周圍氣溫進(jìn)行采集，使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與運(yùn)算，最終將結(jié)果輸出至顯示屏并同時(shí)將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至總機(jī)，在總機(jī)上進(jìn)行匯總，顯示在大廳的大屏幕上，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，總機(jī)將匯總過(guò)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(guò)程：溫度傳感器收集的氣溫?cái)?shù)值輸出給單片機(jī)，單片機(jī)按照已編寫的程序?qū)?shù)據(jù)處理運(yùn)算并存儲(chǔ)，等到數(shù)據(jù)采集完成 ，計(jì)算出花卉開(kāi)花日期，并輸出至顯示屏，同時(shí)上傳至總機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)上。

（二）工作流程 

由于分機(jī)主控的內(nèi)存有限，所以定義a、b、c、d、e5個(gè)數(shù)組分別來(lái)存放傳感器所傳遞回來(lái)的五個(gè)參數(shù)，設(shè)定每5min采集一定數(shù)據(jù)，同時(shí)每1小時(shí)將所采集的數(shù)據(jù)取平均值后通過(guò)通訊模塊傳遞至主機(jī)，由主機(jī)存儲(chǔ)至Rom中的sj.csv文件中，當(dāng)數(shù)據(jù)滿足預(yù)測(cè)所需后，由主機(jī)進(jìn)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(cè)結(jié)果，顯示在主機(jī)的顯示器上，同時(shí)上傳至網(wǎng)站服務(wù)器存儲(chǔ)。

（三）流程框圖

四、討論與展望

本文目標(biāo)重點(diǎn)在于解決現(xiàn)在不能精準(zhǔn)計(jì)算多種植物花期并把結(jié)果展示出來(lái)的問(wèn)題，此電子系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便，可同時(shí)精確預(yù)測(cè)多種植物花期時(shí)間，將結(jié)果傳輸?shù)娇倷C(jī)內(nèi)部從而進(jìn)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(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，極大程度上節(jié)省了財(cái)力和人力，為工作人員、研究人員和游客帶來(lái)了極大方便，在有關(guān)科研方面有傳播發(fā)

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

（一）具有準(zhǔn)確性和便捷性：該電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)可為游客提供準(zhǔn)確開(kāi)花時(shí)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(kāi)花的時(shí)間，也可以自己在家查詢到開(kāi)花時(shí)間從而合理安排自己的出游時(shí)間。這對(duì)于植物展示，花圃都存在很高的價(jià)值，能夠招攬更多的觀賞者，并發(fā)展當(dāng)?shù)氐穆糜螛I(yè)。在植物信息的展示上還安裝有語(yǔ)音播放功能，進(jìn)一步方便游客。

（二）具有推廣性。該電子系統(tǒng)計(jì)算開(kāi)花時(shí)間的方法原理合理且具有科學(xué)性，能運(yùn)用到不同種類的植物上。對(duì)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?cái)?shù)據(jù)，就能夠使用這個(gè)辦法進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。此外，這里只是設(shè)計(jì)了一個(gè)總機(jī)分機(jī)系統(tǒng)的概念模型，后續(xù)可以根據(jù)研究和預(yù)測(cè)的實(shí)際需要，添加無(wú)數(shù)個(gè)分機(jī)進(jìn)行各種不同預(yù)測(cè)工作，只需要進(jìn)行花期預(yù)測(cè)公式的推導(dǎo)。該系統(tǒng)不僅可以運(yùn)用在植物園，也可以運(yùn)用在一切有調(diào)查范圍過(guò)大問(wèn)題的地方。

（三）具有易操作性。所設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)花卉開(kāi)花時(shí)間的電子系統(tǒng)使用方式簡(jiǎn)單，工作人員在平時(shí)不用第二次適應(yīng)其他機(jī)器。機(jī)器中儲(chǔ)存的氣溫、濕度一類數(shù)據(jù)能夠隨時(shí)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(shí)間精力。

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

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