الأردوينو هو عبارة عن منصة إلكترونية مفتوحة المصدر تعتمد على أجهزة وبرامج سهلة الاستخدام، كما أنها تعد خيارًا شائعًا للمهندسين والهواة والطلاب الذين يتطلعون إلى إنشاء مشاريع وأجهزة تفاعلية. سواء كنت مبتدئًا أو لديك بعض الخبرة، فإن فهم أساسيات الأردوينو يمكن أن يتيح لك إنشاء مشاريع أكبر وتنفيذ أفكار أفضل. في خلال السطور القادمة، سنقدم لك المعلومات الأساسية التي تحتاجها للبدء في استخدام الأردوينو وكيفية تسخير قدراته لإضفاء الحيوية على أفكارك.
ما هو الأردوينو؟
الأردوينو هو عبارة عن منصة مفتوحة المصدر تساعد مطوري الدوائر الإلكترونية والمهندسين في بناء المشاريع الإلكترونية. وهي تتكون من لوحة دوائر قابلة للبرمجة تسمى متحكم دقيق (مايكروكونترولر) وبيئة تطوير متكاملة (IDE) يكتب من خلالها المطورون التعليمات ويرسلونها إلى المتحكم الدقيق.
تتطلب لوحات الدوائر القابلة للبرمجة التقليدية أجهزة منفصلة لتحميل التعليمات البرمجية على اللوحة. لكن الأردوينو لا يحتاج إلى أجهزة منفصلة. وبدلاً من ذلك، يتم استخدام كابل USB بسيط لتحميل التعليمات البرمجية على لوحة الأردوينو.
ما هي لوحة الأردوينو؟
لوحة الأردوينو هي لوحة صغيرة تتكون من مكونات متعددة مثل الدوائر المتكاملة وUSB والتي يتم توصيلها ببعضها البعض لتكوين اتصال كامل. ويمكن لأي شخص أن يجري تغييرات وينشيء مشتقات مختلفة من لوحات الأردوينو بغرض إضافة وظائف متعددة.
ما هي مكونات لوحة الأردوينو؟
من بين جميع لوحات الأردوينو المتوفرة في السوق، تعد لوحة الأردوينو Arduino UNO هي اللوحة الأسهل والأكثر استخدامًا. قد يكون لبعض هذه اللوحات مظهر وملمس مختلفين، لكن جميعها تحتوي على نفس المكونات الأساسية.
لوحة الأردوينو Arduino UNO هي لوحة نماذج أولية بسيطة وشائعة الاستخدام ومناسبة حتى للمبتدئين للتعامل مع الإلكترونيات. ولأنها اللوحة الأساسية، فمن الضروري لكل مطور إلكترونيات أن يعرف مكوناتها المختلفة. وفيما يلي مكونات لوحة الأردوينو Arduino UNO:
Microcontroller
الميكروكنترولر أو المتحكم الدقيق هو قلب لوحة الأردوينو. تأتي لوحة الأردوينو UNO مع متحكم دقيق من نوع ATmega328P ذو 8-bit وببنية AVR. وهي متوفرة بنسختين: الأولى ذات متحكم دقيق بثقب والثانية ذات متحكم دقيق يعتمد على التثبيت السطحي. وفي النسخة ذات الثقب، يمكنك استبدال الشريحة بأخرى جديدة في حالة حدوث أي خطأ.
Digital I/O Pins(مداخل ومخارج رقمية)
تُستخدم لتوصيل الأجهزة الخارجية مثل الحساسات والمصابيح الصماء والمحركات، وتعمل بجهد 5 فولت وتيار شدته 20 مللي أمبير. ويوجد منها نوع مخصص للتحكم في الإشارات شبه التناظرية وتعرف باسم PWM pins.
يسلط الجزء العلوي الأيمن من الصورة أعلاه الضوء على المداخل والمخارج الرقمية الموجودة في لوحة الأردوينو والتي يؤدي كل منها وظيفة محددة، كما هو موضح أدناه:
باستخدام المداخل والمخارج 0 و1، يمكنك تلقي ونقل البيانات التسلسلية. أو يمكنك استخدامها لبرمجة لوحة الأردوينو والتواصل مع مستخدم عبر شاشة العرض التسلسلي.
