基于STM32的天气预报语音播报系统设计与实现

摘要：本文设计了一种基于STM32F103C8T6核心板的天气预报语音播报系统。该系统通过ESP8266-01S WiFi模块连接互联网，获取心知天气服务器的天气数据，并使用JSON库解析数据。系统采用JQ8900-16P语音播报模块播报天气信息，同时利用DHT11传感器获取室内温湿度，并在0.96寸OLED屏幕上显示时间和温湿度。此外，系统还通过SG90舵机模拟开门和开窗帘操作，配备三个按键控制LED灯、窗帘和门锁，并通过HC-04蓝牙模块实现手机远程控制。经测试，系统各项功能均正常运行，具有实际应用价值。

关键词：STM32F103C8T6；天气预报；语音播报；ESP8266-01S；JQ8900-16P

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

随着物联网技术的快速发展，智能家居系统逐渐走进人们的生活。天气预报作为日常生活中不可或缺的信息，其获取方式的便捷性和准确性成为人们关注的重点。传统的天气预报获取方式主要通过电视、广播或手机应用，但这些方式存在一定的局限性，如需要主动查看、信息更新不及时等。因此，设计一种能够自动获取并播报天气预报的智能系统具有重要意义。

本研究旨在设计一种基于STM32的天气预报语音播报系统，该系统能够自动连接互联网获取天气数据，并通过语音播报的方式将天气信息传达给用户。同时，系统还具备室内温湿度监测、时间显示、远程控制等功能，为用户提供更加便捷、智能的生活体验。

1.2 国内外研究现状

在智能家居领域，国内外已经涌现出许多与天气预报相关的智能产品。国外一些知名公司如谷歌、亚马逊等推出了智能音箱，这些产品不仅具备语音助手功能，还能通过语音指令获取并播报天气预报。国内也有众多企业涉足智能家居领域，推出了各种智能设备，如智能插座、智能灯泡等，但这些设备在天气预报功能方面的集成度相对较低。

在学术研究领域，关于基于单片机的天气预报系统的研究也有一定进展。一些研究者通过单片机连接互联网获取天气数据，并通过显示屏或LED灯等方式展示天气信息。然而，这些研究在语音播报、室内温湿度监测以及远程控制等方面的集成度还有待提高。

1.3 研究目标与内容

本研究的主要目标是设计并实现一种基于STM32的天气预报语音播报系统，具体研究内容包括：

1. 硬件选型与设计：选择合适的STM32核心板、WiFi模块、语音播报模块、温湿度传感器、OLED屏幕、舵机以及蓝牙模块等硬件组件，并设计合理的硬件电路。
2. 软件编程与实现：编写系统软件，实现自动联网、天气数据获取与解析、语音播报、温湿度监测、时间显示、远程控制等功能。
3. 系统测试与优化：对系统进行全面测试，包括功能测试、性能测试等，并根据测试结果对系统进行优化和改进。

第二章 系统总体设计

2.1 系统功能需求分析

根据研究目标，本系统需要具备以下功能：

1. 自动联网功能：系统上电后能够自动连接互联网，获取天气数据。
2. 天气数据获取与解析功能：通过WiFi模块连接心知天气服务器，获取天气数据，并使用JSON库解析数据。
3. 语音播报功能：通过语音播报模块将天气信息播报给用户。
4. 室内温湿度监测功能：利用DHT11传感器获取室内温湿度数据，并在OLED屏幕上显示。
5. 时间显示功能：在OLED屏幕上显示当前时间。
6. 模拟控制功能：通过SG90舵机模拟开门和开窗帘操作。
7. 按键控制功能：通过三个按键分别控制LED灯、窗帘和门锁。
8. 远程控制功能：通过HC-04蓝牙模块实现手机对LED灯、门锁、窗帘的远程控制。

2.2 系统总体架构设计

系统总体架构如图2-1所示，主要包括STM32F103C8T6核心板、ESP8266-01S WiFi模块、JQ8900-16P语音播报模块、DHT11温湿度传感器、0.96寸OLED屏幕、SG90舵机、按键、HC-04蓝牙模块以及电源模块等。

<img src="https://example.com/system_architecture.png" />

• STM32F103C8T6核心板：作为系统的主控芯片，负责处理各种数据和控制各个模块的工作。
• ESP8266-01S WiFi模块：用于连接互联网，获取天气数据。
• JQ8900-16P语音播报模块：用于将天气信息播报给用户。
• DHT11温湿度传感器：用于获取室内温湿度数据。
• 0.96寸OLED屏幕：用于显示时间和温湿度数据。
• SG90舵机：用于模拟开门和开窗帘操作。
• 按键：用于控制LED灯、窗帘和门锁。
• HC-04蓝牙模块：用于实现手机远程控制。
• 电源模块：为系统提供稳定的电源供应。

