代码收藏家 STM32网络天气时钟项目实战指南
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240×240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
[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 | 240×240@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
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：
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：
- 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：
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：
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：
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：
- 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
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
- 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）
-
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
c
Copy
typedef struct {
uint8_t code : 6;
uint8_t temp : 7;
} WeatherNow;
六、项目扩展方向
6.1 硬件扩展
6.2 软件增强
6.3 产品化改进
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
作者：四代目 水门
