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. 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

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