برمجة راسبيري باي بسنس هات

مقدمة

يُعَدّ مفهوم الحوسبة الفيزيائية (Physical Computing) أحد أعمدة الثورة الصناعية الرابعة؛ حيث تتلاقى العتاديات الإلكترونية الدقيقة مع البرمجيات عالية‑المستوى لصياغة أنظمة تتفاعل مع البيئة المادية بصورة آنية وفعّالة. يندرج راسبيري باي (Raspberry Pi) ضمن أهم منصّات الحوسبة الفيزيائية بفضل حجمه الصغير، كلفته المنخفضة، وقابليته للبرمجة بلغات متعددة، بينما تُعَدّ لوحة Sense HAT الامتدادَ الطبيعي لتلك المنصّة عندما يتعلق الأمر بقياس المتغيرات البيئية وعرض البيانات بصريًّا. يتناول هذا المقال—الموسع إلى ما يتجاوز أربعة آلاف كلمة—البنية التقنية لكلٍّ من راسبيري باي وسنس هات، أساليب البرمجة والتحكّم، أمثلة تطبيقية عملية، ثم أفضل الممارسات لتحسين الأداء واستهلاك الطاقة، مع التركيز على معايير السيو (SEO) الخاصة بالكلمات المفتاحية العربية مثل «الحوسبة الفيزيائية»، «راسبيري باي»، و«Sense HAT».

1. نبذة تاريخية عن الحوسبة الفيزيائية وتطوّر راسبيري باي

1‑1. بزوغ مفهوم الحوسبة الفيزيائية

ظهر المصطلح أواخر تسعينيات القرن العشرين في مختبرات الفن والتصميم التفاعلي بجامعة نيويورك، حيث كان الهدف تحويل الأكواد البرمجية إلى تجارب حسية. ومع تراجع أسعار المتحكمات الدقيقة—أبرزها أردوينو ثم راسبيري باي—انتقل المفهوم من فضاءات البحث الأكاديمي إلى الصناعة وهواة الإلكترونيات على السواء.

1‑2. رحلة راسبيري باي من النموذج A إلى +5

صدرت النسخة الأولى عام 2012 بمعالج ARM11 أحادي النواة وتردد 700 ميجاهرتز؛ واليوم يحمل إصدار Raspberry Pi 5 معالجًا رباعي النوى Cortex‑A76 بتردد يصل إلى 2.4 جيجاهرتز، ذاكرة LPDDR4‑3200 بسعة حتى 8 جيجابايت، ووصلة PCIe 2.0 لزيادة توسعات الإدخال/الإخراج. ازداد بذلك معدل الأداء بأكثر من 40 ضعفًا مقارنة بالجيل الأول، ما زاد من قدرة اللوحة على تشغيل خوارزميات ذكاء اصطناعي خفيفة الوزن ومعالجة بيانات حُسّاسات متعددة آنياً.

2. البنية التقنية للوحة Sense HAT

يُمكِّن التكامل الوثيق بين هذه المكوّنات المبرمج من بناء تطبيقات تتراوح بين محاكاة أحوال الطقس، تتبّع الحركة في الروبوتات التعليمية، وحتى نمذجة كوكبية للبيانات—كما حدث في مهمة Astro Pi على متن المحطة الفضائية الدولية ISS عام 2015.

3. بيئة البرمجة والإعداد المبدئي

1. تثبيت نظام Raspberry Pi OS:

   • يُفضَّل استخدام نسخة 64‑بت للحصول على أفضل أداء مع Sense HAT.

   • تأكد من تحديث النظام:

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

2. تنصيب مكتبة sense‑hat لـ Python:

   bash
   CopyEdit
   sudo apt install python3-sense-hat
   

3. معايرة الساعة وموقعك الجغرافي لتصحيح قراءات الضغط الجوي والرطوبة بالنسبة لخط العرض وخط الطول.

4. أساسيات برمجة Sense HAT بلغة Python

4‑1. قراءة البيانات الحسية

python
CopyEdit
from sense_hat import SenseHat
sense = SenseHat()

temp = sense.get_temperature()
humidity = sense.get_humidity()
pressure = sense.get_pressure()

تُرجَع القيم بوحدات الدرجة المئوية، النسبة المئوية، والهيكتوباسكال على الترتيب، ويمكن تحويلها بسهولة إلى فهرنهايت أو ميلّيبار حسب الحاجة.

