【自学嵌入式（8）天气时钟：天气模块开发、主函数编写】

厂太_STAB_丝针2025-02-03 0:36

天气时钟：天气模块开发、主函数编写

上一篇文章，我们已经完成了WiFi模块、OLED模块、NTP模块的编写，本文将先对I2C协议进行相关补充，并且对天气时钟进行收尾。

I2C协议和SPI协议

I2C（Inter-Integrated Circuit）和SPI（Serial Peripheral Interface）是两种常用的串行通信协议，主要用于微控制器与各种外设（如传感器、显示器、存储器等）之间的数据传输。

I2C（Inter-Integrated Circuit）

特点：

  1. 双线制：I2C使用两根线进行通信：数据线（SDA）和时钟线（SCL）。通过这两根线就可以实现多个设备之间的通信。
  2. 多主机和多从机：I2C支持多个主设备和多个从设备，主设备可以主动发起通信。
  3. 地址识别：每个I2C设备都有一个唯一的地址，主设备通过地址来选择要与之通信的从设备。
  4. 速度：常见的I2C速度为100 kHz（标准模式）和400 kHz（快速模式），某些设备支持更高的速度（如高速模式，最高可达3.4 MHz）。
  5. 应用场景：适合传感器、EEPROM等低速设备的连接，尤其是在引脚资源有限的情况下使用。

优点：

  • 线缆少，连接简单（只需两根线）。
  • 支持多个从设备，节省引脚资源。
  • 适用于短距离通信。

缺点：

  • 速度相对较慢，适合对速度要求不高的应用。
  • 由于使用了共享总线，可能会存在总线冲突的问题。

SPI（Serial Peripheral Interface）

特点：

  1. 多线制：SPI通常使用四根线进行通信：主设备输出（MOSI）、主设备输入（MISO）、时钟线（SCK）和从设备选择（SS）。每个从设备通常需要一个独立的SS线。
  2. 全双工通信：SPI支持全双工通信，主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
  3. 速度：SPI的速度通常比I2C快，可以达到几MHz到几十MHz，具体取决于设备和连接方式。
  4. 应用场景：适合需要高速数据传输的设备，如SD卡、显示屏、ADC/DAC等。

优点：

  • 速度快，适合对速度要求较高的应用。
  • 简单的协议，易于实现。
  • 全双工通信，提高了数据传输效率。

缺点：

  • 需要更多的引脚，特别是在有多个从设备的情况下。
  • 不支持多主机，通常由一个主设备控制多个从设备。

天气模块

心知天气预报使用

使用心知天气预报可以通过自行创建项目的方式，获取私人API和城市等的专属ID，以获取准确的信息，以下是操作流程：

  1. 点击控制台
  2. 点击申请添加免费产品
  3. 产品创建完成后，复制API私钥（私人API）
  4. 查看产品文档，此处我们功能较简单，使用v3版本即可，找到查看天气预报的网址



    可以看到在预报网址上，我们只需要将变量key替换为自己的API_KEY、将变量location修改为对应的城市ID即可；同时我们只查询当天一天的天气，因此变量start应修改为0,变量days应修改为1；由于我们的数据从网站返回，并且返回结果是JSON格式的，因此我们需要对HTTPClient和JSON相关信息进行介绍

HTTPClient类介绍

HTTPClient 是一个用于在嵌入式系统（如Arduino、ESP8266、ESP32等）中进行HTTP通信的库。它提供了简单的接口来发送HTTP请求和接收响应，支持常见的HTTP方法，如GET、POST、PUT、DELETE等。以下是对 HTTPClient 的详细介绍：

主要功能

  1. HTTP请求:

    • 支持发送GET、POST、PUT、DELETE等HTTP请求。
    • 可以与HTTP和HTTPS（SSL/TLS）服务器通信。

  2. 请求头和参数:

    • 可以设置自定义HTTP请求头。
    • 支持发送带有参数的请求。

  3. 响应处理:

    • 能够接收和处理HTTP响应，包括响应码和响应体。
    • 提供方法来获取响应的内容长度、类型等信息。

  4. 连接管理:

    • 支持持久连接（Keep-Alive）以提高效率。
    • 提供方法来管理连接的生命周期。

常用函数

  • begin():

    • 初始化HTTP请求，指定目标URL和WiFiClient。
    • 可以重载以支持HTTPS和自定义端口。

  • addHeader():

