ما هو الأردوينو (Arduino)؟

8 فبراير، 2017

مقدمة

الأردوينو هو عبارة عن منصة مفتوحة المصدر يتم استخدامها لبناء المشاريع الإلكترونية. يتكون الأردوينو من لوح دوائر كهربية قابل للبرمجة (يطلق عليه المتحكم الدقيق (microcontroller))، بالإضافة لجزء يتعلق بالبرمجة عبارة عن بيئة تطوير متكاملة (Integrated Development Environment (IDE)) تعمل على الكمبيوتر، ويتم استخدامها لكتابة وتحميل الأكواد البرمجية من الكمبيوتر إلى لوح الأردوينو.

أصبحت ألواح الأردوينو شائعة إلى حد ما مع الأشخاص حديثي العهد بالتعامل مع الإلكترونيات لأسباب وجيهة. فعلى عكس جميع ألواح الدوائر الإلكترونية القابلة للبرمجة السابقة للأردوينو، لا يحتاج الأردوينو إلى قطعة مستقلة من العتاد (تسمى المبرمج) لتحميل الأكواد البرمجية إلى اللوح- يمكنك استخدام وصلة USB للقيام بذلك.

بالإضافة لذلك تستخدم بيئة التطوير المتكاملة الخاصة بالأردوينو نسخة مبسطة من لغة C++ مما يسهل تعلم عملية البرمجة. وأخيراً يقدم الأردوينو تصميم شكلي قياسي يقوم بتقسيم وظائف المتحكم الدقيق على شكل حزمة يسهل الحصول عليها واستخدامها.

أردوينو أونو

يعتبر أردوينو أونو أحد أكثر ألواح عائلة الأردوينو شيوعاً وهو خيار ممتاز للمبتدئين. سنتحدث عما يوجد به وعما يمكن فعله باستخدامه لاحقاً في هذا الدرس.

لقطة شاشة من بيئة التطوير المتكاملة الخاصة بالأردوينو

صدق ذلك أو لا، هذه الأسطر العشرة في الصورة هي كل ما تحتاج إليه لجعل الديود الضوئي (LED) الموجود على الأردوينو يومض. ربما لا تفهم هذا الكود الآن، لكن بعد قراءة هذا الدرس والعديد من الدروس المتعلقة بالأردوينو المتاحة على موقعنا ستجد أنك تفهم كل ذلك بسهولة ويسر.

ما ستتعلمه

في هذا الدرس سنقوم بدراسة ما يلي

المشاريع التي يمكن إنجازها باستخدام الأردوينو
ما هي المكونات الموجودة على لوح الأردوينو وما أهميتها
الأنواع المختلفة من ألواح الأردوينو
بعض الأدوات المفيدة التي يمكنك استخدامها مع الأردوينو

مواضيع مقترحة للقراءة

الأردوينو أداة عظيمة للأشخاص باختلاف مستويات مهارتهم. لكنك ستقضي وقتاً أفضل بكثير في تعلم ما يتعلق بالأردوينو إذا كنت على علم مسبق ببعض المفاهيم الإلكترونية الأساسية. من الأفضل أن تمتلك الحد الأدنى على الأقل من الفهم لهذه المفاهيم قبل الخوض في عالم الأردوينو المذهل:

ما هي الكهرباء (Electricity)؟
الجهد (Voltage)، التيار (Current)، المقاومة (Resistance)، وقانون أوم (Ohm’s Law)
ما هي الدائرة الكهربية (Circuit)؟
القطبية (polarity)
الدوائر المتكاملة (Integrated Circuits (ICs) ) (قريباً)
المستويات المنطقية (Logic Levels) (قريباً)
المنطق الرقمي (Digital Logic) (قريباً)
الرقمية والتناظرية (Analog vs. Digital)

ماذا يفعل الأردوينو؟

تم تصميم الأردوينو بجزئيه: العتادي (hardware) والبرمجي (software) ليناسب الهواة، المصممين، المخترقين، الفنانين، المبتدئين وأي أحد آخر مهتم بإنشاء بيئات أو مشاريع تفاعلية. يستطيع الأردوينو التفاعل مع الأزرار، الديودات الضوئية، المحركات، مكبرات الصوت، وحدات تحديد المواقع بالأقمار الصناعية (GPS)، الكاميرات، الإنترنت، وحتى هاتفك الذكي أو تلفازك كذلك!

