东北林业大学 晏兆雄 李雪瑶 邵 琦
摘要：经过对牡丹、郁金香、薰衣草近五年开花日期规律的研究，得出有关牡丹、郁金香、薰衣草开放日期的算法，进而设计了一款利用单片机预测花期的电子植物名片并通过系统的设计，让其成为具有分机收集数据预测，总机汇总数据并将数据进行联网展示等功能的总–分机系统。本文介绍该电子系统的主要结构、工作原理、开花时间预测公式以及该电子系统的运行方式。通过对多种花卉五年的周围环境温度等因素与当年开花时间的关系进行分析，得到它的开放时间预测公式，将该公式运用到电子系统的程序设计中，使得电子系统可以根据当年环境数据，预测该地区花卉当年的开花日期并将数据进行汇总同步到互联网上。
关键词：预测花期、多种花卉、电子系统、回归分析、单片机、互联网同步
中图分类号：TB472 文献标识码：Ａ
文章编号：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
植物园作为哈尔滨市的一个景点，受到广大市民的垂爱，5月份左右，人们相继来到这里进行赏花，此时，哈尔滨植物园进入赏花高峰期，而精准的各种花卉的花期预测可让工作人员提前准备游乐观赏活动，加强宣传与监管，拓展相应游乐项目，可向游客展示准确信息以确定合理的参观时间。所以花期预测的设计具有重要的作用。
以牡丹为例：从资料了解到，牡丹是毛茛科、芍药属植物，为多年生落叶小灌木。影响牡丹花物候变化的大致包括生物因素如物种，环境因素如气温、光照强度和湿度等。该植物的吐苞开花等主要受季节环境因素变化的影响。牡丹的开花特性除了因为每年季节环境因素不同而有差异外，也因品种差别而有些许开放时间上的不同，持续时间上的不同。但是对多种品种的牡丹花开花情况缺少准确详尽的研究数据与分析。
本研究以牡丹等比较经典的三种花卉为例，使用灰色预测以及回归分析的方法对其进行记录与分析，通过对该种类花在哈尔滨市近几年的开花规律的研究分析，推导出气温、光照及其他气候因素与开放日期关系的公式，融入到编程中，开发一款利用单片机计算开放日期的系统。可以便捷对植物的实地观赏行动。在能够预测花期的同时，还通过编程的设计，将其设计成总机—分机的电子系统，分机在室外进行数据的收集，该种花卉花期时间的预测，总计进行数据的汇总，并通过互联网传输到各个想要观赏花卉的游客电脑中，使游客足不出户就可以对自己的行程进行规划，方便了管理部门的同时也方便了游客。分机使用太阳能电池进行供电，解决电线损坏时候的用电问题。
一、整机结构和主要参数
（一）整机结构：外部结构包括外部造型支架，透明玻璃罩。造型支架起防护和承重的作用，包裹支撑着内部仪器例如五合一传感器和显示屏等器材。展示部分为为语音介绍装置，点击即可播放植物基本信息。透明的玻璃是为了方便从机器外部观看设备内液晶显示屏上的内容，也可以防止外界灰尘等进入机器，防止外界环境因素影响机器内部结构的运行寿命（如图1、2）。
内部结构：
分机由主控芯片mega 328和温度、湿度、气压、高度、光线五合一传感器和WIFI通讯模块构成，由5V太阳能发电模块供电，避免了布线的限制，可放置于任何可见阳光之处。
主机由树莓派3,21寸液晶显示器，使用220V交流电供电，传感器将所监测的数据送到主控芯片中处理并储存数据，处理出结果再反馈到用户交互端，并上传至网站的服务器，来供游客查询。
（二）主要涉及参数：该电子系统总–分机的设计符合人机工程学立姿斜面阅览人机工程学尺寸，确定参数时参考目前公共场所中引导仪器的外观风格与大小、整体形态。风格简约，与周围环境相适应。机器高度设计目的是适合游客站姿预览。分机高度较低，总机放置于大厅内，高度正常。
主机整机高度：1332mm
整机宽度：350mm 分机高度与宽度主机有所区别。
总分机信息显示区域与机器承重部位的夹角：44.5°
二、花期预测公式
（一）公式推导原理
