树莓派 4B + C#：.NET 8 嵌入式跨平台上位机（传感器数据采集实战）

一、核心场景与价值

树莓派 4B 作为低成本嵌入式工控核心，广泛应用于边缘数据采集场景。结合 .NET 8 的跨平台特性，可实现：

嵌入式轻量化部署：.NET 8 应用体积最小压缩至 30MB，适配树莓派 4B 最小 2GB 内存；多传感器兼容：支持 I2C/SPI/UART/GPIO 多种接口，适配温湿度、气压、光照等主流工业传感器；跨平台复用：同一套代码可部署在树莓派（Linux ARM64）、Windows 工控机、Ubuntu 边缘节点，无需修改；工业级稳定：支持定时采集、异常重试、数据缓存，满足 7×24 小时边缘运行需求。

本文以「树莓派 4B + BME280 温湿度气压传感器」为核心，手把手实现从硬件连接、.NET 8 环境搭建到数据采集、存储、跨平台部署的全流程，提供可直接运行的源码与部署脚本。

二、技术栈选型（嵌入式工业级组合）

模块	技术选型	核心优势
基础框架	.NET 8（LTS）	原生支持 Linux ARM64，性能提升 30%+，支持 Trim 瘦身
硬件交互	System.Device.Gpio + Iot.Device.Bindings	微软官方物联网库，覆盖 200+ 传感器，跨平台无依赖
传感器通信	I2C 总线（优先）/ SPI / UART	树莓派 4B 原生支持，接线简单，适配多数工业传感器
数据存储	SQLite（本地缓存）+ 日志文件	轻量化无部署成本，适配嵌入式低资源场景
部署方式	.NET 自包含发布（linux-arm64）	无需树莓派安装 .NET Runtime，直接运行
调试工具	Visual Studio 2022 远程调试 + 树莓派 SSH	本地开发、远程调试，提升开发效率

三、环境准备（3 步到位）

3.1 树莓派硬件与系统准备

硬件清单：
核心：树莓派 4B（2GB/4GB 版本，推荐 4GB 用于多传感器扩展）；传感器：BME280（温湿度+气压，I2C 接口，性价比高）；辅助：40Pin 杜邦线（母对母）、5V 电源（树莓派+传感器供电）、SD 卡（≥16GB）。 系统安装：
下载官方系统：Raspberry Pi OS (64-bit)（Debian 12 内核，支持 ARM64）；用 Raspberry Pi Imager 烧录 SD 卡，启用 SSH（烧录时勾选「设置 SSH 密码」「配置 WIFI」）；插入 SD 卡启动树莓派，通过 SSH 连接（工具：Putty/Xshell，IP 可通过路由器管理页查询）。

3.2 树莓派硬件接口启用（I2C 核心）

BME280 采用 I2C 通信，需先启用树莓派 I2C 总线：

SSH 连接树莓派，执行配置命令：


sudo raspi-config

选择「Interface Options」→「I2C」→ 选择「Yes」启用 I2C；重启树莓派生效：


sudo reboot

验证 I2C 启用：重启后执行以下命令，若显示 i2c-1 则成功：


ls /dev/i2c-*

3.3 .NET 8 环境部署（树莓派 + 开发机）

3.3.1 开发机环境（Windows 10/11）

安装 Visual Studio 2022（17.10+），勾选「.NET 桌面开发」「.NET 多平台应用 UI 开发」；安装 .NET 8 SDK：下载地址（自动适配 Windows x64）。

3.3.2 树莓派环境（Linux ARM64）

SSH 连接树莓派，执行以下命令安装 .NET 8 SDK（ARM64 版本）：


# 下载 .NET 8 SDK 安装脚本
wget https://dot.net/v1/dotnet-install.sh -O dotnet-install.sh
# 授予执行权限
chmod +x dotnet-install.sh
# 安装 .NET 8 SDK（ARM64 架构）
sudo ./dotnet-install.sh --version 8.0.0 --install-dir /usr/share/dotnet --architecture arm64
# 配置环境变量（永久生效）
echo 'export PATH=$PATH:/usr/share/dotnet' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

