哈尔滨紫丁香花期预测及数字化产品设计

李君　杜耀维　刘鑫　彭博　秦富康　李博

摘要：通过对紫丁香花五年来的开花日期的规律的分析，设计了一款可以预测紫丁香花期的电子植物名片。本文介绍了哈尔滨紫丁香花期预测模型的建立和数字化设计。通过对哈尔滨紫丁香花五年的开花日期与当年温度的关系进行分析，得出预测模型，并将其通过单片机等设计成电子植物名片，使其可以基于本年天气气温变化数据，预测当年紫丁香开花日期。

关键词：紫丁香 花期预测 数字化设计 电子产品

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2016）-03-0134-02

一前言

丁香花身为哈尔滨市花，深受广大市民的喜爱，5月前后开花时节，各大公园相继进入赏花期，届时，哈尔滨各大公园进入人流高峰期，而准确的丁香花期预报可为旅游部门提早准备游园观赏活动，加强宣传与园林管理，为开发相应旅游资源提供极大的便利，可为游客提供有效信息以安排合适的游赏时间。

此外，丁香花还是—种可以提取香精油的植物。通过对花期的预测，有利于在丁香花盛开前做好精油的提取工作。

植物花期预测是一项比较困难的技术。通过对植物开花因数的分析及资料的查阅，结果表明，紫丁香花物候变化的因素主要有生物因素如物种、品种等和环境因素包括气温、光照、降水等。其中，气温对植物花期的影响最强，日照次之，降水量最弱，树木的展叶开花等主要受春季气温波动的影响，因而模型建立依据温度进行。数字化以单片机为主要依托，将花期预测模型转化为可直视数字。

本电子产品通过对哈尔滨丁香花五年的开花规律分析，计算出关于气温变化与开花时间关系的线性公式，应用到程序中，从而设计一款可以预测哈尔滨紫丁香花期的电子植物名片。

二可以预测花期的植物名片基本结构

1整机结构

可以预测花期的植物名片的整体结构如图1所示，它由内部结构与外部结构两个部分组成。

2主要涉及参数

该植物名片符合人机工程学立姿斜面阅览人机工程学尺寸。

整机高度：1333mm

整机宽度：350mm

显示面与底部支撑部分的夹角：44.5°

三花期预测模型

1模型建立

通过对紫丁香开花花期预测模型的建立，为数值化电子产品提供数据支持。主要以温度为研究对象，对哈尔滨市2010-2015年紫丁香物候资料分析及气象资料进行线性回归方程分析，建立紫丁香花期预测模型。紫丁香的花期通常为5-6月。通过线性回归方程分析，建立模型为Y=1.7a-2.11b-0.07c。（a为三月上半月平均气温，b为三月下半月平均气温，c四月上半月平均气温）得出Y值，从而推断出五月Y号为紫丁香的开放日。

2推导过程

2.1原理

经过研究表明，影响植物开花的主要相关因子为温度。通过对最近五年内哈尔滨温度的收集及与紫丁香开花开放时间进行线性回归分析，以五月初为预测结果的起始日，经过线性分析得出紫丁香花期与三月上半月平均温度（每日最高温度与最低温度的平均）、三月下半月平均温度、四月下半月平均温度有明显的函数关系。通过构造三月上半月平均温度、三月下半月平均温度、四月下半月平均温度的线性方程函数，并推导出函数公式Y=-1.7a-2.11b-0.07c。（a为三月上半月平均气温，b为三月下半月平均气温，c四月上半月平均气温）

2.2公式推出过程

根据近五年内哈尔滨紫丁香的开放情况，通过对温度的分析以及参考数篇相关论文。对紫丁香三月份上半月、下半月，四月份上半月的平均温度因子分析（表1），利用间断年间（2011、2014、2015）的数据构造出相关函数解析式。

对不连续三年的已知平均温度数据和紫丁香实际开放日期进行线性函数构造，函数如下：

-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

进而推出Y=-1.7a-2.11b-0.07c

3模型检验

模型公式为Y=-1.7a-2.11 b-0.07c；a为三月上半月平均气温，b为三月下半月平均气温，c四月上半月平均气温。得出Y值从而推断出五月、r号为紫丁香的开放日。并将求出结果代入2012和2013年的数据检验（表2）：