أما باستخدام المداخل والمخارج رقم 2 و3، يمكنك توفير مقاطعات خارجية لتشغيل حدث خارجي.
أما المداخل والمخارج من (3-11) فإنها من نوع PWM تستخدم مع الإشارات شبه التناظرية.
المداخل والمخارج 10 و11 و12 و13 تخضع لبروتوكول SPI (واجهة الطرفية التسلسلية) وهي بيانات متزامنة ومتسلسلة تستخدمها المتحكمات الدقيقة للتواصل مع أجهزة مختلفة.
يأتي المدخل رقم 13 مزودًا بوصلة LED مدمج. والذي يستخدم لأغراض الأختبار فعندما يتم ضبط هذا المدخل على وضع HIGH، يتم تشغيل LED، وعندما يكون على وضع LOW، يتم إيقاف تشغيل LED. ومن الممكن أيضًا أن يتم توصيل بعض مصابيح LED الخارجية بها باستخدام لوحة التوصيل وأسلاك التوصيل.
AREF تعني Analog Reference، وتستخدم لتعيين حد أعلى للجهد للمداخل والمخارج التناظرية.
في الصورة أعلاه، يشير الرقم (12) إلى مصابيح LED الخاصة بـ TX وRX، حيث يرمز TX إلى الإرسال وRX للاستقبال. توفر مصابيح LED هذه مؤشرات مرئية أثناء استقبال أو إرسال البيانات باستخدام لوحة الأردوينو حيث يومض TX أثناء إرسال البيانات ويومض RX عند استلام البيانات. أما الرقم (13) فإنه يشير إلى الميكروكنترولر.
يشير رقم (14) إلى منظم الجهد، الذي يساعد في التحكم في كمية الجهد الواصلة للوحة الأردوينو، حيث يعمل كبوابة، ويمنع الجهد الزائد من دخول الدائرة.
USB Port
نحن نحتاج دائمًا إلى مصدر طاقة لتشغيل لوحة الأردوينو. يمكنك تشغيل هذه اللوحة باستخدام منفذ USB بجهاز الحاسب خاصتك، أو يمكنك استخدام مصدر طاقة حائطي ينتهي بمقبس أسطواني. في الصورة أعلاه، (1) يحدد منفذ USB و(2) يحدد المقبس الأسطواني.
ومن خلال منفذ USB يمكنك أيضًا تحميل الكود على لوحة الأردوينو الخاصة بك.
Ground pin(GND)
يُعرف هذا باسم مدخل التأريض ويُستخدم لتعيين مستوى مرجعي كأرضية. في الصورة أدناه يشير رقم 3 إلى مدخل التأريض.
Power Pins(مدخل الطاقة)
تُستخدم مداخل الطاقة لتوفير الطاقة اللازمة لتشغيل لوحة الأردوينو. في حالة استخدام مصدر خارجي مثل مقبس لتشغيل الطاقة، فيمكن توصيله بهذا المدخل. ويختلف مصدر الطاقة الذي يمكن أن تأخذه كل لوحة من تصميم إلى آخر ومن الضروري معرفة هذا النطاق للوحة التي تستخدمها. وفي الصورة أعلاه يشير كلا من رقم 4 و 5 إلى مداخل طاقة حيث تنتج الأولى 5 فولت من الطاقة، بينما تنتج الأخرى 3 فولت.
Analog Pins(مداخل تناظرية)
تستخدم لدعم التحويل التناظري إلى الرقمي (ADC) ذي 10 بت. كما أنها تستطيع تخزين 0-255 بت وهو أمر غير ممكن باستخدام المداخل والمخارج الرقمية. وفي الصورة أعلاه يشير رقم 6 إلى المداخل التناظرية.
Reset Button(زر إعادة الضبط)
يستخدم هذا الزر لإعادة ضبط حالة المتحكم الدقيق من خلال إعادة جميع القيم إلى قيمها الافتراضية. بمجرد الانتهاء من تشغيل البرامج أو في حالة وقوع بعض الأخطاء، فقد ترغب في إعادة ضبط لوحة الأردوينو.
