張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（二）GPIO 的使用

摘要： 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體上的擴充套件，與感測器進行互動等等。 Raspber...

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體上的擴充套件，與感測器進行互動等等。

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，比如開啟外部的 LED 小燈，當然最有用的還是向外部裝置傳送訊號。輸入模式相當於電源的陰極，還是以 LED 小燈為例，只不過這次 LED 小燈的陽極接著外部電源，一個電路只有產生電壓差時才會有電流，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裝置發來的訊號。

GPIO 通常採用標準邏輯電平，即高電平和低電平，用二進位制 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 讀取為低電平，3 ~ 5.5 V 讀取為高電平， Raspberry Pi 未查到相關資料。GPIO 還可用於中斷請求，即設定 GPIO 為輸入模式，值達到相應的要求時進行中斷。

相關類（Class）

此處預設各位是面向物件的程式設計師，具有一定的 C# 基礎，這裡只介紹本人認為常用的方法，介紹將以程式碼註釋的形式體現。

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
{
// 建構函式
/* PinNumberingScheme 即引腳編號方案，是一個列舉型別，包含 Board 和 Gpio 兩個值。 
* 可以看上方的 Raspberry Pi 引腳圖，以 GPIO 17 為例，如果例項化時選 Gpio ，那麼開啟引腳時需要填寫 17。
* 如果例項化時選 Board ，那麼開啟引腳時需要填寫右側灰色方框內的值，即 11 。
*/
public GpioController(PinNumberingScheme numbering = PinNumberingScheme.Gpio);
// 第二個建構函式中的 GpioDriver 應該是用於擴充套件的，一般還是用 Raspberry Pi 預設的 GPIO 驅動。
public GpioController(GpioDriver driver, PinNumberingScheme numbering = PinNumberingScheme.Gpio);

// 屬性
// 獲取已開啟的所有 GPIO 引腳
public IEnumerable<GpioPin> OpenPins { get; }

// 方法
// 開啟 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);
// 判斷某個引腳是否開啟
// 注意：引腳連續開啟會丟擲異常
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);
}

人體紅外感測器實驗

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

人體紅外感測器是基於周圍區域的紅外熱來檢測運動的，也稱被動紅外感測器（Passive Infra-Red, PIR）。

這裡使用的是 HC-SR501 。當感測器檢測到人體時，LED 小燈亮，當感測器未檢測到人體時，LED 小燈滅。

感測器影象

HC-SR501

硬體

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

程式碼

1. 開啟 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程式，專案名稱為“PIR”。
2. 引入 System.Devices.Gpio NuGet 包。

3. 新建類 HCSR501 ，替換如下程式碼（此處略有精簡，只為必要的程式碼，不包含自定義事件，詳細可檢視提供的示例）：

   public class HCSR501 : IDisposable
   {
   private GpioPin sensor;
   private readonly int pinOut;
   
   /// <summary>
   /// 建構函式
   /// </summary>
   /// <param name="pin">OUT Pin</param>
   public HCSR501(int pin)
   {
   pinOut = pin;
   }
   
   /// <summary>
   /// 初始化
   /// </summary>
   public void Initialize()
   {
   // 例項化 GpioController
   GpioController controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Gpio);
   // 開啟引腳，設定模式為輸入模式
   sensor = controller.OpenPin(pinOut, PinMode.Input);
   }
   
   /// <summary>
   /// 讀取
   /// </summary>
   /// <returns>是否檢測到人體</returns>
   public bool Read()
   {
   // 當電平為高時，認為檢測到人體
   if (sensor.Read() == PinValue.High)
   {
   return true;
   }
   else
   {
   return false;
   }
   }
   }

4. 在 Program.cs 中，將主函式程式碼替換如下：

   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
   // 為 led 開啟引腳 27
   GpioPin led = controller.OpenPin(27, PinMode.Output);
   
   // initialize PIR sensor
   // 初始化感測器
   HCSR501 sensor = new HCSR501(17);
   sensor.Initialize();
   
   // loop
   // 迴圈
   while (true)
   {
   if (sensor.Read() == true)
   {
   // turn the led on when the sensor detected infrared heat
   // 當感測器檢測到熱量時開啟 led
   led.Write(PinValue.High);
   Console.WriteLine("Detected! Turn the LED on.");
   }
   else
   {
   // turn the led off when the sensor undetected infrared heat
   // 當感測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. 釋出、拷貝、更改許可權、執行

效果圖

如何改進？

剔除主函式迴圈，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 匯流排的使用。