验证安装：执行 dotnet --version，显示 8.0.0 则成功。

四、Step1：传感器硬件连接（树莓派 4B + BME280）

BME280 引脚定义与树莓派 4B 40Pin 对应（I2C 模式）：

BME280 引脚	功能	树莓派 4B 引脚（物理编号）	树莓派引脚功能
VCC	供电（3.3V）	1 脚	3.3V 电源（避免 5V 烧板）
GND	接地	6 脚	GND
SDA	I2C 数据线	3 脚	SDA1（GPIO2）
SCL	I2C 时钟线	5 脚	SCL1（GPIO3）

连接注意事项：

必须使用 3.3V 供电，BME280 不支持 5V，否则会烧毁传感器；杜邦线接线牢固，避免接触不良导致数据采集失败；树莓派 4B 的 I2C 总线编号为 1（后续代码中需配置）。

五、Step2：.NET 8 项目创建与依赖安装

5.1 创建项目（开发机 Windows）

打开 Visual Studio 2022 → 「创建新项目」→ 搜索「控制台应用」→ 命名为 RaspberryPiSensorCollector → 选择框架 .NET 8；右键项目 → 「属性」→ 「生成」→ 目标平台选择「Any CPU」，取消「首选 32 位」；右键项目 → 「管理 NuGet 程序包」，安装以下依赖：


# 微软官方物联网设备绑定库（支持 BME280 等 200+ 传感器）
Install-Package Iot.Device.Bindings -Version 3.0.0
# GPIO 控制核心库（I2C/SPI 底层依赖）
Install-Package System.Device.Gpio -Version 8.0.0
# SQLite 本地数据存储（嵌入式轻量数据库）
Install-Package Microsoft.Data.Sqlite -Version 8.0.0
# 日志库（工业场景排障用）
Install-Package Serilog.Sinks.Console -Version 5.0.0
Install-Package Serilog.Sinks.File -Version 5.0.0

5.2 项目结构设计（模块化适配多传感器）


RaspberryPiSensorCollector/
├─ Config/          # 配置类（传感器地址、采集间隔等）
├─ Data/            # 数据模型与存储
├─ Hardware/        # 硬件适配（I2C初始化、传感器驱动）
├─ Services/        # 核心服务（采集服务、日志服务）
└─ Program.cs       # 入口程序

六、Step3：核心代码实现（传感器采集+数据存储）

6.1 配置类（统一管理参数，便于维护）


// Config/SensorConfig.cs
namespace RaspberryPiSensorCollector.Config
{
    /// <summary>
    /// 传感器采集配置
    /// </summary>
    public class SensorConfig
    {
        /// <summary>
        /// I2C 总线编号（树莓派 4B 默认为 1）
        /// </summary>
        public int I2CBusId { get; set; } = 1;

        /// <summary>
        /// BME280 传感器 I2C 地址（默认 0x76，部分模块为 0x77）
        /// </summary>
        public int Bme280Address { get; set; } = 0x76;

        /// <summary>
        /// 采集间隔（毫秒，默认 2000ms = 2秒）
        /// </summary>
        public int CollectInterval { get; set; } = 2000;

        /// <summary>
        /// SQLite 数据库路径（树莓派上的存储路径）
        /// </summary>
        public string DbPath { get; set; } = Path.Combine(AppContext.BaseDirectory, "sensor_data.db");

        /// <summary>
        /// 日志文件路径
        /// </summary>
        public string LogPath { get; set; } = Path.Combine(AppContext.BaseDirectory, "logs", "collector.log");
    }
}

6.2 数据模型与存储（SQLite 本地缓存）


// Data/SensorData.cs（数据模型）
namespace RaspberryPiSensorCollector.Data
{
    /// <summary>
    /// 传感器采集数据模型
    /// </summary>
    public class SensorData
    {
        /// <summary>
        /// 主键 ID
        /// </summary>
        public int Id { get; set; }

        /// <summary>
        /// 采集时间戳（UTC+8）
        /// </summary>
        public DateTime CollectTime { get; set; } = DateTime.Now.ToUniversalTime().AddHours(8);

        /// <summary>
        /// 温度（℃）
        /// </summary>
        public float Temperature { get; set; }

