品味樹莓派：GPIO Zero庫使用入門

目的

樹莓派有很多GPIO口可供用戶使用，官方同時也提供了一些方式來操作這些IO口，其中目前主要推薦的是基於Python的GPIO Zero庫，本文將簡單介紹該庫的基礎使用方法。

基礎說明

GPIO Zero庫是樹莓派官方目前推薦的用於操作樹莓派上GPIO口的Python庫，該庫最早是在RPi.GPIO庫之上開發而來的，現在默認情況下也有許多功能是基於RPi.GPIO庫實現的，不過用戶可以自行設置其它庫用在底層。
GPIO Zero庫將常用的功能進行封裝（LED、Button、Motor……），使一般用戶和軟件開發者更加容易實現需要用到GPIO口的功能，而不需要像RPi.GPIO庫一樣去了解GPIO口的輸入輸出、上下拉電阻等底層硬件相關的參數。
GPIO Zero庫官方文檔：https://gpiozero.readthedocs.io/en/stable/

可以看到官方文檔的基礎說明裏都是具體的LED、Button、Motor等應用

帶圖形界面的Raspbian系統默認就安裝了GPIO Zero庫，Raspbian Lite上可以使下面命令來安裝該庫：

sudo apt update
sudo apt install python3-gpiozero

其它樹莓派上的系統可以使下面命令來安裝該庫：

sudo pip3 install gpiozero

使用過程中需要的樹莓派GPIO口定義可以參考下圖：

入門使用

GPIO Zero庫中具體實現的功能還是比較多的，這裏挑選一部分介紹演示。

LED

控制LED是嵌入式入門實驗，GPIO Zero庫可以使用LED類來控制LED，首先按下圖連接LED：

上圖中左側爲實物連接，右側爲原理圖，電路中的電阻是用來限制電流大小的。
可以使用下面代碼來控制LED亮滅交替閃爍：

from gpiozero import LED # 引入LED類
from time import sleep

red = LED(17) # 聲明LED對象red，該對象連接至樹莓派GPIO17引腳

while True: # 使下面程序持續循環運行
    red.on() # 點亮LED
    sleep(1) # 延時1秒
    red.off() # 熄滅LED
    sleep(1) # 延時1秒

或者用下面代碼也能實現一樣的效果：

from gpiozero import LED # 引入LED類
from signal import pause

red = LED(17) # 聲明LED對象red，該對象連接至樹莓派GPIO17引腳

red.blink() # 使LED反覆亮滅

pause() # 暫停當前腳本的進程
        #（使腳本不會結束，這樣red.blink()就會一直運行，不會因爲腳本結束而被釋放）

上面是簡單的演示，每隔一秒分別開關了LED，同時打印了其狀態。

LED類更多說明如下：

• class gpiozero.LED(pin, *, active_high=True, initial_value=False, pin_factory=None)
  LED構造函數，輸入參數如下：
  pin: GPIO口編號（填入數字或字符串均可）；
  active_high: LED是否在GPIO口電平爲High時點亮，默認True表示GPIO口輸出高電平時點亮LED；
  initial_value: 初始值，默認False表示初始不點亮LED；
  pin_factory: 一般不用到，以後會單獨進行講解，下同；
• blink(on_time=1, off_time=1, n=None, background=True)
  控制LED閃爍，輸入參數如下：
  on_time: 一次閃爍中LED點亮持續時間，單位秒；
  off_time: 一次閃爍中LED熄滅持續時間，單位秒；
  n: 閃爍次數，默認None表示LED將持續閃爍；
  background: 默認True表示該動作將新開一個線程運行，函數會立即返回。如果設置爲False，函數將阻塞在次直到閃爍完成才返回；
• off() 熄滅LED；
• on() 點亮LED；
• toggle() 翻轉LED狀態；
• is_lit 以布爾值方式表示LED是否點亮狀態；
• pin 以字符串形式表示LED連接的pin編號；
• value 以數值形式表示LED是否點亮狀態；

