STM32的网络天气时钟项目

一、项目概述与硬件架构

1.1 核心功能

本智能天气时钟系统集成了实时天气获取、网络时间同步、环境监测和低功耗管理四大核心功能：

网络数据获取 ：
- 通过ESP8266 WiFi模块连接心知天气API（每小时更新）
- 获取北京标准时间服务器的时间数据
- 支持未来3天天气预报查询
环境监测 ：
- DHT11温湿度传感器实时监测
- 数据刷新周期5秒（可配置）
显示系统 ：
- 2.4寸240x240分辨率TFT-LCD
- 多级菜单显示架构（主界面/天气详情/历史数据）
- 自定义中文字库（GB2312编码）
电源管理 ：
- STM32 STOP模式待机（<10μA）
- RTC唤醒定时器控制
- 光感自动背光调节

1.2 硬件架构图

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[STM32F103C8T6] <-SPI-> [TFT-LCD]
       |                  |
      UART2           GPIO_DHT11
       |
    [ESP8266]
       |
    [WiFi Router]

1.3 关键硬件选型

模块	型号	接口类型	关键参数
主控芯片	STM32F103C8T6	-	72MHz Cortex-M3
WiFi模块	ESP-01S	UART@115200	802.11 b/g/n
显示屏	ILI9341	SPI	240x240@60fps
温湿度传感器	DHT11	单总线	±2℃/±5%RH精度
实时时钟	内部RTC	-	LSI 40kHz校准

二、软件开发环境搭建

2.1 工具链配置

IDE：Keil uVision5（MDK-ARM V5.36）
编译器：ARMCC V6.16
调试工具：ST-Link V2/J-Link EDU
版本控制：Git + Source Insight 4.0

2.2 关键库文件

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/* 工程包含的核心库 */
#include "stm32f10x.h"        // 标准外设库
#include "cJSON.h"            // JSON解析库（内存优化版）
#include "esp8266_at.h"       // ESP8266驱动库
#include "lcd_gui.h"          // 图形界面库
#include "dht11_driver.h"     // 传感器驱动

2.3 工程目录结构

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/Project
├── CMSIS                // 内核支持文件
├── STM32F10x_StdPeriph  // 标准外设库
├── User
│   ├── main.c           // 主程序
│   ├── esp8266.c/h      // WiFi驱动
│   ├── lcd_driver.c/h   // 显示屏驱动
│   ├── gui_fonts.c      // 字库文件
│   └── cJSON.c/h        // JSON解析器
├── Output               // 编译输出
└── Doc                  // 设计文档

三、关键模块实现解析

3.1 WiFi通信模块

电路设计要点：

ESP8266模块采用独立3.3V供电
UART2配置115200波特率（8N1）
CH_PD引脚需上拉到3.3V
GPIO连接状态指示灯

AT指令处理流程：

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bool ESP8266_SendCmd(const char* cmd, const char* ack) {
    USART_SendString(USART2, cmd);
    return Wait_ACK(ack, 2000); // 超时2秒
}

void Get_WeatherData() {
    ESP8266_CreateTCP("api.seniverse.com",80);
    ESP8266_SendRequest("GET /v3/weather/now.json?key=YOUR_KEY");
    Parse_JSON_Response();
}

典型AT指令序列：

AT+CWMODE=1 // 设置为Station模式
AT+CWJAP="SSID","PWD" // 连接WiFi
AT+CIPSTART="TCP","api.seniverse.com",80
AT+CIPSEND=64 // 发送GET请求
+++ // 退出透传模式

3.2 图形显示系统

显示驱动优化：

采用DMA加速SPI传输（最高18Mbps）
双缓冲机制减少闪烁
区域刷新策略降低功耗

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// 汉字显示函数实现
void LCD_ShowChinese(u16 x, u16 y, u8 *str, u16 fc, u16 bc) {
    while(*str) {
        Get_GBK_Code(str, font_buf); // 提取字模
        Draw_Char_16x16(x, y, font_buf, fc, bc);
        x += 16;
        str += 2;
    }
}

界面布局设计：

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+-----------------------+
| 广州  28℃ 晴         | 状态栏
+-----------------------+
|      12:59:45         | 数字时钟
| 2024-01-20 周五       |
+-----------------------+
| 温度:25℃ 湿度:60%    | 环境数据
| 未来三天天气预报      |
+-----------------------+