في الجزء العلوي الأيسر من الصورة أعلاه، يشير الرقم (10) لزر إعادة الضبط. أما الرقم (11) فإنه يشير إلى مؤشر LED للطاقة، والذي سيضيء عند توصيل لوحة الأردوينو الخاص بك بمصدر للطاقة.
crystal oscillator (مذبذب الكريستال)
مذبذبات الكريستال هي أجهزة ذات تردد دقيق للغاية تستخدم في تتبع الوقت مما يساعد المتحكم الدقيق في التحكم في جميع الأوامر وترتيب التنفيذ.
أنواع لوحات الأردوينو :
فيما يلي بعض أنواع لوحة الأردوينو الشائعة التي يمكن حتى للمبتدئين استخدامها:
Arduino UNO (R3)
تعد لوحة الأردوينو UNO أحد الخيارات الأكثر شيوعًا وسهولة في الاستخدام لبدء مشوارك في مجال الإلكترونيات. وتعتمد اللوحة على متحكم دقيق يعرف باسم ATmega328P، ويوجد فيه بما يلي:
- 14 digital I/O pins
- 6 pins for PW
- 6 pins for analog inputs
- reset button
- USB connection
تحتوي لوحة الأردوينو UNO على كل ما تحتاجه لتشغيل المتحكم الدقيق. كل ما عليك فعله هو توصيله بالكمبيوتر عبر كابل USB وتزويده بمحول تيار متردد إلى تيار مستمر أو بطارية لجعله يعمل.
Arduino Nano
تحتوي لوحة الأردوينو نانو على وصلات مشابهة لـ UNO ولكنها تعتمد على المتحكم الدقيق من نوع ATmega328P و ATmega628. وتكون هذه اللوحة الصغيرة مزودة بمنفذ USB صغير وهي رائعة لإنشاء المشاريع. ويوجد بها ما يلي:
- 8 analog pins
- 14 digital pins
- 6 power pins
- 2 RST (reset) pins
Arduino Micro
يحتوي هذا النوع من على متحكم دقيق من نوع ATmega32U4. والذي يحتوي على ما يلي:
- 13 digital I/O pins.
- 7 pins for PWM.
- 12 analog input pins.
- ICSP header يستخدم لبرمجة الميكروكنترولر مباشرة
- RST button.
- USB connection.
- 16-MHz crystal oscillator.
تعتبر لوحة الأردوينو مايكرو نسخة مصغرة من لوحة الأردوينو ليوناردو وتحتوي على وصلة USB مدمجة.
Arduino Lilypad
تم تصميم لوحة الأردوينو ليلي باد كتكنولوجيا نسيجية إلكترونية، بحيث تم تزويدها بظهر ناعم يمكن خياطته في الملابس باستخدام خيط موصل. وتحتوي على لوحات إدخال/إخراج وطاقة ومستشعر وتتميز بكونها قابلة للغسل دون أن تتعرض للتلف.
Arduino RedBoard
يمكنك استخدام هذه اللوحة بكفاءة مع نظام التشغيل Windows 8 دون الحاجة إلى تغيير الإعدادات. ما عليك سوى توصيلها بنظامك وكتابة التعليمات البرمجية لتحميلها على اللوحة. ويمكنك التحكم في اللوحة باستخدام مقبس أسطواني مع كابل USB.