2.3 系统设计方案选择

2.3.1 主控芯片选择

选择STM32F103C8T6核心板作为系统的主控芯片，主要原因如下：

• 高性能：STM32F103C8T6基于ARM Cortex-M3内核，主频高达72MHz，能够满足系统对数据处理和控制的需求。
• 丰富的外设接口：STM32F103C8T6具有丰富的外设接口，如USART、SPI、I2C、GPIO等，方便连接各种外设模块。
• 易于开发：STM32F103C8T6的开发环境成熟，有大量的开发资料和社区支持，便于快速开发和调试。

2.3.2 WiFi模块选择

选择ESP8266-01S WiFi模块，主要原因如下：

• 低功耗：ESP8266-01S具有低功耗特性，适合嵌入式系统应用。
• 易于连接：ESP8266-01S支持AT指令集，易于与STM32进行通信和控制。
• 稳定性好：ESP8266-01S在市场上的应用广泛，稳定性得到了验证。

2.3.3 语音播报模块选择

选择JQ8900-16P语音播报模块，主要原因如下：

• 音质好：JQ8900-16P采用高保真音频解码技术，音质清晰、自然。
• 支持多种音频格式：JQ8900-16P支持MP3、WAV等多种音频格式，方便播放天气语音信息。
• 易于控制：JQ8900-16P通过USART接口与STM32通信，控制简单方便。

2.3.4 温湿度传感器选择

选择DHT11温湿度传感器，主要原因如下：

• 性价比高：DHT11价格低廉，性价比高。
• 易于使用：DHT11采用单总线通信方式，易于与STM32连接和使用。
• 精度满足需求：DHT11的温湿度测量精度能够满足系统需求。

2.3.5 OLED屏幕选择

选择0.96寸OLED屏幕，主要原因如下：

• 显示效果好：OLED屏幕具有自发光特性，显示效果好。
• 体积小：0.96寸OLED屏幕体积小，适合嵌入式系统应用。
• 易于控制：OLED屏幕通过I2C接口与STM32通信，控制简单方便。

2.3.6 舵机选择

选择SG90舵机，主要原因如下：

• 扭矩适中：SG90舵机扭矩适中，能够满足模拟开门和开窗帘的需求。
• 控制精度高：SG90舵机控制精度高，能够准确控制转动角度。
• 易于使用：SG90舵机通过PWM信号控制，易于与STM32连接和使用。

2.3.7 蓝牙模块选择

选择HC-04蓝牙模块，主要原因如下：

• 通信距离远：HC-04蓝牙模块通信距离远，能够满足远程控制的需求。
• 易于配对：HC-04蓝牙模块易于与手机等设备进行配对和通信。
• 稳定性好：HC-04蓝牙模块在市场上的应用广泛，稳定性得到了验证。

第三章 系统硬件设计

3.1 STM32F103C8T6核心板最小系统设计

STM32F103C8T6核心板最小系统包括电源电路、时钟电路、复位电路和调试接口电路等。电源电路通过USB接口为系统提供5V电源，再通过稳压芯片将5V电源转换为3.3V电源，为STM32和其他电路提供稳定的工作电压。时钟电路采用8MHz的晶振，为STM32提供时钟信号。复位电路确保系统在异常情况下能够可靠复位。调试接口电路用于程序的下载和调试。

3.2 ESP8266-01S WiFi模块接口电路设计

ESP8266-01S WiFi模块通过USART接口与STM32相连，实现数据传输和通信。接口电路包括电源电路、复位电路和通信电路等。电源电路为ESP8266-01S提供3.3V的工作电压。复位电路确保ESP8266-01S在异常情况下能够可靠复位。通信电路通过USART接口实现STM32与ESP8266-01S之间的数据传输。

3.3 JQ8900-16P语音播报模块接口电路设计

JQ8900-16P语音播报模块通过USART接口与STM32相连，实现语音数据的传输和控制。接口电路包括电源电路、复位电路和通信电路等。电源电路为JQ8900-16P提供3.3V的工作电压。复位电路确保JQ8900-16P在异常情况下能够可靠复位。通信电路通过USART接口实现STM32与JQ8900-16P之间的语音数据传输和控制。

