年初购入一个树莓派 4B后，立刻遇到了散热问题，毕竟性能提升和大内存都是有代价的。散热如果不解决好，降频就很难用了。不过好在现在风扇价格都很便宜，尝试使用开放四面的层叠板外壳 + 4mm 直流风扇后发现，风扇本身还算静音，但是外壳会有轻微共振，在夜间尤其吵闹。于是自然想到通过芯片温度来控制风扇启动。

硬件 & 原理

普通直流风扇是不支持通过信号触发启动、关断的，所以我们要做的就是加上一个简单的电子开关。材料：

  • 5V 直流风扇一个，3mm 或 4mm，根据你机器外壳的开孔尺寸选择。注意最好买透明外壳的，有部分劣质塑料外壳会散发强烈刺激性气味。
  • 2N2222 三极管一个
  • 680Ω 电阻一个
  • 一小块 PCB 和三孔（2.54mm 间距）的插座，用于焊接上面那些元件，并方便接入树莓派的 GPIO 引脚。如果没有的话，自己动脑想办法咯。

按下图连接，或者参考这一段。

电路

基本原理就是，当将引脚 1 拉高时，三极管 Q1 会导通，风扇开始运转；反之则三极管断开，风扇停止。

因为我选择的是 GPIO 14 引脚作为控制线，相邻的 5V 和 GND 作为电源，因此后续代码都使用这个配置。

Python 版本

按照温度来控制一个 GPIO 引脚的高低是一个比较简单的工作，因此我最开始就是花两分钟写了个 Python 脚本然后安装成 systemd 服务来跑的。脚本大致是这样子：

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# coding: utf-8
from atexit import register
import sys
from threading import Event

from gpiozero import OutputDevice
from loguru import logger

from vcgencmd import measure_temp

THRESHOLD_ON = 60
THRESHOLD_OFF = 45
INTERVAL_SLEEP = 5
PIN_FAN = 14


if __name__ == '__main__':
    wakeup_event = Event()
    fan = OutputDevice(PIN_FAN)
    register(fan.close)

    # Init logger
    logger.remove()
    logger.add(
        sys.stdout,
        format='<green>{time:YYYY-MM-DD HH:mm:ss}</green> <level>{level: <8}</level> <level>{message}</level>',
        level='INFO',
    )

    while 1:
        temp = measure_temp()
        if temp > THRESHOLD_ON and not fan.is_active:
            logger.info('Temp={}°C, fan start', temp)
            fan.on()

        elif fan.is_active and temp < THRESHOLD_OFF:
            logger.info('Temp={}°C, fan stop', temp)
            fan.off()

        wakeup_event.wait(timeout=INTERVAL_SLEEP)

使用 pip3 安装 gpiozero / loguru / vcgencmd，然后直接运行这个脚本即可。

因为去年8月 Wiring Pi 作者宣布项目不再维护，所以这里没有使用 Wiring Pi 的 binding，而是使用的 gpiozero。此外，这里读取温度使用了 vcgencmd，它是通过开启子进程调用 vcgencmd measure_temp 来查询芯片温度的，这是我偏好的获取温度数据的方式。

不过这样一个简单的工作，交给 Python 脚本来做，需要占用 15MB 内存，空闲 CPU 占用 0.1%；并且通过子进程调用外部命令来查询温度十分不雅，因此我改为使用 C 编写相同的逻辑。

C 语言版本

源代码我发布在了这里。主要依赖 MRAA 库和 userland 仓库中与 VideoCore 芯片通信相关的内容。构建依赖 cmake 和 gcc。VideoCore 相关库和头文件在 Raspbian 系统上预装在 /opt/vc，其他系统可能需要自行解决。

安装依赖

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# 首先更新 apt 缓存
sudo apt update
# 安装构建相关的工具
sudo apt install build-essential gcc git
# 下载 MRAA 库代码
git clone https://github.com/eclipse/mraa.git
# 进入 MRAA 库代码所在目录
cd mraa
# 准备编译
mkdir build && cd build
# 生成 makefile
cmake ..
# 编译
make
# 安装编译后的库和工具
sudo make instalal
# 刷新库文件信息
sudo ldconfig -v

运行 mraa-gpio version，如果打印出 MRAA 版本号和树莓派的型号信息，则说明安装完成。

编译安装 fanctl 服务

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# 下载项目源代码
git clone https://github.com/JokerQyou/fanctl.git
# 进入源代码目录
cd fanctl
# 准备编译
mkdir build && cd build
# 生成 makefile
cmake ..
# 编译
make
# 安装为服务
sudo make install

注意：如果要使用不同的 GPIO 引脚来控制风扇，请在编译之前修改 fanctl.c 文件中 FAN_VCC_PIN 的值。你可以在 Pinout! 查阅各个引脚的编号，注意 MRAA 库使用的是物理编号。

配置和启动服务

安装后，工具会被安装在 /usr/local/bin/fanctl，systemd 服务配置在 /etc/systemd/system/fanctl.service。在服务配置中 [Service] 段内，通过环境变量 THRESHOLD_ON 和 THRESHOLD_OFF 可以配置风扇启动和停止的温度（以摄氏度计）。例如以下配置表示在温度超过 48 摄氏度时启动，当温度降至 38 摄氏度时停止。

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[Service]
Type=idle
ExecStart=/usr/local/bin/fanctl
KillSignal=SIGINT
Environment=THRESHOLD_ON=48
Environment=THRESHOLD_OFF=38

修改完成后，需要重新加载 systemd 服务配置才能启动服务：

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# 重新加载服务配置
sudo systemctl daemon-reload
# 启动服务
sudo systemctl start fanctl
# 查看实时的服务日志
sudo journalctl -u fanctl -f

如何读取温度

眼尖的读者可能已经发现了，Linux 下其实可以直接读取 /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp 文件来获取当前 CPU 的温度。树莓派上 CPU 与 GPU 是同一颗芯片，并且这块芯片只有一个温度传感器，所以其实我们不需要使用 vcgencmd 命令，也不需要依赖 VideoCore 相关的库？

在树莓派官方文档的一个角落中是这样解释的：

Due to the architecture of the SoCs used on the Raspberry Pi range, and the use of the upstream temperature monitoring code in the Raspberry Pi OS distribution, Linux-based temperature measurements can be inaccurate. There is a command that can provide an accurate and instantaneous reading of the current SoC temperature, as it communicates with the GPU directly:

vcgencmd measure_temp

vcgencmd 是与 VideoCore 芯片进行直接通信的工具，因此 vcgencmd measure 的结果是最精确的，Linux 通用的温度测量方法则可能不是那么精确。