Arduino Mega R3
لوحة الأردوينو ميجا هي لوحة تحكم دقيقة قوية تعتمد على متحكم دقيق من نوع ATmega256. تعد مثالية لتصميم المشاريع التي تتطلب مدخلات ومخرجات رقمية كبيرة. وتحتوى على ما يلي:
- 54 digital input/output pins
- 16 analog inputs
- 4 UARTs
- 16 MHz crystal oscillator
- USB connection
- Power jack
- ICSP header
- Reset button
Arduino Leonardo
لوحة الأردوينو ليوناردو هي عبارة عن لوحة تحكم دقيقة متعددة الاستخدامات تعتمد على متحكم دقيق من نوع ATmega32u4. وتعد أبسط نوع من أنواع لوحات الأردوينو وأرخصها، مما يجعلها مناسبًا للغاية للمبتدئين. وبخلاف لوحات الأردوينو السابقة، فإنها لا تتطلب معالجًا إضافيًا لمنفذ USB. ويمكن أن تظهر على شكل فأرة أو لوحة مفاتيح لجهاز الكمبيوتر أو منفذ تسلسلي افتراضي. وتحتوي على ما يلي:
- Built-in USB communication
- 20 digital input/output pins
- 7 PWM outputs
- 12 analog inputs
- 16 MHz crystal oscillator
- Micro USB connection
- ICSP header
- Reset button
لماذا يجب عليك استخدام الأردوينو؟
اليوم، يستخدم العديد من الأشخاص الأردوينو. إنه سهل الاستخدام والبرمجة، مما يجعله أكثر شعبية بين المستخدمين المبتدئين والمتقدمين على حد سواء. وفيما يلي مميزات الأردوينو:
رخيص: يمكنك تجميع قطع لوحة الأردوينو يدويًا أو استخدام لوحات أردوينو مجمعة مسبقًا كلا الخيارين غير مكلف على الإطلاق. (يمكنك إلقاء نظرة على مكونات الأردوينو لدينا والتعرف على الأسعار).
متعدد المنصات: يمكنك توصيل لوحة الأردوينو الخاصة بك بأي منصة مثل أنظمة التشغيل Windows وMac وLinux.
بيئة برمجة بسيطة: بيئة التطوير المتكاملة لبرنامج الأردوينو بسيطة وسهلة التعلم، حيث تأتي مع إصدار بسيط من C++
تعدد الاستخدامات: يمكن استخدام الأردوينو لمجموعة واسعة من التطبيقات، بداية من مشاريع DIY البسيطة وحتى الحلول الصناعية المعقدة. يدعم العديد من أجهزة الاستشعار والمحركات ووحدات الاتصال، مما يجعله قابلاً للتكيف بدرجة كبيرة
عيوب الأردوينو
على الرغم من الأسباب المختلفة التي تجعلك تفكر في استخدام الأردوينو والتي ذكرناها أعلاه، فلابد أن تتعرف كذلك على عيوبه وحدود عمله قبل الشروع في استخدامه لضمان تحقيق النتائج المرجوة. وفيما يلي عيوب ومساوئ الأردوينو.
ذاكرة صغيرة: لا يحتوي الأردوينو على ذاكرة كافية لتخزين حجم كبير من البرامج والمتغيرات. كما لا يمكنك إضافة ذاكرة خارجية إليه، يمكن استخدام ATmega32 وATmega128 للذاكرة الخارجية، ولكن حينها لن تتمكن من الاستفادة من وظائف المداخل والمخارج الرقمية.
لا يمكن للوحة الأردوينو استيعاب الذاكرة الخارجية بسبب افتراضات تصميمها، حيث أنها عبارة عن كمبيوتر أحادي اللوحة غير مكلف يعتمد على Intel ولم يتم تصميمها لتحل محل حاسوب كامل مع متطلبات نظام عالية.
السرعة: يتراوح معدل ساعة وحدة المعالجة المركزية في لوحة الأردوينو بين 8 و20 ميجا هرتز – وهو أبطأ بكثير من معظم المنصات. يمكنك تنفيذ العديد من التعليمات في كل دورة ساعة، وهذا يعني الكثير من نشاط وحدة المعالجة المركزية المتاح للتعامل معه بين كل نبضة.
الطاقة الكهربائية: عند العمل مع لوحات الأردوينو يجب عليك مراعاة متغيرات الجهد نظرًا لأن بعض الأجهزة بها لا تتحمل سوى 3.3 فولت بينما تتحمل أجهزة أخرى 5 فولت. إذا قمت بتوصيل منطق ترانزستور ذو جهد 5 فولت بجهاز 3.3 فولت، فسيؤثر ذلك على الأجهزة وقد يؤدي إلى إلحاق الضرر بجهاز الأردوينو الخاص بك.
عدم وجود ميزات متقدمة: بالمقارنة مع وحدات التحكم الدقيقة ولوحات التطوير الأكثر تقدمًا (مثل Raspberry Pi أو STM32)، يفتقر الأردوينو إلى ميزات مثل تعدد المهام وسرعات المعالجة الأعلى والواجهات الطرفية الأكثر تطورًا.
