0 更新记录

  • 2024-07-11：初始版本
  • 2024-07-15：添加TL;DR，删除了文中的长代码，完整代码上传到Github

最近要用到吃灰已久的树莓派4B，发现原来的TF卡已经损坏。更换TF卡写入最新64bit的RaspiOS-Lite，配置时发现之前使用的温控风扇的程序文件也找不到了，索性直接重新整理一下。

买外壳时自带了一个风扇，是普通的不支持PWM调速的5V风扇，只需要用程序根据CPU温度控制风扇启停即可。

TL;DR

完整代码已经发布在Github仓库pi_auto_fan

控制程序及设置控制程序自启动的步骤略繁琐，使用Makefile把需要操作的步骤打包成了install和uninstall，直接运行sudo make insatll即可完成编译、创建系统服务、启动服务、设置自启动，注意必须使用sudo，因为创建系统服务需要使用root权限。

运行sudo make install之前仍然需要按照文章中编译测试部分的步骤安装依赖。

默认使用GPIO 14作为控制IO（fan_pin=14），上限阈值为60°（temp_high=60.0），下限阈值为50°（temp_low=50.0），如需修改需要在文件auto_fan.c中修改对应代码。

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git clone https://github.com/gsh1209/pi_auto_fan.git
cd pi_auto_fan
# 仅编译，无需sudo
make
# 安装
sudo make install
# 卸载
sudo make uninstall

查看GPIO状态的一些命令

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raspi-gpio get | grep "GPIO 14"
gpio readall

1 控制电路

找到了之前画的驱动电路，使用了两个三极管（型号均为S8050）级联来进一步减轻GPIO输出电流的负担。电路很简单，不过当时还在嘉立创白嫖了一块PCB，PCB源文件已经找不到了，只能找到一个布局的图片。

风扇驱动电路图
风扇驱动电路图
风扇驱动PCB布局
风扇驱动PCB布局

这个电路是经过长时间验证的，曾经用树莓派跑了大半年的局域网打印机共享服务器和SMB文件共享服务器，使用的散热方案就是这套电路，长时间工作时三极管也不会发热。

风扇控制PCB
风扇控制PCB
控制板与树莓派的连接
控制板与树莓派的连接

树莓派上的控制IO使用的是GPIO 14，紧挨着5V电源和GND，可以方便的使用3PIN的杜邦线进行连接，不过GPIO 14其实也是UART串口的TXD，如果需要用到串口可以使用其他IO作为风扇控制IO。

树莓派4B的GPIO定义
树莓派4B的GPIO定义
风扇控制使用的GPIO
风扇控制使用的GPIO

GPIO定义图片来自树莓派文档

2 控制程序

之前的程序使用的是Python来控制，但是由于控制程序需要长期运行，Python脚本占用的系统资源更高一些，尤其对于我的1GB内存版本有些不友好，这次使用C语言来写控制程序。

2.1 CPU温度读取

树莓派系统中提供了可供读取的文件来获取CPU温度，文件位于/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp，文件内容是整数形式的CPU温度，包含三位小数。如果需要将温度输出到终端显示需要将获取的数值除以1000进行转换。

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printf("CPU temperature: %.2f°C\n", atof(cpu_temp_str) / 1000.0);

这里的温控风扇的程序运行在后台，不需要向终端显示温度，为了简单我暂时也不需要打印log，所以这里的获取温度的函数不做转换直接返回文件内容转换为整数。

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/**
 * 从文件获取CPU温度
 * 返回文件内容，不转换为浮点数
 */
int getCpuTemp() {
    FILE *file;
    char cpu_temp_file[] = "/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp";
    char cpu_temp_str[10];
    file = fopen(cpu_temp_file, "r");
    if(NULL == file) {
        perror("fopen");
        return 1;
    }
    if(NULL == fgets(cpu_temp_str, sizeof(cpu_temp_str), file)) {
        fprintf(stderr, "read error!\n");
        fclose(file);
        return 1;
    }
    fclose(file);
    return atoi(cpu_temp_str);
}

2.2 启停控制逻辑

控制程序每2s读取一次温度，和温度阈值进行比较，控制风扇的启停。为了防止风扇在阈值附近反复的开启和关闭，控制程序设置了上限阈值temp_high和下限阈值temp_low两个阈值，当温度超过上限时风扇启动，当温度低于下限时风扇停止。程序中设置上下限阈值为60℃和50℃，可根据环境温度等情况按需调整。

上下限阈值是直接写到程序代码中的，如果需要修改则要重新编译，合理的做法是作为参数传入或者使用其他方式配置，包括用于控制的GPIO也是这样，但是因为懒暂时就不写了。

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float temp_high = 60.0;
float temp_low = 50.0;
typedef enum { ON, OFF } fan_status;
int main(int argc, char *argv[]) {
    initFanGpio();
    fan_status status = OFF;
    while(1) {
        int cpu_temp = getCpuTemp();
        if(OFF == status) {
            if(cpu_temp > (int)(temp_high * 1000)) {
                digitalWrite(fan_pin, HIGH);
                status = ON;
            }
        } else {
            if(cpu_temp < (int)(temp_low * 1000)) {
                digitalWrite(fan_pin, LOW);
                status = OFF;
            }
        }
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

