張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（二）GPIO 的使用

什麼是 GPIO

GPIO 是 General Purpose Input Output 的縮寫，即“通用輸入輸出”。 Raspberry Pi 有兩行 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。輸入模式相當於電源的陰極，還是以 LED 小燈爲例，只不過這次 LED 小燈的陽極接着外部電源，一個電路只有產生電壓差時纔會有電流，因此要想讓小燈亮需要讓電流流入 Raspberry Pi 中。和輸出模式相反，輸入模式是接收外部設備發來的信號。

GPIO 通常採用標準邏輯電平，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。

相關類（Class）

此處默認各位是面向對象的程序員，具有一定的 C# 基礎，這裏只介紹本人認爲常用的方法，介紹將以代碼註釋的形式體現。

GPIO 操作主要依賴於兩個類： GpioController 、 GpioPin 。這兩個類位於 System.Devices.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 : IDisposable
{
    // 構造函數
    /* PinNumberingScheme 即引腳編號方案，是一個枚舉類型，包含 Board 和 Gpio 兩個值。 
     * 可以看上方的 Raspberry Pi 引腳圖，以 GPIO 17 爲例，如果實例化時選 Gpio ，那麼打開引腳時需要填寫 17。
     * 如果實例化時選 Board ，那麼打開引腳時需要填寫右側灰色方框內的值，即 11 。
    */
    public GpioController(PinNumberingScheme numbering = PinNumberingScheme.Gpio);
    // 第二個構造函數中的 GpioDriver 應該是用於擴展的，一般還是用 Raspberry Pi 默認的 GPIO 驅動。
    public GpioController(GpioDriver driver, PinNumberingScheme numbering = PinNumberingScheme.Gpio);

    // 屬性
    // 獲取已打開的所有 GPIO 引腳
    public IEnumerable<GpioPin> OpenPins { get; }

    // 方法
    // 打開 GPIO 引腳，pinNumber 需要填寫和 PinNumberingScheme 相對應的值。
    public GpioPin OpenPin(int pinNumber);
    // 關閉 GPIO 引腳
    public void ClosePin(int pinNumber);
    public void ClosePin(GpioPin pin);
    // 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); 
}

GpioPin

// GpioPin 表示單個的引腳實體
// 需要通過 GpioController.OpenPin() 獲取
public class GpioPin : IDisposable
{
    // 屬性
    // 一個去抖時間，即在此時間間隔引腳電平變化，不觸發 ValueChanged 事件
    public TimeSpan DebounceTimeout { get; set; }

    // 事件
    // 引腳電平變化時觸發
    public event EventHandler<PinValueChangedEventArgs> ValueChanged;

    // 方法
    // 讀取當前引腳電平
    public PinValue Read();
    // 向引腳寫入指定電平
    public void Write(PinValue value);
}

人體紅外傳感器實驗

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

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。

傳感器圖像

HC-SR501

硬件

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

LED

• VCC & 220 Ω resistor - GPIO 27
• GND - GND

代碼

1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程序，項目名稱爲“PIR”。
2. 引入 System.Devices.Gpio NuGet 包。

3. 新建類 HCSR501，替換如下代碼（此處略有精簡，只爲必要的代碼，不包含自定義事件，詳細可查看提供的示例）：

   public class HCSR501 : IDisposable
   {
       private GpioPin sensor;
       private readonly int pinOut;
   
       /// <summary>
       /// 構造函數
       /// </summary>
       /// <param name="pin">OUT Pin</param>
       public HCSR501(int pin)
       {
           pinOut = pin;
       }
   
       /// <summary>
       /// 初始化
       /// </summary>
       public void Initialize()
       {
           // 實例化 GpioController
           GpioController controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Gpio);
           // 打開引腳，設置模式爲輸入模式
           sensor = controller.OpenPin(pinOut, PinMode.Input);
       }
   
       /// <summary>
       /// 讀取
       /// </summary>
       /// <returns>是否檢測到人體</returns>
       public bool Read()
       {
           // 當電平爲高時，認爲檢測到人體
           if (sensor.Read() == PinValue.High)
           {
               return true;
           }
           else
           {
               return false;
           }
       }
   }

4. 在 Program.cs 中，將主函數代碼替換如下：

   static void Main(string[] args)
   {
       // get the GPIO controller
       // 獲取 GPIO 控制器
       GpioController controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Gpio);
       // open PIN 27 for led
       // 爲 led 打開引腳 27
       GpioPin led = controller.OpenPin(27, PinMode.Output);
   
       // initialize PIR sensor
       // 初始化傳感器
       HCSR501 sensor = new HCSR501(17);
       sensor.Initialize();
   
       // loop
       // 循環
       while (true)
       {
           if (sensor.Read() == true)
           {
               // turn the led on when the sensor detected infrared heat
               // 當傳感器檢測到熱量時打開 led
               led.Write(PinValue.High);
               Console.WriteLine("Detected! Turn the LED on.");
           }
           else
           {
               // turn the led off when the sensor undetected infrared heat
               // 當傳感器未檢測到熱量時關閉 led
               led.Write(PinValue.Low);
               Console.WriteLine("Undetected! Turn the LED off.");
           }
   
           // wait for a second
           // 等待 1s
           Thread.Sleep(1000);
       }
   }

5. 發佈、拷貝、更改權限、運行

效果圖

  如何改進？

剔除主函數循環，嘗試在自定義事件中進行檢測，即 GpioPin 的 ValueChanged 事件。

---

  備註

下一篇文章將談談 IIC 總線的使用。