هذه المرونة في التفاعل بالإضافة إلى حقيقة أن برنامج أردوينو مجاني وألواح العتاد الخاصة به رخيصة، وأيضاً سهولة تعلم التعامل مع عتاد الأردوينو وبرمجياته، كل هذا أدى إلى مجتمع ضخم من مستخدمي الأردوينو قاموا بكتابة الأكواد البرمجية والتعليمات الخاصة بعدد ضخم ومتنوع من المشاريع المبنية على أردوينو.

لصناعة أي شيء إلكتروني مثل الروبوتات أو أي شيء آخر يمكن استخدام الأردوينو كعقل مفكر في أي مشروع الكتروني.

في الواقع هذا هو قمة الجبل الجليدي- إذا كنت تريد الاطلاع على الكثير من المشاريع التي تم إنشاءها بواسطة الأردوينو، إليك بعض المصادر للتعرف على تلك المشاريع لتلهمك الإبداع لتبدأ بتصميم مشاريعك الخاصة:

محتويات لوح الأردوينو

يوجد العديد من ألواح الأردوينو المتنوعة التي يمكن استخدامها لأغراض مختلفة. بعض الألواح شكلها مختلف إلى حد ما عن اللوح التالي، لكن معظم ألواح الأردوينو تشترك في وجود معظم المكونات التالية:

مدخل الطاقة (مقبس اسطواني/ USB)

تحتاج جميع ألواح الأردوينو لطريقة ما ليتم توصيلها بمصدر الطاقة. أردوينو أونو يمكن إمداده بالطاقة عن طريق كابل USB من الكمبيوتر أو من مأخذ الحائط باستخدام مقبس اسطواني (Barrel Jack). في الصورة بالأعلى يشير الرقم (1) لوصلة USB بينما يشير رقم (2) للمقبس الاسطواني.

يتم أيضاً من خلال وصلة USB تحميل الكود البرمجي إلى لوح الأردوينو. لمعرفة المزيد عن كيفية برمجة الأردوينو يمنك قراءة هذا الدرس تنصيب وبرمجة الأردوينو (قريباً).

ملحوظة: لا تستخدم أي مزود طاقة أكبر من 20 فولت لأن الأردوينو لا يتحمل جهد أكبر من ذلك، وسيتم تدميره. الجهد المُوصى به لمعظم إصدارات الأردوينو هو بين 6 و 12 فولت.

المنافذ (pins) (5V، 3.3V، أرضي (GND)، تناظري (Analog)، رقمي (Digital)، تعديل عرض النبضة (PWM)، المرجع التناظري (AREF)).

المنافذ الموجودة على لوح الأردوينو هي الأماكن التي تقوم بتوصيل الأسلاك بها لبناء دائرة الكترونية (مع استخدام لوح تجارب (breadboard) والأسلاك). تحتوي تلك المنافذ غالباً على “رؤوس” سوداء بلاستيكية تسمح لك بتوصيل سلك إلى اللوح. توجد أنواع مختلفة من المنافذ، كل منها يتم كتابة اسم أو رمز مجاور له على اللوح للتفرقة بينهم ولها العديد من الوظائف المختلفة.

