آردوینو، پروژه بدون الکترونیک و برنامه نویسی

آردوینو برای اولین بار در سال 2005 برای کمک به دانش آموزانی که هیچ تجربه قبلی در زمینۀ الکترونیک یا برنامه نویسی میکروکنترلر نداشتند و قصد ساخت پروژۀ خود در دنیای دیجیتال داشتند، به وجود آمد. این هدف نیازمند یک بستر بود که با حداقل درگیری و دانش نسبت به سخت افزار و نرم افزار اقدام به ساخت پروژه های الکترونیکی کرد. ایدۀ توسعۀ این بستر توسط “هرناندو بارگان”،یک دانشجوی کلمبیایی در انستیتوی طراحی تعاملی ایورئای ایتالیا، مطرح شد. بعدها این ایده توسط یک گروه پنج نفره به حقیقت پیوست. “ماسیمو بنزی”، رهبر این گروه پنج نفره، رفت و آمد زیادی به یکی از کافه ها به نام آردوین داشت که نام این برد هم از همین جا گرفته شده است. آردوین یک پادشاه ایتالیایی بود که در سال 1002 پس از میلاد بر “یوریا” حکومت می‌کرد. در این راستا سخت افزارهای الکترونیکی توسط آردوینو ساخته شد که دیگر نیاز به طراحی و ساخت برد الکترونیکی (آموزش طراحی PCB) نباشد. همچنین نرم افزاری ساخته شد که در آن نیاز به کدنویسی در حد مقدار دهی مستقیم به رجیسترهای میکروکنترلر نباشد. در این نرم افزار، چند مرحله کتابخانه نوشته شده که با نوشتن یک دستور سطح بالا تعداد زیادی دستور سطح پایین تر اجرا می شود. در نتیجه بدون دانش نسبت به رجیسترها و اصول عملکرد در لایه های پایینتر، می توان در کتابخانه های سطح بالاتر، کدنویسی انجام داد. پس از آن رفته رفته Arduino به محبوب ترین ابزار ساخت سیستم های دیجیتال (بر پایۀ میکروکنترلر) تبدیل شد. امروزه Arduino توسط مهندسین و حتی شرکت های بزرگ نیز استفاده می شود.

فیلم آموزش آردوینو مقدماتی

تصویر 1 – نمونه ای از نرم افزار و سخت افزار آردوینو

آردوینو چیست؟ یک پلتفرم متن باز است. منظور از پلتفرم، مجموعه ای یکپارچه متشکل از نرم افزار و سخت افزار است. و منظور از متن باز، یعنی هر شخص می تواند به محتوای آن دسترسی داشته باشد. Arduino از جامعۀ بزرگی اعم از دانش آموزان، هنرمندان، برنامه نویسان و متخصصان می خواهد تا کدهای خود را با اشتراک گذاری، در اختیار دیگران نیز قرار دهند. همچنین سورس کامل کتابخانه ها، نمونه کدهای نوشته شده و بردهای آن در اختیار عموم قرار دارد. این اقدام سبب جمع‌آوری اطلاعات، تجربه ها و نمونه کدهای زیادی در ارتباط با نرم افزار و سخت افزار این پلتفرم متن باز شده است. امروزه از برد آردوینو در کاربردهای متنوعی از جمله اینترنت اشیاء استفاده می شود. میکروکنترلر آردوینو اکثراً میکروکنترلرهای AVR است، اما در نوعی از بردهای آردوینو از میکروکنترلرهای با پردازنده های ARM نیز استفاده شده است. منظور از میکروکنترلر آردوینو، میکروکنترلری است که در بردهای آردوینو استفاده شده است.

پاسخ جامع به سؤال «Arduino چیست؟» نیازمند مطالعۀ کامل این نوشته است. متأسفانه امروزه استفاده های نامناسب از Arduino، بسیار زیاد شده است. توصیه می کنم حتماً این متن را به صورت کامل مطالعه فرمایید. به ویژه اگر در مرحلۀ آموزش میکروکنترلرها یا آموزش آردوینو هستید. در ادامه پس از معرفی بیشتر، سؤالاتی از جمله این که، آردوینو صنعتی است؟ چه پروژه هایی با آردوینو انجام می شود یا نمی شود؟ مزایای آردوینو و … تشریح خواهد شد.

تصویر 2 – لوگوی انجمن متن باز آردوینو

سخت افزار آردوینو

وقتی صحبت از سخت افزار آردوینو می شود، آنچه به ذهن کم آشنایان با این زمینه می رسد، برد Arduino Uno است. این برد معروف ترین برد این شرکت است. اما امروزه سخت افزارهای آردوینو محدود یک برد یا یک دسته بندی یا حتی محدود به خود آردوینو نیستند. به زبان ساده تر، امروزه این شرکت بردهای مختلفی در دسته بندی های مختلفی دارد که این بردها اکثراً بر هم و همچنین بر نرم افزار آردوینو منطبق هستند. به این معنی که پین های آنها مشابه هم هستند و همچنین در نرم افزار آردوینو می توان این بردها را انتخاب و نرم افزار را برای آن سخت افزار تنظیم کرد. همچنین با توجه به فروش بالای محصولات آردوینو در دنیا، شرکت های دیگر نیز برای فروش بیشتر محصولات خود آنها را منطبق بر نرم افزار و سخت افزار آردوینو ساخته اند. تنوع این محصولات در شروع کار می تواند باعث سردرگمی در انتخاب برد آردوینو شود. برای رفع این سردرگمی باید با انواع برد آردوینو و ویژگی‌های هرکدام یا حداقل اکثر بردها در زمینه ای که قصد فعالیت دارید، آشنا باشید. در این بخش می خواهیم انواع برد آردوینو را معرفی کنیم. تا الآن (2020) این شرکت محصولات سخت افزاری خود را در شش دسته بندی زیر قرار داده است:

• بردها و ماژول ها
• شیلدها
• کیت ها
• تجهیزات جانبی
• قطعات یدکی
• بردهای قدیمی

برخی محصولات آردوینو امکان دارد در بیش از یکی از دسته بندی های فوق قرار گرفته باشد. البته این محصولات در فروشگاه آردوینو با این دسته بندی قرار گرفته اند. در قسمت های دیگر از سایت آردوینو و همچنین دیگر سایت ها، محصولات در دسته بندی های دیگر نیز تقسیم بندی شده اند. در ادامه به بررسی محصولات سخت افزاری این شرکت بر اساس دسته بندی مذکور می پردازیم.