2.3 编译测试

在编译程序之前，需要确保已经安装需要的依赖

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sudo apt update && sudo apt install build-essential git -y

还需要安装GPIO控制库WiringPi，我使用源码编译安装，也可以直接下载Releases中编译好的二进制包安装。

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git clone https://github.com/WiringPi/WiringPi.git
cd WiringPi
./build

使用gpio readall命令来验证WiringPi是否安装成功。

编译时需要添加-l参数链接WiringPi库：

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gcc auto_fan.c -o auto_fan -lwiringPi

使用sysbench命令让CPU快速升温，测试风扇能否按照预期工作，sysbench需要安装。

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sudo apt update && sudo apt install sysbench -y
sysbench --num-threads=4 --test=cpu --cpu-max-prime=200000 run

测试确保控制程序auto_fan功能正常后，按照Linux系统中文件的组织习惯将其复制到/usr/bin目录。

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sudo cp auto_fan /usr/bin

3 设置控制程序自动启动

在树莓派中设置程序自动启动和一般Linux系统中的方法类似，如使用定时任务crontab的@reboot，将运行程序的命令写入rc.local等，这里使用systemd自定义系统服务的方法来实现自动启动控制程序。

3.1 创建系统服务

systemctl的服务配置文件存放在目录/usr/lib/systemd中，有系统system和用户user之分，需要开机不登录就能运行的程序，存放在系统服务中即/usr/lib/systemd/system目录下。风扇控制程序应当创建为系统服务，在/usr/lib/systemd/system目录新建一个auto_fan.service配置文件，需要使用sudo，内容如下：

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[Unit]
Description=Auto Fan Service by gsh1209

[Service]
Type=simple
Restart=always
ExecStart=/usr/bin/auto_fan &
KillMode=mixed

[Install]
WantedBy=multi-user.target

其中关键的配置项有ExecStart=/usr/bin/auto_fan &和KillMode=mixed：

  • ExecStart表示服务启动时运行的命令，这里在后台（使用参数&）运行编译后的风扇控制程序，参考man systemd.service。
  • KillMode表示服务终止时的操作，设置为mixed表示主进程将收到SIGTERM信号，子进程收到SIGKILL信号，参考man systemd.kill。

设置KillMode的目的是在服务停止时需要恢复GPIO的状态，尤其是如果此时风扇已被打开，服务停止风扇应当被立即关闭，这里通过在程序中接收SIGTERM信号，并自定义信号处理函数的方式实现服务停止时，程序退出前恢复GPIO为默认状态。

还可以使用ExecStop=指定一个服务停止时运行的命令来实现恢复GPIO状态这个功能，命令既可以使用系统提供的raspi-gpio，也可以使用由WiringPi库提供的gpio命令，还可以使用C语言单独写一个实现释放GPIO的程序。

根据树莓派4B的文档和BCM2711的Datasheet(GPIO_PUP_PDN_CNTRL_REG0 Register)，树莓派GPIO 14复位后的默认状态为：输入，内部下拉。

3.2 设置服务开机自动启动

使用命令设置服务为enable即可开机自启动

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sudo systemctl enable auto_fan.service

3.3 systemctl常用命令

  • 启动、停止、重启服务
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sudo systemctl start/stop/restart auto_fan.service
  • 开启、关闭开机自启
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sudo systemctl enable/disable auto_fan.service
  • 查看运行状态
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sudo systemctl status auto_fan.service
  • 重载配置文件（服务启动时修改了service文件，需要重载配置）
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sudo systemctl daemon-reload

4 其他

最后对比了一下Python版本和C版本的程序，在CPU占用上没什么差别。在内存占用上的差距也没有想象中那么大：

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# Python程序的pid 3669
pi@raspberrypi:~ $ cat /proc/3669/status | grep VmRSS
VmRSS:      7680 kB
# C程序的pid 3561
pi@raspberrypi:~ $ cat /proc/3561/status | grep VmRSS
VmRSS:      1408 kB

使用的Python程序

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import time
import RPi.GPIO as GPIO


def get_cpu_temp():
    with open("/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp", "r") as f:
        return float(f.read()) / 1000


fan_pin = 14
temp_high = 60.0
temp_low = 50.0

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setup(fan_pin, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW)
is_fan_off = True

try:
    while True:
        temp = get_cpu_temp()
        if is_fan_off == True:
            if temp > temp_high:
                GPIO.output(fan_pin, GPIO.HIGH)
                is_fan_off = False
        else:
            if temp < temp_low:
                GPIO.output(fan_pin, GPIO.LOW)
                is_fan_off = True
        time.sleep(5.0)
except:
    pass

GPIO.cleanup(fan_pin)
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