GND (3): اختصار لكلمة أرضي (ground). توجد العديد من منافذ GND في لوح الأردوينو، يمكن استخدام أي منها لتأريض الدائرة.
5V (4) و 3V(5): هذان المنفذان لتزويد المكونات التي تُوصل بالأردوينو بالطاقة. منفذ 5V يزود بـ 5 فولت، بينما منفذ 3.3V يزود بـ 3.3 فولت. معظم المكونات البسيطة التي تُستخدم مع الأردوينو تعمل بشكل جيد بجهد 5 أو 3.3 فولت.
Analog (6): المنافذ الموجودة في المنطقة أسفل كلمة (Analog In) (من A0 إلى A5 في أردوينو أونو) هي منافذ الدخل التناظري. هذه المنافذ يمكنها قراءة الإشارة القادمة من المستشعرات التناظرية (مثل مستشعر الحرارة) ثم تحويلها إلى قيمة رقمية يمكننا قراءتها.
Digital (7): على الجانب الآخر من المنافذ التناظرية توجد المنافذ الرقمية (من 0 إلى 13 في أردوينو أونو). هذه المنافذ يمكن استخدامها لكل من الدخل الرقمي (مثل إخبارك إذا تم ضغط زر ما) والخرج الرقمي (مثل إضاءة ديود ضوئي).
PWM (8): ربما لاحظت العلامة (~) بجوار بعض المنافذ الرقمية (3، 5، 6، 9، 10، 11 في أردوينو أونو). هذه المنافذ يمكنها العمل كمنافذ رقمية عادية، ولكن يمكن أيضاً استخدامها في شيء يسمى تعديل عرض النبضة (Pulse-Width Modulation). هناك درس عن تعديل عرض النبضة (قريباً)، ولكن الآن تخيل أن هذه المنافذ يمكنها محاكاة منفذ خرج تناظري.
AREF (9): اختصاراً لكلمة “مرجع تناظري” (Analog Reference). في معظم الأحيان يتم ترك هذا المنفذ بدون أي وظيفة. لكن في بعض الأحيان يتم استخدامه لتعيين جهد خارجي مرجعي (بين 0 و5 فولت) كحد أقصى لمنافذ الدخل التناظري.

زر إعادة الضبط (10) (Reset Button)

تماماً مثل جهاز نينتندو (original Nintendo) يحتوي الأردوينو على زر إعادة ضبط (10). عند ضغط ذلك الزر يتم توصيل منفذ إعادة الضبط بالأرضي بشكل مؤقت وحذف أي كود محمل على الأردوينو ويتم استعادة برنامج التشغيل الأصلي للجهاز (الذي كان عليه وقت شراءه). قد يكون هذا مفيداً في حال كون الكود الخاص بك لا يتكرر، لكن عليك أن تجربه عدة مرات. على عكس نينتندو لا يساعد النفخ في الأردوينو في حل أي مشاكل.

مؤشر ديود ضوئي للطاقة (11) (Power LED Indicator)

أسفل يمين كلمة “أونو” الموجودة على لوح الأردوينو يوجد ديود ضوئي صغير مجاوراً لكلمة “ON” (مشار له في الصورة بالرقم 11). هذا الديود الضوئي يضيء عندما تقوم بتوصيل الأردوينو بمصدر للطاقة. إذا لم يعمل هذا الضوء، فمن المحتمل أن تكون هناك مشكلة، ويجب عليك أن تفحص الدائرة التي قمت بتركيبها.

ديودات ضوئية TX و RX (TX RX LEDs)

TX هو اختصار لكلمة إرسال (transmit)، RX هو اختصار لكلمة استقبال (receive). هذه العلامات توجد في الإلكترونيات للدلالة على المنافذ المسئولة عن الاتصال التسلسلي (serial communication). في حالتنا يوجد مكانين في أردوينو أونو يظهر فيهما TX و RX- الأول بجوار المنافذ الرقمية 0 و 1، والمكان الثاني بجوار ديودات مؤشرات الإرسال والاستقبال المضيئة (12). هذه الديودات تعطي لنا مؤشراً مناسباً لمعرفة إذا كان الأردوينو يرسل أو يستقبل البيانات (مثل أثناء تحميل برنامج جديد إلى لوح أردوينو).

الدائرة المتكاملة الرئيسية (main IC)

الشيء الأسود الذي يحتوي على أرجل معدنية (13) هو عبارة عن دائرة متكاملة (integrated circuit). فكر في الأمر كأن هذه الدائرة المتكاملة هي مخ الأردوينو. يختلف نوع الدائرة المتكاملة المتواجدة في الأردوينو باختلاف اللوح، ولكن غالباً تكون من خط ATmega لإنتاج الدوائر المتكاملة التابع لشركة ATMEL.