تصویر 3 – سخت افزارهای آردوینو

بردها و ماژول ها

در زمان نوشتن این متن، Arduino دارای 31 محصول در این دسته بندی است. این 31 محصول انواع مختلفی از 9 نوع محصول متفاوت هستند. یعنی به طور کلی 9 محصول پایه وجود دارد که هر یک از این 9 برد تعدادی برد هم رده دارد که هر یک برای کاربردهای مختلف ساخته شده است. معروف ترین محصول در این دسته بندی، برد آردوینو Uno است. این 9 محصول در 5 آرایش پایۀ مختلف قرار دارند. (یکی از اهداف در طراحی محصولات یوبرد نیز طراحی بردها در چهارچوب پین های مشترک است.) یک نکتۀ مشترک در این محصولات، اتصال آنها بدون نیاز به پروگرامر مستقل به کامپیوتر و استفاده از بوت لودر آردوینو برای برنامه ریزی است. این بردها بدون نیاز به پروگرامر و با یک کابل USB به کامپیوتر متصل شده و برنامه ریزی می شوند. برخی بردهای آردوینو در دسته بندی بردهای قدیمی آردوینو (SPARE PARTS) مجهز به درگاه USB نیستند. برای برنامه ریزی آنها می توان از پروگرامر خارجی یا مبدل USB to Serial و بوت لودر آردوینو استفاده کرد. 9 برد پایۀ آردوینو، در تصویر زیر ارائه شده و در ادامه به بررسی آنها می پردازیم.

تصویر 4 – بردها و ماژول های آردوینو

آردوینو Uno

این برد از پر فروش ترین بردهای آردوینو است. بسیاری افراد، این شرکت را با این برد می شناسند. می توان این برد را بهترین گزینه برای شروع برنامه نویسی و کار با Arduino دانست. هرچند که Arduino Uno اولین برد آردوینو نبود، اما ابتدایی ترین برد این شرکت با آرایش پایه هایی مثل آردوینو Uno ساخته شد (تصویر تاریخچۀ بردهای آردوینو). امروزه اکثر شیلدها و کیت های آردوینو و همچنین بسیاری از بردهای شرکت های دیگر مثل شرکت ST، جایگاهی برای قرارگیری بردهای آردوینو با آرایش پایه های شبیه آردوینو Uno تدارک دیده اند. راه اندازی این برد بسیار ساده است. با اتصال آن به کامپیوتر توسط یک کابل USB، تغذیه و امکان برنامه ریزی آن فراهم می شود. همچنین با اتصال یک تغذیۀ خارجی مثل آداپتور یا یک باتری، می توانید تغذیۀ آن را فراهم کنید. ولتاژ کاری این برد 5 ولت است. در حال حاضر بردهای Arduino Uno شامل «Arduino Uno Rev3» و «Arduino Uno Rev3 SMD» است. با توجه به محبوبیت این برد در بین محصولات آردوینو، در ادامه ابتدا به معرفی کلی سخت افزار آن می پردازیم.

تصویر 5 – برد آردوینو Uno

آشنایی بیشتر با Arduino Uno

• میکروکنترلر استفاده شده در آردوینو Uno، میکروکنترلر ATmega328ساخت شرکت اتمل است. یک کریستال 16 مگاهرتزی به عنوان یکی از گزینه های تأمین فرکانس کاری آن بر روی برد قرار دارد.
• یک درگاه اتصال USB (متصل به ATmega16U2) برای برنامه ریزی برد و همچنین یکی از روش های تأمین تغذیۀ برد قرار دارد. یک کانکتور ICSP به عنوان یک درگاه دیگر برای برنامه ریزی آردوینو قرار دارد. امروزه دیگر شرکت ها نیز معمولاً محصولات خود را به نحوی طراحی می کنند که نیاز به پروگرامر خارجی نداشته باشد. مثلاً در برد توسعه ATmega64Pin یوبرد نیز پروگرامر USBasp روی برد پیاده شده است.

• بخش تغذیۀ Arduino Uno از یک جک تغذیه، یک رگولاتور 5 ولت، یک فیوز 0.5 آمپر (قطعه ای طلایی رنگ بین جک تغذیه و پورت USB) و مدار تغذیۀ USB تشکیل شده است. با اتصال این برد به کامپیوتر توسط یک کابل USB، تغذیۀ برد نیز تأمین می شود. علاوه بر آن، با اتصال آداپتور به جک تغذیه، می توان تغذیۀ مورد نیاز را فراهم کرد. رگولاتور روی برد ولتاژهای بین 6 تا 20 ولت دریافتی از جک تغذیه را دریافت و ولتاژ ثابت 5 ولت برد را تأمین می کند.
• این برد دارای 14 ورودی و خروجی دیجیتال است. یک سری از این پایه ها دیجیتال هستند. یعنی مقادیری که می تواند روی آن ها قرار گیرد صفر و یک است. این پایه ها، پایه های صفر تا سیزده هستند. از میان این چهارده پایه، شش تای آن ها دارای قابلیت PWM است که با علامت “~” مشخص شده اند. پایه‌های A0 تا A5 نیز 6 پایۀ ورودی آنالوگ برد هستند. پایه های GND و 3.3 و 5 نیز پایه های تغذیۀ مدار هستند.
• از دیگر قطعات برد می توان به یک دکمۀ ریست، LEDها، خازن ها، مقاومت ها، دیودها و ترانزیستورها اشاره کرد.

