張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（二）GPIO 的使用

時間 2019-11-07

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什麼是 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 經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。css

Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引腳圖git

簡單的講，每個 GPIO 引腳都有兩種模式：輸出模式（OUTPUT）和輸入模式（INPUT）。輸出模式相似於一個電源，Raspberry Pi 能夠控制這個電源是否向外供電，好比打開外部的 LED 小燈，固然最有用的仍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 ，將該引腳設置爲高電平，下拉輸入則相反。程序員

GPIO 一般採用標準邏輯電平，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 讀取爲低電平，3 ~ 5.5 V 讀取爲高電平， Raspberry Pi 未查到相關資料。GPIO 還可用於中斷請求，即設置 GPIO 爲輸入模式，值達到相應的要求時進行中斷。github

相關類

此處默認各位是面向對象的程序員，具備必定的 C# 基礎，這裏只介紹本人認爲經常使用的方法，介紹將以代碼註釋的形式體現。docker

GPIO 操做主要依賴於 GpioController 類。這個類位於 System.Device.Gpio 名稱空間下。c#

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。 
    // 能夠看上方的 Raspberry Pi 引腳圖，以 GPIO 17 爲例，若是實例化時選 Logical ，那麼打開引腳時須要填寫 17。
    // 若是實例化時選 Board ，那麼打開引腳時須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，好比 libgpiod 或 sysfs
    public GpioController(PinNumberingScheme numberingScheme, GpioDriver driver);


    // 方法
    // 打開 GPIO 引腳
    // pinNumber 須要填寫和 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);

    // 爲指定引腳的值改變時註冊回調（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）和降低沿（Falling，1->0），注意當設置爲 None 時不會觸發
    // PinChangeEventHandler 爲回調事件
    public void RegisterCallbackForPinValueChangedEvent(int pinNumber, PinEventTypes eventTypes, PinChangeEventHandler callback);
    // 爲指定引腳的值改變時註銷回調
    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）。這裏使用的是 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。函數

傳感器圖像

HC-SR501ui

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-SR501spa

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

LEDcode

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

打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程序，項目名稱爲「PIR」。
引入 System.Device.Gpio NuGet 包。

新建類 Hcsr501，替換以下代碼：

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;
    }
}

在 Program.cs 中，將主函數代碼替換以下：

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);
    }
}