من المهم أن تعرف نوع الدائرة المتكاملة (مع معرفة نوع لوح الأردوينو) قبل تحميل أي برنامج جديد إلى الأردوينو. هذه المعلومات يمكن أن توجد مكتوبة على الجانب العلوي من الدائرة المتكاملة. إذا أردت معرفة المزيد عن الفرق بين الدوائر المتكاملة المختلفة ربما يفيدك قراءة صحف البيانات المرفقة مع الألواح.

منظم الجهد (voltage regulator)

منظم الجهد (14) هو شيء لا يمكنك (ولا يجب عليك) التعامل معه على الأردوينو. ولكن فائدته هي تعريفنا أنه موجود ووظيفته التي يقوم بها. منظم الجهد يقوم تماماً بما يُفهم من اسمه- يقوم بالتحكم في كمية الجهد التي تسري في لوح الأردوينو. فكر في الأمر وكأنه بواب؛ ووظيفته هي تصريف أي جهد فائض يمكن أن يضر الدائرة. لكن بالطبع لديه حدود، لذلك لا تقم بتوصيل الأردوينو بأي مصدر جهد أعلى من 20 فولت.

عائلة الأردوينو

يوجد العديد من ألواح أردوينو المختلفة، كل منها له إمكانيات خاصة به. بالإضافة لذلك بسبب كونه عتاد مفتوح المصدر يمكن لأي شخص تعديل وإنتاج مشتقات من ألواح الأردوينو بمعامل شكلي مختلف ووظائف مختلفة.

إذا لم تكن متأكداً أي نوع من أنواع بطاقات أردوينو يناسب مشروعك فقم بقراءة هذا الدليل للحصول على بعض النصائح والملاحظات المفيدة. إليك بعض الخيارات التي تتناسب بشكل جيد مع الأشخاص حديثي العهد بعالم الأردوينو:

أردوينو أونو (Arduino Uno (R3))

يعتبر أردوينو أونو خياراً ممتازاً كأول لوح أردوينو لك. فهو يحتوي على كل ما تحتاجه للبدء، ولا يحتوي على أي شيء لا تحتاجه. يحتوي أردوينو أونو على 14 منفذ دخل/ خرج رقمي (6 منها يمكن استخدامها كمنفذ خرج قادر على تعديل عرض النبضة)، بالإضافة إلى 6 منافذ دخل تناظري، ووصلة USB، ومقبس للطاقة، وزر لإعادة الضبط وغير ذلك المزيد.

إنه يحتوي على كل شيء لازم لتدعيم المتحكم الدقيق، قم بتوصيله بالكمبيوتر بكل بساطة بواسطة كابل USB، أو قم بتزويده بالطاقة بواسطة محول تيار متردد تيار مستمر (AC to DC adapter) أو بطارية، وابدأ العمل.

أردوينو ليلي باد (زنبق الماء) (LilyPad Arduino)

أردوينو ليلي باد هو عبارة عن بطاقة قابلة للارتداء بتكنولوجيا المنسوجات الإلكترونية (e-textile technology) تم تطويرها بواسطة المُطورة Leah Buechley، وتم تصميمها بالتعاون بينها وبين SparkFun. تم تصميم أردوينو ليلي باد بشكل مبتكر بحيث يحتوي على منافذ متسعة للتوصيل وخلفية مسطحة حتى يمكن حياكتها في الملابس بواسطة خيوط موصلة للكهرباء. لألواح ليلي باد أيضاً عائلة خاصة من منافذ الدخل، الخرج، الطاقة وكذلك المستشعرات، فقد تم تصميمها جميعاً يشكل خاص لتناسب الملابس الإلكترونية. لوح أردوينو ليلي باد قابل للغسل أيضاً!

اللوح الأحمر (RedBoard)

نحن في SparkFun نستخدم العديد من بطاقات أردوينو، ودائماً نبحث عن أبسطها وأكثرها استقراراً. كل بطاقة أردوينو تختلف عن الأخرى، ولا توجد بطاقة واحدة تحتوي على كل ما نريده- لذلك قررنا أن نقوم بصناعة إصدار خاص بنا يجمع بين جميع المميزات التي نفضلها.

