上一篇文章，我们了解了天气时钟用到的材料、以及串口模块的开发，本篇文章，我们将把重心移到WiFi模块、OLED模块和NTP模块的开发，但在此之前，我们仍有必要学习相关知识。

WiFi模块

WiFi库介绍

WiFi库是用于Arduino平台上的WiFi模块（如ESP8266等）进行无线网络连接的一个重要库。它提供了丰富的功能来管理WiFi连接、网络配置和数据传输。以下是WiFi库的一些关键功能和用法：

1. 模式设置：
   • WiFi.mode(mode): 设置WiFi的工作模式。常用模式包括：
     • WIFI_STA: 站点模式，设备作为客户端连接到路由器。
     • WIFI_AP: 接入点模式，设备作为热点供其他设备连接。
     • WIFI_AP_STA: 同时支持站点和接入点模式。

关于更多解释，可以参考之前的文章: 【STA模式、AP模式、体验天气时钟】

2. 连接管理：

   • WiFi.begin(ssid, password): 开始连接到指定的WiFi网络，ssid是网络名称，password是网络密码。
   • WiFi.disconnect(): 断开当前的WiFi连接。
   • WiFi.status(): 获取当前的WiFi连接状态，返回值包括WL_CONNECTED（已连接）、WL_DISCONNECTED（未连接）等。

3. 网络信息：

   • WiFi.localIP(): 获取设备的本地IP地址。
   • WiFi.SSID(): 获取当前连接的网络SSID。
   • WiFi.RSSI(): 获取当前连接的信号强度。

4. 其他功能：

   • WiFi.scanNetworks(): 扫描周围可用的WiFi网络。
   • WiFi.softAP(ssid, password): 设置设备为接入点模式，创建一个新的WiFi网络。

WiFi库通常用于物联网（IOT）项目中，使设备能够连接到互联网或局域网，从而实现远程数据传输、设备控制和监控等功能。通过结合其他网络协议（如HTTP、MQTT等），可以实现更复杂的网络应用。

代码实现

头文件

#ifndef WIFI_H
#define WIFI_H#include <Arduino.h>
#include <ESP8266WiFi.h>// 定义WiFi名称及密码
#define WiFi_SSID "josh"
#define WiFi_PASSWORD "38669836"void wifiInit();
bool wifiConnect(const char *ssid = WiFi_SSID, const char *password = WiFi_PASSWORD);#endif

cpp文件

#include "wifi.h"
#include "serial.h"// WiFi初始化函数
void wifiInit() {WiFi.mode(WIFI_STA); // 设置为无线终端模式，方便连接网络WiFi.disconnect();   // 先断开连接再重连，以免发生某些故障delay(100);          // 等待WIFI模块稳定serialPrint("WIFI模块初始化完成");
}// WiFi连接函数，返回布尔值
bool wifiConnect(const char *ssid, const char *password) {serialPrint("正在连接WiFi...");WiFi.begin(ssid, password);int attempts = 0; // 记录连接次数while(WiFi.status() != WL_CONNECTED && attempts < 20) {delay(1000);serialPrint("等待连接..." + String(attempts + 1));attempts++;}// 如果WiFi连接成功if(WiFi.status() == WL_CONNECTED){serialPrint("WiFi连接成功");serialPrint("IP地址：" + WiFi.localIP().toString()); // 转成字符串并输出return true;} else {serialPrint("WiFi连接失败");return false;}
}

OLED模块

OLED模块中，我们将对OLED屏幕进行操作，导入并调用U8g2库中的内容。

OLED屏幕介绍

OLED（有机发光二极管）屏幕是一种显示技术，广泛应用于各种电子设备中，包括智能手机、电视、可穿戴设备和嵌入式系统。

基本原理

• 自发光: OLED屏幕由有机材料制成，这些材料在通电时会发光。与LCD不同，OLED不需要背光源，因此可以实现更薄的显示器。
• 像素独立控制: 每个像素都可以独立控制其亮度和颜色，这使得OLED屏幕能够显示深邃的黑色和高对比度的图像。