通过调查发现，花卉开花时间的主要影响因素是气温。运用灰色预测法，通过对已知的温度改变及其他因素进行分析，进而对植物开花日期进行分析。经过对相邻几年内哈尔滨气温数据的采集及与花卉开花时间进行线性回归分析，推导出花卉开放时间的计算公式。
以温度的推导方法为例：
丁香花的开花时间一般是5-6月，即将5月初作为公式推导的开始时间。通过线性分析可知丁香花开花时间与3月上旬、下旬、4月上旬平均气温有较明确的关系。建立3月上下旬、4月上旬平均温度的函数关系式，得到结论为Y=-1.7a-2.11b-0.07c（a为3月上旬温度，b为3月下旬温度，c为4月上旬温度）。得出Y值，并计算出5月Y号为丁香花的盛开时间。
根据相同原理，得到牡丹花预测公式。牡丹花的开花时间一般是5-6月，即将4月初作为公式推导的开始时间。通过线性分析可知牡丹花开花时间与4月下旬、5月上旬、5月下旬平均温度有较明确的关系。建立4月下旬、5月上下旬平均温度的函数关系式，得到结论为Y=-5.63a+9.35b-3.99c（a为4月上旬温度，b为5月上旬温度，c五月下旬温度）。得出Y值并计算出六月Y号为牡丹的盛开时间。
郁金香的开花时间一般是4-5月，即将4月初作为公式推导的开始时间。通过线性分析可知郁金香花期与4月上旬、4月下旬、5月上旬平均气温有较明确的关系。建立4月上下旬、5月上旬平均温度的函数关系式，得到结论为Y=2.56a+1.29b-1.70c（a为4月上旬平均气温，b为4月下旬平均气温，c为5月上旬平均气温）。得出Y值并计算出五月Y号为郁金香的开放日。
薰衣草的开花时间一般是6-7月，即将6月初作为公式推导的开始时间。通过线性分析可知薰衣草花期与6月上下旬、7月上旬平均气温有明显的函数关系。建立6月上下旬、7月上旬平均气温的线性方程函数，并求解出结果为Y=-0.18a+1.21b-0.32c（a为6月上旬温度，b为6月下旬温度，c为7月上旬温度）。得出Y值并计算出七月Y号为薰衣草的盛开时间。
（二）公式推出过程及公式检验
丁香花
经过对相邻五年内哈尔滨丁香花开花时间的规律的把握，对气温的研究以及查询有关论文多篇。经对紫丁香3月上半月、下半月，4月上半月的平均气温分析，利用间断年间（2011、2014、2015）的气温建立出有关的函数关系式。
建立3月上下旬、4月上旬平均温度的函数关系式，得到结论为Y=-1.7a-2.11b-0.07c（a为3月上旬温度，b为3月下旬温度，c为4月上旬温度）。得出Y值，并计算出5月Y号为丁香花的盛开时间。并将算出的结果代入未使用过的年份进行公式检验：
在核对之后，误差在允许的范围内。所以Y=-1.7a-2.11b-0.07c;当作本项目的编程依据公式1。
牡丹
经过对相邻五年内哈尔滨牡丹花开花时间的规律的把握，对气温的研究以及查询有关论文多篇。经对紫丁香4月份下半月，5月份上半月、下半月的平均气温分析，利用间断年间（2011、2014、2015）的气温建立出有关的函数关系式。
建立4月下旬、5月上下旬平均温度的函数关系式，得到结论为Y=-5.63a+9.35b-3.99c;（a为4月上旬温度，b为5月上旬温度，c五月下旬温度。）得出Y值并计算出六月Y号为牡丹的盛开时间。并将算出的结果代入未使用过的年份进行公式检验：
在核对之后，误差在允许的范围内。所以Y=-5.63a+9.35b-3.99c;当作本项目的编程依据公式2。
郁金香
经过对相邻五年内哈尔滨郁金香花开花时间的规律的把握，对气温的研究以及查询有关论文多篇。经过对郁金香4月上半月、下半月，5月上半月的平均气温分析，利用间断年间（2011、2015、2016）的气温建立出有关的函数关系式。
建立4月上下旬、5月上旬平均温度的函数关系式，得到结论为Y=2.56a+1.29b-1.70c（a为4月上旬平均气温，b为4月下旬平均气温，c为5月上旬平均气温）。得出Y值并计算出五月Y号为郁金香的开放日。并将算出的结果代入未使用过的年份进行公式检验：