    • 添加自定义HTTP请求头。

  • GET():

    • 发送HTTP GET请求，返回HTTP响应码。

  • POST():

    • 发送HTTP POST请求，带有可选的请求体。

  • PUT():

    • 发送HTTP PUT请求，带有可选的请求体。

  • DELETE():

    • 发送HTTP DELETE请求。

  • getString():

    • 获取HTTP响应体的内容作为字符串。

  • getStream():

    • 获取HTTP响应体的内容作为流，适合处理大数据。

  • end():

    • 结束HTTP请求，释放资源。

注意事项

  • 在使用 HTTPClient 时，确保设备已连接到网络。
  • 对于HTTPS请求，可能需要处理SSL证书验证。
  • HTTPClient 适合在资源受限的嵌入式环境中使用，但在处理大量数据时要注意内存管理。

JSON介绍

JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级的数据交换格式，易于人类阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。以下是JSON的主要特点和用途：

  1. 简单易读：

    • JSON使用键值对的形式来表示数据，结构清晰。这使得JSON非常直观，易于理解和使用。

  2. 轻量级：

    • JSON格式简洁，数据量小，适合在网络上传输，尤其是在带宽有限的环境中。

  3. 广泛支持：

    • 几乎所有现代编程语言（如Python、Java、C++、Ruby等）都提供了对JSON的解析和生成支持。

  4. 数据结构：

    • JSON支持多种数据类型，包括字符串、数字、布尔值、数组、对象和null。通过这些基本类型，可以构建复杂的数据结构。

  5. 互操作性：

    • JSON是语言无关的，这意味着不同的系统和应用程序可以使用JSON进行数据交换，而不必担心语言或平台的差异。

  6. 常见用途：

    • JSON常用于Web应用程序中，作为客户端和服务器之间的数据交换格式。它也被广泛用于配置文件、数据存储和API通信中。

以下是一个简单的JSON示例：

json 复制代码 
{
    "name": "张三",
    "age": 30,
    "isStudent": false,
    "courses": ["数学", "物理"],
    "address": {
        "city": "北京",
        "postalCode": "100000"
    }
}

在这个示例中，JSON对象包含了一个人的基本信息，包括姓名、年龄、是否为学生、所选课程和地址。JSON的结构使得它非常适合表示层次化的数据。

deserializeJson函数介绍

deserializeJson 是 ArduinoJson 库中的一个函数，用于将 JSON 格式的字符串解析为 JSON 文档对象。该函数是处理 JSON 数据的核心工具，广泛用于嵌入式系统中，以便从网络、文件或其他数据源中读取和解析 JSON 数据。

函数原型

cpp 复制代码 
DeserializationError deserializeJson(JsonDocument& doc, const char* input);
DeserializationError deserializeJson(JsonDocument& doc, const String& input);
DeserializationError deserializeJson(JsonDocument& doc, Stream& input);
DeserializationError deserializeJson(JsonDocument& doc, char* input, size_t inputSize);

参数

  • JsonDocument& doc : 引用一个 JsonDocument 对象，用于存储解析后的 JSON 数据。JsonDocument 可以是 StaticJsonDocument 或 DynamicJsonDocument，根据内存管理需求选择。

  • const char* input: 指向要解析的 JSON 字符串。

  • const String& input : Arduino String 对象，包含要解析的 JSON 数据。

  • Stream& input : Arduino Stream 对象，支持从流中读取 JSON 数据（如串口、网络流等）。

  • char* input, size_t inputSize: 指向 JSON 数据的字符数组及其大小。

返回值

  • DeserializationError : 返回一个 DeserializationError 对象，用于指示解析结果。可以通过 error.c_str() 获取错误信息。

常见错误

  • Ok: 解析成功。
  • InvalidInput: 输入数据无效或格式不正确。
  • NoMemory : JsonDocument 的容量不足以存储解析后的数据。

注意事项

  • 确保 JsonDocument 的大小足够大，以容纳解析后的数据。
  • StaticJsonDocument 使用静态内存分配，适合内存受限的环境；DynamicJsonDocument 使用动态内存分配，适合需要处理大数据的场合。
  • 在解析复杂或嵌套的 JSON 数据时，合理设置 JsonDocument 的容量非常重要，以避免 NoMemory 错误。

