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 有两行 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。

[p]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。输入模式相当于电源的阴极，还是以 LED 小灯为例，只不过这次 LED 小灯的阳极接着外部电源，一个电路只有产生电压差时才会有电流，因此要想让小灯亮需要让电流流入 Raspberry Pi 中。和输出模式相反，输入模式是接收外部设备发来的信号。

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（Class）

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 操作主要依赖于两个类： GpioController 、 GpioPin 。这两个类位于 System.Devices.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 : IDisposable
{
// 构造函数
/* PinNumberingScheme 即引脚编号方案，是一个枚举类型，包含 Board 和 Gpio 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 Gpio ，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 = PinNumberingScheme.Gpio);
// 第二个构造函数中的 GpioDriver 应该是用于扩展的，一般还是用 Raspberry Pi 默认的 GPIO 驱动。
public GpioController(GpioDriver driver, PinNumberingScheme numbering = PinNumberingScheme.Gpio);

// 属性
// 获取已打开的所有 GPIO 引脚
public IEnumerable<GpioPin> OpenPins { get; }

// 方法
// 打开 GPIO 引脚，pinNumber 需要填写和 PinNumberingScheme 相对应的值。
public GpioPin OpenPin(int pinNumber);
// 关闭 GPIO 引脚
public void ClosePin(int pinNumber);
public void ClosePin(GpioPin pin);
// 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);
}

GpioPin

// GpioPin 表示单个的引脚实体
// 需要通过 GpioController.OpenPin() 获取
public class GpioPin : IDisposable
{
// 属性
// 一个去抖时间，即在此时间间隔引脚电平变化，不触发 ValueChanged 事件
public TimeSpan DebounceTimeout { get; set; }

// 事件
// 引脚电平变化时触发
public event EventHandler<PinValueChangedEventArgs> ValueChanged;

// 方法
// 读取当前引脚电平
public PinValue Read();
// 向引脚写入指定电平
public void Write(PinValue value);
}

人体红外传感器实验

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

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

[p]HC-SR501

硬件

电路

HC-SR501

• VCC - 5V
• GND - GND
• OUT - GPIO 17

LED

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

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.Devices.Gpio NuGet 包。

3. 新建类 HCSR501，替换如下代码（此处略有精简，只为必要的代码，不包含自定义事件，详细可查看提供的示例）：

   public class HCSR501 : IDisposable
   {
   private GpioPin sensor;
   private readonly int pinOut;
   
   /// <summary>
   /// 构造函数
   /// </summary>
   /// <param name="pin">OUT Pin</param>
   public HCSR501(int pin)
   {
   pinOut = pin;
   }
   
   /// <summary>
   /// 初始化
   /// </summary>
   public void Initialize()
   {
   // 实例化 GpioController
   GpioController controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Gpio);
   // 打开引脚，设置模式为输入模式
   sensor = controller.OpenPin(pinOut, PinMode.Input);
   }
   
   /// <summary>
   /// 读取
   /// </summary>
   /// <returns>是否检测到人体</returns>
   public bool Read()
   {
   // 当电平为高时，认为检测到人体
   if (sensor.Read() == PinValue.High)
   {
   return true;
   }
   else
   {
   return false;
   }
   }
   }

4. 在 Program.cs 中，将主函数代码替换如下：

   static void Main(string[] args)
   {
   // get the GPIO controller
   // 获取 GPIO 控制器
   GpioController controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Gpio);
   // open PIN 27 for led
   // 为 led 打开引脚 27
   GpioPin led = controller.OpenPin(27, PinMode.Output);
   
   // initialize PIR sensor
   // 初始化传感器
   HCSR501 sensor = new HCSR501(17);
   sensor.Initialize();
   
   // loop
   // 循环
   while (true)
   {
   if (sensor.Read() == true)
   {
   // turn the led on when the sensor detected infrared heat
   // 当传感器检测到热量时打开 led
   led.Write(PinValue.High);
   Console.WriteLine("Detected! Turn the LED on.");
   }
   else
   {
   // turn the led off when the sensor undetected infrared heat
   // 当传感器未检测到热量时关闭 led
   led.Write(PinValue.Low);
   Console.WriteLine("Undetected! Turn the LED off.");
   }
   
   // wait for a second
   // 等待 1s
   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，尝试在自定义事件中进行检测，即 GpioPin 的 ValueChanged 事件。

  备注

下一篇文章将谈谈 IIC 总线的使用。