تصویر 6 – تجهیزات روی برد آردوینو Uno

دیگر بردهای Arduino

Micro	مجهز به میکروکنترلر ATMEGA32U4، کوچک ترین برد این دسته بندی، ابعاد 33*18mm	Arduino Micro, Arduino Micro without headers
Nano	مجهز به میکروکنترلر 8بیتی  ATmega328، کوچکترین برد این دسته بندی بعد از Arduino Micro، ابعاد 43.18*18.54 mm	Arduino Nano, Arduino Nano Every – Pack, Arduino Nano 33 BLE Sense, Arduino Nano 33 BLE, Arduino Nano 33 IoT, Arduino Nano 33 BLE with headers, Arduino Nano 33 IoT with headers, Arduino Nano Every with headers, Arduino Nano 33 BLE Sense, Arduino Nano 33 BLE
Mega	مجهز به میکروکنترلر 8بیتی ATmega2560، منطبق بر شیلدهای آردوینو، شبیه به Arduino Due اما با تعداد پایه های خروجی بیشتر	Arduino Mega 2560 Rev3
Due	مجهز به میکروکنترلر 32 بیتی SAM3X8E با معماری ARM و فرکانس 82 مگاهرتز، بردی با پردازش قوی تر نسبت به سایر بردهای این دسته بندی	Arduino Due, Arduino Due without Headers
Zero	همانند آردوینو Uno اما مجهز به میکروکنترلر 32 بیتی SAMD21، مجهز به دیباگر EDBG	Arduino Zero
Leonardo	مجهز به میکروکنترلر ATmega32U4، مانند Uno اما با قطعات SMD و نحوۀ اتصال متفاوت به کامپیوتر (مانند موس یا کیبورد).	Arduino Leonardo with Headers, Arduino Leonardo without Headers
Yún	مجهز به میکروکنترلر ATmega32u4، و چیپ AR9331 با ساپورت لینوکس، مناسب کاربر اینترنت اشیا	Arduino Yún Rev 2
MKR	مجهز به چیپ مجتمع ATSAMW25 که شامل میکروکنترلر 32 بیتی SAMD21، ماژول وای فای WINC1500 و چیپ رمز نگاری ECC508 است. مخصوص کاربردهای IOT، ابعاد 61.5*25 mm	Arduino MKR NB 1500, Arduino MKR WAN 1300 (LoRa connectivity), Arduino MKR WAN 1310, Arduino MKR Vidor 4000, Arduino MKR NB 1500, Arduino MKR WiFi 1010, Arduino MKR GSM 1400, Arduino MKR1000 WIFI, Arduino MKR1000 WIFI with Headers Mounted, Arduino MKR ZERO (I2S bus & SD for sound, music & digital audio data)

جدول 1 – بردهای دیگر Arduino

شیلدها

هر یک از بردها و ماژول ها که در قسمت قبل توضیح داده شد، یک سری امکانات ثابت دارند. برای استفاده از امکانات بیشتر باید از بردهای دیگر استفاده کرد که شیلد نامیده می شوند. Arduino شیلدهایی را متناسب با بردها و ماژول های خود طراحی کرده است. این شیلدها، بردهای آردوینو را به امکاناتی از جمله WIFI و GSM و Ethernet و IMU و Motor و … مجهز می کنند. با استفاده از این شیلدها نیاز به قرار دادن پایه های آردوینو بر روی Bread Board و اتصال آنها با سیم به تجهیزات مورد نظر نیست. شیلدها به صورت مستقیم و بدون نیاز به سیم کشی بر روی برد نصب می شوند. کتابخانه های مرتبط با اکثر شیلدها نیز در دسترس قرار دارد. این کتابخانه ها سبب می ‌شود تا بتوانید به راحتی از قابلیت های سخت افزاری موجود در شیلد استفاده کرده و بدون درگیری با سخت افزار، تمرکز خود را برای کدنویسی معطوف کنید.

تصویر 7 – برخی شیلدهای آردوینو

کیت ها

آردوینو برای برخی کاربردها مجموعه ای از سخت افزارها به عنوان کیت قرار داده است. مثلاً برای بازوی ربات، برای دانش آموزان، برای کاربرد GSM، برای IOT و … مجموعه کیت هایی توسط این شرکت ارائه شده است. این کیت ها به عنوان یک پکیج برای راه اندازی یک کاربرد خاص هستند. برای مثال نام یکی از این کیت ها، کیت مهندسی آردوینو (ARDUINO ENGINEERING KIT REV2) است. این برد برای کاربردهای یک موتورسیکلت خودکار، ربات نقاش و یک ربات مریخ نورد طراحی شده است. در این کیت تمام ملزومات برای ساخت نمونۀ اولیه از کاربردهای مذکور قرار گرفته است. علاوه بر بردهای آردوینو، موتورها، جعبه، دوربین و دیگر تجهیزات جانبی، بدنه های این سیستم ها نیز قرار گرفته است. طراحی و ساخت بدنۀ این سیستم ها هزینۀ بسیار بیشتری نسبت به قیمت ارائه شدۀ این کیت توسط این شرکت دارد. این کیت ها، نیاز طراح را برای نمونه های اولیه در پروژه های مربوطه مرتفع می کند.

