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。

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

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。