الحوسبة الفيزيائية: برمجة راسبيري باي مع لوحة سنس هات Sense HAT

تُعد سنس هات Sense HAT، التي اسُتخدمت في محطة الفضاء الدولية، لوحةً إلكترونيةً مستقلة ومتعددة الوظائف تُضاف إلى راسبيري باي عبر المنصة GPIO، ومزُوّدة بحسّاسات sensors ومصفوفة عرض ضوئية LED matrix display.

تُدعم أجهزة راسبيري باي Raspberry Pi بنوع خاص من اللوحات الإلكترونية المضافة التي تُدعى بالتجهيزات المتصلة من الأعلى Hardware attached on top -أواختصارًا HAT-، والتي يمكنها إضافة أي شيء إلى راسبيري باي باي ابتداءً من المايكروفون مرورًا بالأضواء والمرحّلات Relays وحتى الشاشات. تُعد سنس هات من أكثر تجهيزات هات فائدةً وقد صّممت خصيصًا لمهمة الفضاء أسترو باي Astro Pi، وهي مهمةٌ مشتركةٌ بين مؤسسة راسبيري باي ووكالة فضاء المملكة المتحدة ووكالة الفضاء الأوروبية، والتي كانت قد اطّلعت على تجهيزات هات المُخصصة لراسبيري واختارت سنس هات لتنقلها إلى محطة الفضاء الدولية مع الصاروخ الذي حمل معدات المختبر المداري "Cygnus"؛ ولا تزال سنس هات التي لقبها رواد الفضاء "إد ED" و"إيزي Izzy" تُنفِّذ الشيفرات وتُجري اختبارات علمية يُساهم بها أطفال المدارس من كل أنحاء أوروبا.

يمكنك الحصول على التجهيزة سنس هات نفسها لدى معظم موزعي راسبيري باي، كما يمكنك استخدام برمجيات تحاكي عمل سنس هات إن لم تشأ شراء واحدة.

حقيقية أم محاكاة: ستتفاعل مع محتويات هذا المقال على النحو الأمثل إن كنت تملك سنس هات حقيقية متصلةً بالمنصة GPIO، وإن لم تتوفر لديك التجهيزة، تجاوز ببساطة الفقرة التي تحمل العنوان "تثبيت سنس هات" وانتقل إلى المشاريع التي يمكنك تنفيذها على المقلّد.

يُعد هذا الفصل جزءًا من سلسلة "مدخل إلى راسبيري باي".

تعرف على سنس هات

سنس هات هي لوحةٌ إلكترونيةٌ مُضافةٌ متعددة الوظائف تُوصل براسبيري باي، وتضم اللوحة مصفوفةً أبعادها 8X8 من المؤشرات الضوئية الحمراء والخضراء والزرقاء RGB القابلة للبرمجة والتي يمكن التحكم بها لإنتاج أي لون تقريبًا من ملايين الألوان المتاحة، إضافةً إلى متحكّم بمقبض ألعاب Joystick بخمس وجهات وستة حساسات مدمجة، هي:

جيروسكوب Gyroscope، الذي يتحسس للتغيُّرات في زاوية الدوران مع الزمن، أو كما يُعرف تقنيًا بالسرعة الزاويّة angular velocity، وذلك بتعقب اتجاه حقل الجاذبية للأرض، وهو الحقل الناتج عن قوة الجاذبية التي تشد الأشياء إلى مركز الأرض. ببساطة، يستشعر الجيروسكوب دوران سنس هات بالنسبة لسطح الأرض ويحدّد سرعة دورانها.
مقياس التسارع Accelerometer: خلافًا للجيروسكوب الذي يقيس تغيرات زاوية الحركة بالنسبة لسطح الأرض يقيس مقياس التسارع القوة المسببة لتسارع الحركة في الاتجاهات المختلفة، وستتمكن بقراءة البيانات الناتجة عن الحساسين السابقين من تحديد وجهة سنس هات وكيف تتحرك.
مقياس حقل مغناطيسي Magnetometer، الذي يقيس شدة الحقل المغناطيسي، ويساهم أيضًا في تتبُّع حركة سنس هات بقياس شدة الحقل المغناطيسي الأرضي وتقدير جهة الشمال المغناطيسي، كما يُستخدم في الكشف عن الأجسام المعدنية والحقول الكهربائية. دُمجت الحساسات الثلاث السابقة ضمن رُقاقة واحدةٍ تحمل الاسم "‘ACCEL/GYRO/MAG" على لوحة سنس هات.
حساس رطوبة، الذي يقيس كمية بخار الماء في الهواء وهذا ما يُعرف بالرطوبة النسبية relative humidity، التي تبدأ بالقيمة 0% (لا رطوبة في الهواء) وصولًا إلى 100% (الهواء مشبعٌ تمامًا ببخار الماء). يمكن استخدام بيانات الحساس لتوقع هطول الأمطار مثلًا.
حساس ضغط بارومتري Barometric، الذي يقيس الضغط الجوي. وعلى الرغم من اعتقاد الكثيرين بارتباطه فقط بنشرات الطقس إلا أن له استخدامٌ آخر غير معروف، إذ يمكنه تعقبك إن كنت صاعدًا إلى تلة أو جبل أو نازلًا عنه نظرًا لتغيُّر الضغط الجوي للأرض عند الارتفاع أو الانخفاض عن مستوى سطح البحر.
حساس درجة الحرارة لقياس درجة حرارة الوسط المحيط، وقد يتأثر بحرارة لوحة سنس هات، وبالتالي قد تحصل على حرارة أدنى أو أعلى من القراءة الصحيحة إذا كنت تضع باي ضمن حاضنة. لا يوجد حساس حرارة مستقل في سنس هات بل تستخدم حساسا الحرارة المدمجان مع حساسي الرطوبة والضغط، ويمكن لبرنامجك استخدام حساس أو حساسين فقط من هذه المجموعة.