经检验后，误差在控制范围内，故而将Y=-1.7a-2.11b-0.07c作为本项目的编程依据公式。

四数值化设计

1构成及原理

本产品主要有三部分：K60单片机，ds18b20温度传感器，串口TFT液晶屏。用3.3V给三部分正常供电。把温度传感器的输出信号线连到单片机的AD引脚上（可用B3），单片机可直接读出温度值；再将液晶屏用导线连到单片机上，单片机用SPI将温度等信息输出到液晶屏上显示。工作原理：通过温度传感器对外界温度进行收集，然后经过单片机进行数据处理运算，最终将结果输出至显示屏。工作过程：温度传感器采集的温度值输出给单片机，单片机按照已设定的花期预测公式对数据进行运算处理并储存，待数据收集完毕，运算出结果（花期），并输出至显示屏。

2工作流程

通过单片机定义两个数组Hour和Day，数组Hour用来存储每小时的温度数值，数组Day用来存储每天的温度数值，同时定义两个变量T（Hour）和T（Day），变量T（Hour）用来对经过的小时数进行计数，变量T（Day）用来对经过的天数进行计数，再定义三个变量a、b、c分别用来存放公式系数即3月上半月、3月下半月及4月上半月的平均温度数值；

单片机每隔一小时对温度传感器进行一次温度采集，同时变量T（Hour）累加1。将采集后的温度数值存储在数组Hour中，同时判断变量T（Hour）是否大于24，当变量T（Hour）小于24，单片机继续读取温度传感器的返回值并存储到数组Hour中，同时变量T（Hour）计数加1；当变量T（Hour）大于24，单片机将在数组Hour中筛选出最大值和最小值，并对最大值与最小值求平均值，再将此平均值存储入数组Day中，变量T（Day）计数加1。同时，单片机清空数组Hour内的所有温度数值，变量T（Hour）归零重新计数。判断变量T（Day）是否小于45，若小于，再次重复运行上述程序，直到变量T（Day）等于45；

将数组Day中存储的第1个到第15个温度数值求平均值得到3月上半月的平均温度数值，赋值给a；将数组Day中存储的第16个到第30个的温度数值求平均值得到3月下半月的平均温度数值，赋值给b；将数组Day中存储的第31个到第45个温度数值求平均值得到4月上半月的平均温度数值，赋值给c；将所确定的变量a、b、c带入公式d=-1.7a-2.11b-0.07c进行计算，所求出的d值即为丁香花在5月份的开花日期；开花日期通过显示屏进行显示。以此实现紫丁香花期的数字产品化预测。

3流程框图（表3）

本研究的实验结果是：本研究根据植物的开花日期主要受温度影响，且与3月上半月平均温度、3月下半月平均温度和4月上半月平均温度有着明显的线性关系，推导出花期计算公式d=-1.7a-2.11b-0.07c；并通过温度传感器采集3月上半月至4月上半月期间每小时的温度数值，经过一个24小时后，选出此24小时内所采集的温度最大值和最小值求平均值来作为此天的温度数值，共统计45天的温度数值，再以15天为一个单位，求出每个15天的平均温度数值，从而得到3月上半月、3月下半月和4月上半月的平均温度数值a、b、c，并将此些平均温度数值带入花期计算公式d=-1.7a-2.11b-0.07cE口可计算出植物的开花日期，从而对植物开花日期进行预测，其误差小、预测精确。

五讨论与展望

本文目的着重在解决当前无法准确预测花期的问题并将其数字化显示，这方法具有简便易行，预报精度较高的特点，节省了大量的人力物力，为园林工作、研究和旅游观光带来了极大方便，在农林及其相关部门具有推广使用价值。但是本文的研究由于只考虑了影响花期的一个主要因素一温度，没有将光照，降雨量等对植物花期也有影响的因素考虑在其中，所以在花期预测上还有一定的误差，该误差的缩小有待进一步的研究。

1植物名片预测具有准确性。该植物名片设计可为游客提供准确开花时间，游客可以合理安排自己的出游时间。这在花艺展览，花园都有着很大的用处，有利于吸引更多游客，从而促进地方旅游事业。

2植物名片预测具有推广性。预测花期方法原理科学明晰，后期尝试可举—反三地应用到其他品种的花上。对于大量的花种，只要有它往年的开花之前两三个月的温度记录，便可以用此方法进行预测，在装置中将单片机的程序改一下花期预测公式的参数，便能直接使用原装置，适用性广。

3植物名片预测具有易操作性。所设计的可以预测花期的植物名片操作简单，园林工作者在日常工作中不需为此再次学习。同时单片机里存储的温度等数据也可以读出来，用以园林研究，减少了园林工作者花费在每天测量，记录植物环境温度上的时间精力。

致谢

感谢为本次课题项目提供帮助的所有老师及同学，谢谢你们的帮助使得项目可以顺利进行。