مصباح LED 3D راسبيري باي

تنفيذ مصباح ليد ثلاثي الأبعاد باستخدام سكراتش ولوحة راسبيري باي

مقدمة

يُمثِّل المزجُ بين البرمجة التعليمية والأجهزة الإلكترونية منخفضة الكلفة خطوةً محوريةً في نشر ثقافة التصنيع الرقمي وصناعة الحلول الإبداعية لدى الناشئة والهواة معاً. تُعدُّ منصة «سكراتش» (Scratch) بيئةً بصرية تُمكِّن المبتدئين من تعلّم مفاهيم البرمجة بأسلوبٍ تفاعلي بسيط، فيما توفِّر لوحة «راسبيري باي» (Raspberry Pi) قوة حوسبة كافية للتعامل مع مشاريع مادية حقيقية عبر منافذ‑GPIO. يجمع هذا المقال بين المنصتَين لتوضيح كيفية ابتكار مصباح ليد ثلاثي الأبعاد (3D LED Lamp) يُصمَّم على هيئة مجسَّم مضيء تفاعلي يغيِّر ألوانه وأنماطه وفق تعليمات البرمجية البَصرية التي يضعها المستخدم.

1. لمحة تقنية عن المصابيح الثلاثية الأبعاد

• الأساس الضوئي: تعتمد المصابيح ثلاثية الأبعاد على تقنية «خداع العمق» بتسليط ضوء LED عبر لوح أكريليك محفور بنمطٍ دقيق؛ إذ تنكسر الأشعة داخل الأخاديد فتظهر الخطوط بإضاءة أكثر سطوعاً، ما يوهم الناظر بوجود بُعد ثالث.

  مواضيع ذات صلة

  • 
    بناء مدونة أنجولار وفايرستور
  • 
    تعلم الخوارزميات من الصفر
  • 
    مصباح LED 3D راسبيري باي
  • 
    البرمجيات مفتوحة المصدر
  • 
    دليل شامل لـ ES6 في جافاسكريبت
  • 
    تصميم الصور للويب المتجاوب

• أنواع الـLED: يُفضَّل استخدام شرائط NeoPixel (WS2812B) أو مصفوفات DotStar نظرًا لسهولة التحكم في كل بكسل على حدة عبر بروتوكول رقمي يسمح بتغير اللون والسطوع.

• التحكم الدقيق: إن الاتصال التسلسلي لشرائط NeoPixel ببرمجية سكراتش عبر راسبيري باي يتيح إنشاء «أنماط حركية» مثل موجات التدرُّج اللوني أو المدارات الدائرية للمجسم.

2. مكوّنات المشروع

3. تحضير البيئة البرمجية

3.1 تثبيت نظام التشغيل وتحديثه

1. تحميل صورة Raspberry Pi OS عبر أداة Imager.

2. نسخ الصورة إلى بطاقة micro‑SD (32 GB).

3. تشغيل اللوحة وتحديث الحزم:

   bash
   CopyEdit
   sudo apt update && sudo apt full-upgrade -y
   

3.2 إعداد مكتبة التحكم بالـNeoPixel

bash
CopyEdit
sudo pip3 install rpi_ws281x adafruit-circuitpython-neopixel

تُفعَّل بعدها واجهة SPI أو PWM تبعًا لطراز الشريط.

3.3 دمج Scratch 3 مع GPIO

يوفِّر Scratch GPIO إضافةً مخصصة تُسمى s2gpio؛ بعد التثبيت تُنشأ لبنات (Blocks) جديدة تسمح بكتابة HIGH/LOW على الأرجل أو إرسال بايتات بيانات متسلسلة.

4. التصميم الفيزيائي للمجسم

1. رسم النمط ثلاثي الأبعاد بواسطة برنامج Inkscape أو Adobe Illustrator وتحويله إلى خطوط Vector.

2. قص‑النقش بالليزر على لوح أكريليك شفاف.

3. صناعة قاعدة خشبية تتضمن ممرًا لشريط LED ملتف نصف دائري بحيث يوزع الضوء أسفل اللوح.

