可視化天氣預(yù)報(bào)器研究報(bào)告

杜雨晴

摘 要 本產(chǎn)品是以Arduino YUN單片機(jī)為控制核心，結(jié)合8×8LED點(diǎn)陣，連接YAHOO網(wǎng)站的天氣API，實(shí)現(xiàn)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的可視化。采用了簡單的外觀設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、方便攜帶的特點(diǎn)，是方便使用者獲取天氣信息的便攜設(shè)備。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；可視化；預(yù)報(bào)器

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）225-0170-02

Tempescope可視化天氣預(yù)報(bào)器所運(yùn)用的硬件過多，步驟繁瑣，并且對于天氣變化的強(qiáng)度顯示并不明顯。由此我們提出，能否運(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)知識，設(shè)計(jì)制作一個(gè)LED動態(tài)圖像的可視化天氣預(yù)報(bào)器。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 Arduino 單片機(jī)

1）Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。它構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。可搭配各類硬件設(shè)備，是理想的選擇。

2） Arduino 型號選擇。Arduino YUN（圖1）是一個(gè)基于Atmega32u4和 Ar9331的微控制器。Ar9331運(yùn)行著一個(gè)名為Linino的OpenWrt linux系統(tǒng)。這塊控制器帶有網(wǎng)絡(luò)通信和WiFi支持，USB-A端口，Micro-SD插槽，20個(gè)輸入輸出引腳；支持連接I2C、SPI、UART端口。

Arduino YUN的主要部件包括板子上集成的兩個(gè)處理器。一個(gè)是ATmega32u4（標(biāo)號6），它是Arduino端的控制器，與其連接的是MicorUSB（標(biāo)號8）和兩排數(shù)據(jù)插座以及ICSP頭（標(biāo)號4）。另一個(gè)處理器在標(biāo)號3部分，與它相連的是網(wǎng)絡(luò)接口（標(biāo)號1）、USB host（標(biāo)號7）以及WiFi（標(biāo)號2）。

1.2 LED 8×8點(diǎn)陣模塊

點(diǎn)陣模塊型號選擇Dot Matrix-Color模塊，這是一個(gè)8×8多彩LED顯示矩陣模塊，可單個(gè)點(diǎn)陣或多個(gè)點(diǎn)陣級聯(lián)（組合成不同的形狀）使用，用于顯示圖片或文字，甚至是簡單的動畫效果。因?yàn)镈ot Matrix-Color模塊能夠?qū)崿F(xiàn)全彩動態(tài)圖像顯示，所以選用LED來呈現(xiàn)不同的天氣圖像。同時(shí)其低電壓、低功耗、低成本的特點(diǎn)完全符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

1.3 LCD12864模塊

LCD12864模塊是一款基于12864液晶顯示器開發(fā)的顯示模塊。帶漢字庫圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示8 192個(gè)中文漢字（16×16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8×16點(diǎn)陣）和圖形顯示（128×64點(diǎn)陣）。該模塊具有并行和串行接口，背光控制（并行模式時(shí)使用），背光開關(guān)（串行模式使用），串行、并行模式開關(guān)切換功能，對比度調(diào)節(jié)電位器。接口電路板隱藏于LCD背面，即美觀又不影響安裝。使用IDC6插座作為SPI串行接口，使用一個(gè)IDC6專用連接線即可插接到interface shield上實(shí)現(xiàn)串行控制，使用杜邦排線可連接到Arduino傳感器擴(kuò)展板上實(shí)現(xiàn)并行控制，可與Arduino控制器組成一個(gè)強(qiáng)勁的顯示系統(tǒng)。

1.4 硬件電路設(shè)計(jì)（圖2）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品外殼采用了3D打印技術(shù)，外形美觀且殼體輕盈。考慮到設(shè)計(jì)初期便攜、易使用的目的，我們將外觀設(shè)計(jì)由大小兩個(gè)簡單的長方體拼接而成（小：長8cm寬8cm高6cm；大：長10cm寬8cm高14cm），體積為1 504cm3。

