ما هو الأردوينو Arduino ومميزاته واستخداماته (كل ما تحتاج لمعرفته)

الأردوينو وبرمجياته لم يعد فقط مقصور على مهندسي الحاسوب والمبرمجين، بل لقد بلغت برمجياته البساطة والسهولة إلى الدرجة التي تجعل المبتدئين والغير تقنيين وحتى الأطفال يستطيعون استخدامه وإنشاء الروبوتات والأجهزة باختلاف بساطتها أو تعقيدها باستخدامه.

وسنتحدث اليوم عن الأردوينو لكي نفتح لك باب تقنية ربما لم تعرف أنه يمكنك -أيًا من كنت- أن تستخدمها وتتقنها.

ما هو الأردوينو Arduino؟

الأردوينو هو برمجية Software وهاردوير Hardware مفتوح المصدر تستطيع من خلاله بكل بساطة التحكم بالأجهزة، وأداء عدد كبير من الوظائف بناءًا على ما تبرمجه من تفاعل للبرمجة والهاردوير مع المدخلات التي تختارها، بحيث تكون المخرجات تحقق الأهداف التي تريدها.

وهذا يشمل الأجهزة الصغيرة مثل المصباح الذي ينير ويظلم بالتصفيق له، أو القمر الصناعي الصغير الذي يدور في الفضاء.

لقد حل الأردوينو العديد من الأزمات؛ فمن خلال استخدام لوحة التحكم الخاصة به البسيطة، والتي لا تحمل أي تعقيدات تقنية يمكنك فعل كل شيء ببساطة.

وذلك بدلاً من التعامل مع وحدات التحكم المصغرة Microcontrollers بدليل استخدامها الذي يتعدى الـ 300 صفحة، ومحاولة برمجة كل مدخل بشكل يدوي، والمرور بالعديد من الخطوات الشاقة والمعقدة التي تتطلب أن تكون مهندس حاسوب أو مبرمج متخصص بوحدات التحكم المصغرة Microcontrollers لكي تتقنها.

بالنسبة للكود والبرمجة، فالأمر أصبح سهلًا للغاية، فلقد قامت الشركة المصنعة بتصميم برنامج ولغة برمجة خاصة تسهل القيام ببرمجة لوحة التحكم مع دوال بداخل اللغة.

فبدلًا من كتابة عشرات السطور من الأكواد يمكنك بسهولة أن تقوم ببناء ما تريد من هذه الدوال إن لم تكن موجودة أساسًا، وحتى هذا الجزء يمكنك تجاوزه من خلال استخدام المكتبات الكثيرة الجاهزة الخاصة بالأردوينو.

من مميزات الأردوينو الكبيرة كذلك أنه رخيص للغاية، ويمكن تحمل تكلفته إذا أن لوحة التحكم الواحدة الخاصة به قد تبلغ تكلفتها حوالي الـ 400 جنيه مصري، وهو ما يُعد صفقة رابحة للغاية مقارنة مع ما يمكنك فعله باستخدامها.

وحتى وإن لم يتوافر لديك هذا المبلغ فالأردوينو مفتوح المصدر، والعديد من الشركات الصينية تنتج بدائل شبه متطابقة مع لوحات التحكم الأصلية بأسعار أرخص للغاية.

الأردوينو كذلك يأتي بالعديد من الأسماء والأشكال، فلوحات التحكم الخاصة به تتنوع في أشكالها ومميزاتها وأحجامها بالشكل الذي يناسب أي استخدام تريد عمله من خلالها.

وزيادة على ذلك هناك دروع أو Shields تستطيع دمجها مع لوحات التحكم التي معك لإضافة خواص وقدرات جديد لم تكن موجودة كالويفاي والبلوتوث، والعديد من القدرات الأخرى الأكثر تقدمًا.

اقرأ أيضًا: الواقع الافتراضي Virtual reality (كل ما تحتاج لمعرفته)

قصة الأردوينو Arduino

تاريخ الأردوينو وكيفية إنشاءه بمراحله المختلفة هي واحدة من القصص التي أفضلها في عالم التقنية، والتي تثبت أن الحاجة أم الاختراع بالفعل!