OLED的优点

1. 高对比度和深黑色: 由于OLED像素可以完全关闭，因此可以显示真正的黑色，提供极高的对比度。
2. 广视角: OLED屏幕在广视角下仍能保持色彩和亮度的一致性。
3. 快速响应时间: OLED的响应时间非常快，适合显示快速移动的图像，如视频和游戏。
4. 轻薄设计: 由于不需要背光，OLED屏幕可以设计得非常轻薄。
5. 灵活性: OLED材料可以制成柔性显示器，适用于可弯曲或可折叠的设备。

OLED的缺点

1. 寿命问题: OLED的有机材料可能会随着时间的推移而降解，导致亮度下降或色彩变化。
2. 烧屏现象: 长时间显示静态图像可能导致某些像素永久性地保持某种状态，造成“烧屏”。
3. 成本较高: 生产OLED屏幕的成本通常高于LCD，特别是在大尺寸显示器中。

OLED在嵌入式系统中的应用

在嵌入式系统中，OLED屏幕通常用于显示简单的图形和文本信息。常见的应用包括：

• 微型显示器: 用于智能手表、健身追踪器等小型设备。
• 信息面板: 用于家用电器、工业设备的状态显示。
• 开发板显示: 在Arduino、Raspberry Pi等开发板项目中，OLED屏幕常用于显示传感器数据、系统状态等。

OLED屏幕的引脚及编程

在四针OLED屏幕中，SCL(Serial Clock Line)表示串行时钟线，用于同步数据传输的时钟信号，它由微控制器等主设备生成，控制数据的传输速率；SDA(Serial Data Line)表示串行数据线，用于传输实际的数据，主设备和从设备之间通过这条线进行数据的发送和接收。

以上提到的主设备和从设备，通常而言，主设备是控制通信的设备，负责发起数据传输，发送时钟信号和管理从设备，例如Arduino通常充当主设备，负责读取传感器数据或者向显示器发送信息；从设备是被主设备控制的设备，负责等待主设备的指令，并且响应主设备的请求，例如OLED显示屏可以作为从设备。

在编程中，使用OLED屏幕通常需要一个专用的库来处理显示控制。以Arduino平台为例，常用的库有U8g2、Adafruit_SSD1306等。这些库提供了丰富的API来绘制文本、图形和图像。

u8g2库介绍

U8g2库是一个用于小型显示器（如OLED和LCD）的图形库，支持多种显示器类型和接口。它是U8glib库的升级版，提供了更好的性能和更多的功能。以下是U8g2库的详细介绍：

特点

1. 多种显示器支持: U8g2支持多种显示器，包括SSD1306(本次使用的类型)、SH1106、ST7920等，适用于不同的分辨率和接口（I2C、SPI等）。

多种字体支持: 提供了丰富的字体选择，支持不同大小和风格的字体，适合各种显示需求。

3. UTF-8支持: U8g2支持UTF-8编码，可以显示多语言字符，包括中文、日文等。

4. 图形绘制功能: 提供了绘制基本图形（如线条、矩形、圆形）的功能，以及图像和位图的显示。

5. 双缓冲和单缓冲模式: 支持双缓冲模式（U8g2）和单缓冲模式（U8x8），以适应不同的内存需求和性能要求。

常用函数

U8g2库是一个强大的图形库，专为小型显示器（如OLED和LCD）设计，支持多种显示器类型和接口。以下是U8g2库中一些常用函数的详细介绍：

初始化和设置

1. begin()

   • 功能: 初始化显示器。
   • 用法: 在setup()函数中调用，确保在使用其他绘图函数之前已正确初始化显示器。

2. setFont(const uint8_t *font)

   • 功能: 设置当前使用的字体。
   • 参数: font是字体的指针，U8g2库提供了多种字体可供选择。
   • 示例: u8g2.setFont(u8g2_font_ncenB08_tr);

3. enableUTF8Print()