        /// <summary>
        /// 湿度（%RH）
        /// </summary>
        public float Humidity { get; set; }

        /// <summary>
        /// 气压（hPa）
        /// </summary>
        public float Pressure { get; set; }

        /// <summary>
        /// 传感器型号
        /// </summary>
        public string SensorModel { get; set; } = "BME280";
    }
}

// Data/SqliteStorage.cs（SQLite 存储服务）
using Microsoft.Data.Sqlite;

namespace RaspberryPiSensorCollector.Data
{
    public class SqliteStorage
    {
        private readonly string _dbPath;

        public SqliteStorage(string dbPath)
        {
            _dbPath = dbPath;
            // 初始化数据库表
            InitTable();
        }

        /// <summary>
        /// 创建传感器数据表
        /// </summary>
        private void InitTable()
        {
            using var connection = new SqliteConnection($"Data Source={_dbPath}");
            connection.Open();

            var createTableCmd = connection.CreateCommand();
            createTableCmd.CommandText = @"
                CREATE TABLE IF NOT EXISTS SensorData (
                    Id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
                    CollectTime TEXT NOT NULL,
                    Temperature REAL NOT NULL,
                    Humidity REAL NOT NULL,
                    Pressure REAL NOT NULL,
                    SensorModel TEXT NOT NULL
                );";
            createTableCmd.ExecuteNonQuery();
        }

        /// <summary>
        /// 插入传感器数据
        /// </summary>
        public void InsertSensorData(SensorData data)
        {
            try
            {
                using var connection = new SqliteConnection($"Data Source={_dbPath}");
                connection.Open();

                var insertCmd = connection.CreateCommand();
                insertCmd.CommandText = @"
                    INSERT INTO SensorData (CollectTime, Temperature, Humidity, Pressure, SensorModel)
                    VALUES (@CollectTime, @Temperature, @Humidity, @Pressure, @SensorModel);";
                insertCmd.Parameters.AddWithValue("@CollectTime", data.CollectTime.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff"));
                insertCmd.Parameters.AddWithValue("@Temperature", data.Temperature);
                insertCmd.Parameters.AddWithValue("@Humidity", data.Humidity);
                insertCmd.Parameters.AddWithValue("@Pressure", data.Pressure);
                insertCmd.Parameters.AddWithValue("@SensorModel", data.SensorModel);

                insertCmd.ExecuteNonQuery();
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Serilog.Log.Error($"SQLite 存储失败：{ex.Message}");
            }
        }
    }
}

6.3 硬件适配（I2C 初始化 + BME280 驱动）


// Hardware/Bme280Sensor.cs
using Iot.Device.Bme280;
using Iot.Device.Bmxx80;
using System.Device.I2c;
using RaspberryPiSensorCollector.Config;
using RaspberryPiSensorCollector.Data;

namespace RaspberryPiSensorCollector.Hardware
{
    /// <summary>
    /// BME280 传感器驱动封装
    /// </summary>
    public class Bme280Sensor : IDisposable
    {
        private readonly I2cDevice _i2cDevice;
        private readonly Bme280 _sensor;
        private bool _disposed = false;

        public Bme280Sensor(SensorConfig config)
        {
            // 初始化 I2C 设备（树莓派总线 1 + 传感器地址）
            var i2cSettings = new I2cConnectionSettings(config.I2CBusId, config.Bme280Address);
            _i2cDevice = I2cDevice.Create(i2cSettings);
            
            // 初始化 BME280 传感器
            _sensor = new Bme280(_i2cDevice);
            // 配置传感器采集精度（平衡精度与功耗）
            _sensor.TemperatureSampling = Sampling.LowPower;
            _sensor.PressureSampling = Sampling.LowPower;
            _sensor.HumiditySampling = Sampling.LowPower;
        }