في بدايات الألفية الثالثة ظهر من معهد التصميم التفاعلي في إفريا بإيطاليا فكرة الأردوينو من قبل فريق صغير يتكون من خمس أشخاص فقط، وهم ماسيمو بانزي وديفيد كوارتيليس وجيانلوكا مارتينو وتوم إجوي وديفيد ميليس.

كانت الأسباب التي دفعت هذا الفريق إلى ابتكار الأردوينو هو كون وحدات التحكم المصغرة Microcontrollers كانت صعبة في التحكم والبرمجة في هذا الوقت.

كما أنه لإنشاء لوحة تحكم واحدة مكونة من الأجزاء الأساسية مثل المدخلات والمخرجات والذاكرة وما شابه… ستضطر لأن تدفع الكثير من الأموال، والتي قد تصل إلى 100 دولار وهو مبلغ كبير في بدايات الألفينيات.

هذا ما دفع هذا الفريق إلى محاولة التوصل وصنع نماذج سهلة الاستخدام سواء من الناحية البرمجية Software أو من ناحية الهاردوير Hardware، وذلك من أجل أن يستخدمها الطلاب والباحثون وحتى الفضوليين في أي مكان وفي أي وقت لصنع ما يخطر على بالهم من دون أن يتكبدوا عناء الخوض في التفاصيل التقنية الصعبة، ولا أن يضطروا لدفع المبالغ الباهظة من أجل هذا.

أما عن الاسم أردوينو نفسه فله قصة طريفة؛ فهو مأخوذ من مكان كان يعتاد فيه ماسيمو بانزي -أحد أفراد الفريق- أن يجلس وأن يقابل باقي أفراد الفريق فيه.

وهذا الاسم نفسه مأخوذ من حاكم كان يحكم منطقة إفريا حوالي العام 1002 ميلادي، والذي سمي هذا المكان باسمه تخليدًا لذكراه، والتي ستُخلد أبد الحياة بسبب لوحات التحكم الخاصة بالأردوينو.

الأمر الآخر المميز في هذه القصة؛ أن الفريق قد قرر أن يجعل كل من البرمجة وتصميم الألواح مفتوح المصدر، مما يعني أن أي شخص في العالم يستطيع معرفة البرمجة والتصميم الخاص بالأردوينو، وأن يستخدمها أو يعدل عليها بدون الحاجة للدفع لهذا الفريق، وهذا لأنهم آمنوا بأن هذه التقنية حق للجميع، وأنها يجب أن تكون متاحة لأي أحد بغض النظر عن جنسيته أو حالته المادية.

اقرأ أيضًا: أكبر شركات البرمجيات في العالم (حيتان التكنولوجيا)

ماذا يستطيع الأردوينو Arduino أن يفعله: التطبيقات

الأردوينو قادر على فعل الكثير من الأشياء بالرغم من كونه كما تعرف جهاز بسيط نسبيًا، وله عدد محدود من الأجزاء في لوحة تحكمه، فهو قد اُستخدم بالفعل في أشياء بالغة التعقيد والدقة، مثل الأقمار الصناعية وتحليل البيانات الجينية الخاصة بالبشر وعشرات الاستخدامات الأخرى المعقدة.

هذه الزخم الذي يستطيع الأردوينو أن يصنعه ناتج من فكرة بسيطة للغاية، وهي استقبال المدخلات والتفاعل معها حسب البرمجة باستخدام مخرجات مناسبة.

وهذه المدخلات تأتي من خلال مستشعرات أو Sensors مختلفة قد تكون هذه المستشعرات تستطيع التعامل مع الإضاءة، أو مرور الكهرباء أو الحرارة أو الرطوبة أو أي شيء آخر حرفيًا.

هذه المدخلات متنوعة؛ فقد تكون مدخلات ثنائية Binary Inputs لها قيمة 0 أو 1، وهذه التي تستخدم في الحالات التي لها احتمالان، مثل: هل المصباح مغلق أم مفتوح، هل تمر الكهرباء في هذا الجهاز أم لا.

