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使用.NET IoT驱动超声波测距传感器

Net驱动 使用 传感器 IoT 超声波 测距
2023-06-13 09:13:04 时间

背景

最近买的一堆传感器到货了，先来把玩一下超声波测距传感器。超声波传感器一般用于机器人，小车的避障，物体的测距，液位检测，停车检测等领域。

HC-SR04

知识回顾

开始之前我们先复习一下高中的物理知识。

原理

通过上图的原理图，又已知声波速度，这里取 340 m/s （空气中的音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340m/s）。

那么，我们通过记录发射时间和接收时间，计算出间隔，然后距离根据（声波速度 * 时间间隔）/ 2 就可以得到。

模块介绍

我使用这个模块是宽压的 3.3v -5 v，探测距离：2cm-450cm，有2cm的超近盲区。精度0.3cm。

使用的方式也很简单，一个控制口发出一个10US以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就记录一个开始时间，当此口变为低电平时再记录一个结束时间，他们的间隔时间就为此次测距的时间，根据公式便可算出距离。

接线测试

在这里我用的 Jetson TX2 开发版套件测试，针脚使用的 38，和40。

38脚连 Trig ，设为输出模式；40 脚连 Echo，设为输入模式。

其上还连接了 I2C 设备，一个SSD1306 OLED 显示屏，作为后续的距离展示，更详细的介绍可以看我之前的文章《使用.Net驱动Jetson Nano的OLED显示屏》。

接线图

上图因为没找到 TX2 的图片所以用的 Nano。树莓派，Nano 和 TX2 的物理引脚功能一样，只是 PCM 编码和 GPIO 的编号是不一样的，代码有的情况下需要调整，后续会讲到。

接好线，我们先快速用 Python 验证下原理。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

TRIG_PIN = 38
ECHO_PIN = 40

def main():
    GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
    GPIO.setup(TRIG_PIN, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(ECHO_PIN, GPIO.IN)

    print("Demo running. Press CTRL+C to exit.")
    try:
        while True:
            time.sleep(1)
            distance = StartModule()
            print("Distance: {}cm".format(distance))
    finally:
        GPIO.cleanup()


def StartModule():
    # 发送 trig 信号，持续 10us 的方波脉冲
    GPIO.output(TRIG_PIN,GPIO.HIGH)
    # 单位为 s ，10us 需转换
    time.sleep(0.00001)
    GPIO.output(TRIG_PIN,GPIO.LOW)

    #等待低电平结束，记录时间
    while GPIO.input(ECHO_PIN) == GPIO.LOW:
        pass
    pulse_s = time.time()

    #等待高电平结束，再次记录时间
    while GPIO.input(ECHO_PIN) == GPIO.HIGH:
        pass
    pulse_e = time.time()

    # 测得距离(单位:m)  =  (pulse_end - pulse_start) * 声波速度 / 2 
    return round((pulse_e - pulse_s) * 17000,2)

if __name__ == '__main__':
    main()

.NET 实现

.NET IoT 库由两个 NuGet 包组成：

•System.Device.Gpio•Iot.Device.Bindings

System.Device.Gpio 支持使用各种协议来与低级别硬件引脚交互，以控制设备。我编写的 Sang.IoT.SSD1306 就使用了这个库。

Iot.Device.Bindings 提供了各种常用的设备绑定，当然里面其实也是有 SSD13xx 的，如果不是想了解原理，可以不用重复造轮子，先前往支持的设备文档[1]里面查询。

1.新建项目

dotnet new console -o ultrasonic

2.进入项目目录

cd ultrasonic

3.安装依赖库

dotnet add package Iot.Device.Bindings

4.修改代码

using System;
using System.Device.Gpio;
using System.Threading;
using Iot.Device.Hcsr04;
Console.WriteLine("Test sensor. Press Ctrl+C to end.");
// 此处注意 使用的是TX2设备，其他设备需查阅转换
int TRIG_GPIO = 394; //Pin 38
int ECHO_GPIO = 393; //Pin 40

using var controller = new GpioController();
using var sensor = new Hcsr04(controller,TRIG_GPIO,ECHO_GPIO);

while (true)
{
    if(sensor.TryGetDistance(out _)){
        Console.WriteLine($"Distance: {sensor.Distance}");
    }
    Thread.Sleep(1000);
}

5.运行测试

dotnet run

以上便是 .NET 中的实现，如果你想验证下驱动原理，可以自行尝试用 .NET 编码实现。

这里需要注意的是，传入的 triggerPin 和 echoPin 是所用设备的 GPIO 编号，不是物理的针脚号，需要查阅资料获取。

针对本案例，使用的 38 和 40针脚，在树莓派中 GPIO 编号分别是 20和21，在 Jetson Nano 中分别是 77和78 ，在 Jetson TX2 中分别是 394和393。

接入显示屏

基于以上代码，我们引入包Sang.IoT.SSD1306。

dotnet add package Sang.IoT.SSD1306

修改代码

using System;
using System.Device.Gpio;
using System.Threading;
using Iot.Device.Hcsr04;

using Sang.IoT.SSD1306;
using SkiaSharp;


Console.WriteLine("Test sensor. Press Ctrl+C to end.");

// 此处注意 使用的是TX2设备，其他设备需查阅转换 
int TRIG_GPIO = 394; //Pin 38
int ECHO_GPIO = 393; //Pin 40

using var controller = new GpioController();
using var sensor = new Hcsr04(controller,TRIG_GPIO,ECHO_GPIO);

// 显示准备
using var oled = new SSD1306_128_64(1);

SKPaint paint = new SKPaint() { 
    Color = new SKColor(255, 255, 255),
    StrokeWidth = 1,
    TextSize = 13,
    Style = SKPaintStyle.Fill,
};

oled.Begin();
oled.Clear();

while (true)
{
    if(sensor.TryGetDistance(out _)){
        Console.WriteLine($"Distance: {sensor.Distance}");
        // OLED 显示
        using(var bitmap = new SKBitmap(128, 64, true)){
            SKCanvas canvas = new SKCanvas(bitmap);
            paint.TextSize = 13;
            canvas.DrawText(DateTime.Now.ToString(), 0, 13, paint);
            paint.TextSize = 30;
            canvas.DrawText(sensor.Distance.ToString(), 0, 50, paint);
            oled.Image(bitmap.Encode(SKEncodedImageFormat.Png, 100).ToArray());
        }
        oled.Display();
    }
    Thread.Sleep(1000);
}

最终效果如下：

最终效果图

References

[1] 支持的设备文档: https://github.com/dotnet/iot/blob/main/src/devices/README.md

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