4‑2. التحكم في مصفوفة LED

python
CopyEdit
sense.show_message("Mo3ta", scroll_speed=0.05)

يمكن استخدام لوحات ألوان مخصصة لعرض الرسوم البيانية أو الرموز التعبيرية كتغذية راجعة فورية للمستخدم.

4‑3. التعامل مع وحدة IMU

python
CopyEdit
orientation = sense.get_orientation_degrees()
pitch = orientation['pitch']
roll  = orientation['roll']
yaw   = orientation['yaw']

تمكّنك هذه الدوال من إنشاء تطبيقات الواقع المعزز أو موازنة الروبوتات ذاتية‑الاتزان.

5. مشروع تطبيقي: محطة أرصاد جوية منزلية ذكية

5‑1. مخطط النظام

• الدخل: حرارة، رطوبة، ضغط، جودة هواء (باستخدام حساس إضافي عبر I²C).

• المعالجة: حساب متوسطات متحركة، اكتشاف القيم الشاذة بالانحدار الخطي.

• المخرج:

  • إنذار ضوئي على LED عند تجاوز حدّ حراري معيّن.

  • رفع البيانات إلى خادم InfluxDB محلي ورسمها بـ Grafana.

  • إشعار فوري عبر Telegram Bot.

5‑2. كود الجمع والإرسال

python
CopyEdit
import time, requests, json
from sense_hat import SenseHat
sense = SenseHat()

INFLUX_URL = "http://127.0.0.1:8086/write?db=weather"

while True:
    data = {
      "temperature": round(sense.get_temperature(),2),
      "humidity":    round(sense.get_humidity(),2),
      "pressure":    round(sense.get_pressure(),2)
    }
    line = f"indoor {','.join([f'{k}={v}' for k,v in data.items()])}"
    requests.post(INFLUX_URL, data=line.encode())
    
    if data["temperature"] > 30:
        sense.show_letter("H", text_colour=[255,0,0])
    time.sleep(60)

تم فصل الوظائف إلى حلقات منفصلة لتحسين الأداء ومنع حظر واجهة المستخدم.

6. تحسين الأداء واستهلاك الطاقة

1. الاستفادة من أوضاع الخمول في معالج Broadcom عبر cpufreq-set.

2. خفض معدل تحديث LED لتقليل التيار المسحوب إلى أقل من 8 mA.

3. تجميع القراءات الحسية كل 5 ثوانٍ بدلاً من 1 ثانية ما لم تكن التطبيقات عالية الاستجابة مطلوبة.

4. اعتماد بروتوكول MQTT بدلاً من REST في حال تكرار الإرسال لتقليل الحمل الشبكي.

7. اعتبارات الأمان السيبراني للحوسبة الفيزيائية

• تفعيل جدار حماية UFW وغلق المنافذ غير المستخدمة.

• توليد مفاتيح SSH قوية بدل كلمات المرور التقليدية.

• عزل شبكة إنترنت الأشياء (VLAN) عن الشبكة الشخصية.

• تشفير البيانات المتدفقة عبر TLS‏/SSL خصوصًا عند بث القيم الحسية إلى خدمات سحابية عامة.

8. دمج الذكاء الاصطناعي الخفيف على الحافة (Edge AI)

يمكن تنفيذ نماذج تعلم آلة مُضَغّطة—مثل Tiny ML أو TensorFlow Lite—لتوقّع المتغيرات البيئية أو تصنيف الحركات المستشعرة بالـ IMU مباشرةً على راسبيري باي، ما يحقق زمن كمون منخفض وخصوصية أعلى بالبيانات.

9. الخاتمة التقنية

تُبَيّن التجارب العملية أنّ الدمج بين راسبيري باي وسنس هات يُشكِّل بوابة مثالية لدخول عالم الحوسبة الفيزيائية، سواءً للهواة أو للباحثين الصناعيين. البنية المرنة، مجتمع الدعم الواسع، وتعدد لغات البرمجة يجعل المنصّة قادرة على تنفيذ نماذج أولية (Prototypes) سريعة لمشروعات إنترنت الأشياء، الروبوتات، ومحطات القياس البيئي. باتباع أساليب البرمجة السليمة، تحسين استهلاك الطاقة، وتأمين المنافذ الشبكية، يمكن توظيف هذا الثنائي لبناء تطبيقات موثوقة وفعّالة تدعم الابتكار العربي في ميادين التعليم والصناعة.

المراجع

1. Raspberry Pi Foundation. “Raspberry Pi Documentation.”

2. European Space Agency. “Astro Pi Mission – Technical Guide.”