وهناك أيضًا مدخلات تناظرية  Analog Inputs، والتي تكون في الحالات التي لها قيم متغيرة، مثل شدة الإضاءة أو مقدار الكهرباء التي تمر في الجهاز أو درجة الحرارة وهكذا.

من خلال هذا التنوع في المدخلات يستطيع الأردوينو بكفاءة أن يقوم بالعديد من الأشياء سواء المعقدة والبسيطة خاصة مع وجود الدروع أو Shields، والتي تستطيع أن تضيف قدرات أكثر للوحات التحكم هذه، وأن تجعل عمليات الاستشعار والتحكم أقوى بكثير.

تطبيقات الأردوينو لا تحصى؛ فالعديد من الشركات والتقنيات تعتمد عليه، خذ على سبيل المثال إنترنت الأشياء IOT الذي تساهم ألواح التحكم في الأردوينو في تسهيله وجعله متاحًا لها.

والأردوسات ArduSat القمر الصناعي الذي يعتمد على ألواح تحكم الأردوينو، والأردو بايلوت ARDUPILOT الشهير الذي يستطيع أن يقود الدرونز والشاحنات بشكل أوتوماتيكي، وهو أيضًا برمجية Software وهاردوير Hardware مفتوح المصدر.

هذه الأمثلة لا تتعدى غيض من فيض، فلأن الأردوينو مفتوح المصدر الكثير من الشركات والباحثين يقوموا يوميًا باستخدامه لصنع الاختراعات الرائعة.

وعند اتقانك للأردوينو ستستطيع أنت أيضًا أن تقوم بعمل الكثير من الأجهزة، ومن يعرف لربما تستطيع أن تبدأ بيزنس كبير باستخدام فكرة واحدة ناجحة وألواح تحكم الأردوينو مثل الآلاف ممن سبقوك.

اقرأ أيضًا: تعلم الذكاء الاصطناعي (كل المصادر والمعلومات التي تحتاجها)

لماذا الأردوينو Arduino بالتحديد: مميزاته

الأردوينو عبارة عن معجزة بشرية تجمع بين الفعالية والدقة وبين البساطة والسهولة، فهي مناسبة لأي أحد كان مهما كانت علاقته بالتقنية أو معرفته السابقة بـ البرمجة أو بـ لغات البرمجة.

كما أنه أداة قوية من الممكن أن تستخدم في كافة المجالات تقريبًا بداية من البحث العلمي وحتى الصناعات الترفيهية، وليس هذا فقط، بل أن هناك خمس أسباب هامة ستجعل الأردوينو في معظم الأحيان خيارك الأول، وهي:

1. تكلفة الأردوينو

الأردوينو رخيص الثمن كثيرًا مقارنة بمنصات بوحدات التحكم المصغرة Microcontrollers الأخرى المنافسة له، وعلى الرغم من وجود العديد من المنتجات وألواح التحكم متباينة القدرات والخصائص والأسعار، إلا أن سعره تنافسي للغاية حتى في الألواح المتخصصة الأغلى نسبيًا من لوحة التحكم الشعبية Arduino Uno.

2. كون الأردوينو متعدد المنصات

بيئة الأردوينو من الممكن أن تعمل على عدة أنظمة تشغيل كالويندوز والماك و اللينكس، وهذا ما يوفر لك حرية كبيرة في استخدامه على عكس منصات وحدات التحكم المصغرة Microcontrollers الأخرى المحدودة بنظام التشغيل ويندوز فقط.

هذه المشكلة كانت واحدة من المشكلات التي دفعت الفريق إلى عمل الأردوينو؛ حيث كانت حواسيب المعهد الخاص بهم تعتمد بشكل أساسي على نظام التشغيل ماكنتوش، وهو ما صعب عليهم التعامل مع وحدات التحكم المصغرة Microcontrollers، وهذا ما راعوه بعد ذلك في تصميمهم للأردوينو.

