小作品 | 基于STM32的天气预报系统

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首页模拟经营天气模拟器更新时间:2024-08-02

以前在学校时候做的一个小作品,分享给大家。

1、作品介绍

首先,看一下作品的演示视频:

温馨提示:因为是进行人机对话演示,所以应打开音量观看哈。

这是本人之前的一个小作品,一个智能的天气预报系统。显示屏上显示各种天气指标及实时显示时间日期等。可以使用触摸屏输入城市名称搜索天气,也可以使用语音搜索天气。

1.1 系统功能

作品包含的的功能有:

(1)实时天气显示,温湿度显示,日历显示;

(2)收音机功能;

(3)人机对话功能。

系统框图如下:

1.2 系统GUI界面

(1)主界面

你没有看错,就是99℃,就是星期八。但这不是系统出错,而是本人故意设置的初始值,每当开机收到天气数据之后就可以看出有明显的变化。

(2)菜单界面

(3)wifi设置界面

点击文本框会进入键盘界面,输入WiFi信息之后返回,再点击Add按钮即可发送WiFi名称与密码给控制器,控制器控制WiFi模块连接WiFi热点。

(4)收音机界面

通过点击下方频率点跳到相应频率,再通过左右按钮调节频率至所需频率。

2、作品实现2.1 天气数据获取及解析2.1.1 天气数据从哪来?

天气数据可以从一些专门做天气预报的网站获取,如心知天气、和风天气等。本人选择的是心知天气

https://www.seniverse.com/

网站首页如下:

我们是通过其API密钥才能获取得到其天气数据,而只有注册的用户才拥有API密钥,所以必须得注册,可以点击右上角进行注册。

2.1.2 天气数据是什么格式?

登录心知天气网站之后,点击菜单导航中的数据->常规数据即可查看API文档。在API文档页面的左侧可看到一些可查看的条目,如:

可点击天气实况查看其相关说明,可以看到其天气数据格式如下图所示:

这就是JSON格式的数据,不了解JSON的朋友可查看往期文章:

2.1.3 如何解析得到有用的数据?

从上图中的JSON格式天气数据包中我们可以看出:我们需要用到的数据就是冒号后面的字符串数据,这些数据是我们需要获取并显示到屏幕上的数据。

那么,我们该怎么从这一堆JSON格式数据中解析出冒号后面的字符串呢?并且,这个系统是基于单片机的天气预报系统。而单片机使用C语言进行编程开发的,所以我们得使用C语言对这些JSON天气数据包进行解析。

其实,有一个专门解析JSON数据包的第三方C语言库。我们可以使用这个库进行解析,这个CJSON库的下载链接为:

链接:https://pan.baidu.com/s/1DQynsdlNyIvsVXmf4W5b8Q 提取码:ww4z

只要把cJSON.c与cJSON.h放到工程主程序所在目录,然后在主程序中包含头文件JSON.h即可引入该库。如:

下面给出一个实例:

测试代码:

/*---------------------------------------------------------------------------------------- 程序功能:解析JSON天气数据包now.json(天气实况) *嵌入式大杂烩 ----------------------------------------------------------------------------------------*/ //1、数据来源:心知天气(api.seniverse.com) //2、获取方法:GET https://api.seniverse.com/v3/weather/now.json?key=2owqvhhd2dd9o9f9&location=beijing&language=zh-Hans&unit=c //3、返回的数据范例见文件test.txt #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include "cJSON.h" //函数声明 int cJSON_WeatherParse(char *JSON); /********************************************************************************* * Function Name : main主函数 * Parameter : NULL * Return Value : 0 * Function Explain : **********************************************************************************/ int main(int argc, char **argv) { FILE *fp; char *data; int len; int i; if((fp = fopen("now.txt","rb")) == NULL) { printf("Open error!\n"); return 1; } fseek(fp, 0, SEEK_END); // 文件指针指向文件末尾 len = ftell(fp); // 求文件长度 fseek(fp, 0, SEEK_SET); // 文件指针指向文件开头 data = (char*)malloc(len 1); fread(data, len, 1, fp); fclose(fp); //printf("read file %s complete, len=%d.\n","now.txt",len); cJSON_WeatherParse(data); // 解析天气数据 free(data); system("pause"); return 0; } /********************************************************************************* * Function Name : cJSON_WeatherParse,解析天气数据 * Parameter : JSON:天气数据包 results:保存解析后得到的有用的数据 * Return Value : 0:成功 其他:错误 * Function Explain : **********************************************************************************/ int cJSON_WeatherParse(char *JSON) { cJSON *json,*arrayItem,*object,*subobject,*item; json = cJSON_Parse(JSON); if(json == NULL) { printf("Error before: [%s]\n",cJSON_GetErrorPtr()); return 1; } else { if((arrayItem = cJSON_GetObjectItem(json,"results")) != NULL); // 匹配字符串"results",获取数组内容 { int size = cJSON_GetArraySize(arrayItem); // 获取数组中对象个数 //printf("cJSON_GetArraySize: size=%d\n",size); if((object = cJSON_GetArrayItem(arrayItem,0)) != NULL) // 获取父对象内容 { if((subobject = cJSON_GetObjectItem(object,"location")) != NULL) { printf("\n-------------------------------location-----------------------------\n"); if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"id")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"name")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"country")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"timezone")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"timezone_offset")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } } if((subobject = cJSON_GetObjectItem(object,"now")) != NULL) { printf("---------------------------------now-------------------------------\n"); if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"text")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"code")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"temperature")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"feels_like")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"pressure")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"humidity")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"visibility")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"wind_direction")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"wind_speed")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"wind_scale")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"clouds")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } if((item = cJSON_GetObjectItem(subobject,"dew_point")) != NULL) { printf("%s : %s\n",item->string,item->valuestring); } } if((subobject = cJSON_GetObjectItem(object,"last_update")) != NULL) { printf("----------------------------last_update----------------------------\n"); printf("%s : %s\n\n",subobject->string,subobject->valuestring); } } } } cJSON_Delete(json); return 0; }

这个测试程序会去读取我们工程目录下的 now.txt件,所以事先我们需要把JSON格式的天气预报数据复制到该文件中:

把 now.txt里面的数据读出并保存到data指向的动态内存中。然后再把data中的数据传入我们事先编写好的解析天气数据的函数int cJSON_WeatherParse(char *JSON)中进行解析,最后把解析之后的数据给到该函数的返回值即可。

解析函数里主要用到以下函数: 1、cJSON_Parse函数

cJSON*cJSON_Parse(const char *value);

该函数用来解析JSON数据包,并按照cJSON结构体的结构序列化整个数据包。

2、cJSON_GetObjectItem函数

cJSON_GetObjectItem(cJSON *object,const char *string);

该函数可从cJSON结构体中查找某个子节点名称(键名称),如果查找成功可把该子节点序列化到cJSON结构体中。

3、cJSON_GetArraySize函数

cJSON_GetArraySize(const cJSON *array);

该函数可获取数组中元素个数。

4、cJSON_GetArrayItem函数

cJSON_GetArrayItem(const cJSON *array, int index);

该函数可获取数组中的内容。

5、cJSON_Delete函数

cJSON_Delete(cJSON *c);

该函数用来释放cJSON_Parse函数内部申请的堆内存。

我们的解析函数主要运用多次cJSON_GetObjectItem来匹配各对象成员,然后取出各个键值对的值valuestring。

该程序的运行结果如下:

可见,解析完全正确!解析结果中冒号后面的数据就是我们可以选择使用的数据。这是解析当天的天气实况数据,解析未来几天的天气数据包或是其它天气数据包的方法都是类似的。

2.2 显示部分2.2.1 几类常用的显示屏

液晶显示屏的接口较为常见的有 3 种类型:RGB 接口,MCU 总线接口,串口 HMI。

(1)RGB 接口

RGB 接口必须用在带有RGB驱动的ARM芯片上,一般的 ARM9 芯片有少许支持 RGB 的,ARM9 以上的芯片多数支持 RGB.但是此类接口的驱动是最复杂的,对硬件要求也是最高的。

(2)MCU 总线接口

MCU 总线接口驱动比 RGB 简单一些,对硬件也基本没有任何要求,简单的 MCU 就可以驱动。但是界面的显示驱动工作量很大。

总线型接口的屏只提供点阵的操作。图片,字符等任何显示内容都是通过取模数据,在屏幕上相应的位置把点阵一个一个的打出来。在此基础上再来实现人机界面的逻辑。工作量很大。