اللوح الأحمر يمكن برمجته باستخدام كابل USB Mini-B عن طريق بيئة التطوير المتكاملة الخاصة بالأردوينو. يمكنه العمل مع ويندوز 8 بدون الحاجة لتعديل إعدادات الأمان الخاصة بك (استخدمنا برامج تشغيل مُوقعة (signed drivers) عل عكس أردوينو أونو).

هذه البطاقة أكثر استقراراً بسبب شريحة USB/FTDI التي قمنا باستخدامها، بجانب أنها مسطحة الظهر بالكامل، مما يسهل من عملية دمجها في مشاريعك. فقط قم بتوصيل اللوح ثم اختر (Arduino UNO) من قائمة الألواح، الآن اللوح جاهز ليتم تحميل الأكواد البرمجية عليه. يمكنك توصيل الطاقة للوح الأحمر من خلال كابل USB أو عن طريق مقبس اسطواني. منظم الجهد الموجود على اللوح يمكنه استيعاب جهد مستمر بين 7 إلى 15 فولت.

أردوينو ميجا (Arduino Mega (R3))

أردوينو ميجا هو الأخ الأكبر لأردوينو أونو. فهو يحتوي على الكثير (54!) من منافذ الدخل/ الخرج الرقمي (14 منها يمكن استخدامها كمخارج ذات قدرة على تعديل عرض النبضة)، بالإضافة إلى 16 منفذ دخل تناظري، وصلة USB، مقبس للطاقة، وزر لإعادة الضبط.

العدد الكبير من المنافذ الموجود في هذا اللوح يجعله مناسباً جداً للمشاريع التي تتطلب الكثير من منافذ الخرج/ الدخل الرقمية (مثل المشاريع التي تحتوي على الكثير من الديودات الضوئية).

أردوينو ليوناردو (Arduino Leonardo)

أردوينو ليوناردو هو أول لوح أردوينو مطور يستخدم متحكم دقيق واحد مع منفذ USB مدمج. هذا يعني أنه أكثر بساطة وأرخص سعراً. أيضاً بسبب تعامل اللوح مع USB بشكل مباشر فإن مكتبات الأكواد (code libraries) متاحة لتسمح للوح بالاتصال بالكمبيوتر كفأرة أو لوحة مفاتيح!

الأسرة الممتدة للأردوينو

ألواح الأردوينو رائعة بالتأكيد، لكن لا يمكنها فعل كل شيء بمفردها- وللقيام بوظيفة معينة ستحتاج لتوصيل مكون آخر ببطاقة الأردوينو. هناك العديد من الدروس حول ذلك بالإضافة للروابط التي طرحناها في جزء (ماذا يفعل الأردوينو؟)، لكن من النادر أن نتحدث عن أنواع المكونات التي يمكن توصيلها بالأردوينو.

في هذا الجزء سنتحدث عن بعض المستشعرات (sensors) الرئيسية بالإضافة لأغطية الأردوينو (دروع الأردوينو) (Arduino shields)، وكلاهما يُعتبر أدوات مفيدة للاستخدام في إنشاء وتطوير مشاريعك.

المستشعرات (sensors)

باستخدام بعض الأكواد البسيطة يستطيع الأردوينو التحكم والتفاعل مع العديد من المستشعرات المختلفة التي يمكن بواسطتها قياس: الضوء، الحرارة، درجة الانثناء، الضغط، التقارب، التسارع، نسبة أول أكسيد الكربون، الإشعاع، الرطوبة، الضغط البارومتري، ونبضات القلب.

بعض المستشعرات التي يمكن بسهولة توصيلها بالأردوينو

الأغطية (الدروع) (Shields)

أيضاً توجد مكونات تسمى الأغطية، وهي بشكل أساسي ألواح دوائر إلكترونية مسبقة البناء يتم تركيبها أعلى ألواح الأردوينو لتزويدها بإمكانيات إضافية مثل التحكم بالمحركات، الاتصال بالإنترنت، السماح بالاتصال الهاتفي وإرسال الرسائل عن طريق شبكة المحمول، أو الاتصال اللاسلكي، التحكم في شاشات LCD، وغير ذلك الكثير.