哈爾濱紫丁香花期預(yù)測(cè)及數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

李君　杜耀維　劉鑫　彭博　秦富康　李博

摘要：通過對(duì)紫丁香花五年來的開花日期的規(guī)律的分析，設(shè)計(jì)了一款可以預(yù)測(cè)紫丁香花期的電子植物名片。本文介紹了哈爾濱紫丁香花期預(yù)測(cè)模型的建立和數(shù)字化設(shè)計(jì)。通過對(duì)哈爾濱紫丁香花五年的開花日期與當(dāng)年溫度的關(guān)系進(jìn)行分析，得出預(yù)測(cè)模型，并將其通過單片機(jī)等設(shè)計(jì)成電子植物名片，使其可以基于本年天氣氣溫變化數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)當(dāng)年紫丁香開花日期。

關(guān)鍵詞：紫丁香 花期預(yù)測(cè) 數(shù)字化設(shè)計(jì) 電子產(chǎn)品

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2016）-03-0134-02

一前言

丁香花身為哈爾濱市花，深受廣大市民的喜愛，5月前后開花時(shí)節(jié)，各大公園相繼進(jìn)入賞花期，屆時(shí)，哈爾濱各大公園進(jìn)入人流高峰期，而準(zhǔn)確的丁香花期預(yù)報(bào)可為旅游部門提早準(zhǔn)備游園觀賞活動(dòng)，加強(qiáng)宣傳與園林管理，為開發(fā)相應(yīng)旅游資源提供極大的便利，可為游客提供有效信息以安排合適的游賞時(shí)間。

此外，丁香花還是—種可以提取香精油的植物。通過對(duì)花期的預(yù)測(cè)，有利于在丁香花盛開前做好精油的提取工作。

植物花期預(yù)測(cè)是一項(xiàng)比較困難的技術(shù)。通過對(duì)植物開花因數(shù)的分析及資料的查閱，結(jié)果表明，紫丁香花物候變化的因素主要有生物因素如物種、品種等和環(huán)境因素包括氣溫、光照、降水等。其中，氣溫對(duì)植物花期的影響最強(qiáng)，日照次之，降水量最弱，樹木的展葉開花等主要受春季氣溫波動(dòng)的影響，因而模型建立依據(jù)溫度進(jìn)行。數(shù)字化以單片機(jī)為主要依托，將花期預(yù)測(cè)模型轉(zhuǎn)化為可直視數(shù)字。

本電子產(chǎn)品通過對(duì)哈爾濱丁香花五年的開花規(guī)律分析，計(jì)算出關(guān)于氣溫變化與開花時(shí)間關(guān)系的線性公式，應(yīng)用到程序中，從而設(shè)計(jì)一款可以預(yù)測(cè)哈爾濱紫丁香花期的電子植物名片。

二可以預(yù)測(cè)花期的植物名片基本結(jié)構(gòu)

1整機(jī)結(jié)構(gòu)

可以預(yù)測(cè)花期的植物名片的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分組成。

2主要涉及參數(shù)

該植物名片符合人機(jī)工程學(xué)立姿斜面閱覽人機(jī)工程學(xué)尺寸。

整機(jī)高度：1333mm

整機(jī)寬度：350mm

顯示面與底部支撐部分的夾角：44.5°

三花期預(yù)測(cè)模型

1模型建立

通過對(duì)紫丁香開花花期預(yù)測(cè)模型的建立，為數(shù)值化電子產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)支持。主要以溫度為研究對(duì)象，對(duì)哈爾濱市2010-2015年紫丁香物候資料分析及氣象資料進(jìn)行線性回歸方程分析，建立紫丁香花期預(yù)測(cè)模型。紫丁香的花期通常為5-6月。通過線性回歸方程分析，建立模型為Y=1.7a-2.11b-0.07c。（a為三月上半月平均氣溫，b為三月下半月平均氣溫，c四月上半月平均氣溫）得出Y值，從而推斷出五月Y號(hào)為紫丁香的開放日。

2推導(dǎo)過程

2.1原理

經(jīng)過研究表明，影響植物開花的主要相關(guān)因子為溫度。通過對(duì)最近五年內(nèi)哈爾濱溫度的收集及與紫丁香開花開放時(shí)間進(jìn)行線性回歸分析，以五月初為預(yù)測(cè)結(jié)果的起始日，經(jīng)過線性分析得出紫丁香花期與三月上半月平均溫度（每日最高溫度與最低溫度的平均）、三月下半月平均溫度、四月下半月平均溫度有明顯的函數(shù)關(guān)系。通過構(gòu)造三月上半月平均溫度、三月下半月平均溫度、四月下半月平均溫度的線性方程函數(shù)，并推導(dǎo)出函數(shù)公式Y(jié)=-1.7a-2.11b-0.07c。（a為三月上半月平均氣溫，b為三月下半月平均氣溫，c四月上半月平均氣溫）