تصویر 8 – برخی کیت های آردوینو

تجهیزات جانبی، قطعات یدکی و بردهای قدیمی

تجهیزات جانبی آردوینو (ACCESSORIES) قطعاتی مثل جعبه هایی برای بردهای این شرکت، میکروکنترلر، سیم کارت آردوینو و چنین قطعاتی هستند. قطعات یدکی آردوینو (SPARE PARTS) نیز برخی بردهای جانبی مثل شیلد آموزش آردوینو یا شیلد IMU برای Arduino MKR است.بردهای قدیمی آردوینو (SPARE PARTS) نیز بردهایی هستند که احتمال دارد دیگر برای آنها نرم افزارهای جدید و پشتیبانی قرار نگیرد. اما کماکان وجود دارند. از جمله بردهای مشهور در این دسته بندی می توان به بردهای LilyPad (لیلی پد، یکی از بردهای جذاب است که عموماً بر روی پارچه ها دوخته شده، با نخ های رسانا به هم وصل می شوند و لباس های هوشمند را می سازند.)، شیلد زیگبی، اترنت، شیلد GSM و Arduino Pro اشاره کرد. این Arduino Pro با پلتفرم جدید آردوینو Pro که مبحثی جدید نرم افزاری و سخت افزاری است، اشتباه گرفته نشود. مبحث جدید آردوینو Pro در ادامه توضیح داده خواهد شد. توجه شود که این بردها امکان دارد هم اکنون در بازار یافت شوند. می توانید از آنها استفاده کنید. اما توجه شود که بروز رسانی هایی که برای بردهای دیگر دسته بندی ها انجام می شود، برای این بردها انجام نخواهد شد. همچنین مشخص نیست تا چه زمانی این محصولات عرضه می شوند.

تصویر 9 – تجهیزات جانبی، قطعات یدکی و بردهای قدیمی آردوینو

دیگر برندها

با توجه به گستردگی استفاده از آردوینو و فروش بالای آن و دلایل دیگر، برخی برندها نیز اقدام به طراحی محصولاتی منطبق بر محصولات این شرکت کرده اند. این انطباق هم به صورت انطباق سخت افزاری و هم در انطباق نرم افزاری مشاهده می شود. انطباق سخت افزاری معمولاً به این صورت است که دیگر برندها، آرایش پایه های برد آردوینو Uno را بر روی محصول خود پیاده کرده اند. این امر موجب می شود که بتوان شیلد هایی که بر روی برد آردوینو Uno نصب می شود، بر روی این محصولات نیز قابل نصب باشد. قابلیت انطباق با نرم افزار نیز به این معنی است که کتابخانه های استفاده از یک محصول سخت افزاری در نرم افزار آردوینو تدارک دیده شده باشد. که در نتیجه بتوان با استفاده از این نرم افزار متن باز، اقدام به برنامه ریزی آن ها کرد. برخی از این محصولات در وبسایت آردوینو معرفی شده و برخی نشده است. از جمله این محصولات می توان به  موارد زیر اشاره کرد:

• شیلد GPS/GPRS/GSM برند RFROBOT
• بردهای توسعۀ USB برند Teensy
• شیلد CAN برند seeed
• بردهای Nucleo شرکت ST

تصویر 10 – برخی بردهای منطبق بر آردوینو، ساخت برندها دیگر

نرم افزار آردوینو

بسیاری از افراد، تصور می کنند که نرم افزار Arduino IDE تنها نرم افزار شرکت آردوینو است. در حالی که امروزه این شرکت دارای چند نرم افزار مختلف است. این نرم افزارها در دو دسته بندی Classic و Pro قرار دارند. Pro به طور کلی یک مبحث جدید است که از سال 2019 مطرح شده است. Arduino Pro در ادامه در بخش مربوطه توضیح داده شده است. در این قسمت ابتدا به بررسی نرم افزارهای دسته بندی کلاسیک می پردازیم. در حال حاضر این دسته بندی دارای دو نوع نرم افزار است. نوع اول نرم افزار آفلاین است. این نرم افزار همان نرم افزار  Arduino IDE است که در دو نسخۀ قابل نصب و پرتابل وجود دارد. نرم افزار آفلاین قابل نصب Arduino IDE مشهورترین نرم افزار این شرکت است. دستۀ دوم نرم افزار تحت وب آردوینو (Arduino Web Editor) است. در ادامه به بررسی این نرم افزارها می پردازیم.

تصویر 11 – نرم افزارهای آردوینو

نرم افزار Arduino IDE

آردوینو یک نرم افزار متن باز اختصاصی به نام Arduino IDE برای برنامه نویسی بردهای خود طراحی و ارائه کرده است. IDE مخفف Integrated Development Environment به معنی محیطی یکپارچه برای توسعۀ پروژه است. این نرم افزار IDE آردوینو محیطی ساده را در اختیار کاربران قرار می دهد. منظور از این سادگی را می توان استفاده از کتابخانه های سطح بالا (که سال ها گسترش پیدا کرده اند) و کدنویسی برای بردهای آردوینو (و نه مستقیماً برای میکروکنترلر) تلقی کرد. این موارد باعث می شود تا  هرکسی بتواند به راحتی و بدون داشتن اطلاعات زیادی از برنامه نویسی، محصولاتی را برنامه نویسی کند. برای برنامه ریزی بردهای آردوینو نیز دغدغه ای وجود ندارد. چرا که هم سخت افزار آن بر روی بردهای این شرکت وجود دارد و نیاز به سخت افزار جانبی دیگری نیست. هم نرم افزار آن در همان نرم افزار Arduino IDE است و نیاز به تنظیمات خاصی نیست. یکی دیگر از ویژگی های نرم افزار Arduino IDE، موجود بودن نسخه های آن برای سیستم عامل های Windows و Mac و Linux است. البته امروزه این مورد در اکثر نرم افزارهای شرکت های بزرگ مثل نرم افزار STM32CubeIDE شرکت ST وجود دارد.

