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：

  1. 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
  2. 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）
  3. 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）
  4. 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
[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-01SUART@115200802.11 b/g/n
显示屏ILI9341SPI240x240@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

c

Copy

/* 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
/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：

c

Copy

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：

  1. AT+CWMODE=1 // 设置为Station模式
  2. AT+CWJAP=“SSID”,“PWD” // 连接WiFi
  3. AT+CIPSTART=“TCP”,“api.seniverse.com”,80
  4. AT+CIPSEND=64 // 发送GET请求
  5. +++ // 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

c

Copy

// 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：

+-----------------------+
| 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

c

Copy

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

Copy

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

解析实现：

c

Copy

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：

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

c

Copy

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
  1. 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
  2. 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）
  3. 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

  1. 内存优化：

    • 启用压缩存储（Weather数据采用位域）

    c

    Copy

    typedef struct {uint8_t code : 6;uint8_t temp : 7;
} WeatherNow;

  2. 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）

  3. 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：

  1. 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
  2. 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
  3. 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：

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

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