   • 功能: 启用UTF-8编码支持，使print()函数能够正确显示UTF-8编码的字符。
   • 用法: 在初始化时调用，以确保显示器能够处理多语言字符。
   • 示例: u8g2.enableUTF8Print();

文本和图形绘制

1. setCursor(int x, int y)

   • 功能: 设置文本光标的位置。
   • 参数:
     • x, y: 光标的起始坐标。
   • 示例: u8g2.setCursor(0, 10);

2. print()

   • 功能: 类似于Arduino的Serial.print()，用于在显示器上打印文本。

   • 用法: 需要在setCursor()设置光标位置后使用。

   • 示例:

     u8g2.setCursor(0, 10);
     u8g2.print("Hello, World!");
     

3. drawStr(int x, int y, const char *s)

   • 功能: 在指定位置绘制字符串。
   • 参数:
     • x, y: 字符串的起始坐标。
     • s: 要绘制的字符串。
   • 示例: u8g2.drawStr(0, 10, "Hello, World!");

4. drawLine(int x1, int y1, int x2, int y2)

   • 功能: 绘制一条线。
   • 参数:
     • x1, y1: 线的起点坐标。
     • x2, y2: 线的终点坐标。
   • 示例: u8g2.drawLine(0, 0, 128, 64);

5. drawBox(int x, int y, int w, int h)

   • 功能: 绘制一个填充矩形。
   • 参数:
     • x, y: 矩形的左上角坐标。
     • w, h: 矩形的宽度和高度。
   • 示例: u8g2.drawBox(10, 10, 20, 20);

缓冲区管理

1. clearBuffer()

   • 功能: 清空显示缓冲区。

   • 用法: 在开始新的绘制之前调用，以清除之前的内容。

   • 示例:

     u8g2.clearBuffer();
     

2. sendBuffer()

   • 功能: 将缓冲区内容发送到显示器。

   • 用法: 在完成所有绘制操作后调用，以更新显示器内容。

   • 示例:

     u8g2.sendBuffer();
     

其他功能

1. setContrast(uint8_t contrast)

   • 功能: 设置显示器的对比度。

   • 参数: contrast为对比度值，范围通常为0到255。

   • 示例:

     u8g2.setContrast(128);
     

2. setDisplayRotation(uint8_t rotation)

   • 功能: 设置显示器的旋转角度。

   • 参数: rotation可以是0（正常）、1（90度旋转）、2（180度旋转）、3（270度旋转）。

   • 示例:

     u8g2.setDisplayRotation(U8G2_R1);
     

通过这些函数，U8g2库提供了丰富的功能，帮助开发者在小型显示器上实现复杂的图形和文本显示。结合使用这些函数，可以在嵌入式系统中创建直观的用户界面和信息显示。

头文件

#ifndef OLED_H
#define OLED_H#include <Arduino.h>
#include <U8g2lib.h>extern U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_SW_I2C u8g2; // 设置OLED屏幕型号及相关信息void oledInit();
void oledShow(uint8_t x, uint8_t y, String text);
void oledClear();#endif

cpp文件

#include "oled.h"
#include "serial.h"U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_SW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* clock=*/ 5, /* data=*/ 4, /* reset=*/ U8X8_PIN_NONE);void oledInit() {serialPrint("初始化OLED显示屏...");u8g2.begin();  // 初始化显示器u8g2.clearBuffer();  // 清空显示缓冲区// 设置中文字体并启用UTF8编码支持u8g2.setFont(u8g2_font_wqy14_t_gb2312); // 设置字体u8g2.enableUTF8Print(); // 初始化以确保能够正确显示字符// 刷新显示u8g2.sendBuffer(); // 把将缓冲区信息送到显示屏serialPrint("OLED初始化完成");
}void oledShow(uint8_t x, uint8_t y, String text) {// 设置光标位置并显示文本u8g2.setCursor(x, y); // 指定显示坐标u8g2.print(text);     // 指定输出的信息u8g2.sendBuffer();    // 刷新显示
}void oledClear() {// 清空显示缓冲区并刷新显示u8g2.clearBuffer();u8g2.sendBuffer();
}