معرفی و ساخت پروژه در نرم افزار STM32CubeIDE

نرم افزار Arduino Web Editor

ویژگی دیگر نرم افزارهای کلاسیک این شرکت، وجود نسخۀ تحت وب آن (Arduino Web Editor) است. در دنیای کدنویسی میکروکنترلرها، می توان گفت که تنها آردوینو از نرم افزار IDE تحت وب حداقل به این شکل و با ویژگی هایی استفاده کرده است. به طور کلی این پلتفرم متن باز، موارد نرم افزاری منحصر به فردی ارائه کرده که می توان آنها را وجه تمایز و عامل محبوبیت آن دانست. از ویژگی های مهم این نرم افزار تحت وب می توان به ذخیره سازی کدهای نوشته شده در فضای ابری آردوینو، اشتراک گذاری آنها و دسترسی به آنها در دیگر زمان ها اشاره کرد. این نرم افزار تحت وب مستقل از نوع سیستم عامل و نوع مرورگر مورد استفاده است. البته در حال حاضر مرورگر های Firefox و Chrome و Safari و Edge را پشتیبانی می کند. Arduino Web Editor بخشی از پلتفرم آنلاین آردوینو تحت عنوان Arduino Create است که در ادامه، این مبحث تشریح خواهد شد.

تصویر 12 – نرم افزارهای کلاسیک آردوینو

نرم افزارهای دیگر

برای برنامه نویسی آردوینو نرم افزارهای دیگری هم وجود دارند. در نرم افزار اتمل استودیو (با نام جدید میکروچیپ استودیو) که برای برنامه نویسی میکروکنترلرهای AVR و میکروکنترلرهای دیگر شرکت میکروچیپ است، می توان برای آردوینو نیز برنامه نوشت. این کار را هم می توان با نصب افزونۀ VisualMicro انجام داد و هم بدون استفاده از آن. نرم افزار دیگر، Visual studio code یا VS code است. در این نرم افزار می توان افزونۀ PlatformIO را نصب کرد به برنامه نویسی میکروکنترلرها و بردهای آماده از جمله بردهای آردوینو پرداخت. برای این کار کافی است پس از نصب نرم افزار VS Code، اتصال اینترنتی برقرار و افزونۀ PlatformIO و دیگر افزونه های پیشنهادی نرم افزار نصب شوند. نرم افزار دیگر Visual studio است. در نرم افزار ویژوال استودیو نیز می توان میکروکنترلرها و آردوینو را برنامه نویسی کرد. برای برنامه نویسی میکروکنترلرها با ویژوال استودیو می توان از افزونۀ VisualGDB استفاده کرد. که با نصب این افزونه، امکان برنامه نویسی میکروکنترلرها و آردوینو در ویژوال استودیو فراهم می شود.

ویدئوی 1 – افزودن آردوینو به ویژوال استودیو

زبان برنامه نویسی آردوینو

مثل سخت افزار آردوینو که تداعی کنندۀ برد Arduino Uno و نرم افزار آردوینو که تداعی کنندۀ نرم افزار Arduino IDE است، زبان برنامه نویسی آردوینو نیز تداعی کنندۀ زبان های C و C++ است. در صورتی که زبان برنامه نویسی C و C++ تنها زبان های مورد استفاده در نرم افزارهای این پلتفرم متن باز نیست. زبان برنامه نویسی نرم افزارهای کلاسیک آردوینو، یعنی Arduino IDE و Arduino Web Editor زبان C و C++ است. البته امروزه زبان برنامه نویسی برای کار با دیگر نرم افزارها در دنیای میکروکنترلرها نیز همین زبان C و C++ است. یا حداقل پر استفاده ترین زبان برنامه نویسی در زمینۀ میکروکنترلرها است. اما در نرم افزار Arduino Pro علاوه بر زبان های C و C++ می توان از زبان های Phyton و JavaScript نیز استفاده کرد. نرم افزارهای آردوینو، کتابخانه‌های بسیاری برای انواع قطعات و ماژول ها دارد (نحوۀ ساخت کتابخانه در زبان C). همچنین با توجه به متن باز بودن این نرم افزارها، مدام به تعداد این کتابخانه ها اضافه می شود. این قابلیت برای بسیاری از افراد یک مزیت مهم و دلیل اصلی استفاده از آردوینو محسوب می شود.

Arduino Pro، پلتفرم IOT آردوینو

آردوینو در سال 2019 پلتفرمی برای کاربردهای IOT عرضه کرد. این پکیج برای IOT شامل تمام ملزومات نرم افزاری و سخت افزاری برای راه اندازی یک پروژۀ IOT است. یکی از دغدغه های بسیاری از طراحان، اتصال محصول خود به بستر اینترنت و کنترل آن در این بستر است. Arduino Pro برای پاسخگویی به این نیاز، اینترنت اشیا با آردوینو را طراحی کرده است. با توجه به این که Arduino در وبسایت خود قسمت Pro را به صورت مجزا از نرم افزار و سخت افزارهای گذشته قرار داده، لذا در این نوشته هم سخت افزار و هم نرم افزار Pro را به صورت مجزا قرار داده ایم. البته علاوه بر این که به صورت مجزا قرار داده، در قسمت های دیگر نیز برخی محصولات Pro را قرار داده است. برای مثال در فروشگاه، محصولات Pro را قرار داده است. ارائۀ پلتفرم Pro برای بستر IOT نشان دهندۀ اهمیت اینترنت اشیا در دنیای امروز و همچنین بروز بودن Arduino در ارائۀ محصولات است. پکیج Arduino Pro شامل سخت افزار Arduino Pro، بستر ارتباطی و نرم افزار Arduino Pro است.