4. تثبيت الشريط داخل القاعدة وتوصيله بثلاثة أسلاك: 5 V و GND و DATA ‑ إلى الطرف GPIO 18‎ (PWM) غالبًا.

5. إضافة مشتت حراري بسيط أعلى وحدة المعالجة في راسبيري باي لضمان الاستقرار الحراري.

5. بناء البرمجية في سكراتش

5.1 إنشاء اللبنات المخصصة

• كتلة تهيئة: تُرسل أمر «عدد البكسلات» إلى مكتبة NeoPixel.

• كتلة تغيير اللون: تقبل معاملات H (درجة Hue) و S (تشبع) و V (سطوع) ثم تُحوَّل إلى قيم RGB.

• كتلة التأثير الحركي: دالة تكرارية تمرَّر على فهرس البكسل لإظهار موجة لونية.

5.2 خوارزمية دورة الألوان

pseudocode
CopyEdit
عند تشغيل العلم الأخضر
تهيئةNeoPixel(60)
كرر إلى الأبد
 لكل i من 0 إلى 59
  Hue = (i*6 + عداد) mod 360
  SetPixel(i, HSVtoRGB(Hue,100,30))
 انتظر 10 ميلي‑ثانية
 زاد العداد بمقدار 2

تضمن هذه الخوارزمية انتقالاً ناعمًا عبر طيف الألوان، مانحةً المجسم إطلالةً ديناميكية.

6. توظيف الفيزياء البصرية لتحسين العمق

• معامل الانكسار في الأكريليك (~1.49) يُتيح احتباس الضوء الداخلي (Total Internal Reflection)، وكلما زادت خشونة النقش زاد تشتيت الضوء وبرز الخط أكثر.

• يمكن تحسين وهج الحواف بتمرير ورق صنفرة ‑ grit #600 - على خطوط النقش لإيجاد تباين أقوى بين المساحات المنقوشة والشفافة.

7. السلامة واستهلاك الطاقة

• التيار الأقصى لشريط NeoPixel (60 LEDs) عند بياض كامل ‎≈ 3.6 A، لذا وجب استخدام مزوِّد 5 V ⎓ 4 A على الأقل.

• تُوصَّل GND اللوحة ومصدر LED معًا لتجنب اختلاف جهد مرجعي.

• تُضاف فتحة تهوية في القاعدة الخشبية إلى جانب منافذ تبريد سفلية تحمي الدارة من الانسداد الحراري.

8. التوسعات المستقبلية

• مستشعر حركة PIR لإضاءة المصباح عند اقتراب شخص.

• ربط MQTT مع شبكة المنزل الذكية للتحكم عبر تطبيق جوّال.

• مصفوفة ثلاثية البُعد: تركيب عدة ألواح أكريليك بطبقات متوازية لإنشاء إسقاط شبه‑هولوجرافي.

9. أثر هذه المشاريع في التعليم STEAM

يعزز المشروع مهارات التفكير الحسابي، ويعرّف المتعلم بأساسيات التصميم ثلاثي الأبعاد والدوائر الإلكترونية، ويُنمّي حسّ الجَمال الفني بدمج الضوء مع الأشكال، ما يحقق تجربة STEAM متكاملة تجمع العلوم والهندسة والفنون.

خاتمة

إنَّ تنفيذ مصباح ليد ثلاثي الأبعاد بواسطة سكراتش ولوحة راسبيري باي يُمثِّل مثالًا حيًا على التقاء البرمجة البصرية بالتطبيقات الإلكترونية الواقعية. يوصف المشروع بأنه مدخل فعّال لعالم الإلكترونيات المدمجة وصناعة المجسمات التفاعلية، مع قابليةٍ عالية للتخصيص وتطوير ميزات متقدمة. يُعزِّز ذلك نشر ثقافة «اصنعها بنفسك» وتمكين المتعلمين من تحويل الأفكار إلى نماذج مضيئة تنبض بالإبداع والابتكار.

المصادر

1. وثائق Raspberry Pi الرسمية – دليل GPIO وNeoPixel.

2. MIT Scratch – دليل برمجة الأجهزة الخارجية باستخدام Scratch Extensions.