استهلاك الطاقة: في حين أن الأردوينو مناسب للعديد من المشاريع التي تعمل بالبطارية، إلا أنه ليس المنصة الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. قد تتطلب بعض التطبيقات بدائل أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
بيئة تطوير محدودة: يفتقر Arduino IDE، على الرغم من سهولة استخدامه، إلى العديد من الميزات المتقدمة الموجودة في بيئات التطوير الأكثر تطورًا. قد لا يكون الخيار الأفضل للمستخدمين الذين يحتاجون إلى أدوات تصحيح أخطاء متقدمة أو الذين يعملون على مشاريع واسعة النطاق.
قيود الحجم والإدخال/الإخراج: على الرغم من أن لوحات الأردوينو تأتي بأحجام مختلفة، إلا أن عدد المداخل والمخارج والأجهزة الطرفية محدود، مما قد يكون مقيدًا للمشاريع التي تتطلب اتصالات عديدة أو تكوينات أكثر تعقيدًا.
تطبيقات واستخدامات الأردوينو
الروبوتات: يعتبر الأردوينو مناسب لكل مشاريع الروبوتات ذات المستوى المبتدئ والمتوسط، حيث يمكنك تزويد لوحة الأردوينو بأوامر أساسية لجعل الروبوت يعمل، وإضافة ميزات أساسية مثل الاستشعار والاستجابة للظروف البيئية.
GPS: يمكنك استخدام الأردوينو لتتبع الأجهزة والمركبات وإنشاء التطبيقات التي تعتمد بشكل كبير على GPS
إنترنت الأشياء(IOT): حيث يمكنك استخدام لوحات الأردوينو لجمع المعلومات باستخدام أجهزة الاستشعار. لتتم معالجة البيانات المجمعة بعد ذلك ونقلها لتطوير أجهزة مختلفة.
الأدوات التعليمية: يستخدم الأردوينو في الفصول الدراسية لتعليم الطلاب عن الإلكترونيات والبرمجة والروبوتات، فهو يوفر تجارب تعليمية عملية ويساعد الطلاب على فهم المفاهيم بطريقة عملية.
أتمتة المنزل: باستخدام الأردوينو، يمكنك أتمتة جوانب مختلفة من منزلك، مثل الإضاءة والتحكم في درجة الحرارة وأنظمة الأمان، باستخدام أجهزة الاستشعار والمحركات.
التكنولوجيا القابلة للارتداء: يستخدم الأردوينو في تطوير التكنولوجيا القابلة للارتداء، مثل الملابس الذكية أو أجهزة مراقبة الصحة، نظرًا لصغر حجمها وانخفاض استهلاكها للطاقة.
المراقبة البيئية: يمكن استخدام الأردوينو لبناء أجهزة تراقب الظروف البيئية، مثل جودة الهواء أو درجة الحرارة أو الرطوبة أو رطوبة التربة، مما يوفر بيانات قيمة لجهود البحث والمحافظة.
الآلات الموسيقية المخصصة: يستخدم الموسيقيون ومهندسو الصوت الأردوينو لإنشاء أدوات موسيقية مخصصة وأجهزة مؤثرات صوتية، وتجربة طرق جديدة لإنتاج الصوت والتلاعب به.
التكنولوجيا المساعدة: يستخدم الأردوينو لتطوير أجهزة مساعدة للأشخاص ذوي الإعاقة، مثل أجهزة التحكم المخصصة أو أدوات الاتصال.
في النهاية، لا شك بأن الأردوينو يقدم إمكانيات لا حصر لها للهواة والمحترفين على حد سواء. حيث أنه يوفر لك الموارد والأدوات التي تحتاجها لتحويل أفكارك إلى مشاريع حقيقية. والآن، هل أنت مستعد لتنفيذ مشروعك القادم؟ إذا كان الأمر كذلك، يمكنك أن تجد الأردوينو وملحقاته وأي أدوات أخرى لدينا، فلا تتردد في الطلب الآن.