        /// <summary>
        /// 读取传感器数据
        /// </summary>
        public SensorData ReadData()
        {
            try
            {
                // 触发传感器测量并读取数据
                _sensor.TryReadTemperature(out var temperature);
                _sensor.TryReadHumidity(out var humidity);
                _sensor.TryReadPressure(out var pressure);

                return new SensorData
                {
                    Temperature = (float)Math.Round(temperature.DegreesCelsius, 2),
                    Humidity = (float)Math.Round(humidity.Percent, 2),
                    Pressure = (float)Math.Round(pressure.Hectopascals, 2)
                };
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Serilog.Log.Error($"BME280 数据读取失败：{ex.Message}");
                return null;
            }
        }

        // 释放资源（避免 I2C 总线占用）
        public void Dispose()
        {
            Dispose(true);
            GC.SuppressFinalize(this);
        }

        protected virtual void Dispose(bool disposing)
        {
            if (_disposed) return;
            if (disposing)
            {
                _i2cDevice?.Dispose();
            }
            _disposed = true;
        }
    }
}

6.4 核心采集服务（定时采集+异常重试）


// Services/CollectorService.cs
using RaspberryPiSensorCollector.Config;
using RaspberryPiSensorCollector.Data;
using RaspberryPiSensorCollector.Hardware;

namespace RaspberryPiSensorCollector.Services
{
    public class CollectorService
    {
        private readonly SensorConfig _config;
        private readonly Bme280Sensor _sensor;
        private readonly SqliteStorage _storage;
        private readonly CancellationTokenSource _cts = new();

        public CollectorService(SensorConfig config)
        {
            _config = config;
            _sensor = new Bme280Sensor(config);
            _storage = new SqliteStorage(config.DbPath);
        }

        /// <summary>
        /// 启动采集服务（异步非阻塞）
        /// </summary>
        public async Task StartAsync()
        {
            Serilog.Log.Information("传感器采集服务启动成功，采集间隔：{0}ms", _config.CollectInterval);
            
            while (!_cts.Token.IsCancellationRequested)
            {
                try
                {
                    // 1. 读取传感器数据
                    var sensorData = _sensor.ReadData();
                    if (sensorData == null)
                    {
                        Serilog.Log.Warning("本次采集数据为空，重试中...");
                        await Task.Delay(1000, _cts.Token);
                        continue;
                    }

                    // 2. 日志输出（控制台+文件）
                    Serilog.Log.Information(
                        "采集成功 | 时间：{0} | 温度：{1}℃ | 湿度：{2}%RH | 气压：{3}hPa",
                        sensorData.CollectTime.ToString("HH:mm:ss.fff"),
                        sensorData.Temperature,
                        sensorData.Humidity,
                        sensorData.Pressure
                    );

                    // 3. 本地存储（SQLite）
                    _storage.InsertSensorData(sensorData);
                }
                catch (Exception ex)
                {
                    Serilog.Log.Error($"采集服务异常：{ex.Message}");
                }
                finally
                {
                    // 等待下一次采集
                    await Task.Delay(_config.CollectInterval, _cts.Token);
                }
            }
        }

        /// <summary>
        /// 停止采集服务（优雅退出）
        /// </summary>
        public void Stop()
        {
            _cts.Cancel();
            _sensor.Dispose();
            Serilog.Log.Information("传感器采集服务已停止");
        }
    }
}

6.5 入口程序（初始化+启动服务）


// Program.cs
using Serilog;
using RaspberryPiSensorCollector.Config;
using RaspberryPiSensorCollector.Services;

namespace RaspberryPiSensorCollector
{
    class Program
    {
        static async Task Main(string[] args)
        {
            // 1. 初始化配置
            var config = new SensorConfig();

            // 2. 初始化日志（控制台+文件轮转）
            Log.Logger = new LoggerConfiguration()
                .MinimumLevel.Information()
                .WriteTo.Console()
                .WriteTo.File(
                    path: config.LogPath,
                    rollingInterval: RollingInterval.Day, // 按天轮转日志
                    retainedFileCountLimit: 7, // 保留7天日志
                    outputTemplate: "[{Timestamp:HH:mm:ss.fff}] [{Level:u3}] {Message:lj}{NewLine}{Exception}"
                )
                .CreateLogger();

            try
            {
                Log.Information("=== 树莓派 .NET 8 传感器采集服务启动 ===");
                
