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ESP8266简易WIFI天气时钟

电子发烧友
2022-06-07
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本篇介绍了如何使用ESP8266，通过WIFI连网获取网络天气和网络时间，然后借助U8g2库，在OLED上显示当前时间和天气信息。

1 HTTP获取网络天气

连网获取网络天气，一般需要通过http的方式，从天气信息提供商的网络地址获取天气信息。

1.1 注册开发者key

这里以心知天气为例，需要先注册一个开发者账号，然后获取自己的私钥，也就是等下要用到的key。

然后可以先在浏览器中输入如下链接，注意要将自己的key替换进去，然后就可以测试一下天气信息的获取情况。

https://api.seniverse.com/v3/weather/now.json?key=替换为你的私钥&location=HangZhou&language=en&unit=c

如下即为获取的天气信息，是json格式的：

1.2 http请求基本原理

上面先通过浏览器的方式获取到了天气信息，而ESP8266没有浏览器功能，需要编写代码实现http数据请求。

在编写代码之前，需要先了解一下基础的http请求原理。

url全称是资源描述符，一个url地址，用于描述一个网络上的资源，而http中的get、post、put、delete就对于着这个资源的查、改、增、删4个操作，get一般用于获取/查询资源信息。

url的格式： 【协议】：//【主机名(或者叫域名)】【：端口号（可选）】/【文件路径】/【文件名】

例如：https://api.seniverse.com/v3/weather/now.json?key=替换为你的私钥&location=HangZhou&language=en&unit=c

协议：https

域名：api.seniverse.com

客户端发送一个HTTP请求到服务器的请求消息包括以下格式：请求行（request line）、请求头部（header）、空行和请求数据四个部分组成，下图给出了请求报文的一般格式。

服务器HTTP响应也由四个部分组成，分别是：状态行、消息报头、空行和响应正文。

根据http协议，可以编写ESP8266进行http请求的代码：

const char* host = "api.seniverse.com";     // 将要连接的服务器地址  
const int httpPort = 80;                    // 将要连接的服务器端口      
 
// 心知天气HTTP请求所需信息
String reqUserKey = "xxxxxxxxxxxxxxxxx";   // 私钥
String reqLocation = "HangZhou";           // 城市
String reqUnit = "c";                      // 摄氏/华氏
 
// 建立心知天气API当前天气请求资源地址
String reqRes = "/v3/weather/now.json?key=" + reqUserKey +
    + "&location=" + reqLocation + 
    "&language=en&unit=" +reqUnit;

// 建立http请求信息
// 请求方法(GET)+空格+URL+空格+协议(HTTP/1.1)+回车+换行+
// 头部字段(Host)+冒号+值(服务器地址)+回车+换行+
// 头部字段(Connection)+冒号+值(close)+回车+换行+回车+换行
String httpRequest = String("GET ") + reqRes + " HTTP/1.1\r\n" + 
    "Host: " + host + "\r\n" + 
    "Connection: close\r\n\r\n";

WiFiClient client;
// 尝试连接服务器
if (client.connect(host, 80))
{
    // 向服务器发送http请求信息
    client.print(httpRequest);
    Serial.println("Sending request: ");
    Serial.println(httpRequest);  

    // 获取并显示服务器响应状态行 
    String status_response = client.readStringUntil('\n');
    Serial.print("status_response: ");
    Serial.println(status_response);

    // 使用find跳过HTTP响应头
    if (client.find("\r\n\r\n")) 
    {
        Serial.println("Found Header End. Start Parsing.");
    }

    // 利用ArduinoJson库解析心知天气响应信息
    parseInfo(client); 
}

1.3 json数据解析

http请求获取到的天气数据是json格式的（关于json的介绍可参考：），需要对数据进行解析，获取到具体的天气和温度等数据。

可以将获取的json原始数据打印出来，方便确认程序是否获取到的天气数据。

具体代码如下：

void parseInfo(WiFiClient client)
{
  const size_t capacity = JSON_ARRAY_SIZE(1) + JSON_OBJECT_SIZE(1) + 2 * JSON_OBJECT_SIZE(3) + JSON_OBJECT_SIZE(6) + 230;
  DynamicJsonDocument doc(capacity);
  deserializeJson(doc, client);
  Serial.println(doc.as());

  JsonObject result0 = doc["results"][0];
  JsonObject result0_now = result0["now"];

  // 通过串口监视器显示以上信息
  g_strWeather = result0_now["text"].as();// "Sunny"
  g_iCode = result0_now["code"].as();// "0"
  g_iTemperature = result0_now["temperature"].as();// "32"
  g_strUpdateTime = result0["last_update"].as();// "2020-06-02T14:40:00+08:00"

  Serial.println(F("======Weahter Now======="));
  Serial.print(F("Weather Now: "));
  Serial.print(g_strWeather);
  Serial.print(F(" -> "));
  Serial.println(g_iCode);
  Serial.print(F("Temperature: "));
  Serial.println(g_iTemperature);
  Serial.print(F("Last Update: "));
  Serial.println(g_strUpdateTime);
  Serial.println(F("========================"));
}

原始json格式的天气数据和解析后的天气和温度数据如下：

天气现象代码对照表

解析到的天气数据，除了英文形式的天气信息(text)，还有一个对应的天气码(code)，如上图的Cloudy对应的天气码是4。通过天气码，也可以转换为天气。天气码的对照表可参考心知天气文档：https://docs.seniverse.com/api/start/code.html