(3)串口 HMI

串口HMI是一种新的显示方案。首先它跟MCU总线屏一样对硬件没有任何要求,其次。它没有速度瓶颈,因为界面的显示是设备内部自己实现的,用户MCU只是发送指令,并不需要底层驱动。

再次,针对显示的人机界面的布局和大多数的逻辑(比如界面背景,按钮效果,文本显示等)。全部都不需要用户的 MCU 参与,使用设备提供的上位软件,在电脑上点几下鼠标就完成了。制作好资源文件以后下载到屏幕即可自动运行,剩下的就是 USART 交互了。

2.2.2 本系统的显示方案

本系统选择的是串口HMI这一显示方案。因为这种方案确实是可以在短时间内设计出比较漂亮的GUI界面。GUI界面设计软件如下图:

这是串口屏商家给的配套的GUI设计软件,该软件的下载链接:

链接:https://pan.baidu.com/s/1uYFhF412WVkk0FuqeOAGCg 提取码:e70r

我们可以从左侧的工具箱里往工作区里拖拽需要用到的控件,常用的控件有文本控件、文字控件、按钮控件等。可在右侧的属性窗口设置控件的属性。可以通过选择不同的字库来设置不同的字体样式。

控件、页面的切换或则触发可能会产生相应的事件,可以通过代码来控制。其中,页面、控件的背景是可以上传本地的图片的,所以可以事先通过PS或则其他作图软件设计出精美的背景图片,然后再把控件都设置为透明色,最终地显示效果就可以达到很好的效果。

总之,可以很方便很容易设计出精美的GUI界面。同时,这个GUI设计软件还具有模拟真实的屏幕的功能,可以很方便地与用户MCU进行联调。仿真界面如图所示:

进入模拟器界面,可在下方选择数据的输入方式为用户MCU输入,然后设置相应的串口号和波特率即可。还可以实时查看用户MCU传给模拟器的数据。

2.3 与天气服务器通信

每个问题的解决往往都不能一步到位,要把这个问题的所有关键点找出来,着手去解决这些关键点,最终问题自然会得到解决。

同样的,虽然我们最终是用单片机控制WiFi模块来获取天气数据的,但是我们首先应该确保在没有单片机的情况下能获取得到天气数据,确保能和天气服务器正常通信。只有这样,在使用单片机获取数据遇到问题时才知道出错的范围在哪,便于我们进行调试。下面,分享windows下与天气服务器通信的测试方法:

2.3.1 所需的工具

网络调试助手。本人使用的是SocketTool,SocketTool是一款小巧实用且功能强大的TCP/UDP网络通讯调试工具,可以帮助你检查网络应用软件及硬件的通讯情况,可以创建Socket服务器,如创建UDP组播地址及端口、创建UDP Client客户端、创建TCP Client、创建TCP Server。

该工具下载链接为:

链接:https://pan.baidu.com/s/1fgarl8xNb6nEAl3Ly0NQ3w 提取码:np5v

2.3.2 测试方法

(1)首先,使用SocketTool工具建立一个TCP Client,对方IP设为:116.62.81.138(这是心知天气服务器的IP地址),对方端口设为80。如:

怎么才能知道一个网站的IP呢?在cmd窗口下输入ping 域名即可得该域名对应的IP,如我们ping百度:

ping是Windows、Unix和Linux系统下的一个命令,利用ping命令可以检查网络是否连通,可以很好地帮助我们分析和判定网络故障,该命令还可以加许多参数使用,具体是键入Ping按回车即可看到详细说明。

(2)发送HTTP请求,向心知天气服务器请求天气数据。HTTP有几种请求方法,我们这里使用的是GET请求:

GET请求:从指定的资源请求数据。

具体的请求方法示例为:

GET https://api.seniverse.com/v3/weather/now.json?key=2owqvhhd2dd9o9f9&location=beijing&language=zh-Hans&unit=c

其中,GET后面的URL地址可以上心知天气查看,如:

URL中的几个参数是可以设置的:

key:你的API密钥 location:所查询的地点 language:语言 unit:单位

在SocketTool工具中发送GET请求(首先先得点击连接按钮进行连接),发送格式如下:

需要注意的问题就是每个GET请求之后都需要空两行,这两个换行也是GET请求的一部分,所以在编写单片机代码时需要注意的是要在这个请求字符串后添加\r\n\r\n,表示换两行。

服务器返回的天气数据为:

看看服务器返回的数据,发现中文都是乱码。原因是获取得的天气数据是utf-8格式,必须转换为GBK格式中文才能正常显示。此处,我们只是测试与服务器是否能正常交互,测试结果显示有数据返回,说明通过以上的GET请求时可以获取到数据的。

在应用到单片机上时,还需要考虑的问题就是怎么把utf-8格式转换为GBK格式的问题,转换后中文才能正常显示在显示屏上。

2.4 语音对话功能

本系统人机对话功能采用了两个硬件模块:(1)语音识别模块:采用LD3320语音识别芯片;(2)语音合成模块:采用SYN6288语音合成芯片。

2.4.1 语音识别

本系统语音识别模块采用的语音芯片是LD3320。该芯片已经集成了语音识别的处理器,不需要外接其他的辅助芯片如Flash、 RAM 等,直接嵌入在现有的产品中就可以实现语音识别的功能。

语音识别的过程为: (1)先预存要识别的关键词,如:

//-------------------------搜索天气----------------------------------- #define STR00 "xiao tian" // 小天 #define STR01 "sou suo fu zhou tian qi" // 搜索福州天气 #define STR02 "sou suo shang hai tian qi" // 搜索上海天气 #define STR03 "sou suo shen zhen tian qi" // 搜索深圳天气 #define STR04 "sou suo bei jing tian qi" // 搜索北京天气 #define STR05 "sou suo guang zhou tian qi" // 搜索广州天气 #define STR06 "sou suo nan ning tian qi" // 搜索南宁天气 #define STR07 "sou suo xia men tian qi" // 搜索厦门天气 #define STR08 "sou suo quan zhou tian qi" // 搜索泉州天气 #define STR09 "sou suo pu tian tian qi" // 搜索莆田天气 #define STR10 "sou suo nan ping tian qi" // 搜索南平天气

可以预存50条关键词(关键句),本人已经把关键词写死在程序里了,这显然就不能灵活的面对各种场景。其实可以通过代码编写一个学习功能,即识别之前首先进行学习一些即将要识别的关键词,然后在进行识别演示,这样就可以应对比较多的场景。

但是,这样还是不够智能,毕竟只能识别已经预存的关键词(关键句),要是没有预存就没办法识别了。所以真正的语音识别应该是在软件算法上下功夫,关于语音识别已然成为热门的一大研究专题,这就属于人工智能的范畴吧。希望以后可以有机会接触这一块,如有接触再做学习分享~

(2)开始识别,如:

static void Task_ASR(void) { switch(nAsrStatus) { case LD_ASR_RUNING: case LD_ASR_ERROR: break; case LD_ASR_NONE: nAsrStatus=LD_ASR_RUNING; if (RunASR()==0) // 启动一次ASR识别流程:ASR初始化,ASR添加关键词语,启动ASR运算 { nAsrStatus = LD_ASR_ERROR; } break; case LD_ASR_FOUNDOK: nAsrRes = LD_GetResult( ); // 一次ASR识别流程结束,去取ASR识别结果 ASRSuccess_Handle(nAsrRes); nAsrStatus = LD_ASR_NONE; break; case LD_ASR_FOUNDZERO: default: nAsrStatus = LD_ASR_NONE; break; } }

nAsrStatus是用来表示语音识别的状态,不是LD3320芯片内部的状态寄存器。nAsrStatus有几种情况。我们比较关注的是LD_ASR_FOUNDOK状态。LD_ASR_FOUNDOK状态为识别成功,识别成功后将调用ASRSuccess_Handle函数进行识别后的操作。