                // 3. 启动采集服务
                var collectorService = new CollectorService(config);
                await collectorService.StartAsync();
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Log.Fatal(ex, "采集服务启动失败");
            }
            finally
            {
                Log.CloseAndFlush();
            }
        }
    }
}

七、Step4：树莓派部署与运行（自包含发布）

7.1 开发机发布 .NET 8 应用（适配 ARM64）

打开 Visual Studio 2022 终端（工具 → 终端），执行发布命令：


# 发布为 Linux ARM64 自包含应用（无需树莓派安装 .NET Runtime）
dotnet publish -c Release -r linux-arm64 --self-contained true -o ./publish/raspberrypi

发布完成后，./publish/raspberrypi 目录下会生成可执行文件（无后缀，名称为项目名 RaspberryPiSensorCollector）。

7.2 上传发布文件到树莓派

使用 SFTP 工具（如 WinSCP）连接树莓派（IP+SSH 账号密码）；在树莓派 /home/pi 目录下创建 SensorCollector 文件夹；将发布目录 ./publish/raspberrypi 下的所有文件上传到 ~/SensorCollector。

7.3 树莓派运行采集服务

SSH 连接树莓派，进入应用目录：


cd ~/SensorCollector

授予执行权限：


chmod +x ./RaspberryPiSensorCollector

运行应用（需 sudo 权限访问 I2C 总线）：


sudo ./RaspberryPiSensorCollector

验证运行：控制台输出以下日志则成功：


[14:30:00.123] [INF] === 树莓派 .NET 8 传感器采集服务启动 ===
[14:30:00.456] [INF] 传感器采集服务启动成功，采集间隔：2000ms
[14:30:02.789] [INF] 采集成功 | 时间：14:30:02.789 | 温度：25.36℃ | 湿度：45.23%RH | 气压：1013.25hPa

7.4 设置开机自启（工业场景必备）

为确保树莓派重启后自动运行采集服务，配置 systemd 服务：

创建服务文件：


sudo nano /etc/systemd/system/sensor-collector.service

粘贴以下内容（注意修改路径为实际应用路径）：


[Unit]
Description=Raspberry Pi .NET 8 Sensor Collector Service
After=network.target

[Service]
User=root
WorkingDirectory=/home/pi/SensorCollector
ExecStart=/home/pi/SensorCollector/RaspberryPiSensorCollector
Restart=always  # 崩溃自动重启
RestartSec=5    # 重启间隔 5 秒

[Install]
WantedBy=multi-user.target

保存并退出（按 Ctrl+O → 回车 → Ctrl+X）；启用并启动服务：


# 重新加载 systemd 配置
sudo systemctl daemon-reload
# 启用开机自启
sudo systemctl enable sensor-collector.service
# 启动服务
sudo systemctl start sensor-collector.service

验证服务状态：


sudo systemctl status sensor-collector.service

显示「active (running)」则成功，后续树莓派重启后会自动运行采集服务。

八、Step5：跨平台验证（Windows 开发机测试）

.NET 8 应用支持跨平台运行，无需修改代码即可在 Windows 上测试（需 USB 转 I2C 适配器）：

硬件：Windows 开发机 + USB 转 I2C 适配器（如 CH341A）+ BME280；软件：安装 I2C 适配器驱动（CH341A 驱动可通过设备管理器安装）；修改配置（Windows 上 I2C 总线编号可能为 0，需调整）：


// SensorConfig.cs 中修改 I2CBusId
public int I2CBusId { get; set; } = 0; // Windows 上的 I2C 总线编号

本地运行：Visual Studio 按 F5 直接启动，即可在 Windows 上采集传感器数据。

九、工业场景关键优化（树莓派嵌入式适配）

9.1 权限优化（避免每次 sudo 运行）

树莓派默认用户 pi 加入 I2C 权限组，无需 sudo 即可访问：


sudo usermod -aG i2c pi
sudo reboot

重启后可直接运行：./RaspberryPiSensorCollector

9.2 镜像瘦身（适配嵌入式低存储）

发布时启用 Trim 优化，减小应用体积 30%-50%：


dotnet publish -c Release -r linux-arm64 --self-contained true -o ./publish/raspberrypi 
  -p:PublishTrimmed=true -p:TrimMode=partial