3 程序設(shè)計(jì)

程序流程分析如圖3。

4 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

4.1 LED 8×8點(diǎn)陣模塊顯示圖像學(xué)習(xí)過程

通過在microduino網(wǎng)站查詢相關(guān)教程學(xué)習(xí)如何在Dot Matrix-Color模塊上顯示BMP彩圖，利用畫圖工具畫出24位位圖的天氣預(yù)報(bào)圖像并在Data To Hex中生成相關(guān)數(shù)組。

4.2 形成多種天氣圖像，動態(tài)圖初步形成 （圖4）

4.3 LCD128×64液晶顯示屏學(xué)習(xí)過程

通過在DFROBOT網(wǎng)站上查詢LCD128×64與Arduino的各項(xiàng)應(yīng)用實(shí)例來了解和學(xué)習(xí)運(yùn)用其功能。

利用圖形轉(zhuǎn)換軟件設(shè)置為圖像模式，轉(zhuǎn)換相關(guān)圖像并生成字模；設(shè)置為字符模式，轉(zhuǎn)換相關(guān)字符并生成圖像（圖5）。根據(jù)生成數(shù)組完成顯示代碼。

4.4 學(xué)習(xí)連接并設(shè)置Arduino YUN與WiFi的過程

1）打開路由器，如果實(shí)在沒有路由器的，可以通過電腦或手機(jī)打開WiFi熱點(diǎn)。

2）將Micro usb 插入Arduino yun 板，如果是第一次打開，過一會即可用手機(jī)或電腦在WiFi熱點(diǎn)下搜到Arduino YUN*********的網(wǎng)絡(luò)名，如果不是第一次的話，長按ArduinoYun板上的“WLANRST”10s以上即可。這時(shí)就可以用手機(jī)或電腦連接這個(gè)WiFi。

3）打開手機(jī)或電腦瀏覽器（電腦不推薦360，有時(shí)不能配置WiFi），在瀏覽器鍵入：192.168.240.1 即可登錄到Arduino 的配置頁面。

4）輸入密碼后，點(diǎn)擊LOG IN。

5）點(diǎn)擊Configure ，會跳轉(zhuǎn)到配置WiFi的頁面。

6）可以選擇更換arduino板子名稱及板子密碼（默認(rèn)是Arduino），選擇你所在的時(shí)區(qū)。然后選擇自己的WIFI名稱，輸入密碼，REST APIACCESS選擇”O(jiān)PEN”。點(diǎn)擊“CONFIGURE&RESTART;”即可配置了，等待配置完成。

4.5 Yahoo網(wǎng)站賬號注冊及天氣預(yù)報(bào)程序的獲取

1）注冊（登錄）Temboo賬號。

2）獲取Temboo賬號鑰密（choreos--Yahoo--Weather--getweather）。

3）選擇Arduino的連接型號和所在地址（My device：Arduino YUN Woeld：北京）。

4）復(fù)制simple code程序至Arduino。

5）新建標(biāo)簽并將Header File中TEMBOO賬號名作為新標(biāo)簽的名稱。

6）通過多次實(shí)驗(yàn)歸納將Temboo返回的天氣數(shù)據(jù)一共分為12類：a陣雨、b小雨、c中雨、d大雨、e微風(fēng)、f中風(fēng)、g大風(fēng)、h陰天、i晴天、j雪、k霧霾、i多云。

5 結(jié)果分析

1）因?yàn)橹八褂玫腖ED8×8點(diǎn)陣屏顏色過于單一，不利于快速地辨別天氣圖像，所以我們選擇使用了具有全彩效果的Dot Matrix-Color模塊。

2）與TEMBOO連接后，系統(tǒng)輸出的XML一般軟件無法轉(zhuǎn)化，最后通過上網(wǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)高版本的arduino具有自動解析XML的功能。

參考文獻(xiàn)

[1]Tempescope可視化天氣預(yù)報(bào)器[J].發(fā)明與創(chuàng)新（中學(xué)生），2016（1）：13.

[2]朱江.基于GrADS的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.