張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（二）GPIO 的使用

什么是 GPIO

GPIO 是 General Purpose Input Output 的縮寫，即“通用輸入輸出”。 Raspberry Pi 有兩列 GPIO 引腳， Raspberry Pi 通過這兩行引腳進行一些硬件上的擴展，與傳感器進行交互等等。

Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引腳圖

簡單的講，每一個 GPIO 引腳都有兩種模式：輸出模式（OUTPUT）和輸入模式（INPUT）。輸出模式類似於一個電源，Raspberry Pi 可以控制這個電源是否向外供電，比如打開外部的 LED 小燈，當然最有用的還是向外部設備發送信號。和輸出模式相反，輸入模式是接收外部設備發來的信號。其中還包含兩種特殊的輸入模式：上拉輸入（INPUT_PULLUP）和下拉輸入（INPUT_PULLDOWN）。上拉輸入就是內部的上拉電阻接 VCC ，將該引腳設置為高電平，下拉輸入則相反。

GPIO 通常采用標准邏輯電平，即高電平和低電平，用二進制 0 和 1 表示。在這兩值中間還有閾值電平，即高電平和低電平之間的界限。Arduino 會將 -0.5 ~ 1.5 V 讀取為低電平，3 ~ 5.5 V 讀取為高電平， Raspberry Pi 未查到相關資料。GPIO 還可用於中斷請求，即設置 GPIO 為輸入模式，值達到相應的要求時進行中斷。

相關類

此處默認各位是面向對象的程序員，具有一定的 C# 基礎，這里只介紹本人認為常用的方法，介紹將以代碼注釋的形式體現。

GPIO 操作主要依賴於 GpioController 類 。這個類位於 System.Device.Gpio 名稱空間下。

GpioController

// GpioController 即 GPIO 控制器
// GPIO 引腳依靠 GpioController 初始化
public class GpioController : IGpioController, IDisposable
{
    // 構造函數
    public GpioController();
    // PinNumberingScheme 即引腳編號方案，是一個枚舉類型，包含 Board 和 Logical 兩個值。 
    // 可以看上方的 Raspberry Pi 引腳圖，以 GPIO 17 為例，如果實例化時選 Logical ，那么打開引腳時需要填寫 17。
    // 如果實例化時選 Board ，那么打開引腳時需要填寫右側灰色方框內的值，即 11 。
    public GpioController(PinNumberingScheme numbering);
    // GpioDriver 用於指定要使用的 GPIO 驅動，比如 libgpiod 或 sysfs
    public GpioController(PinNumberingScheme numberingScheme, GpioDriver driver);


    // 方法
    // 打開 GPIO 引腳
    // pinNumber 需要填寫和 PinNumberingScheme 相對應的值。
    // PinMode 是設置 GPIO 的模式，如輸入、輸出、上拉、下拉
    public void OpenPin(int pinNumber, PinMode mode);
    // 關閉 GPIO 引腳
    public void ClosePin(int pinNumber);
    // 判斷某個引腳是否打開
    // 注意：引腳連續打開會拋出異常
    public bool IsPinOpen(int pinNumber); 

    // 讀取指定引腳的值
    public PinValue Read(int pinNumber);
    // 向指定的引腳寫入值
    public void Write(int pinNumber, PinValue value);

    // 為指定引腳的值改變時注冊回調（即上文中提到的 GPIO 中斷）
    // PinEventTypes 是值改變的類型，包括上升沿（Rising，0->1）和下降沿（Falling，1->0），注意當設置為 None 時不會觸發
    // PinChangeEventHandler 為回調事件
    public void RegisterCallbackForPinValueChangedEvent(int pinNumber, PinEventTypes eventTypes, PinChangeEventHandler callback);
    // 為指定引腳的值改變時注銷回調
    public void UnregisterCallbackForPinValueChangedEvent(int pinNumber, PinChangeEventHandler callback);
}

人體紅外傳感器實驗

人體紅外傳感器是基於周圍區域的紅外熱來檢測運動的，也稱被動紅外傳感器（Passive Infra-Red, PIR）。這里使用的是 HC-SR501 。當傳感器檢測到人體時，LED 小燈亮，當傳感器未檢測到人體時，LED 小燈滅。

傳感器圖像

HC-SR501

硬件需求

名稱	數量
HC-SR501	x1
LED 小燈	x1
220 Ω 電阻	x1
杜邦線	若干

電路

HC-SR501

• VCC - 5V
• GND - GND
• OUT - GPIO 17 (Pin 11)

LED

• VCC & 220 Ω resistor - GPIO 27 (Pin 14)
• GND - GND

使用 Docker 運行示例

示例地址：https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/Hcsr501

docker build -t pir-sample -f Dockerfile .
docker run --rm -it --device /dev/gpiomem pir-sample

代碼

1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制台應用程序，項目名稱為“PIR”。

2. 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。

3. 新建類 Hcsr501，替換如下代碼：

   public class Hcsr501 : IDisposable
   {
       private GpioController _controller;
       private readonly int _outPin;
   
       /// <summary>
       /// 構造函數
       /// </summary>
       /// <param name="pin">OUT Pin</param>
       public HCSR501(int outPin, PinNumberingScheme pinNumberingScheme = PinNumberingScheme.Logical)
       {
           _outPin = outPin;
   
           _controller = new GpioController(pinNumberingScheme);
           _controller.OpenPin(outPin, PinMode.Input);
       }
   
       /// <summary>
       /// 是否檢測到人體
       /// </summary>
       public bool IsMotionDetected => _controller.Read(_outPin) == PinValue.High;
   
       /// <summary>
       /// Cleanup
       /// </summary>
       public void Dispose()
       {
           _controller?.Dispose();
           _controller = null;
       }
   }
   

4. 在 Program.cs 中，將主函數代碼替換如下：

   static void Main(string[] args)
   {
       // HC-SR501 OUT Pin
       int hcsr501Pin = 17;
       // LED Pin
       int ledPin = 27;
   
       // 獲取 GPIO 控制器
       using GpioController ledController = new GpioController(PinNumberingScheme.Logical);
       // 初始化 PIR 傳感器
       using Hcsr501 sensor = new Hcsr501(hcsr501Pin, PinNumberingScheme.Logical);
       // 打開 LED 引腳
       ledController.OpenPin(ledPin, PinMode.Output);
   
       while (true)
       {
           // 檢測到了人體
           if (sensor.IsMotionDetected == true)
           {
               ledController.Write(ledPin, PinValue.High);
               Console.WriteLine("Detected! Turn the LED on.");
           }
           else
           {
               ledController.Write(ledPin, PinValue.Low);
               Console.WriteLine("Undetected! Turn the LED off.");
           }
   
           Thread.Sleep(1000);
       }
   }
   

5. 發布、拷貝、更改權限、運行

效果圖

  如何改進？

剔除主函數循環，嘗試使用 RegisterCallbackForPinValueChangedEvent() 注冊一個回調進行檢測。

供參考

1. General-purpose input/output - Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/General-purpose_input/output
2. GPIO - Raspberry Pi Documentation：https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio/
3. GPIO source code：https://github.com/dotnet/iot/tree/master/src/System.Device.Gpio/System/Device/Gpio