NTP模块开发

NTP介绍

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是一种用于在计算机网络中同步时间的协议。它的主要功能和特点包括：

1. 时间同步：

   • NTP的主要作用是确保网络中所有设备的时间保持一致。它通过从时间服务器获取精确的时间信息来调整本地时钟。

2. 分层结构：

   • NTP使用分层结构，称为“层级”（Stratum）。Stratum 0是参考时钟（如原子钟、GPS时钟），Stratum 1是直接连接到Stratum 0的服务器，依此类推。每个层级的服务器从上一级获取时间信息。

3. 高精度：

   • NTP可以提供毫秒级的时间精度，甚至在理想条件下达到微秒级。这对于需要精确时间的应用（如金融交易、科学实验）非常重要。

4. 自我调整：

   • NTP不仅可以调整时钟的时间，还可以调整时钟的频率，以补偿硬件时钟的漂移。

5. 广泛使用：

   • NTP是互联网中最古老的协议之一，广泛用于各种操作系统和网络设备中。

6. 安全性：

   • 尽管NTP本身是一个开放协议，但在现代应用中，通常会结合其他安全措施（如NTPsec）来防止时间欺骗攻击。

在嵌入式系统中，NTP通常用于确保设备的时间与互联网时间保持同步，这对于时间戳记录、定时任务和其他时间敏感的操作非常重要。

NTPClient类介绍

NTPClient 是一个用于与网络时间协议（NTP）服务器进行通信的客户端类，广泛用于物联网设备和嵌入式系统中，以确保设备的时钟与全球标准时间保持同步。以下是对 NTPClient 的详细介绍，包括其构造函数和常用函数。

构造函数

NTPClient 的构造函数用于初始化客户端实例，配置与NTP服务器的通信细节。常见的构造函数原型如下：

NTPClient(UDP& udp, const char* poolServerName = "pool.ntp.org", int timeOffset = 0, int updateInterval = 60000
);

• UDP& udp: 引用一个UDP对象（通常是 WiFiUDP），用于通过UDP协议进行通信。
• const char* poolServerName: NTP服务器的地址，默认是 "pool.ntp.org"。
• int timeOffset: 时区偏移量，以秒为单位。用于调整时间以匹配本地时区。
• int updateInterval: 自动更新时间的间隔，以毫秒为单位。默认是 60000 毫秒（1分钟）。

常用函数

NTPClient库 提供了一些常用的函数，用于初始化、更新和获取时间：

1. begin():

   • 初始化NTP客户端，准备与NTP服务器进行通信。

2. update():

   • 从NTP服务器获取最新的时间戳，并更新内部时间。通常在需要获取最新时间之前调用。

3. forceUpdate():

   • 强制从NTP服务器获取时间，即使在设定的更新间隔内。用于需要立即同步时间的场合。

4. getEpochTime():

   • 返回当前时间的epoch时间戳（自1970年1月1日以来的秒数）。适用于需要处理时间戳的应用。

5. getFormattedTime():

   • 返回格式化的时间字符串，通常为 HH:MM:SS 格式。

6. getHours():

   • 返回当前时间的小时部分。

7. getMinutes():

   • 返回当前时间的分钟部分。

8. getSeconds():

   • 返回当前时间的秒部分。

9. setTimeOffset(int offset):

   • 设置时区偏移量，以秒为单位。用于调整时间以匹配本地时区。

10. setUpdateInterval(unsigned long interval):

    • 设置自动更新时间的间隔，以毫秒为单位。用于控制多久从NTP服务器更新一次时间。

通过这些构造函数和方法，NTPClient 提供了一个简单而强大的接口，用于在联网设备中实现时间同步功能。

gmtime介绍

gmtime 是C和C++标准库中的一个函数，用于将时间戳（epoch time）转换为协调世界时（UTC）的时间结构。它是 time.h 头文件的一部分。以下是对 gmtime 函数的详细介绍：

函数原型

struct tm *gmtime(const time_t *timer);