2.2公式推出過程

根據(jù)近五年內(nèi)哈爾濱紫丁香的開放情況，通過對(duì)溫度的分析以及參考數(shù)篇相關(guān)論文。對(duì)紫丁香三月份上半月、下半月，四月份上半月的平均溫度因子分析（表1），利用間斷年間（2011、2014、2015）的數(shù)據(jù)構(gòu)造出相關(guān)函數(shù)解析式。

對(duì)不連續(xù)三年的已知平均溫度數(shù)據(jù)和紫丁香實(shí)際開放日期進(jìn)行線性函數(shù)構(gòu)造，函數(shù)如下：

-6.8X+O.07Y+7.2Z=11

-7.6X+5.30Y+7.5Z=1

-7.4X+3.86Y+4.7Z=4

求解得方程：X=-1.7 Y=-2.11 Z=-0.07

進(jìn)而推出Y=-1.7a-2.11b-0.07c

3模型檢驗(yàn)

模型公式為Y=-1.7a-2.11 b-0.07c；a為三月上半月平均氣溫，b為三月下半月平均氣溫，c四月上半月平均氣溫。得出Y值從而推斷出五月、r號(hào)為紫丁香的開放日。并將求出結(jié)果代入2012和2013年的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)（表2）：

經(jīng)檢驗(yàn)后，誤差在控制范圍內(nèi)，故而將Y=-1.7a-2.11b-0.07c作為本項(xiàng)目的編程依據(jù)公式。

四數(shù)值化設(shè)計(jì)

1構(gòu)成及原理

本產(chǎn)品主要有三部分：K60單片機(jī)，ds18b20溫度傳感器，串口TFT液晶屏。用3.3V給三部分正常供電。把溫度傳感器的輸出信號(hào)線連到單片機(jī)的AD引腳上（可用B3），單片機(jī)可直接讀出溫度值；再將液晶屏用導(dǎo)線連到單片機(jī)上，單片機(jī)用SPI將溫度等信息輸出到液晶屏上顯示。工作原理：通過溫度傳感器對(duì)外界溫度進(jìn)行收集，然后經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，最終將結(jié)果輸出至顯示屏。工作過程：溫度傳感器采集的溫度值輸出給單片機(jī)，單片機(jī)按照已設(shè)定的花期預(yù)測(cè)公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理并儲(chǔ)存，待數(shù)據(jù)收集完畢，運(yùn)算出結(jié)果（花期），并輸出至顯示屏。

2工作流程

通過單片機(jī)定義兩個(gè)數(shù)組Hour和Day，數(shù)組Hour用來存儲(chǔ)每小時(shí)的溫度數(shù)值，數(shù)組Day用來存儲(chǔ)每天的溫度數(shù)值，同時(shí)定義兩個(gè)變量T（Hour）和T（Day），變量T（Hour）用來對(duì)經(jīng)過的小時(shí)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，變量T（Day）用來對(duì)經(jīng)過的天數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再定義三個(gè)變量a、b、c分別用來存放公式系數(shù)即3月上半月、3月下半月及4月上半月的平均溫度數(shù)值；

單片機(jī)每隔一小時(shí)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行一次溫度采集，同時(shí)變量T（Hour）累加1。將采集后的溫度數(shù)值存儲(chǔ)在數(shù)組Hour中，同時(shí)判斷變量T（Hour）是否大于24，當(dāng)變量T（Hour）小于24，單片機(jī)繼續(xù)讀取溫度傳感器的返回值并存儲(chǔ)到數(shù)組Hour中，同時(shí)變量T（Hour）計(jì)數(shù)加1；當(dāng)變量T（Hour）大于24，單片機(jī)將在數(shù)組Hour中篩選出最大值和最小值，并對(duì)最大值與最小值求平均值，再將此平均值存儲(chǔ)入數(shù)組Day中，變量T（Day）計(jì)數(shù)加1。同時(shí)，單片機(jī)清空數(shù)組Hour內(nèi)的所有溫度數(shù)值，變量T（Hour）歸零重新計(jì)數(shù)。判斷變量T（Day）是否小于45，若小于，再次重復(fù)運(yùn)行上述程序，直到變量T（Day）等于45；

