可以预测花期的植物名片的设计

【核心介绍】通过对丁香花五年来的开花日期的规律的分析，得出有关丁香花开花日期的规律的公式，近而设计了一款利用单片机预测花期的植物名片。本文介绍该植物名片的主要结构，花期预测公式及工作原理。通过对丁香花五年的开花日期与当年温度关系进行分析，得出花期预测公式，将预测公式应用到植物名片的程序设计中，使得植物名片可以根据当年天气数据，预测该丁香花当年的开花日期。 　

可以预测花期的植物名片的设计

秦富康，刘鑫，杜耀维，彭博，李君，李博

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

摘要 通过对丁香花五年来的开花日期的规律的分析，得出有关丁香花开花日期的规律的公式，近而设计了一款利用单片机预测花期的植物名片。本文介绍该植物名片的主要结构，花期预测公式及工作原理。通过对丁香花五年的开花日期与当年温度关系进行分析，得出花期预测公式，将预测公式应用到植物名片的程序设计中，使得植物名片可以根据当年天气数据，预测该丁香花当年的开花日期。

关键词 预测花期；丁香花；植物名片；回归分析；单片机

中图分类号 TH702

Design of Name Card of Plants for Forecast Flowering Date

Qin Fukang, Liu Xin, Du Yaowei, Peng Bo, Li Jun, Li Bo

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang)

Abstract Through analyzing the law of lilac flowering date during five years, a formula about the law of lilac flowering date was drawn, then a kind of name card of plants which can predict the flowering date using microcontroller was designed. This paper introduced the main structure, the prediction formula of flowering date and the working principle of the name card of plants. Through analyzing the relation between lilac flowering date and the temperature during five years, the prediction formula of flowering date was obtained. By applying the prediction formula to the programming of the name card, the name card of plants can forecast the lilac flowering date of the year according to the weather data.

Keywords Predict flowering date; Lilac; Name card of plants; Regression analysis; Microcontroller

丁香花为哈尔滨市花，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，开发相应旅游资源，可为游客提供有效信息以安排合适的游赏时间。所以可以预测花期的植物名片的设计具有重要的作用。

从资料了解到，丁香是木樨科丁香属的植物的泛称，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。树木的展叶开花等主要受春季气温波动的影响。丁香属植物的开花特性除了因为每年春季气候不同而有差别外，也因品种不同而稍有早迟的不同，延续时间的不同。而对不同品种的丁香花物候情况特别是在开花习性方面缺乏详细的调查资料与分析整理。

本研究以紫丁香为例，对紫丁香进行记录与分析，将通过对哈尔滨紫丁香花五年的开花规律进行记录分析，计算出关于气温与开花时间关系的公式，应用到程序中，设计一款利用单片机预测花期的电子植物名片。这将对植物的观赏管理具有促进作用。

1 整机结构和主要参数

1.1 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。

图1 植物名片的整体结构

外部结构包括保护壳，展示部分，透明玻璃罩。保护壳起保护支撑的作用，保护支撑着内部单片机，温度传感器和显示屏等元件。展示部分为植物的基本信息介绍，用于普及园林知识，可直接将植物信息介绍打印在纸上，经过塑封后贴在保护壳上。透明玻璃罩是为了从植物名片外面可以看到内部液晶显示屏的内容，同时隔离外界雨水，灰尘等，避免因外界影响单片机等内部结构的使用寿命。

内部结构主要有三部分：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。内部结构用于运行预测程序，分析温度传感器采集回来的环境温度数据，得出预测结果并进行显示。

在制造保护壳时，要注意好密封防水性能，保证该植物名片不受外界环境损坏。在其上部应留出大小合适的孔洞，方便ds18b20温度传感器从保护壳中伸出去，保证所测温度为植物附近的空气温度而不是保护壳里的温度。内部结构中的K60单片机，ds18b20温度传感器和串口TFT液晶屏在市场上均可买到，可以直接在市场上购买。ds18b20温度传感器做好防水处理后，通过保护壳上部留出的孔洞伸到保护壳外部，保证和空气充分接触。液晶屏可通过胶水粘贴或其他方式固定在透明玻璃罩下。单片机及其他内部构件均可通过胶水粘贴或其他方式固定在保护壳内部任意合适位置上。首先按照植物名片数值化设计里的工作流程进行编程，编译无误后烧写到K60单片机中，然后按照植物名片基本结构中的接线方式进行连接，给植物名片供电后即可正常工作，进行花期预测。

1.2 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，设计时参考目前公园中导览机器的设计风格与机器大小。风格简约，与周围环境相适应。整机高度设计旨在适合人站立时阅读。

整机高度：1332mm。

整机宽度：350mm。

显示面与底部支撑部分的夹角：44.5°。

2 花期预测公式

2.1 公式推导原理

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，得到紫丁香花期预测公式。紫丁香的花期通常为5-6月，所以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）得出Y值，从而推断出五月Y号为紫丁香的开放日。

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。

表1 几个月的平均温度因子分析

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

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

2.3 公式检验

将公式Y=-1.7a-2.11b-0.07c代入将2012和2013年的数据进行检验：

表2 数据检验

经检验后，误差在控制范围内，故而将Y=-1.7a-2.11b-0.07c作为植物名片的编程依据公式。

3 植物名片的数值化设计

3.1 工作原理和过程

工作原理：植物名片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。

3.2 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Y=-1.7a-2.11b-0.07c进行计算，所求出的Y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预测。

3.3 流程框图

图2 流程框图

4.结果分析

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Y=-1.7a-2.11b-0.07c；将植物名片在正常供电情况下放在待预测的植物旁边，其通过温度传感器采集待预测植物所处环境在3月上半月至4月上半月期间每小时的温度数值，通过单片机求出每天所采集的最高温度和最低温度的平均值来作为此天的温度数值，共统计45天的温度数值，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，将这些平均温度数值带入花期计算公式Y=-1.7a-2.11b-0.07c，即可计算出待预测植物的开花日期并自动在液晶显示屏上显示出来,经过验证，预测出的开花日期和实际花期相差不会超过两天。可以看出，该植物名片对植物开花日期预测精确、误差小，操作起来简单方便，制作工艺简单且成本低廉，非常适合在农林及其相关部门中使用、推广。

5 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，此植物名片具有简便易行，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—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）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）具有推广性。该植物名片预测花期方法原理科学明晰，后期尝试可举一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）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取出来，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。

参考文献

[1] 云文丽，乌达巴拉.呼和浩特市紫丁香盛花期预报模式的研究[J].安徽农业科学,2008,36(31).13618-13619,13628.

[2] 吴炫柯,段毅强,李家文,等.桂花盛花期预报方法初探[J].安徽农业科学,2007,35(27):1842- 8484.

[3] 苗丽芬.哈尔滨市花——丁香的研究[J].林业科技情报,2011,43(4).34-35.

[4] 何兴元,金莹杉,朱文泉,等.城市森林生态的基本理论和研究方法[J].应用生态学报,2002,13(12):1679- 1683.

[5] 徐雨晴、陆佩玲、于强.气候变化对我国刺槐、紫丁香始花期的影响.北京林业大学学报,2004.26(4):100-104.