头文件

c 复制代码 
#ifndef WEATHER_H
#define WEATHER_H

#include <Arduino.h>
#include <ESP8266HTTPClient.h> // 导入HTTPClient头文件
#include <ArduinoJson.h>       // 导入Json相关头文件

#define WEATHER_API_KEY "SmH8mwzAZeMp0KFmr" // 私人API-KEY
#define WEATHER_CITY    "WS0E9D8WN298"      // 广州的城市ID

// 路径中把API-KEY和城市ID挖空替换为%s
#define WEATHER_URL     "http://api.seniverse.com/v3/weather/daily.json?key=%s&location=%s&language=zh-Hans&unit=c&start=0&days=1"
// 创建天气信息结构体，用于存储后续获取到的JSON相关数据
struct WeatherInfo{
  String city;     // 城市
  String weather;  // 天气
  String temp;     // 温度
  String humidity; // 湿度
};

void weatherInit();           // 初始化
bool weatherUpdate();         // 更新天气
WeatherInfo weatherGetInfo(); // 获取天气信息
#endif

cpp文件

c 复制代码 
#include "weather.h"
#include "serial.h"

WeatherInfo currentWeather; // 创建天气结构体对象

// 初始化天气信息
void weatherInit() {
  serialPrint("初始化天气模块...");
  currentWeather.city = "未知";
  currentWeather.weather = "未知";
  currentWeather.temp = "0";
  currentWeather.humidity = "0";
  serialPrint("初始化天气模块完成");
}

// 
bool weatherUpdate() {
  serialPrint("正在更新天气信息...");

  // 构建API请求URL
  char url[200];
  // 拼接路径 要注意理解本函数
  sprintf(url,WEATHER_URL, WEATHER_API_KEY, WEATHER_CITY);
  serialPrint("请求URL：" + String(url));

  // 进行HTTP请求
  WiFiClient client; // 初始化HTTPClient的时候需要用到
  HTTPClient http;

  if(http.begin(client, url)) {
    serialPrint("开始HTTP请求...");
    int httpCode = http.GET();
    serialPrint("HTTP返回码：" + String(httpCode));
    // 如果接收成功
    if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {
      // 获取数据包参数并转成字符串
      String payload = http.getString();
      // 定义参数，用于存储处理成文档对象后的JSON字符串
      DynamicJsonDocument doc(1024);
      // 解析JSON包
      DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload);
      // 若没有错误，则解析成功
      if(!error){
        JsonObject results_0 = doc["results"][0];    // 将最外层Json对象拆出，得到包含location和daily的对象
        JsonObject location = results_0["location"]; // 找出地址
        JsonArray daily = results_0["daily"];        // 找出日期
        JsonObject today = daily[0];                 // 第一个元素就是今天的所有信息
        
        // 只要获取到的今天不为空
        if(!today.isNull()){
          // 把非String类型的全部转换成String类型
          // 找出城市名，阴晴状况，最高温和湿度
          currentWeather.city = location["name"].as<String>();
          currentWeather.weather = today["text_day"].as<String>();
          currentWeather.temp = today["high"].as<String>();
          currentWeather.humidity = today["humidity"].as<String>();
          
		  // 在串口监视器输出，方便调试
          serialPrint("城市：" + currentWeather.city);
          serialPrint("天气：" + currentWeather.weather);
          serialPrint("温度：" + currentWeather.temp);
          serialPrint("湿度：" + currentWeather.humidity);
          
          // 释放HTTP资源
          http.end();
          return true;
        } else { // 如果今天的数据为空
          serialPrint("JSON解析失败，找不到今日天气数据");
        }
      } else { // 如果JSON包解析错误，在串口监视器打印错误信息
        serialPrint("JSON解析错误：" + String(error.c_str()));
      }
    }
    // 释放HTTP资源
    http.end();
  }
  serialPrint("天气更新失败");
  return false;
}

// 获取当前天气数据
WeatherInfo weatherGetInfo() {
  return currentWeather;
}

处理JSON字符串的时候用到了很多个JsonObject和JsonArray变量，这是由我们获取到的JSON文档对象和我们想要获取到的数据所决定的，为了方便理解，以下展示接收到的数据：