將數(shù)組Day中存儲(chǔ)的第1個(gè)到第15個(gè)溫度數(shù)值求平均值得到3月上半月的平均溫度數(shù)值，賦值給a；將數(shù)組Day中存儲(chǔ)的第16個(gè)到第30個(gè)的溫度數(shù)值求平均值得到3月下半月的平均溫度數(shù)值，賦值給b；將數(shù)組Day中存儲(chǔ)的第31個(gè)到第45個(gè)溫度數(shù)值求平均值得到4月上半月的平均溫度數(shù)值，賦值給c；將所確定的變量a、b、c帶入公式d=-1.7a-2.11b-0.07c進(jìn)行計(jì)算，所求出的d值即為丁香花在5月份的開花日期；開花日期通過顯示屏進(jìn)行顯示。以此實(shí)現(xiàn)紫丁香花期的數(shù)字產(chǎn)品化預(yù)測(cè)。

3流程框圖（表3）

本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：本研究根據(jù)植物的開花日期主要受溫度影響，且與3月上半月平均溫度、3月下半月平均溫度和4月上半月平均溫度有著明顯的線性關(guān)系，推導(dǎo)出花期計(jì)算公式d=-1.7a-2.11b-0.07c；并通過溫度傳感器采集3月上半月至4月上半月期間每小時(shí)的溫度數(shù)值，經(jīng)過一個(gè)24小時(shí)后，選出此24小時(shí)內(nèi)所采集的溫度最大值和最小值求平均值來作為此天的溫度數(shù)值，共統(tǒng)計(jì)45天的溫度數(shù)值，再以15天為一個(gè)單位，求出每個(gè)15天的平均溫度數(shù)值，從而得到3月上半月、3月下半月和4月上半月的平均溫度數(shù)值a、b、c，并將此些平均溫度數(shù)值帶入花期計(jì)算公式d=-1.7a-2.11b-0.07cE口可計(jì)算出植物的開花日期，從而對(duì)植物開花日期進(jìn)行預(yù)測(cè)，其誤差小、預(yù)測(cè)精確。

五討論與展望

本文目的著重在解決當(dāng)前無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)花期的問題并將其數(shù)字化顯示，這方法具有簡(jiǎn)便易行，預(yù)報(bào)精度較高的特點(diǎn)，節(jié)省了大量的人力物力，為園林工作、研究和旅游觀光帶來了極大方便，在農(nóng)林及其相關(guān)部門具有推廣使用價(jià)值。但是本文的研究由于只考慮了影響花期的一個(gè)主要因素一溫度，沒有將光照，降雨量等對(duì)植物花期也有影響的因素考慮在其中，所以在花期預(yù)測(cè)上還有一定的誤差，該誤差的縮小有待進(jìn)一步的研究。

1植物名片預(yù)測(cè)具有準(zhǔn)確性。該植物名片設(shè)計(jì)可為游客提供準(zhǔn)確開花時(shí)間，游客可以合理安排自己的出游時(shí)間。這在花藝展覽，花園都有著很大的用處，有利于吸引更多游客，從而促進(jìn)地方旅游事業(yè)。

2植物名片預(yù)測(cè)具有推廣性。預(yù)測(cè)花期方法原理科學(xué)明晰，后期嘗試可舉—反三地應(yīng)用到其他品種的花上。對(duì)于大量的花種，只要有它往年的開花之前兩三個(gè)月的溫度記錄，便可以用此方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，在裝置中將單片機(jī)的程序改一下花期預(yù)測(cè)公式的參數(shù)，便能直接使用原裝置，適用性廣。

3植物名片預(yù)測(cè)具有易操作性。所設(shè)計(jì)的可以預(yù)測(cè)花期的植物名片操作簡(jiǎn)單，園林工作者在日常工作中不需為此再次學(xué)習(xí)。同時(shí)單片機(jī)里存儲(chǔ)的溫度等數(shù)據(jù)也可以讀出來，用以園林研究，減少了園林工作者花費(fèi)在每天測(cè)量，記錄植物環(huán)境溫度上的時(shí)間精力。

致謝

感謝為本次課題項(xiàng)目提供幫助的所有老師及同學(xué)，謝謝你們的幫助使得項(xiàng)目可以順利進(jìn)行。