在核对之后，误差在允许的范围内。所以Y=2.56a+1.29b-1.70c;当作本项目的编程依据公式3。
薰衣草
经过对相邻五年内哈尔滨薰衣草开花时间的规律的把握，对气温的研究以及查询有关论文多篇。经过对薰衣草6月份上半月、下半月，7月份上半月的平均气温分析，利用间断年间（2011、2013、2015）的气温建立出有关的函数关系式。
建立6月上下旬、7月上旬平均气温的线性方程函数，并求解出结果为Y=-0.18a+1.21b-0.32c（a为6月上旬温度，b为6月下旬温度，c为7月上旬温度）。得出Y值并计算出七月Y号为薰衣草的盛开时间。
在核对之后，误差在允许的范围内。所以Y=-0.18a+1.21b-0.32c;当作本项目的编程依据公式4。
三、电子系统的数值化设计
（一）工作原理和过程
工作原理：该电子系统的多个分机使用温度传感器将不同种类花卉所在地区周围气温进行采集，使用单片机进行数据的处理与运算，最终将结果输出至显示屏并同时将预测数据上传至总机，在总机上进行汇总，显示在大厅的大屏幕上，同时通过数据联网，总机将汇总过的数据上传到互联网并显示在植物园网站的通知上。
工作过程：温度传感器收集的气温数值输出给单片机，单片机按照已编写的程序对数据处理运算并存储，等到数据采集完成 ，计算出花卉开花日期，并输出至显示屏，同时上传至总机及互联网上。
（二）工作流程
由于分机主控的内存有限，所以定义a、b、c、d、e5个数组分别来存放传感器所传递回来的五个参数，设定每5min采集一定数据，同时每1小时将所采集的数据取平均值后通过通讯模块传递至主机，由主机存储至Rom中的sj.csv文件中，当数据满足预测所需后，由主机进行读取sj.csv，将数据代入建模所得出的公式之中，得出预测结果，显示在主机的显示器上，同时上传至网站服务器存储。
（三）流程框图
四、讨论与展望
本文目标重点在于解决现在不能精准计算多种植物花期并把结果展示出来的问题，此电子系统具有操作简便，可同时精确预测多种植物花期时间，将结果传输到总机内部从而进一步传输到互联网上，收集的数据留给科研人员进行科学实验的特点，极大程度上节省了财力和人力，为工作人员、研究人员和游客带来了极大方便，在有关科研方面有传播发
展的极大价值。但是由于本文的公式原理只涉及了影响开花时间的少数环境因素（如气温、湿度等），未把降水量一类对花卉开花时间也有影响的微小环境因子涉及在运算中，所以在开花时间的计算上还有相对较小的误差，该误差的缩小有待进一步的研究。
（一）具有准确性和便捷性：该电子系统设计可为游客提供准确开花时间并上传到互联网上，游客不仅可以在植物园内部看到植物开花的时间，也可以自己在家查询到开花时间从而合理安排自己的出游时间。这对于植物展示，花圃都存在很高的价值，能够招揽更多的观赏者，并发展当地的旅游业。在植物信息的展示上还安装有语音播放功能，进一步方便游客。
（二）具有推广性。该电子系统计算开花时间的方法原理合理且具有科学性，能运用到不同种类的植物上。对于数量较多的花卉种类，仅需要收集其以往年份的花期邻近月份的气温数据，就能够使用这个办法进行准确的计算。此外，这里只是设计了一个总机分机系统的概念模型，后续可以根据研究和预测的实际需要，添加无数个分机进行各种不同预测工作，只需要进行花期预测公式的推导。该系统不仅可以运用在植物园，也可以运用在一切有调查范围过大问题的地方。
（三）具有易操作性。所设计的预测花卉开花时间的电子系统使用方式简单，工作人员在平时不用第二次适应其他机器。机器中储存的气温、湿度一类数据能够随时拷贝，供研究人员使用，精减了工作人员用在日常数据收集，记录植物环境温度上的时间精力。
（四）具有科研价值：在不需要进行花期预测的时间段，分机可以保留并上传所收集到的数据，给进行科研工作的人使用，具有较大的剩余价值和科研价值。
参考文献
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