基于ESP32-S2-Mini-1模块的本地气象台

项目介绍：

本项目是使用硬禾学堂的音频信号板卡，通过WIFI-S2模块联网后调用心知天气API获取本地当天的天气、气温信息以及实时时间，数据经过解析后将其显示在板卡自带的OLED上。实现一个本地气象台。

项目要求：

利用OLED显示当前本地的时间、温度和气象信息

使用软件：

arduino

设计思路（框图）：

本项目流程较简单，先使用ESP32 S2模块连接WiFi网络。之后通过访问阿里云时间服务器获去本地实时时间。关于获取天气信息，我们可以先注册一个心知天气的账户，申请免费的产品，获取免费的API并调用，得到JSON格式的数据，再使用ArduinoJson库函数进行解析，将获取的天气温度信息显示在OLED上，并以合适速率刷新。

简单的硬件介绍：

1、核心控制器介绍：

本平台使用了乐鑫公司的ESP32-s2-Mini-1模块，ESP32-s2-Mini-1是一颗通用型Wi-Fi MCU模组，功能强大，具有丰富的外设接口，可用于穿戴电子设备，智能家居等场景，ESP-S2-Mini-1采用PCB板载天线，模块配置了4MB SPI Flash，采用的是ESP32-S2FN4芯片。该芯片搭载了Xtensa R 32位LX7单核处理器，工作频率高达240MHz。用户可以关闭CPU的电源，利用低功耗处理器监测外设的状态变化或某些模拟量是否超出阈值。ESP32-S2-FH4还集成了丰富的外设接口。

                        ESP32-s2-MINI-1的构成

音频信号处理板卡构成：

基于ESP32-S2 WiFi核心模块；128*64 SPI接口OLED显示；4个按键用于参数控制或菜单选择；1路Mic音频输入-模拟电路；2路音频输出，并有功率放大，可以驱动喇叭和耳机插座；一个FM接收模块；一个用于切换来自ESP32产生的音频还是FM输出的音频到喇叭或者耳机。

板卡功能框图

板卡实物图

实现的功能及图片展示：

在本次项目中，我仅仅实现了简单的天气和时间显示功能，由于天气短时间内不会突变，我通过使用定时器中断，每小时刷新一次。关于时间信息，由于要实时显示，我将时间刷新设置为200ms,由于ESP32是第一次接触，有些问题也困扰了一些时间，但同时ESP32丰富的功能也令我眼前一亮，未来我会多使用相关产品，做出更多有意思的东西。

主要的代码片段及说明：

各变量的定义

const char * temperature ;  
const char * currenttime ;
const char * weather;
const char * area;
unsigned long currentMillis;
DynamicJsonDocument doc(1400);  //分配空间，用于保存JSON数据
WiFiServer server(80);          //端口号  
struct tm timeinfo;
hw_timer_t * timer = NULL;
volatile uint32_t isrCounter = 3600;
portMUX_TYPE timerMux = portMUX_INITIALIZER_UNLOCKED;  
U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_4W_SW_SPI u8g2(U8G2_R0, /* clock=*/ 36, /* data=*/ 35, /* cs=*/ 10, /* dc=*/ 33, /* reset=*/ 34);  //为OLED设置引脚

中断函数

void ARDUINO_ISR_ATTR onTimer(){  //中断函数， 1s中断用于刷新天气信息
  portENTER_CRITICAL_ISR(&timerMux);
  isrCounter++;                   //记录中断次数 写入与中断共享的变量时禁用中断。这样我们就可以确保                                  
                                  //主代码和ISR之间不存在任何对它的并发访问。 
  portEXIT_CRITICAL_ISR(&timerMux);
}

以下代码是串口、OLED、定时器等初始化。

Serial.begin(115200);
u8g2.begin();
Serial.print("Connecting to ");