PWMLED

上面的LED只是單純的點亮或熄滅，GPIO Zero庫中還可以使用PWM來調節KED亮度，或是實現呼吸燈功能，比如下面代碼：

from gpiozero import PWMLED # 引入PWMLED類
from time import sleep
from signal import pause

led = PWMLED(17) # 聲明PWMLED對象led，該對象連接至樹莓派GPIO17引腳

led.value = 1 # 以100%亮度點亮LED（這裏用了特別的方式，以後會單獨進行講解）
sleep(2) # 延時2秒
led.value = 0.5 # 以50%亮度點亮LED
sleep(2) # 延時2秒
led.value = 0 # 熄滅LED
sleep(2) # 延時2秒

led.pulse() # 使LED以呼吸燈方式閃爍

pause()

PWMLED類更多說明如下：

• class gpiozero.PWMLED(pin, *, active_high=True, initial_value=0, frequency=100, pin_factory=None)
  LED構造函數，輸入參數如下：
  pin: GPIO口編號（填入數字或字符串均可）；
  active_high: LED是否在GPIO口電平爲High時點亮，默認True表示GPIO口輸出高電平時點亮LED；
  initial_value: 初始值，可選0和1之間的值，0表示熄滅，1表示完全點亮；
  frequency: PWM頻率，默認值100表示100Hz；
• blink(on_time=1, off_time=1, fade_in_time=0, fade_out_time=0, n=None, background=True)
  控制LED閃爍，輸入參數如下：
  on_time: 一次閃爍中LED完全點亮持續時間，單位秒；
  off_time: 一次閃爍中LED完全熄滅持續時間，單位秒；
  fade_in_time: 一次閃爍中LED從熄滅到點亮的過程時間，單位秒；
  fade_out_time: 一次閃爍中LED從點亮到熄滅的過程時間，單位秒；
  n: 閃爍次數，默認None表示LED將持續閃爍；
  background: 默認True表示該動作將新開一個線程運行，函數會立即返回。如果設置爲False，函數將阻塞在次直到閃爍完成才返回；
• off() 熄滅LED；
• on() 點亮LED；
• pulse(fade_in_time=1, fade_out_time=1, n=None, background=True)
  控制LED閃爍，輸入參數如下：
  fade_in_time: 一次閃爍中LED從熄滅到點亮的過程時間，單位秒；
  **fade_out_time:**一次閃爍中LED從點亮到熄滅的過程時間，單位秒；
  n: 閃爍次數，默認None表示LED將持續閃爍；
  background: 默認True表示該動作將新開一個線程運行，函數會立即返回。如果設置爲False，函數將阻塞在次直到閃爍完成才返回；
• toggle() 翻轉LED狀態至 1 - value ；
• is_lit 以布爾值方式表示LED是否點亮狀態；
• pin 以字符串形式表示LED連接的pin編號；
• value 返回當前LED的PWM佔空比值；

Button

外接物理按鍵是一個非常常用的功能，GPIO Zero庫中直接封裝了一個Button類，這個類的使用非常方便，首先按照下圖方式連接設備：

按上圖連接電路，等下再在程序裏啓用GPIO2的內部上拉電阻，這樣的話按鈕在未被按下時GPIO2上爲高電平，當按鈕被按下後會變爲低電平。
使用下面代碼可以簡單進行測試：

from gpiozero import Button # 引入Button類

button = Button(2) # 聲明Button對象button，該對象連接至樹莓派GPIO2引腳

button.wait_for_press() # 等待按鈕被按下
print(button.is_pressed) # 當按鈕被按下時觸發該行

button.wait_for_release() # 等待按鈕被鬆開
print(button.is_pressed) # 當按鈕被鬆開時觸發該行

上面是個簡單的演示，實際操作中不太會用wait_for_press()和wait_for_release()，更多的會用事件與回調函數形式來處理按鈕按下鬆開時的動作：

from gpiozero import Button # 引入Button類
from signal import pause

def btn_held(): # 回調函數
    print('held:{} - {}'.format(button.is_pressed, button.is_held))
    print('{} - {}'.format(button.pressed_time, button.held_time))
    
def btn_pressed(): # 回調函數
    print('pressed:{} - {}'.format(button.is_pressed, button.is_held))
    print('{} - {}'.format(button.pressed_time, button.held_time))

def btn_released(): # 回調函數
    print('released:{} - {}'.format(button.is_pressed, button.is_held))
    print('{} - {}'.format(button.pressed_time, button.held_time))

button = Button(2) # 聲明Button對象button，該對象連接至樹莓派GPIO2引腳

button.when_held = btn_held # 註冊按鈕長按事件回調函數
button.when_pressed = btn_pressed # 註冊按鈕按下事件回調函數
button.when_released = btn_released # 註冊按鈕鬆開事件回調函數

pause()