3.4 DHT11温湿度传感器接口电路设计

DHT11温湿度传感器通过单总线接口与STM32相连，实现温湿度数据的传输。接口电路包括电源电路和通信电路等。电源电路为DHT11提供3.3V的工作电压。通信电路通过单总线接口实现STM32与DHT11之间的温湿度数据传输。

3.5 0.96寸OLED屏幕接口电路设计

0.96寸OLED屏幕通过I2C接口与STM32相连，实现显示数据的传输和控制。接口电路包括电源电路和通信电路等。电源电路为OLED屏幕提供3.3V的工作电压。通信电路通过I2C接口实现STM32与OLED屏幕之间的显示数据传输和控制。

3.6 SG90舵机接口电路设计

SG90舵机通过PWM信号与STM32相连，实现舵机的转动控制。接口电路包括电源电路和控制电路等。电源电路为SG90舵机提供5V的工作电压。控制电路通过PWM信号实现STM32对SG90舵机的转动控制。

3.7 按键接口电路设计

三个按键分别通过GPIO口与STM32相连，实现按键信号的输入。接口电路包括电源电路和信号电路等。电源电路为按键提供3.3V的工作电压。信号电路通过GPIO口实现STM32对按键信号的检测和处理。

3.8 HC-04蓝牙模块接口电路设计

HC-04蓝牙模块通过USART接口与STM32相连，实现蓝牙数据的传输和控制。接口电路包括电源电路、复位电路和通信电路等。电源电路为HC-04提供3.3V的工作电压。复位电路确保HC-04在异常情况下能够可靠复位。通信电路通过USART接口实现STM32与HC-04之间的蓝牙数据传输和控制。

3.9 电源电路设计

电源电路采用稳压芯片将USB接口输入的5V电源转换为3.3V电源，为STM32和其他电路提供稳定的工作电压。电源电路还包括滤波电路和保护电路等，确保电源的稳定性和可靠性。

第四章 系统软件设计

4.1 系统软件总体架构

系统软件采用模块化设计，主要包括主程序、WiFi连接模块、天气数据获取与解析模块、语音播报模块、温湿度监测模块、时间显示模块、模拟控制模块、按键控制模块和远程控制模块等。主程序负责系统的初始化和各个模块的调度；WiFi连接模块负责连接互联网；天气数据获取与解析模块负责获取和解析天气数据；语音播报模块负责将天气信息播报给用户；温湿度监测模块负责获取和显示室内温湿度数据；时间显示模块负责显示当前时间；模拟控制模块负责控制SG90舵机的转动；按键控制模块负责处理按键信号；远程控制模块负责处理蓝牙远程控制信号。

4.2 WiFi连接模块软件设计

WiFi连接模块通过AT指令集与ESP8266-01S WiFi模块进行通信，实现系统的联网功能。软件设计包括WiFi模块的初始化、连接WiFi热点、获取IP地址等步骤。WiFi连接模块软件流程图如图4-1所示。

<img src="https://example.com/wifi_connect_flowchart.png" />

4.3 天气数据获取与解析模块软件设计

天气数据获取与解析模块通过HTTP协议连接心知天气服务器，获取天气数据，并使用JSON库解析数据。软件设计包括HTTP请求的发送、数据的接收和解析等步骤。天气数据获取与解析模块软件流程图如图4-2所示。

<img src="https://example.com/weather_data_flowchart.png" />

4.4 语音播报模块软件设计

语音播报模块通过USART接口与JQ8900-16P语音播报模块进行通信，实现语音数据的传输和控制。软件设计包括语音文件的加载、播放控制等步骤。语音播报模块软件流程图如图4-3所示。

<img src="https://example.com/voice_broadcast_flowchart.png" />

4.5 温湿度监测模块软件设计

温湿度监测模块通过单总线接口与DHT11温湿度传感器进行通信，获取室内温湿度数据，并在OLED屏幕上显示。软件设计包括DHT11的初始化、温湿度数据的读取和显示等步骤。温湿度监测模块软件流程图如图4-4所示。

<img src="https://example.com/temperature_humidity_flowchart.png" />

4.6 时间显示模块软件设计

时间显示模块通过RTC（实时时钟）或内部定时器获取当前时间，并在OLED屏幕上显示。软件设计包括时间的获取、格式化和显示等步骤。时间显示模块软件流程图如图4-5所示。