(3)识别成功则执行相应操作,如

void ASRSuccess_Handle(uint8 asr_code) { printf("\r\n识别码:%d\n",asr_code); if(0 == asr_code) { printf("我在,需要我的帮助吗?\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]我在,[2]需要[2]我的[3]帮助吗"); RunFlag = TRUE; } else if(RunFlag) { RunFlag = FALSE; /* 识别码0-10为搜索天气识别码 */ if(asr_code>=0&&asr_code<=10) { switch(asr_code) { case CODE01: printf("“福州”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索福州天气"); memcpy(g_city,"fujianfuzhou",sizeof(g_place)); break; case CODE02: printf("“上海”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索上海天气"); memcpy(g_city,"shanghai",sizeof(g_place)); break; case CODE03: printf("“深圳”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索深圳天气"); memcpy(g_city,"shenzhen",sizeof(g_place)); break; case CODE04: printf("“北京”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索北京天气"); memcpy(g_city,"beijing",sizeof(g_place)); break; case CODE05: printf("“广州”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索广州天气"); memcpy(g_city,"guangzhou",sizeof(g_place)); break; case CODE06: printf("“南宁”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索南宁天气"); memcpy(g_city,"nanning",sizeof(g_place)); break; case CODE07: printf("“厦门”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索厦门天气"); memcpy(g_city,"xiamen",sizeof(g_place)); break; case CODE08: printf("“泉州”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索泉州天气"); memcpy(g_city,"quanzhou",sizeof(g_place)); break; case CODE09: printf("“莆田”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索莆田天气"); memcpy(g_city,"putian",sizeof(g_place)); break; case CODE10: printf("“南平”命令识别成功\r\n"); TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索南平天气"); memcpy(g_city,"nanping",sizeof(g_place)); break; } memset(&weather_data, 0, sizeof(weather_data)); GET_NowWeather(); GET_DailyWeather(); GetWeatherTimer = TIMER1_HOUR; DisplayWeather(weather_data); DisplayWeatherIcon(weather_data); } else { switch(asr_code) { case CODE11: printf("“语音播报天气”命令识别成功\r\n"); printf("%s\n",g_WeatherText); // TTSPlay(0, (uint8_t*)g_WeatherText); break; case CODE12: printf("“今天的气温是多少”命令识别成功\r\n"); break; default: TTSPlay(0, "语音识别失败,请对准麦克风说话!"); break; } } } }2.4.2 语音合成

本系统的语音合成模块采用SYN6288语音合成芯片,支持文本直接转化为语音。其与单片机的通信方式为串口通信。向该模块发送以下格式的数据包:

5字节帧头 文本 1字节校验,文本字节数小于等于200字节

即可合成语音。代码如:

// *嵌入式大杂烩 void TTSPlay(uint8_t Music,uint8_t *Text) { /****************需要发送的文本**********************************/ uint8_t DataPacket[50]; // uint8_t Text_Len; uint8_t ecc = 0; //定义校验字节 uint8_t i=0; Text_Len =strlen((const char*)Text); //需要发送文本的长度 /*****************帧固定配置信息**************************************/ DataPacket[0] = 0xFD ; //构造帧头FD DataPacket[1] = 0x00 ; //构造数据区长度的高字节 DataPacket[2] = Text_Len 3; //构造数据区长度的低字节 DataPacket[3] = 0x01 ; //构造命令字:合成播放命令 DataPacket[4] = 0x01 | Music<<4 ; //构造命令参数:背景音乐设定 /*******************校验码计算***************************************/ for(i = 0; i<5; i ) //依次发送构造好的5个帧头字节 { ecc=ecc^(DataPacket[i]); //对发送的字节进行异或校验 } for(i= 0; i<Text_Len; i ) //依次发送待合成的文本数据 { ecc=ecc^(Text[i]); //对发送的字节进行异或校验 } /*******************发送帧信息***************************************/ memcpy(&DataPacket[5], Text, Text_Len); DataPacket[5 Text_Len]=ecc; UART4_SendStr((char*)DataPacket,5 Text_Len 1); }

调用方式如:

TTSPlay(0, "[t3][2]小天正在为您搜索福州天气");3、最后

以上就是关于该作品比较重要的一些内容的分享,由于篇幅太长其他功能不做介绍,有兴趣的朋友可以查看源码。源码链接:

https://github.com/zhengnianli/stm32_weather


往期好文:

我整理了一个嵌入式资料库,大家有什么好资料分享?可以给我留言,我把它加进去,资源共享,一起来完善这个资料库!

(资料库链接:

https://gitee.com/zhengnianli/EmbedSummary)

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