参数

• const time_t *timer: 指向一个 time_t 类型的指针，表示自1970年1月1日00:00:00 UTC以来的秒数（即epoch时间）。

返回值

• 返回一个指向 tm 结构的指针，该结构包含了转换后的UTC时间信息。
• tm 结构包含以下成员：
  • int tm_sec : 秒，范围为0到59。
  • int tm_min : 分钟，范围为0到59。
  • int tm_hour : 小时，范围为0到23。
  • int tm_mday : 一个月中的第几天，范围为1到31。
  • int tm_mon : 月份，范围为0到11（0表示一月）。
  • int tm_year : 自1900年以来的年数。
  • int tm_wday : 一周中的第几天，范围为0到6（0表示星期天）。
  • int tm_yday : 一年中的第几天，范围为0到365。
  • int tm_isdst : 夏令时标志。

注意事项

• 返回的 tm 结构指针指向的是一个静态分配的内存区域，因此每次调用 gmtime 后，之前的结果会被覆盖。
• 如果需要保留多个时间转换结果，应该将返回的 tm 结构复制到用户定义的结构中。

使用场景

gmtime 通常用于需要将时间戳转换为可读的UTC时间格式的场合，例如日志记录、时间显示等。它与 localtime 函数相对，后者用于转换为本地时间。

头文件

#ifndef NTP_H
#define NTP_H#include <Arduino.h>
#include <NTPClient.h>
#include <WiFiUdp.h>   // 用于初始化NTP客户端void ntpInit();      // 初始化函数
bool ntpSync();      // 同步时间
String ntpGetDate(); // 获取日期
String ntpGetTime(); // 获取具体时间
#endif

cpp文件

#include "ntp.h"
#include "serial.h"
#include "oled.h"WiFiUDP ntpUDP; // 定义一个UDP对象，用于初始化NTPClient对象
NTPClient timeClient(ntpUDP, "ntp.aliyun.com", 8 * 3600); // UDP对象、NTP服务器地址（这里使用阿里云）、中国位于8时区，单位是秒，所以 * 3600// 初始化函数
void ntpInit() {serialPrint("初始化NTP客户端...");timeClient.begin(); // 初始化，准备与NTP服务器通信serialPrint("初始化NTP客户端完成");
}// 获取时间
String ntpGetTime() {timeClient.update(); // 先更新时间，从服务器获取最新的时间戳// 获取时间int hours = timeClient.getHours();int minutes = timeClient.getMinutes();int seconds = timeClient.getSeconds();// 转换成字符串char timeStr[9];// 格式化字符串sprintf(timeStr, "%02d:%02d:%02d", hours, minutes, seconds);return String(timeStr);
}// 获取日期
String ntpGetDate() {timeClient.update(); // 先更新时间，从服务器获取最新的时间戳// 获取时间戳time_t epochTime = timeClient.getEpochTime();  // 获取时间戳struct tm *ptm = gmtime((time_t *)&epochTime); // 获取准确时间，返回一个时间结构体int year = ptm->tm_year + 1900; // 获取年份int month = ptm->tm_mon + 1;    // 获取月份int day = ptm->tm_mday;         // 获取日期// 转换成字符串char dateStr[9];// 格式化字符串sprintf(dateStr, "%04d-%02d-%02d", year, month, day);return String(dateStr);
}// 同步时间
bool ntpSync() {serialPrint("正在同步网络时间...");oledShow(0, 16, "正在同步网络时间...");if(timeClient.forceUpdate()) { // 强行更新时间serialPrint("时间同步成功");oledClear(); // 清屏操作oledShow(0, 16, "时间同步成功");oledShow(0, 32, "日期: " + ntpGetDate()); // 输出日期oledShow(0, 48, "时间: " + ntpGetTime()); // 输出时间return true;} else {serialPrint("时间同步失败");oledClear();oledShow(0, 16, "时间同步失败");return false;}
}

至此完成了WiFi、OLED、NTP三个模块的开发。下一篇文章我们将利用心知天气完成天气模块，并且对主函数进行编写，完成天气时钟的制作。