张高兴的 .NET IoT 入门指南：（二）GPIO 的使用

什么是 GPIO

GPIO 是 General Purpose Input Output 的缩写，即“通用输入输出”。 Raspberry Pi 有两列 GPIO 引脚， Raspberry Pi 通过这两行引脚进行一些硬件上的扩展，与传感器进行交互等等。

Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引脚图

简单的讲，每一个 GPIO 引脚都有两种模式：输出模式（OUTPUT）和输入模式（INPUT）。输出模式类似于一个电源，Raspberry Pi 可以控制这个电源是否向外供电，比如打开外部的 LED 小灯，当然最有用的还是向外部设备发送信号。和输出模式相反，输入模式是接收外部设备发来的信号。其中还包含两种特殊的输入模式：上拉输入（INPUT_PULLUP）和下拉输入（INPUT_PULLDOWN）。上拉输入就是内部的上拉电阻接 VCC ，将该引脚设置为高电平，下拉输入则相反。

GPIO 通常采用标准逻辑电平，即高电平和低电平，用二进制 0 和 1 表示。在这两值中间还有阈值电平，即高电平和低电平之间的界限。Arduino 会将 -0.5 ~ 1.5 V 读取为低电平，3 ~ 5.5 V 读取为高电平， Raspberry Pi 未查到相关资料。GPIO 还可用于中断请求，即设置 GPIO 为输入模式，值达到相应的要求时进行中断。

相关类

此处默认各位是面向对象的程序员，具有一定的 C# 基础，这里只介绍本人认为常用的方法，介绍将以代码注释的形式体现。

GPIO 操作主要依赖于 GpioController 类 。这个类位于 System.Device.Gpio 名称空间下。

GpioController

// GpioController 即 GPIO 控制器
// GPIO 引脚依靠 GpioController 初始化
public class GpioController : IGpioController, IDisposable
{
    // 构造函数
    public GpioController();
    // PinNumberingScheme 即引脚编号方案，是一个枚举类型，包含 Board 和 Logical 两个值。 
    // 可以看上方的 Raspberry Pi 引脚图，以 GPIO 17 为例，如果实例化时选 Logical ，那么打开引脚时需要填写 17。
    // 如果实例化时选 Board ，那么打开引脚时需要填写右侧灰色方框内的值，即 11 。
    public GpioController(PinNumberingScheme numbering);
    // GpioDriver 用于指定要使用的 GPIO 驱动，比如 libgpiod 或 sysfs
    public GpioController(PinNumberingScheme numberingScheme, GpioDriver driver);


    // 方法
    // 打开 GPIO 引脚
    // pinNumber 需要填写和 PinNumberingScheme 相对应的值。
    // PinMode 是设置 GPIO 的模式，如输入、输出、上拉、下拉
    public void OpenPin(int pinNumber, PinMode mode);
    // 关闭 GPIO 引脚
    public void ClosePin(int pinNumber);
    // 判断某个引脚是否打开
    // 注意：引脚连续打开会抛出异常
    public bool IsPinOpen(int pinNumber); 

    // 读取指定引脚的值
    public PinValue Read(int pinNumber);
    // 向指定的引脚写入值
    public void Write(int pinNumber, PinValue value);

    // 为指定引脚的值改变时注册回调（即上文中提到的 GPIO 中断）
    // PinEventTypes 是值改变的类型，包括上升沿（Rising，0->1）和下降沿（Falling，1->0），注意当设置为 None 时不会触发
    // PinChangeEventHandler 为回调事件
    public void RegisterCallbackForPinValueChangedEvent(int pinNumber, PinEventTypes eventTypes, PinChangeEventHandler callback);
    // 为指定引脚的值改变时注销回调
    public void UnregisterCallbackForPinValueChangedEvent(int pinNumber, PinChangeEventHandler callback);
}

人体红外传感器实验

人体红外传感器是基于周围区域的红外热来检测运动的，也称被动红外传感器（Passive Infra-Red, PIR）。这里使用的是 HC-SR501 。当传感器检测到人体时，LED 小灯亮，当传感器未检测到人体时，LED 小灯灭。

传感器图像

HC-SR501

硬件需求

名称	数量
HC-SR501	x1
LED 小灯	x1
220 Ω 电阻	x1
杜邦线	若干

电路

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 运行示例

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

代码

1. 打开 Visual Studio ，新建一个 .NET Core 控制台应用程序，项目名称为“PIR”。

2. 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。

3. 新建类 Hcsr501，替换如下代码：

   public class Hcsr501 : IDisposable
   {
       private GpioController _controller;
       private readonly int _outPin;
   
       /// <summary>
       /// 构造函数
       /// </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>
       /// 是否检测到人体
       /// </summary>
       public bool IsMotionDetected => _controller.Read(_outPin) == PinValue.High;
   
       /// <summary>
       /// Cleanup
       /// </summary>
       public void Dispose()
       {
           _controller?.Dispose();
           _controller = null;
       }
   }
   

4. 在 Program.cs 中，将主函数代码替换如下：

   static void Main(string[] args)
   {
       // HC-SR501 OUT Pin
       int hcsr501Pin = 17;
       // LED Pin
       int ledPin = 27;
   
       // 获取 GPIO 控制器
       using GpioController ledController = new GpioController(PinNumberingScheme.Logical);
       // 初始化 PIR 传感器
       using Hcsr501 sensor = new Hcsr501(hcsr501Pin, PinNumberingScheme.Logical);
       // 打开 LED 引脚
       ledController.OpenPin(ledPin, PinMode.Output);
   
       while (true)
       {
           // 检测到了人体
           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. 发布、拷贝、更改权限、运行

效果图

  如何改进？

剔除主函数循环，尝试使用 RegisterCallbackForPinValueChangedEvent() 注册一个回调进行检测。

供参考

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