上面演示了基礎的回調函數功能，事實上按鈕事件的回調函數在觸發時還可以傳入Button對象，這在多個按鈕綁定同一個回調函數的時候挺好用，可以知道具體是哪個按鈕觸發了該動作：

from gpiozero import Button # 引入Button類
from signal import pause

def btn_callback(btn): # 回調函數
    print(btn.pin) # 打印觸發該函數的Button對象連接的GPIO編號

button = Button(2) # 聲明Button對象button，該對象連接至樹莓派GPIO2引腳

button.when_pressed = btn_callback # 註冊按鈕按下事件回調函數

pause()

Button類更多說明如下：

• class gpiozero.Button(pin, *, pull_up=True, active_state=None, bounce_time=None, hold_time=1, hold_repeat=False, pin_factory=None)
  Button構造函數，輸入參數如下：
  pin: GPIO口編號（填入數字或字符串均可）；
  pull_up: 內部上下拉電阻設置，True啓用內部上拉，False啓用內部下來，None不啓用上下拉；
  active_state: 如果爲True，則IO外部爲高時軟件顯示該IO口爲高，如果爲False，則IO外部爲高時軟件顯示該IO口爲低。當pull_up不爲None時該值將自動設置；
  bounce_time: 軟件消抖時間，None則爲不啓用軟件消抖；
  hold_time: 按下按鈕後直到觸發when_held的時間，單位秒；
  hold_repeat: 如果爲True，則只要按鈕持續被按下when_held會每隔hold_time時間持續被觸發，如果爲False，則when_held只會觸發一次；
• wait_for_press(timeout=None) 等待按鈕被按下，timeout爲超時時間，單位秒；
• wait_for_release(timeout=None) 等待按鈕被釋放，timeout爲超時時間，單位秒；
• pressed_time 從按鈕被按下開始持續經過的時間；
• held_time 從when_held觸發開始按鈕被持續按下的時間；
• is_held 如果該值爲True，則說明按鈕至少被按下hold_time秒；
• is_pressed 如果按鈕被按下該值爲True，否則爲False；
• pin 以字符串形式表示LED連接的pin編號；
• value 如果按鈕被按下該值爲1，否則爲0；
• when_held 當按鈕被按下hold_time後觸發的回調函數，填寫None則禁用該事件；
• when_pressed 當按鈕被按下時觸發的回調函數，填寫None則禁用該事件；
• when_released 當按鈕被鬆開時觸發的回調函數，填寫None則禁用該事件；

更多入門例程

GPIO Zero庫文檔中提供了非常多的常用的元器件、傳感器、執行器等的例程，比如人體紅外傳感器、超聲波測距傳感器、電機等等。更多內容可以參考官方文檔：
https://gpiozero.readthedocs.io/en/stable/recipes.html
注：GPIO Zero官方例程中有很多內容是基於特定某個電路或電路模塊而來的，請根據自己的實際情況進行閱讀。

類基礎說明

GPIO Zero庫中各個類的關係如下圖（點擊看大圖）：

上圖中深藍色的是實體類、淺藍色的是抽象類、紫色的是mixin類。越靠近右邊的越具體、越接近用戶，比如LED、Button等。
從上圖可以看到LED和Buzzer都是基於DigitalOutputDevice類的（如果你去看源碼的話就會發現LED類幾乎就只是DigitalOutputDevice類換了個名稱而已），該類用於控制GPIO口數字輸出，如果你想單獨控制GPIO口用作數字輸出就可以直接用該類，參考下面例子：

同樣的如果你想單獨控制GPIO口用作數字輸入就可以使用上圖中DigitalInputDevice類。其它情況同理，可以在上圖中找到合適的類使用。相關的類說明可以從參考官方文檔中以 API - 開頭的相關章節中查詢：

當然對於Python而言庫寫的好的話用help方法也很方便：

注意事項

GPIO Zero庫中的對象在被釋放時受控的GPIO口會恢復到系統啓動後的初始狀態。除系統自動釋放外你也可以使用close()方法手動進行釋放。

總結

GPIO Zero庫使用起來還是比較簡單的，特別適合沒有硬件基礎的用戶使用，更多內容可以參考下面鏈接：
https://github.com/gpiozero/gpiozero