3. بساطة ووضوح البيئة البرمجية الخاصة به

ميزة كبيرة في البيئة البرمجية للأردوينو أنها بسيطة وسهلة حتى إذا لم يكن لديك خلفية مسبقة عن البرمجة أو عن أي لغة برمجة، كما أنها مع هذا الوضوح والسهولة مرنة لكي يستطيع المحترفون والمتخصصون التعامل معها وعمل المشروعات المعقدة بسهولة شديدة.

فالبيئة البرمجية للأردوينو معتمدة على بيئة برمجية تسمى بروسيسنج Processing، والتي صممت في الأساس من أجل تعليم البرمجة للمهتمين بالفن والتصميم، ولذا فأنها سهلة التعلم خاصة للذين لا يعلمون شيئًا عن البرمجة.

4. برمجية الأردوينو مفتوحة المصدر ومرنة

كون برمجية الأردوينو منشورة كأدوات مفتوحة المصدر جعلها قابلة للاتساع من قبل المتخصصين، وفتح الباب أم العديد من المكتبات المفيدة التي يمكن استخدامها، هذا بالإضافة إلى إمكانية استخدام مكتبات لغة البرمجة C++ مباشرة على الأردوينو مما وفر لها العديد من المميزات وجعلها قابلة أكثر للاستعمال ومرنة.

ميزة أخرى هامة في برمجية الأردوينو هي إمكانية التعامل من خلال لغة برمجة وحدات التحكم المصغرة Microcontrollers الـ AVR C مباشرة من أجل فهم للتفاصيل التقنية، أو حتى لإدخال الكود الخاص بها مباشرة على الأردوينو.

5. هاردوير الأردوينو مفتوح المصدر

كون الهاردوير الخاص بالأردوينو مفتوح المصدر أيضًا جعل من الممكن للشركات والمصممين حول العالم أن يصنعوا نسخهم الفريدة والمعدلة من ألواح تحكم الأردوينو، وهو ما ساهم في خلق تحسينات وميزات كثيرة للعديد من هذه الألواح المحسنة، ويمكنك الاطلاع على تصميم لوحة التحكم Arduino Uno على سبيل المثال من خلال الموقع الرسمي للأردوينو.

6. مجتمع الأردوينو الكبير للغاية

مجتمع الأردوينو الضخم هو عامل جذب شديد لتعلم والعمل بالأردوينو، لأنك ستجد الكثير من الحلول وستستطيع سؤال المختصين أو حتى إيجاد إجابات الأسئلة التي ستواجهك أثناء تعلمك، كما أنك سوف تجد الكثير من التجارب الخاصة بالعمليات التجارية أو التصنيعية أو البرمجية.

7. المكتبات الكثيرة للغة الأردوينو

هناك العديد من المكتبات البرمجية للأردوينو، والتي ستسهل عليك بشكل كبير استخدامه فبدلًا من أن تحتاج إلى كتابة عشرات الأسطر من أجل تعريف دالة معينة سوف تستطيع أن تستخدمها بمجرد استيرادها من المكتبة، ومن أشهر هذه المكتبات:

• مكتبة EEPROM: هذه المكتبة تستطيع التعامل مع الذاكرة الدائمة الخاصة بلوحة التحكم.
• مكتبة Ethernet: من خلالها تستطيع توصيل لوحة التحكم الخاصة بك بالإنترنت.
• مكتبة SD: عبر هذه المكتبة تستطيع أن تجعل لوحة التحكم تتفاعل مع بطاقات SD.
• مكتبة TFT: هذه المكتبة مختصة بالتعامل مع الصور والنصوص والأشكال على شاشة TFT الخاصة بالأردوينو.

وهناك غير هذه المكتبات عشرات المكتبات الأخرى؛ سواء التي تأتي مع لوحة التحكم، أو التي تستطيع تحميلها وتنصيبها من على الانترنت.

