张高兴的 .NET Core 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
打开 Visual Studio ,新建一个 .NET Core 控制台应用程序,项目名称为“PIR”。
引入 System.Device.Gpio NuGet 包。
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;
}
}
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);
}
}
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
- General-purpose input/output - Wikipedia:https://en.wikipedia.org/wiki/General-purpose_input/output
- GPIO - Raspberry Pi Documentation:https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio/
- GPIO source code:https://github.com/dotnet/iot/tree/master/src/System.Device.Gpio/System/Device/Gpio
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