紧凑型气象站：Arduino Nano + ESP8266 双核方案 (BMP280 + OLED/Nokia 双屏)

项目概述

本项目将两套独立气象监测系统集成在一个外壳内：

1. 本地气压趋势站：Arduino Nano + BMP280 气压计 + Nokia 5110 LCD，显示实时气压、温度，并对比 1 小时前、3 小时前气压差值 (hPa)，辅助短时天气预判。代码采用 EEPROM 环形缓冲区存储历史数据，配合看门狗低功耗睡眠，实现分钟级采集。
2. 联网天气预报站：NodeMCU (ESP8266) + 0.96" OLED，通过 WiFi 连接 OpenWeatherMap API 获取 3 天预报，显示天气图标、温度、湿度、风速等信息。需自行申请 API Key 并在代码中配置。

两套系统共用 5V 供电，互不干扰，适合桌面摆放或户外防水箱部署。

所需组件与物料

• Arduino Nano R3 × 1
• BMP280 气压传感器模块 (I2C 接口) × 1
• Nokia 5110 LCD (PCD8544 驱动) × 1
• NodeMCU 1.0 (ESP-12E 模组) × 1
• 0.96" SSD1306 OLED (128×64, I2C) × 1
• 焊接工具、杜邦线、外壳、5V 电源模块

硬件接线指南

Arduino Nano 侧 (本地气压站)

NodeMCU 侧 (联网预报站)

软件架构详解

本地气压站 (Arduino Nano)

核心库

• Wire.h (I2C)
• EEPROM.h (环形缓冲)
• avr/sleep.h (低功耗睡眠)

关键算法

• BMP280 原始读数补偿：读取出厂校准系数 (ac1~ac6, b1, b2, mb, mc, md)，按数据表公式计算真实温度 (0.1℃ 分辨率) 与气压 (Pa)。
• 滑动平均滤波：temp_mittel = (temp_mittel*(mitteln-1) + temp)/mitteln，mitteln=5 抑制噪声。
• 海拔修正：druck_offset 变量补偿绝对气压至相对气压 (标准海拔)，需根据安装地点海拔手动设定 (hPa)。
• EEPROM 环形缓冲：1024 字节 EEPROM 存 256 条记录 (每条 4 字节 long 型气压×100)，写指针 eepromAdresse 循环覆盖。读取 1 小时前 (60 条) 与 3 小时前 (180 条) 差值。
• 看门狗睡眠：pwrDown(54) 配置 WDT 1 秒唤醒，睡眠 54 秒 + 采集约 6 秒 = 60 秒周期，大幅降低功耗。
• Nokia 5110 驱动：软件 SPI 驱动 PCD8544，内置 5×7 ASCII 字库，逐行刷新显示气压、差值、温度。

联网预报站 (ESP8266)

核心库 (需在 Arduino IDE 板管理器安装 ESP8266 支持)

• ESP8266WiFi.h
• ESP8266HTTPClient.h
• ArduinoJson.h (解析 JSON)
• Adafruit_GFX.h + Adafruit_SSD1306.h (OLED 驱动)
• WiFiManager.h (可选，自动配网)

关键流程

1. 连接 WiFi (或 WiFiManager 自动配网)。
2. HTTP GET 请求 https://api.openweathermap.org/data/2.5/forecast?q={city}&appid={API_KEY}&units=metric&lang=zh_cn。
3. 解析 JSON，提取未来 3 天每 3 小时预报数据 (温度、湿度、天气代码、风速)。
4. 映射天气代码至内置图标 (晴/云/雨/雪/雾等)，OLED 分页滚动显示。
5. 定时器每 30 分钟更新一次，失败重试机制。

OpenWeatherMap API Key 获取步骤

1. 访问 openweathermap.org/api 注册免费账号。
2. 进入 "My API Keys" 生成 Key。
3. 在 ESP8266 代码中替换 const char* API_KEY = "YOUR_KEY";。
4. 修改城市代码或坐标：const char* CITY = "Beijing,CN";。

详细安装指南 (ESP8266 侧)

参考官方详细教程：ESP8266 Weather Station Getting Started Guide，涵盖板管理器 URL、库安装、字体转换、图标提取等完整步骤。

原理图与结构

原理图展示两套系统共用 5V 降压模块 (如 LM2596 或 USB 供电)，Nano 侧通过 ICSP 接口烧录引导程序，NodeMCU 通过 Micro-USB 烧录。建议在外壳预留 BMP280 通风孔，OLED 与 Nokia 屏幕分别开窗显示。

扩展建议

• 加入 SHT30/BME280 同时测温湿度，替代 BMP280 单一气压。
• ESP8266 增加 MQTT 上报本地气压数据至 Home Assistant / ThingsBoard。
• Nano 侧增加 LoRa 模块实现无网关远程传输。
• 外壳加装太阳能板 + 18650 充电管理模块 (TP4056) 实现户外离网运行。