اقرأ أيضًا: ما هو علم البيانات Data Science: التخصص الأكثر إثارة في العالم

الأردوينو Arduino كهاردوير

لوحة التحكم الخاصة بالأردوينو قد تبدو في البداية معقدة بعض الشيء، إلا أنه بعد القليل من الوقت ستستطيع بسهولة أن تفهمها، وتفهم دور كل قطعة فيها وسبب وضعها، وبعد المرور عليها ستدرك كيف أنها تجمع بين الكفاءة والبساطة الشديدتان.

ومن أشهر لوحات التحكم الخاصة بالاردوينو هي لوحة تحكم Arduino UNO، ولذلك سوف نقوم بشرح مكونات لوحة التحكم هذه وفقاً للترقيم الموضح في الصورة بالأسفل.

وأجزاء لوحة تحكم Arduino UNO الأشهر والأكثر استخداماً هي:

1. منفذ USB للطاقة: يمكن للوحة تحكم الأردوينو أن تتصل بكابل الـ USB مباشرة من الكمبيوتر.

2. منفذ الطاقة: يمكن للوحة الطاقة الخاصة بالأردوينو أن تشحن مباشرة من مصدر الكهرباء باستخدام الوصلة المخصصة.

3. مدخل الجهد الأرضي Ground Pin

4. مدخل جهد 5 فولت

5. مدخل جهد 3.3 فولت

6. المدخلات التناظرية Analog pins: هذه هي الست مدخلات تناظرية الخاصة بلوحة تحكم الأردوينو UNO، وهي مرقمة من A0 وحتى A5، وهذه المدخلات هي القادرة على تلقي الإشارة من المستشعرات، مثل مستشعرات الرطوبة والحرارة ومن ثم تحويلها إلى قيمة رقمية من الممكن قراءتها من قبل المعالج.

7. المدخلات الثنائية Digital I/O: في لوحة تحكم الأردوينو UNO 14 مدخل ثنائي يعملان على قراءة القيم المنطقة 0 أو 1.

8. مضمنات عرض النبضة Pulse Width Modulation أو PWM.

9. الجهد المرجعي الخارجي AREF: يعمل على تغذية الجهد المرجعي من خلال مصدر الطاقة الخارجي.

10. زر إعادة الضبط Arduino Reset: من خلال هذا الزر يمكنك إعادة ضبط لوحة الأردوينو أي بدء البرنامج من البداية، وفي الحقيقة يمكنك إعادة ضبط لوحة أردوينو UNO بطريقتين إما من خلال زر إعادة الضبط هذا، أو من خلال زر إعادة الضبط الخارجي الذي يمكن توصيله بلوحة التحكم.

11. لمبة الليد الخاصة بالطاقة Power LED indicator: هذه اللمبة تتصل بمصادر الطاقة للوحة الأردوينو، وتضئ عندما يمر التيار الكهربي في لوحة الأردوينو.

12. لمبتي الإرسال والاستلام TX and RX LEDs: هاتان اللمبتان يريان المستخدم أن عملية إرسال واستلام البيانات من وإلى لوحة الأردوينو سليمة.

13. وحدة التحكم المصغرة الرئيسية Main microcontroller: هذه القطعة هي القطعة الرئيسية والأكثر أهمية في لوحة تحكم الأردوينو، ويمكنك التعامل معها على أنها عقل لوحة التحكم، وعادة ما تكون وحدة التحكم المصغرة Microcontroller في لوحات الأردوينو من صنع شركة ATMEL.

14. منظم الجهد Voltage Regulator: ووظيفة هذا الجزء أن ينظم الشحنات الكهربية الداخلة إلى لوحة الأردوينو.

وبجانب لوحة تحكم Arduino UNO هناك العديد من اللوحات الأخرى التي تختلف في المكونات وفي الوظائف التي تناسبها، ومن أشهر لوحات التحكم الأخرى الخاصة بالأردوينو:

• لوحة تحكم Arduino Due.
• لوحة تحكم Arduino Mega.
• لوحة تحكم Arduino Leonardo.
• لوحة تحكم Arduino LilyPad.
• لوحة تحكم Arduino Nano.
• لوحة تحكم Arduino Micro.
• لوحة تحكم Arduino Bluetooth.