<img src="https://example.com/time_display_flowchart.png" />

4.7 模拟控制模块软件设计

模拟控制模块通过PWM信号控制SG90舵机的转动，实现开门和开窗帘的模拟操作。软件设计包括舵机的初始化、转动角度的控制等步骤。模拟控制模块软件流程图如图4-6所示。

<img src="https://example.com/simulation_control_flowchart.png" />

4.8 按键控制模块软件设计

按键控制模块通过GPIO口检测按键信号，并根据按键信号控制LED灯、窗帘和门锁的状态。软件设计包括按键信号的检测、状态的处理和显示等步骤。按键控制模块软件流程图如图4-7所示。

<img src="https://example.com/button_control_flowchart.png" />

4.9 远程控制模块软件设计

远程控制模块通过USART接口与HC-04蓝牙模块进行通信，实现手机对LED灯、门锁、窗帘的远程控制。软件设计包括蓝牙模块的初始化、数据的接收和处理等步骤。远程控制模块软件流程图如图4-8所示。

<img src="https://example.com/remote_control_flowchart.png" />

第五章 系统测试与分析

5.1 系统测试环境搭建

搭建系统测试环境，包括硬件电路连接、软件程序烧录和测试工具准备等。确保系统能够正常工作，各个模块能够正常通信。测试环境包括STM32开发板、ESP8266-01S WiFi模块、JQ8900-16P语音播报模块、DHT11温湿度传感器、0.96寸OLED屏幕、SG90舵机、按键、HC-04蓝牙模块以及电源等。

5.2 功能测试

5.2.1 WiFi连接测试

测试系统是否能够成功连接WiFi热点，并获取IP地址。测试结果表明，系统能够成功连接WiFi热点，并获取到有效的IP地址。

5.2.2 天气数据获取与解析测试

测试系统是否能够成功获取天气数据，并正确解析数据。测试结果表明，系统能够成功获取天气数据，并正确解析出天气信息，如温度、湿度、天气状况等。

5.2.3 语音播报测试

测试系统是否能够正确播报天气信息。测试结果表明，系统能够准确、清晰地播报天气信息。

5.2.4 温湿度监测测试

测试系统是否能够准确获取室内温湿度数据，并在OLED屏幕上显示。测试结果表明，系统能够准确获取室内温湿度数据，并在OLED屏幕上实时显示。

5.2.5 时间显示测试

测试系统是否能够准确显示当前时间。测试结果表明，系统能够准确显示当前时间，并且时间更新及时。

5.2.6 模拟控制测试

测试系统是否能够通过SG90舵机模拟开门和开窗帘操作。测试结果表明，系统能够通过SG90舵机准确控制转动角度，实现开门和开窗帘的模拟操作。

5.2.7 按键控制测试

测试系统是否能够通过按键控制LED灯、窗帘和门锁的状态。测试结果表明，系统能够通过按键准确控制LED灯、窗帘和门锁的状态，并且响应迅速。

5.2.8 远程控制测试

测试系统是否能够通过手机远程控制LED灯、门锁、窗帘的状态。测试结果表明，系统能够通过HC-04蓝牙模块实现手机对LED灯、门锁、窗帘的远程控制，并且控制准确、响应迅速。

5.3 性能测试

对系统的稳定性、响应时间和功耗等性能指标进行测试。测试结果表明，系统稳定性较好，在长时间运行过程中未出现明显的故障；响应时间较短，能够快速响应用户的操作指令；功耗较低，适合嵌入式系统应用。

第六章 总结与展望

6.1 总结

本文设计并实现了一种基于STM32的天气预报语音播报系统，该系统通过ESP8266-01S WiFi模块连接互联网获取天气数据，并使用JSON库解析数据；通过JQ8900-16P语音播报模块将天气信息播报给用户；利用DHT11传感器获取室内温湿度数据，并在0.96寸OLED屏幕上显示；通过SG90舵机模拟开门和开窗帘操作；通过按键控制LED灯、窗帘和门锁的状态；通过HC-04蓝牙模块实现手机远程控制。经测试，系统各项功能均正常运行，具有实际应用价值。

6.2 展望

未来的研究可以进一步完善系统的功能，如增加更多的天气信息展示方式（如图形化展示）、优化语音播报效果（如增加语音合成技术）、提高系统的稳定性和可靠性等。同时，还可以考虑将系统与其他智能家居设备进行集成，实现更加智能化的家居控制。此外，还可以探索将系统应用于更多场景，如公共场所、农业气象监测等，为更多用户提供便捷、智能的服务。