WiFi.begin(ssid, password);      
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
   delay(500);
   Serial.print(".");
}
Serial.println("Connected ");

configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
if(!getLocalTime(&timeinfo)){
  Serial.println("failde to obtain time");
  return;
}
Serial.println(&timeinfo, "%A, %B  %d  %Y  %H:%M:%S");
server.begin();
//定时器配置
timer = timerBegin(0, 80, true);        //定时器0,80预分频
timerAttachInterrupt(timer, &onTimer, true);
timerAlarmWrite(timer, 1000000, true);  //1秒
timerAlarmEnable(timer);                //定时器使能
}

以下代码是在循环中反复检查连接情况，如果WiFi意外断开会重新尝试连接，以防连接过程外界WiFi突然断开又恢复后WiFi模块无法自动重连。

if(WiFi.status() != WL_CONNECTED){
   currentMillis = millis();
   if ((WiFi.status() != WL_CONNECTED) && (currentMillis - previousMillis >=interval)) {
      Serial.print(millis());
      Serial.println("Reconnecting to WiFi...");
      WiFi.begin(ssid, password);
      previousMillis = currentMillis;
      configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
      }
}

以下代码是1s定时器计数累加值达到3600，既1小时，连接知心天气API重新获取天气信息，解析JSON数据，对相应变量进行刷新。

if (isrCounter > 3600){
   portENTER_CRITICAL_ISR(&timerMux);
   isrCounter = 0;    //重新计时
   portEXIT_CRITICAL_ISR(&timerMux);

   HTTPClient https;
   https.begin(Targethttp);    //连接心知天气API
   int httpCode = https.GET(); //获取连接状况
   Serial.print(httpCode);     //串口打印

   if(httpCode == HTTP_CODE_OK){          //如果连接成功
      String payload = https.getString(); //将获取的响应数据转换为字符串
      deserializeJson(doc, payload);      //反序列化JSON数据
      JsonObject results_0 = doc["results"][0];
      JsonObject results_0_now = results_0["now"];
      JsonObject results_0_location = results_0["location"];
      weather = results_0_now["text"];    //天气
      temperature = results_0_now["temperature"];  //温度
      area = results_0_location["name"];  //地理位置
    }
}
getLocalTime(&timeinfo);                  //获取时间 每隔200ms

以下代码是负责OLED的显示。

u8g2.clearBuffer();                 // 清除内部缓冲区
u8g2.setFont(u8g2_font_ncenB08_tr); // choose a suitable font
u8g2.setCursor(0,10);
u8g2.print("weather:");
u8g2.setCursor(74,10);
u8g2.print(weather);
u8g2.drawLine(0, 22, 127, 22);      //横线
           
u8g2.setCursor(0,23);
u8g2.print("area:");
u8g2.setCursor(74,23);
u8g2.print(area);
u8g2.drawLine(0, 25, 127, 25);      //横线

u8g2.setCursor(0,36);
u8g2.print("temperature:");
u8g2.setCursor(74,36);
u8g2.print(temperature);
u8g2.drawLine(0, 38, 127, 38);      //横线
u8g2.drawLine(72, 0, 72, 53);       //横线
u8g2.drawLine(0, 53, 127, 53);      //纵线

u8g2.setCursor(0,60);
u8g2.print(&timeinfo, "%F %T");
u8g2.sendBuffer();             
delay(200); 
}

遇到的主要难题及解决方法：

使用开发板在连接手机WiFi时发生重启，代码检查了好多次，最后发现是由于粗心使用OLED的显示函数时出现了问题。arduino查错是真不方便，最好还是使用原生的IDF。关于ESP32的联网方式我觉得可以做到更好，似乎可以通过AP模式让用户通过网页进行网络配置。这样就可以在不改变代码的情况下配网了，后面我会继续进行尝试。

未来的计划及建议等：

自己对相应的库及原理还是不够清楚，虽然这个项目的实现很简单，但其中涉及到的知识可不少如HTTP请求的过程、TCP和UDP协议等等，未来要多学习ESP32的各种功能，将这个模块的潜力发掘出来。我也正式成为esp32粉丝大军的一员了。感谢硬禾学堂给我这次学习的机会，希望硬禾学堂相关活动越办越好。