[Arduino World] LED 網路時鐘溫度計(一)

我對掛鐘獨有情鍾。

家裡客廳的兩面牆上各掛了一個時鐘，由不同方向進出都可以清楚看到與聽到滴滴答答競走的長短指針。除了客廳之外，房間與廁所也都有掛鐘，有指針型，也有數字型，工作、讀書、睡覺、如廁，抬頭就可以瞄到。數字型時鐘因為有發亮的LED燈光，特別適合掛在半夜漆黑的臥室，躺在床上遠遠的都看得很清楚。

除了掛鐘之外，一直想要有個可以像時鐘一樣高掛牆上的溫度計。溫度計不只要能夠顯示室內溫度，同時還能告知戶外溫度。室內溫度計很容易在文具店買到，狹長形的那種，中間有根細長的透明管，管內的紅色液體隨著溫度變化升降。這種溫度計，高度老花的我，不論瞇眼貼近或保持距離，就是看不清楚溫度計的指標。至於戶外溫度計，那就是把室內溫度計掛到室外就成了戶外溫度計了。

自從去年初冠狀病毒流行以來便窩居在家，上網學習Arduino UNO微控制器與相關感測器的應用。疫情期間接觸Arduino，全屬巧合，與防疫無關。當我認識到DS18B20溫度感測器，腦子裡就醞釀自己動手做室內外溫度計的構想。加上後來看到ESP32具有藍牙與WiFi的功能，同時也找到廠商已經封裝完整的DS18B40延長線，就買了一對ESP32與兩條一公尺長的DS18B20溫度感測線，開始著手設計心目中的溫度計。這期間設計構想反覆變化，過程一波三折。在成品雛型完成之時，兩條一公尺長的DS18B20線路只有短暫派上用場，插在麵包板上的一片ESP32，也因兩眼昏花(老花眼鏡度數又不足了)，把電源正負線插入同一色槽，瞬間就壽終正寢了。

參考資料

構想演進

最初的構想(G1)：數據收集端(藍牙從端)，掛在窗口，兩條DS18B20分別負責收集室內外溫度。溫度顯示端(藍牙主端)可以放在室內其他地方，透過藍牙通訊與數據收集端連線接收即時溫度資料。雖然無線通訊架構沒有問題，但總覺得大材小用，浪費了ESP322端出的牛肉賣點WiFi，很對不起自己的荷包。左思右想下，資料顯示端再追加NTP網際網路時間對時(G2)，除了溫度顯示外還可以顯示時間。但是新的功能就會衍生新的問題，連線WiFi需要SSID 與密碼，我想做得更有彈性，不想要把這些變動的參數寫死在程式裡面，如能夠透過手機藍牙與藍牙從端連線設定參數並儲存在EEPROM，才是比較理想的做法。但因為藍牙從端是架構在資料收集端，於是又將原本設計在藍牙主端的NTP移植到藍牙從端(G3)，讓資料收集端負責所有資料(室內外溫度與時間)的收集，而資料顯示端只是單純負責數據顯示。兩端的通訊程式都寫好了，收集端也上架了，顯示端暫時用電腦銀幕輸出做測試。本想說這樣作品已經完成八九成，接下來就是要找合適的輸出顯示器材。但是在顯示器材還沒進來之前我的想法又變了，兩台主機的架構實在浪費空間、以後維護也麻煩，雖然表面上看起來比較有工程上的氣勢。

於是又有進一步的構想(G4)。氣象局都有各地的即時溫度資料，戶外溫度實在不用自己去收集，假如可以利用WiFi接收氣象局的即時溫度資料，那麼兩台主機就可以濃縮成一台，無須大費周章搞個兩台主機連線。

參考資料

新北中山國中創客社群抓取中央氣象局資料

新北中山國中提供的擷取溫度資料實例，內容完整可套用，只是現在氣象局資料平台已經把未加密的HTTP連線改為加密的HTTPS(SSL)協定。幸好ESP32也提供了SSL解決方案WiFiClientSecure。Arduino IDE File/Examples有應用範本，於是把原始程式改寫成WiFiClientSecure版本，成功取得氣象局即時溫度資料。

本以為問題解決了，想不到WiFiClientSecure單獨執行沒有問題，開啟藍牙之後就開始鬧脾氣了。

首先是在Arduino IDE編譯之後出現sketch too big。WiFi加藍牙，程式空間大幅膨脹，這部分要調整Tool裡面的Partition sketch，但是我用的ESP32型號NodeMCU-32S竟然沒有此選單，於是又費了一番功夫將Partition sketch選單掛上IDE。當然若為了方便行事，不堅持正名的話，可以直接選擇Dev Module。

調整選項後成功通過編譯，程式執行結果，氣象局的SSL就是搭不上線(一點都不遲疑，立即回傳連線失敗)。只是令人不解的是，若連上Examples中指定的伺服器就沒有問題？試了幾個其他非政府機關的伺服器也沒問題，唯獨氣象局的開放平台不買帳，難道氣象局的服務剛好與藍牙沖剋嗎？幾經折騰，決定改弦更張暫時棄守ESP32核心藍牙，換成外掛藍牙模組HC-06，這是當初我買Arduino學習套件中所附的元件之一。簡單修改兩行指令，重新成功上線。雖然為了接HC-06還需要多接線路，不過HC-06可以設定藍牙配對的密碼，ESP32就沒有可設定的密碼(也許是我疏忽沒有發現)，就當作是額外資安防護的代價。

參考資料

ESP32與DS18B20 程式庫之間的小小瑕疵，幸好不是大問題，繞道可解決。

getDeviceCount does not work with ESP32 boards

↑迷你萬用盒打造的資料收集端，尺寸大小剛好容納一片ESP32。

↑資料收集端安裝場景。藍色溫度感測線一條掛在室內，另一條穿出玻璃窗延伸到戶外陽台。雖然佈置完成，但因通訊架構改變，閒置未用。

材料(G4)

ESP32(Ai NodesMCU-32S) 微控制器
HC-06藍牙模組
DS18B201溫度感測晶片+4.7K歐姆電阻
1吋4位數7段顯示器模組(紅光)，74HC595靜態驅動
0.5吋4位數7段顯示器模組(藍光)，74HC595靜態驅動
萬用盒 198*110*37(mm)
電路板、接線端子、線材、microUSB延長線

7段LED顯示器模組

7條線加上小數點就是8段，不知為何名稱少了1段?起初以為7段顯示器是沒有小數點的，所以傻傻搜尋8段顯示器，結果當然是沒著落。

市面上的7段顯示器模組都是4位數字搭配2個74HC595位移暫存器，巧妙利用人類眼球視覺暫留的特性，以快速掃描(開關)達到同時顯示4位數字的效果，但是萬一程式中途被拖累，來不及掃描，LED的顯示就會露餡了，亮點只會停留在某一位數字上，也就是只有一位數字會發亮，其他三個黯然無光。為避免遇到這種尷尬狀況，特地買了4位數字搭配4顆74HC595的靜態顯示器，好讓設計程式時無後顧之憂。

參考資料

溫度與時間的顯示排列

本來打算安裝一個大型1吋顯示器加上兩個小型0.5吋顯示器，但是萬用盒擠不下，最後改成一大一小上下並列。上排大型顯示器輪流顯示室內外溫度與日期/星期，下排小型顯示器顯示時間。起初的規劃是將日期/星期放在下排與時間輪流顯示，感覺上比較合理，但是上下排面板都要切換訊息，反而讓整體視覺的呈現變得很不穩定，最後還是決定把日期放到上排"輪班"，下排固定顯示時間，不做任何切換。