优化后应用体积可从 100MB+ 压缩至 30MB 左右。

9.3 低功耗优化（边缘节点长期运行）

调整传感器采样精度：将 Sampling.LowPower 改为 Sampling.UltraLowPower，降低传感器功耗；延长采集间隔：根据场景调整 CollectInterval（如 10 秒采集一次，CollectInterval = 10000）；关闭树莓派不必要服务（如蓝牙、WiFi，仅保留有线网络）：


sudo systemctl disable bluetooth
sudo systemctl stop bluetooth

9.4 数据备份（工业数据不丢失）

定时备份 SQLite 数据库到 U 盘或云存储，示例脚本（backup.sh）：


#!/bin/bash
# 备份 SQLite 数据库到 /media/pi/USB-DISK/backup
BACKUP_DIR="/media/pi/USB-DISK/backup"
DB_PATH="/home/pi/SensorCollector/sensor_data.db"

if [ -d "$BACKUP_DIR" ]; then
    cp "$DB_PATH" "$BACKUP_DIR/sensor_data_$(date +%Y%m%d).db"
    echo "备份成功：$(date +%Y-%m-%d %H:%M:%S)" >> "$BACKUP_DIR/backup.log"
else
    echo "U盘未挂载" >> "/home/pi/SensorCollector/backup_error.log"
fi

添加定时任务（每天凌晨 2 点备份）：


crontab -e
# 添加以下内容
0 2 * * * /home/pi/SensorCollector/backup.sh

十、多传感器扩展（工业场景进阶）

10.1 新增 DHT11 温湿度传感器（GPIO 接口）

硬件连接：DHT11 的 VCC→3.3V、GND→GND、DATA→GPIO4（树莓派 7 脚）；安装依赖：Install-Package Iot.Device.Bindings（已包含 DHT11 驱动）；新增 Dht11Sensor.cs 驱动类，复用 CollectorService 逻辑即可实现多传感器并行采集。

10.2 数据上传云平台（MQTT 协议）

集成 MQTT 客户端，将数据上传到工业 IoT 平台（如阿里云、华为云）：

安装依赖：Install-Package MQTTnet -Version 3.10.0；新增 MqttUploadService.cs，在采集数据后调用 MQTT 发布接口；配置 MQTT 服务器地址、Topic、账号密码，支持断线重连。

10.3 远程控制（HTTP API）

添加 ASP.NET Core 迷你 API，实现远程调整采集间隔、启停服务：

安装依赖：Install-Package Microsoft.AspNetCore.Builder -Version 8.0.0；入口程序中添加 HTTP 服务：


var builder = WebApplication.CreateBuilder();
var app = builder.Build();
app.MapGet("/api/interval/{ms}", (int ms, CollectorService service) => {
    config.CollectInterval = ms;
    return Results.Ok($"采集间隔已调整为 {ms}ms");
});
app.Run("http://*:5000"); // 树莓派监听 5000 端口

远程访问：http://树莓派IP:5000/api/interval/5000 即可将采集间隔调整为 5 秒。

十一、避坑指南（树莓派嵌入式场景）

11.1 I2C 传感器无法识别

原因 1：传感器地址错误（BME280 常见地址 0x76/0x77），用 i2cdetect -y 1 命令查询实际地址；原因 2：接线错误（SDA/SCL 接反），重新核对引脚对应关系；原因 3：权限不足，执行 sudo usermod -aG i2c pi 并重启。

11.2 应用运行闪退（ARM64 架构不匹配）

解决方案：发布时确保指定 --runtime linux-arm64，而非 linux-x64（树莓派 4B 是 ARM64 架构）。

11.3 SQLite 数据库写入失败

原因：应用目录无写入权限，执行 chmod 777 /home/pi/SensorCollector 授予权限；避免：发布时将数据库路径配置到 /home/pi 目录（非系统目录，权限宽松）。

11.4 树莓派重启后服务未自动运行

检查服务配置文件路径是否正确（/etc/systemd/system/sensor-collector.service）；执行 sudo systemctl status sensor-collector.service 查看错误日志，修复配置后重新加载：sudo systemctl daemon-reload。