.NET Core IoT 应用之使用GPIO实现人体热传感器实验
时间：2023-11-25 15:07:02
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什么是 GPIO
GPIO 是 General Purpose Input Output 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扩展，与传感器交互等。
Raspberry Pi B /2B/3B/3B /Zero 引脚图
简单地说，每一个 GPIO 引脚有两种模式：输出模式（OUTPUT）和输入模式（INPUT）。输出模式类似于电源，Raspberry Pi 它可以控制电源是否向外供电，例如打开外部 LED 小灯，当然，最有用的是向外部设备发送信号。输入模式相当于电源的阴极，还是 LED 以小灯为例，只是这次 LED 小灯的阳极然后是外部电源。只有当电路产生电压差时，才会有电流。因此，为了使小灯亮起，有必要让电流流入 Raspberry Pi 中。与输出模式相反，输入模式是接收外部设备的信号。
GPIO 一般采用标准逻辑电平，即高电平和低电平，采用二进制 0 和 1 表示。两个值之间还有阈值电平，即高电平和低电平之间的界限。Arduino 会将 -0.5 ~ 1.5 V 读低电平，3 ~ 5.5 V 读高电平， Raspberry Pi 未发现相关信息。GPIO 也可用于中断请求，即设置 GPIO 当值满足相应要求时，中断输入模式。
相关类（Class）
这里默认你是面向对象的程序员，有一定的 C# 基础，这里只介绍我认为常用的方法，以代码注释的形式介绍。
GPIO 操作主要依赖两类：GpioController 、 GpioPin 。这两类位于 System.Devices.Gpio 在名称空间下。
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，它是一种枚举类型，包括 Board 和 Gpio 两个值。 * 看上面的 Raspberry Pi 引脚图，以 GPIO 17 例如，如果实例化选择 Gpio ，打开引脚时需要填写 17。 * 看上面的 Raspberry Pi 引脚图，以 GPIO 17 例如，如果实例化选择 Gpio ，打开引脚时需要填写 17。 * 如果实例化时选 Board ，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); // 在第二个构造函数中 GpioDriver 应用于扩展，一般还是用 Raspberry Pi 默认的 GPIO 驱动。 public GpioController(GpioDriver driver, PinNumberingScheme numbering = PinNumberingScheme.Gpio); // 属性 // 获得已打开的一切 GPIO 引脚 public IEnumerable OpenPins { get; } // 方法 // 打开 GPIO 引脚，pinNumber 需要填写和 PinNumberingScheme 相应的值。 public GpioPin OpenPin(int pinNumber); // 关闭 GPIO 引脚 public void ClosePin(int pinNumber); public void ClosePin(GpioPin pin); // 判断引脚是否打开 // 注：连续打开引脚会抛出异常 public bool IsPinOpen(int pinNumber); } GpioPin
// GpioPin 表示单个引脚实体 // 需要通过 GpioController.OpenPin() 获取 public class GpioPin : IDisposable { // 属性 // 一个抖动时间，即在此时间隔内引脚电平变化，不触发 ValueChanged 事件 public TimeSpan DebounceTimeout { get; set; } // 事件 // 触发引脚电平变化 public event EventHandler ValueChanged; // 方法 // 读取当前引脚电平 public PinValue Read(); // 将指定电平写入引脚 public void Write(PinValue value); } 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，也称为被动红外传感器（Passive Infra-Red, PIR）。
这里用的是 HC-SR501 。当传感器检测到人体时，LED 当传感器没有检测到人体时，小灯亮了，LED 小灯灭。
传感器图像
HC-SR501
硬件
| 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
LED
VCC & 220 Ω resistor - GPIO 27
GND - GND
代码
打开 Visual Studio ，新建一个 .NET Core 控制台应用程序，项目名称为“PIR”。
引入 System.Devices.Gpio NuGet 包。
新建类 HCSR501，更换以下代码(这里稍微简化一下，只是为了必要的代码，不包括自定义事件，可以详细查看提供的示例):
public class HCSR501 : IDisposable { private GpioPin sensor; private readonly int pinOut; /// /// 构造函数 /// /// OUT Pin public HCSR501(int pin) { pinOut = pin; } /// /// 初始化 /// 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); } /// /// 读取 /// /// 是否检测到人体 public bool Read() { // 当电平高时，认为检测到人体 if (sensor.Read() == PinValue.High) { return true; } else { return false; } } }在 Program.cs 主函数代码替换如下：
static void Main(string[] args) { // get te 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);
}
}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。