تصویر 13 – اجزای پلتفرم آردوینو Pro

سخت افزار Arduino Pro

توجه شود که آردوینو یک برد به نام Arduino Pro در دسته بندی محصولات قدیمی خود (SPARE PARTS) دارد. در این قسمت هدف بررسی آن برد نیست و منظور سخت افزارهای مربوط به Arduino Pro است. این برد اولین محصول این شرکت برای اینترنت اشیا تحت پلتفرم Arduino Pro است. در زمان نوشتن این متن، هنوز این سخت افزار آماده نشده است. این سخت افزار در سایت آردوینو به صورت پیش فروش عرضه می شود. نام این برد Portenta H7 است. در این برد از میکروکنترلر دو هسته ای STM32H747 استفاده شده است (آموزش STM32). یک پردازندۀ Cortex-M7 با فرکانس کاری 480 مگاهرتز و یک پردازندۀ Cortex-M4 با فرکانس کاری 240 مگاهرتز استفاده شده است. در برد Portenta H7 از چیپ های بلوتوث و WIFI نیز استفاده شده است. که این امکانات باعث اتصال این برد به شبکه بدون ماژول جانبی شده است. این برد منطبق بر بردهای Arduino است. Portenta H7 با استفاده از زبان های سطح بالا مثل میکروپایتون و جاوا اسکریپت نیز قابل توسعه است. در حال حاضر این شرکت در مسیر شروع پلتفرم Pro است. به احتمال زیاد به زودی سخت افزارهای بسیاری منطبق بر Portenta H7 و همچنین نسل های جدید این برد و بردهای مشابه عرضه خواهد شد. این کار با شروع طراحی بردی به نام Portenta Carrier برای افزایش قابلیت های Portenta H7 آغاز شده است.

تصویر 14 – برد Portenta H7 و برد Portenta Carrier

بستر ارتباطی

مورد دیگری که آردوینو در پلتفرم Pro فراهم کرده، یک فضای ابری برای اینترنت اشیا است. همچنین برای اتصال با محدودیت کمتر به Arduino Cloud، سیم کارت آردوینو (ARDUINO SIM) عرضه شده است. می توان این سیم کارت را به برد Arduino MKR متصل کرد و با استفاده از آن به فضای ابری آردوینو متصل شد. و پارامترهایی از دستگاه را بر روی این فضای ابری ارسال کرد. برای مثال مقدار خروجی سنسورها علاوه بر این که بر روی نمایشگر نمایش داده شود، بر روی فضای ابری آردوینو نیز ارسال شود. همچنین یک سری اطلاعات را از این فضای ابری دریافت و بر روی دستگاه اعمال کرد. مثلاً کاربر در یک نرم افزار تحت وب، فرمان خاموش یا روشن شدن رله های دستگاه را صادر کند. این اطلاعات در این فضای ابری قرار بگیرد، دستگاه این اطلاعات را از فضای ابری دریافت کند و رله ها را خاموش یا روشن کند.

تصویر 15 – سیمکارت آردوینو (Arduino SIM)

نرم افزار Arduino Pro

ارتباط با Arduino Cloud نیاز به دو نرم افزار دارد. یک نرم افزار مناسب برای کدنویسی بردهای آردوینو برای اتصال به فضای ابری و یک نرم افزار تحت وب یا اپلیکیشن دسکتاپ یا موبایل که کاربر از آن استفاده می کند. آردوینو سه سرویس نرم افزاری برای پلتفرم Pro عرضه کرده است. این سه سرویس شامل اپلیکیشن تحت وب، دسکتاپ و موبایل، نرم افزار Arduino IDE Pro و نرم افزار Arduino CLI است. با استفاده از اپلیکیشن های تحت وب، دسکتاپ و موبایل آردوینو Pro، می توان به فضای ابری متصل شد، آن را مانیتور و کنترل کرد. امکان شخصی سازی و همچنین کنترل چند نود متصل به شبکه در یک داشبورد نیز در این نرم افزارها وجود دارد. نرم افزار Arduino IDE Pro نیز نرم افزار جدید Arduino است. این نرم افزار برای کدنویسی بردهای آردوینو که قرار است به شبکه متصل شوند، طراحی شده است. امکانات جدیدی به این نرم افزار نسبت به نرم افزارهای کلاسیک اضافه شده است. از جمله این امکانات می توان به قابلیت دیباگ، قابلیت تنظیم در حالت کلاسیک یا Pro، پشتیبانی از کدهای پایتون و جاوااسکریپت، سیستم مدیریت جدید بردها با قابلیت های جدید و … اشاره کرد. نرم افزار Arduino CLI  نیز برای کدنویسی، کامپایل و بارگذاری کدهای بردهای آردوینو با استفاده از پنجرۀ خط فرمان (Command Line Interface) استفاده می شود.

تصویر 16 – نرم افزارهای آردوینو Pro

مزایای آردوینو

امروزه پلتفرم های نرم افزاری و سخت افزاری بسیاری برای کار با میکروکنترلرها در کاربردهای مختلف وجود دارد. اما آردوینو مشهورترین و پرفروش ترین این پلتفرم ها است. بنده در ادامه برخی دلایل استفادۀ زیاد از این پلتفرم متن باز را از نظر خود مطرح می کنم:

• با توجه به برخی دلایل از جمله این که بردهای آردوینو به صورت انبوه تولید می شوند، قیمت این بردها نسبت به بردهای مشابه ارزان تر است.
• امروزه کمتر تجهیزی وجود دارد که آردوینو برای آن سخت افزار طراحی نکرده باشد. یا این که دیگر شرکت ها سخت افزار آن برای کار با بردهای Arduino را طراحی نکرده باشند. منظور از تجهیز، امکانات جانبی بردها مثل WIFI و LCD و … است. منظور بردهای میکروکنترلری یا میکروپروسسوری نیست.
• نرم افزار و کتابخانه های Arduino برای راه اندازی و کار با تجهیزات مختلف نوشته شده است. امروزه تقریباً تجهیزی را نمی توان پیدا کرد که راه اندازی آن با آردوینو قابل انجام باشد، اما نمونه کد راه اندازی آن برای این پلتفرم وجود نداشته باشد.
• منطبق بودن نرم افزار و سخت افزار Arduino که کمترین زمان را برای راه اندازی پروژه به خود اختصاص می دهد.
• با توجه به استفادۀ گسترده از آردوینو، هر سؤالی که در کار با آن به وجود بیاید، قبلاً برای شخص دیگری به وجود آمده است. بنابراین پاسخ به تمامی سؤالات و مشکلات با جستجو در اینترنت یافت می شود.