اقرأ أيضًا: مكونات الحاسب الآلي (شرح لكل مكون ووظيفته بشكل مبسط)

الفرق بين الأردوينو Arduino والرسبري باي Raspberry Pi

من الضروري أن نقارن بين الأردوينو والرسبري باي، فهما مثل الأندرويد والـ J IOS في عالم الهواتف المحمولة، وعلى الرغم من أنهما ليس نفس الشيء، ولا يقعان تحت تصنيف واحد إلا أن دائمًا ما يكون هناك جدل كبيرة حولهم.

وإليك في نقاط الفرق بينهم:

1. الطبيعة: الأردوينو وحدة تحكم مصغرة Microcontroller، بينما الرسبري باي هو معالج مصغر Micrpprocessor، وتستطيع أن تطلق عليه كمبيوتر كامل مصغر به جميع الأجزاء التي تتواجد في حاسوبك، ولذا فأنه أقوى كثيرًا ولذا فهو أكثر تعقيدًا.

2. المكون الرئيسي: المكون الرئيسي للأردوينو كما قلنا هو وحدة تحكم مصغرة Microcontroller التي تأتي عادة من شركة Atmel، بينما الرسبري باي مكونه الرئيسي المعالج المصغر من نوع ARM.

3. نظام التشغيل: لا يعتمد الأردينو على أنظمة التشغيل ولا يحتوي على واحد، بينما لدى الرسبري باي نظام تشغيل يدعى Raspberry Pi OS مبني على نظام التشغيل لينكس Linux.

4. المهمات: يركز الأردوينو في العادة على مهمة واحدة فقط يقوم بها أو عدة مهمات صغيرة، بينما الرسبري باي يستطيع معالجة عدد كبير من المهمات في نفس الوقت، وهذا بسبب المعالج القوي الخاص به.

5. السعر: الرسبري باي أغلى من الأردوينو بعض الشيء، فبينما سعر لوحة تحكم Arduino UNO هو 23 دولار، سعر الرسبري باي 35 دولار.

6. الإتاحة: الأردوينو مفتوح المصدر بشكل كامل على عكس الرسبري باي.

7. الاتصال بالإنترنت: من السهل توصيل الرسبري باي بالإنترنت، بينما لفعل هذا في الأردوينو تحتاج إلى ألواح تحكم أحدث، أو إلى إضافة دروع Shields إلى لوحة التحكم التي تستخدمها.

8. البلوتوث والوايفاي: بينما يحتوي الرسبري باي على هاردوير يسمح باتصال الوايفاي والبلوتوث يحتاج الأردوينو أيضًا إلى ألواح تحكم أحدث أو إلى إضافة دروع Shields.

9. لغة البرمجة: يمكن برمجة الأردوينو من خلال لغات البرمجة C أو C++، بينما الرسبري باي يمكن برمجته من خلال نفس لغات البرمجة C و C++ بالإضافة إلى لغة الرمجة Python و لغة البرمجة روبي Ruby و لغة البرمجة سكراتس Scratch.

لا تجعل هذا الجزء يحيرك فاستخدامك للأردوينو أو الرسبري باي يتم تحديده من خلال فكرتك أو ما تريد تنفيذه، وعادة يكون الأردوينو مناسبًا للمهام والأفكار البسيطة، أو الاتصال بالمستشعرات والاستجابة معها.

بينما الرسبري باي يكون أفضل في المهام والأفكار المعقدة، أو في حالة احتياجك إلى كمبيوتر مصغر تستخدمه لتطبيق فكرتك أو مشروعك.

في الغالب سوف يكون الأردوينو مناسبًا مع ما تحتاجه لتصميمه وصنعه، ولذا ينصح المتخصصين الهواة بالبدء بتعلم الأردوينو أولًا، ومن ثم الانتقال إلى تعلم الرسبري باي، وهذا عائد أيضًا إلى سهولة تعلم الأردوينو وبساطته مقارنة بالرسبري باي.