3.3 低功耗管理

电源模式选择：

RUN模式：72MHz全速运行
SLEEP模式：CPU停止，外设运行
STOP模式：1.8V域关闭（保留SRAM）
STANDBY模式：最低功耗

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void Enter_Stop_Mode() {
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
    SystemInit(); // 唤醒后重新初始化时钟
}

唤醒源配置：

RTC闹钟（每日23:59:59进入，06:00:00唤醒）
EXTI按键中断（PA0-WKUP引脚）
串口数据接收中断

四、数据解析与处理

4.1 JSON数据解析

心知天气API响应示例：

json

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json 复制代码

{
  "results": [{
    "location": {"name":"广州"},
    "now": {
      "text":"晴",
      "temperature":"28",
      "code":"1"
    }
  }]
}

解析实现：

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typedef struct {
    char name[16];
    WeatherNow now;
} WeatherResult;

void Parse_Weather_JSON(char *json) {
    cJSON *root = cJSON_Parse(json);
    cJSON *results = cJSON_GetObjectItem(root, "results");
    cJSON *location = cJSON_GetObjectItem(results, "location");
    
    strcpy(result.name, cJSON_GetString(location, "name"));
    
    cJSON *now = cJSON_GetObjectItem(results, "now");
    result.now.temp = atoi(cJSON_GetString(now, "temperature"));
    strcpy(result.now.text, cJSON_GetString(now, "text"));
}

4.2 时间同步协议

NTP校时流程优化：

计算网络延时：δ = (t3 - t0) - (t2 - t1)
时钟偏差：θ = (t1 - t0 + t2 - t3)/2
平滑调整：每次校时不超过±2秒

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void Sync_NTP_Time() {
    Send_NTP_Request();
    uint32_t t0 = Get_Timestamp();
    // ... 接收响应
    uint32_t t3 = Get_Timestamp();
    int32_t offset = (t1 - t0 + t2 - t3) / 2;
    RTC_Adjust(offset);
}

五、系统调试与优化

5.1 常见问题排查

WiFi连接失败 ：
- 检查AT指令响应时间（增加延时）
- 验证WPA2加密兼容性
- 捕获空中数据包分析
显示异常 ：
- 测量SPI时钟信号完整性
- 检查FSMC时序配置（TFT模式）
- 验证GRAM刷新率（不低于30fps）
功耗过高 ：
- 关闭未用外设时钟（ADC/DAC）
- 配置IO口为模拟输入模式
- 优化任务调度周期

5.2 性能优化策略

内存优化：
- 启用压缩存储（Weather数据采用位域）
c

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c 复制代码
```
typedef struct {
    uint8_t code : 6;
    uint8_t temp : 7;
} WeatherNow;
```
通信优化：
- 采用HTTP长连接（Keep-Alive）
- GZIP压缩JSON数据
- 差分更新机制（仅获取变化数据）
显示优化：
- 启用区域刷新（ILI9341的Partial Mode）
- 建立显示缓存区（240x240x2=115KB）
- 采用DMA2D加速图形渲染

六、项目扩展方向

6.1 硬件扩展

增加PM2.5传感器（GP2Y1010AU0F）
集成语音模块（SYN6288）
添加SD卡存储历史数据
太阳能供电系统

6.2 软件增强

实现OTA无线升级
开发手机端控制APP（基于BLE）
增加机器学习预测功能
接入智能家居平台（HomeAssistant）

6.3 产品化改进

通过EMC测试（辐射/传导发射）
进行高低温循环测试（-20℃~70℃）
优化注塑外壳设计
申请FCC/CE认证

七、总结与学习建议

通过本项目的实践，开发者可以系统掌握以下技能：

嵌入式网络编程 ：
- TCP/IP协议栈基本原理
- HTTP客户端实现技巧
- JSON数据解析方法
低功耗设计 ：
- 电源模式转换机制
- 动态电压频率调节（DVFS）
- 唤醒源配置策略
人机交互开发 ：
- 图形界面框架设计
- 触摸屏驱动开发
- 多级菜单实现

建议学习路径：

先理解各模块独立工作原理
使用逻辑分析仪验证通信时序
分阶段实现功能（先显示后联网）
学习使用版本控制系统（Git）
参与开源硬件社区交流