مزایای فوق باعث تولید یک برد ارزان و نرم افزاری رایگان شده که با چند کلیک و چند خط کدنویسی با توابع آماده، یک سیستم دیجیتال را خلق می کند.

تصویر 17 – مزایای آردوینو

آردوینو مناسب چه کاربردهایی است؟

در آموزش آردوینو، مخاطبینِ آن را به تفصیل معرفی کرده ایم. درصد زیادی از طیف وسیع مخاطبین آردوینو به صورت صحیح از آن استفاده می کنند. به زبان دیگر، استفادۀ آنها از آردوینو با هدفی که دارند مشکلی ندارد. بسیاری از پروژه ها نیز با استفاده از این پلتفرم قابل انجام نیستند. این پروژه ها در ادامه در قسمت معایب آردوینو تشریح می شود. اما با توجه به آنچه به عنوان مزایای Arduino مطرح شد، به طور کلی عمده مخاطبین این پلتفرم متن باز را می توان به صورت زیر دانست:

• دانش آموزان و معلمان با استفاده از Arduino می توانند پروژه های عملی متنوعی برای اثبات قضایای شیمی و فیزیک و … با قیمت پایین بسازند. یا با آموزش آردوینو و استفاده از آن شروع به آموزش برنامه نویسی و رباتیک کنند.
• طراحان نمونه‌های اولیه را ساخته و ارزیابی های ابتدایی پروژۀ خود را انجام می دهند.
• افرادی که دانش کافی نسبت به الکترونیک و برنامه نویسی را دارند. این افراد تنها از محیط نرم افزار Arduino IDE استفاده می کنند اما در این محیط چهارچوب کدنویسی خود را دارند.
• برخی پروژه ها، الزامات نرم افزاری و سخت افزاری را که در ادامه در قسمت معایب آردوینو ذکر شده، ندارند. در چنین پروژه هایی علاوه بر نمونۀ اولیه، می توان در تولید آنها نیز از آردوینو استفاده کرد.

با گفته های فوق، به نوعی بازار کار آردوینو تشریح شد. از نظر بنده استفاده از این پلتفرم در پروژه هایی به جز موارد فوق، قطعاً زیان هایی از جوانب مختلف خواهد داشت. این زیان می تواند در ابعاد مختلف متوجه کارفرما یا مجری شود. برای بررسی پروژه هایی که نمی توان با استفاده از آردوینو انجام داد، معایب آردوینو را مطالعه فرمایید.

تصویر 18 – بخشی از جامعۀ هدف آردوینو

معایب آردوینو

از نظر بنده آردوینو هیچ مشکلی ندارد. اگر مشکلی وجود دارد در استفاده از آن است. همان طور که در ابتدای نوشته ذکر شد، Arduino یک بستر نرم افزاری و سخت افزاری است که برای کمک به دانش آموزانی است که هیچ تجربۀ قبلی در زمینه الکترونیک یا برنامه نویسی نداشته و قصد ساخت یک سیستم دیجیتال را دارند، به وجود آمد. این پلتفرم متن باز برای تحقق بخشیدن به هدفی که برای آن به وجود آمده، بهترین ابزار موجود است. در حال حاضر در دنیا هیچ پلتفرمی را نمی توان یافت که با این هدف به وجود آمده باشد و حتی به آردوینو نزدیک شده باشد. Arduino در این زمینه پلتفرم برتر در دنیا است. حال در این زمینه سؤالاتی به وجود می آید از جمله این که، آیا این هدف صحیح است؟ آیا آردوینو در راستای این هدف اقدامات صحیحی انجام داده؟ آیا آردوینو برای استفاده در پروژه های صنعتی مناسب است؟ در ادامه به پاسخ به این سؤالات می پردازیم.

تصویر 19 – کنترل ربات توسط فرمان دست با استفاده از آردوینو

تحلیل هدف آردوینو

هدف آردوینو کمک به دانش آموزان بوده است؟ آیا کمک کردن به این نحو است که سخت افزار و نرم افزار به صورت آماده به طراح داده شود؟ این نوع کمک کردن مناسب چه قشری است؟ به نظر پاسخ به این سؤال ها در خود سؤالات وجود دارد. اگر با Arduino آشنایی نداشته باشید وقتی پروژه ای که با آن ساخته شده را می بینید، شاید تصور کنید که کار بزرگی از جانب طراح پروژه انجام شده است. حتی پروژه ای پیچیده از نظر شخصی که با آردوینو آشنایی ندارد. اما اگر از این دید به آن نگاه کنید که سخت افزار کاملاً آماده تهیه شده و در نرم افزار هم با چند ده خط کدنویسی با کتابخانه های آمادۀ آردوینو ساخته شده، دیگر این تصور را نمی کنید. آموزش و کمک در انجام پروژه با این حد از دخالت طراح در ساخت پروژه، اغلب مناسب افراد ناآشنا با برنامه نویسی و الکترونیک و میکروکنترلر، کودک یا نوجوان است. مخاطب اصلی این هدف نیز کودکان هستند. احتمالاً تا به اینجا، بتوانید پاسخ به سؤالاتی از جمله «کاربرد آردوینو در صنعت چیست؟» یا « بازار کار آردوینو چیست؟» را بدهید. اما برای روشن تر شدن موضوع، در ادامه این موارد بررسی می شوند.