简化起见，这里只使用常用的4种天气。

代码 中文 英文
0 晴（国内城市白天晴） Sunny
4 多云 Cloudy
9 阴 Overcast
13 小雨 Light Rain0

2 NTP网络时间

NTP(Network Time Protocol) 是网络时间协议，它是用来同步网络中各个计算机时间的协议。

ESP8266可以连网，那就也可以通过获取网络时间来得到当前的时间：

time_t getNtpTime()
{
    IPAddress ntpServerIP; // NTP服务器的地址
 
    while(Udp.parsePacket() > 0); // 丢弃以前接收的任何数据包
    Serial.println("Transmit NTP Request");
    // 从池中获取随机服务器
    WiFi.hostByName(ntpServerName, ntpServerIP);
    Serial.print(ntpServerName);
    Serial.print(": ");
    Serial.println(ntpServerIP);
    sendNTPpacket(ntpServerIP);
    uint32_t beginWait = millis();
    while (millis() - beginWait < 1500)
    {
        int size = Udp.parsePacket();
        if (size >= NTP_PACKET_SIZE)
        {
            Serial.println("Receive NTP Response");
            isNTPConnected = true;
            Udp.read(packetBuffer, NTP_PACKET_SIZE); // 将数据包读取到缓冲区
            unsigned long secsSince1900;
            // 将从位置40开始的四个字节转换为长整型，只取前32位整数部分
            secsSince1900 = (unsigned long)packetBuffer[40] << 24;
            secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[41] << 16;
            secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[42] << 8;
            secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[43];
            Serial.println(secsSince1900);
            Serial.println(secsSince1900 - 2208988800UL + timeZone * SECS_PER_HOUR);
            return secsSince1900 - 2208988800UL + timeZone * SECS_PER_HOUR;
        }
    }
    Serial.println("No NTP Response :-("); //无NTP响应
    isNTPConnected = false;
    return 0; //如果未得到时间则返回0
}

3 OLED显示页面设计

获取到天气信息和时间后，需要将这些信息显示出来。

这里使用0.96寸OLED显示屏来显示，借助U8g2库，显示文字与天气图标（U8g2库的使用，可参考：）。

具体的显示代码如下：

void testShowTimeAndWeather(rtc_time_t &now_time, weather_info_t &weather_info)
{
  u8g2.clearBuffer();
  int tm_year = now_time.tm_year;
  int tm_month = now_time.tm_mon;
  int tm_day = now_time.tm_mday;
  int tm_hour = now_time.tm_hour;
  int tm_minute = now_time.tm_min;
  int tm_sec = now_time.tm_sec;
  int tm_week = now_time.tm_week;
  
  //时分
  char str_big_time[] = "";
  my_strcat(str_big_time, tm_hour);
  strcat(str_big_time,":");
  my_strcat(str_big_time, tm_minute);
  u8g2.setFont(u8g2_font_logisoso24_tf); 
  u8g2.drawStr(0, 30, str_big_time);

  //秒
  char str_small_sec[] = "";
  my_strcat(str_small_sec, tm_sec);
  u8g2.setFont(u8g2_font_wqy14_t_gb2312);
  u8g2.drawStr(73, 30, str_small_sec);

  //日期
  char str_date[] = "";
  char str_temp[6];
  itoa(tm_year,str_temp,10);
  strcat(str_date,str_temp);
  strcat(str_date,"-");
  my_strcat(str_date, tm_month);
  strcat(str_date,"-");
  my_strcat(str_date, tm_day);
  u8g2.drawStr(0, 47, str_date);
  
  u8g2.setCursor(0, 63);
  u8g2.print("星期");
  switch (tm_week)
  {
    case 1: u8g2.print("日"); break;
    case 2: u8g2.print("一"); break;
    case 3: u8g2.print("二"); break;
    case 4: u8g2.print("三"); break;
    case 5: u8g2.print("四"); break;
    case 6: u8g2.print("五"); break;
    case 7: u8g2.print("六"); break;
    default: break;
  }
  u8g2.setCursor(60, 63);
  u8g2.print("杭州");

  //分割线
  u8g2.drawLine(90, 0, 90, 63);
  
  //天气
  if (weather_info.iconIdx<0 || weather_info.iconIdx>3) //没有对应的天气图标
  {
    Serial.print("no icon for weather: ");
    Serial.println(weather_info.weather);
  }
  else
  {
    u8g2.setFont(u8g2_font_open_iconic_weather_4x_t );
    u8g2.drawStr(96, 34, icon_index[weather_info.iconIdx]);
  }
  char temperature_tmp[25];
  itoa(weather_info.temp, temperature_tmp, 10);
  strcat(temperature_tmp,"℃");
  u8g2.setFont(u8g2_font_wqy16_t_gb2312);
  u8g2.setCursor(96, 55);
  u8g2.print(temperature_tmp);
  
  u8g2.sendBuffer();
}

4 最终效果

5 总结

本篇介绍了http获取网络天气的基本原理，并通过实践，使用ESP8266连网获取网络天气和网络时间，借助U8g2库，在OLED上显示当前时间和天气信息。

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