用JSON转换工具看得更加清晰，代码最终获取到了name(城市名),text_day(阴晴状况),high(最高温),humidity(湿度)的数据

测试结果

主函数

所有的功能都已经实现完毕，在主函数中只要调用这些函数即可。对于天气情况的获取，我设置了每10分钟更新一次、对于屏幕显示，设置为每秒更新一次。

c 复制代码 
#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include "serial.h"
#include "wifi.h"
#include "oled.h"
#include "ntp.h"
#include "weather.h"

// 显示所有信息（时间日期和天气）
// 在OLED屏幕上显示三行信息：
// 1. 日期和时间
// 2. 温度和湿度
// 3. 天气和城市
void showAllInfo() {
    u8g2.clearBuffer();
    
    // 第一行：日期和时间
    u8g2.setCursor(0, 16);
    u8g2.print(ntpGetDate() + " " + ntpGetTime());
    
    // 第二行：温度和湿度
    u8g2.setCursor(0, 35);
    u8g2.print("温度 " + weatherGetInfo().temp + "°C");
    u8g2.setCursor(70, 35);
    u8g2.print("湿度 " + weatherGetInfo().humidity + "%");
    
    // 第三行：天气和城市
    u8g2.setCursor(0, 55);
    u8g2.print(weatherGetInfo().weather);
    u8g2.setCursor(70, 55);
    u8g2.print(weatherGetInfo().city);
    
    u8g2.sendBuffer();
}

// 同步网络服务（WiFi、NTP、天气）
// return: 同步是否全部成功
bool syncNetworkServices() {
    if (wifiConnect()) {
        oledClear();
        oledShow(0, 16, "WiFi连接成功");
        oledShow(0, 32, "SSID: " + String(WiFi_SSID));
        oledShow(0, 48, "IP: " + WiFi.localIP().toString());
        delay(1000);
    } else {
        oledClear();
        oledShow(0, 16, "WiFi连接失败");
        oledShow(0, 32, "SSID: " + String(WiFi_SSID));
        return false;
    }

    // 初始化并同步NTP时间
    oledClear();
    oledShow(0, 16, "正在同步网络时间...");
    if (!ntpSync()) {
        serialPrint("NTP同步失败，请检查网络连接");
    }
    delay(1000);
    
    // 初始化天气模块
    oledClear();
    oledShow(0, 16, "正在获取天气信息...");
    if (!weatherUpdate()) {
        serialPrint("天气信息获取失败");
    }
    delay(1000);
    return true;
}

// Arduino启动初始化
void setup() {
    // 初始化各个模块
    serialInit(115200);
    serialPrint("系统启动");
    
    oledInit();
    oledShow(0, 16, "系统启动中...");
    
    oledShow(0, 32, "正在初始化WiFi...");
    wifiInit();

    ntpInit();      // NTP初始化
    weatherInit();  // 天气模块初始化

    oledShow(0, 48, "正在连接WiFi...");
    oledShow(0, 64, "SSID: " + String(WiFi_SSID));
    
    syncNetworkServices();
}

// Arduino主循环
void loop() {
    // 检查WiFi连接状态
    if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        serialPrint("WiFi连接断开，尝试重连");
        oledClear();
        oledShow(0, 16, "WiFi已断开，重连中...");
        oledShow(0, 32, "SSID: " + String(WiFi_SSID));
        
        syncNetworkServices();  // 重新同步网络服务
    }
    
    if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
        static uint32_t lastWeatherUpdate = 0; // 最后一次更新天气的时间
        static uint32_t lastDisplayUpdate = 0; // 最后一次更新显示的时间
        uint32_t currentMillis = millis(); // 获取当前时间戳

        // 每10分钟更新一次天气
        if (currentMillis - lastWeatherUpdate >= 600000) {
            if (weatherUpdate()) {
                showAllInfo();
            }
            lastWeatherUpdate = currentMillis;
        }
        
        // 每秒更新一次显示
        if (currentMillis - lastDisplayUpdate >= 1000) {
            showAllInfo();
            lastDisplayUpdate = currentMillis;
        }
    }
    
}

运行结果

至此天气时钟的制作已全部完成。回顾整个流程，我们连接了硬件、开发了串口模块、WiFi模块，对于调试和网络部分有了更深入的了解；学习了能够同步时间的NTP库、显示信息的四针OLED屏幕、进行HTTP请求和响应、以及JSON对象的相关处理，通过实践，在这些方面都有了更深刻的认识。

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