تصویر 20 – عینک هوشمند با استفاده از آردوینو

کاربرد آردوینو در صنعت، پروژه های پیچیده و محدودیت های آردوینو

برای پاسخ به این سؤال که «چه پروژه هایی را با استفاده از آردوینو نمی توان انجام داد؟» باید ابتدا الزاماتی که در نرم افزار و سخت افزار بسیاری از پروژه ها وجود دارد را بررسی کنیم. توجه داشته باشید که امروزه در اکثر پروژه ها به خصوص پروژه هایی با تولید انبوه، سیستم های پیچیده و سیستم هایی با بازار رقابتی، حداقل یکی از محدودیت های زیر وجود دارد.

الزامات نرم افزاری:

• نرم افزاری که حداقل حجم ممکن را داشته باشد؛
• از امکانات پردازنده و میکروکنترلر، بیشترین بهره بری انجام شود؛
• در آینده به راحتی و صرف زمان هر چه کمتر قابل تغییر باشد؛
• قسمت های مختلف برنامه به صورت کاملاً مستقل عمل کنند و در عملکرد یکدیگر تداخل نداشته باشند.

الزامات سخت افزاری:

• با هزینۀ هرچه کمتر تولید شود؛
• بسته به کاربردی که برای آن طراحی شده، تست ها و استانداردهای مربوطه را پاس کند؛
• حتی الامکان در آینده نیاز به تغییر نداشته باشد و نرم افزارهای آینده با این سخت افزار قابل اجرا باشند؛
• بیشترین انطباق را با دیگر سیستم های مرتبط داشته باشد. از جمله فیزیک استاتیکی و داینامیکی سیستم.

چه پروژه هایی را با استفاده از آردوینو نمی توان انجام داد؟

الزامات گفته شده در پاراگراف قبل، هر یک می تواند مانعی باشد که در یک پروژه نتوان از آردوینو استفاده کرد. حال تصور کنید که قصد دارید عضوی از یک گروه باشید که قصد ساخت یک سیستم پیچیده را دارد. یک قدم جلوتر برویم و تصور کنید تعریف ما از سیستم پیچیده سیستم هایی مثل خودرو، هواپیما، ماهواره و کشتی در دنیای امروز باشد. امروزه این سیستم ها از ده ها زیرسیستم و صدها قطعه تشکیل شده اند. در چنین سیستم هایی اکثر زیرسیستم ها تمامی محدودیت های مذکور را دارند و قطعاً نمی توان از چنین پلتفرم های آماده استفاده کرد. باید یک پلتفرم نرم افزاری و سخت افزاری متناسب با این کاربردها طراحی و ساخته شود. امروزه شرکت های بسیاری وجود دارند که برای بسیاری از سیستم ها (از جمله سیستم های پیچیدۀ مذکور) پلتفرم های اختصاصی آن کاربرد را طراحی و در اختیار شرکت های سازندگان این سیستم ها قرار می دهند.

تصویر 21 – لطفا از آردوینو در راستای هدفی آردوینو استفاده کنید.

نتایج آردوینو و پروژه بدون الکترونیک و برنامه نویسی

1. آردوینو با هدف کمک به دانش آموزانی که هیچ تجربه قبلی در زمینه الکترونیک یا برنامه نویسی میکروکنترلر نداشتند و قصد ساخت یک سیستم دیجیتال را داشتند به وجود آمد.
2. Arduino Uno معروف ترین برد آردوینو است. اما این شرکت محصولات مختلفی در دسته بندی های مختلفی دارد.
3. با توجه به این که آردوینو فروش بالایی در دنیا دارد، شرکت های دیگر برای افزایش فروش محصولات خود، محصولات منطبق بر آردوینو ساخته اند. که برخی از آنها نیز در سایت آردوینو وجود دارد.
4. Arduino IDE معروف ترین نرم افزار آردوینو است. اما آردوینو چند نرم افزار در دسته بندی Classic و Pro دارد. نرم افزار آردوینو IDE در دسته بندی Classic قرار دارد.
5. دیگر نرم افزارهای این شرکت شامل نسخۀ پرتابل Arduino IDE و Arduino Web Editor و Arduino IDE Pro و Arduino CLI و اپلیکیشن های تحت وب، دسکتاپ و موبایل است.
6. آردوینو در سال 2019 پلتفرم جدیدی به نام Arduino Pro برای پروژه های IOT ارائه کرده است.
7. پلتفرم Arduino Pro شامل سخت افزار، بستر ارتباطی و نرم افزارهای آردوینو برای ساخت پروژۀ IOT است.
8. در بخش مزایای آردوینو، پاسخ به سؤال «آردوینو مناسب چه افرادی است؟» و بازار کار آردوینو را بررسی کردیم.
9. در بخش معایب آردوینو، تحلیل هدف آردوینو، کاربرد آردوینو در صنعت، پروژه هایی را با استفاده از آردوینو نمی توان انجام داد و … را بررسی کردیم.
10. در برخی پروژه ها محدودیت های مذکور در قسمت معایب وجود دارد. اما علی رغم این موضوع، از آردوینو استفاده می شود. چنین مواردی دلایلی دارند که یا مربوط به حاشیه یا مربوط به عدم دانش کافی است. منظور از حاشیه این است که طراح می داند که آردوینو مناسب این کاربرد نیست اما به دلایل دیگر از آن استفاده می کند.