تثبيت سنس هات

إذا اشتريت لوحة سنس هات، فابدأ بإخراجها من علبتها وتأكد من وجود جميع الأجزاء، وهي اللوحة نفسها وأربعة دعائم معدنية أو بلاستيكية تُعرف باسم المباعدات Spacers وثمانية براغي Screws. قد تجد أيضًا بعض الأرجل المعدنية المشابهة لأرجل GPIO على باي مثبتة على شريط بلاستيكي أسود، ادفع الشريط أسفل لوحة سنس هات في هذه الحالة والأرجل متجهة للأعلى حتى تسمع صوت إطباق. صُممت المباعدات لحماية سنس هات من الانحناء عند استخدام مقبض الألعاب، ورغم أن سنس هات ستعمل دون تثبيت المباعدات، إلّا أنّ استخدامها سيحمي لوحة سنس هات ولوحة راسبيري باي والمنصة GPIO من الضرر.

تحذير: لا ينبغي وصل تجهيزات "هات" إلى راسبيري باي أو فصلها إلا بعد إطفاء باي وفصلها عن التغذية الكهربائية. أبقِ هات مستويةً أثناء وصلها وتحقق جيدًا من تطابق فتحاتها مع أرجل المنصة GPIO قبل دفعها.

ثبِّت المباعدات بدفع أربعة براغي من أسفل لوحة راسبيري باي إلى الأعلى عبر الثقوب الأربعة في كل زاوية، ثم لُف المباعدات فوق البراغي. ادفع سنس هات بعد التأكد من تطابق موقعها فوق منصة GPIO تمامًا نحو المنصة وحاول أن تجعلها مستويةً قدر الإمكان. ثبِّت سنس هات بواسطة البراغي الأربعة الباقية بإدخالها ضمن الثقوب الموجودة على زوايا سنس هات لتدخل ضمن المباعدات التي ثبتّها مسبقًا. ينبغي أن تكون سنس هات مستويةً تمامًا إن ثبّتها جيدًا ولن تنحني عندما تضغط على أزرار مقبض الألعاب. أعِد وصل باي إلى التغذية الكهربائية وسترى مصفوفة الأضواء على سنس هات وقد أضاءت بنمط ألوان قوس قزح ثم انطفأت.

(شكل 1- ظهور نمط شكل قوس قزح عند وصل التغذية الكهربائية)

فك البراغي العلوية الأربعة إذا أردت إزالة سنس هات، ثم ارفعها بحذر كي لا تثني أرجل GPIO كونها مرتبطةٌ بإحكام معها (قد تضطر إلى زحزحتها قليلًا بالمفك). أزِل المباعدات عن باي بعد ذلك لتتحرر البراغي السفلية الأربعة.

مرحبا سنس هات

سنبدأ مثل معظم المشاريع البرمجية بعرض رسالة ترحيب بمستخدمي سنس هات من خلال المصفوفة الضوئية، فإذا كنت ستستخدم مقلّد سنس هات، فعليك تشغيله بالنقر على أيقونة راسبيان والانتقال إلى فئة "برمجة Programming" ثم النقر على مقلّد سنس هات "Sense HAT Emulator".

سكراتش ترحب بك

شغّل سكراتش 2 من قائمة راسبيان ثم انقر على الفئة "كتل إضافية More Blocks" ضمن لوحة الكتل البرمجية، ثم انقر على زر "إضافة موسّع Add an Extension". اختر الموسّع "Pi SenseHAT"، ثم انقر "OK". ستظهر لك الآن جميع الكتل البرمجية التي تساعدك على التحكم بمختلف ميزات سنس هات بما في ذلك المصفوفة الضوئية وستجد هذه الكتل ضمن الفئة "كتل إضافية More Blocks".

شكل 2-7 إضافة الموّسع "Pi SenseHAT" إلى سكراتش 2