صفحة 148 - كتاب إنترنت الأشياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال 1: هل تعتقد أن استخدام الإخراج التناظري بواسطة تضمين عرض النبضة (PWM) أكثر كفاءة في التحكم بمحرك التيار المستمر؟ فسر إجابتك أدناه.

الإجابة: س1: نعم، PWM أكثر كفاءة لأنه يغيّر نسبة التشغيل (Duty Cycle) ويقلل الحرارة ويحفظ العزم مقارنة بالتحكم التناظري.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لنفهم هذا السؤال، علينا أولاً أن نعرف الفرق بين التحكم التناظري التقليدي والتحكم باستخدام تقنية تضمين عرض النبضة (PWM). في التحكم التناظري التقليدي، نقوم بتغيير الجهد الكهربائي المطبق على المحرك بشكل مستمر. هذا يعني أن المحرك يتلقى طاقة باستمرار، حتى لو كانت أقل من الحد الأقصى. جزء من هذه الطاقة يتحول إلى حرارة في دارة التحكم، مما يسبب هدراً في الطاقة. أما في تقنية PWM، فإن الجهد المطبق على المحرك يكون إما كاملاً (ON) أو معدوماً (OFF) بسرعة كبيرة. ما نتحكم به هو نسبة الوقت الذي يكون فيه الجهد كاملاً (نسبة التشغيل أو Duty Cycle). عندما تكون هذه النسبة 50%، فهذا يعني أن المحرك يتلقى الجهد الكامل لنصف الوقت فقط. الفكرة هنا هي أن المحرك، بسبب قصوره الذاتي، يستجيب لمتوسط الجهد هذا. إذا كان الجهد الكامل 12 فولت ونسبة التشغيل 50%، فإن المحرك سيتصرف كما لو كان متصلاً بجهد 6 فولت تقريباً. الكفاءة تأتي من أن دارة التحكم في حالة PWM تكون إما مفتوحة بالكامل (مقاومة منخفضة، هدر طاقة قليل) أو مغلقة بالكامل (لا يمر تيار). هذا يقلل بشكل كبير من الطاقة المهدورة على شكل حرارة في دارة التحكم مقارنة بالطريقة التناظرية التي تعمل فيها الدارة في حالة مقاومة متوسطة باستمرار. إذن الإجابة هي: **نعم، استخدام PWM أكثر كفاءة لأنه يغير نسبة التشغيل (Duty Cycle) ويقلل من الطاقة المهدورة على شكل حرارة في دارة التحكم، كما يحافظ على عزم دوران جيد للمحرك مقارنة بالتحكم التناظري التقليدي.**

سؤال 2: بالنظر إلى عدد أطراف الإدخال والإخراج في الأردوينو والمايكروبت (micro:bit)، أي منهما يُعد أفضل كجهاز تحكم دقيق في نظام الحديقة الذكية؟ اعرض أفكارك أدناه.

الإجابة: س2: الأردوينو أفضل لتوفر عدد أكبر من أطراف الإدخال/ الإخراج (رقمية وتناظرية) مما يتيح توصيل مستشعرات أكثر.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لنفكر في متطلبات نظام الحديقة الذكية. مثل هذا النظام يحتاج عادة إلى توصيل عدة مستشعرات (مثل مستشعر رطوبة التربة، مستشعر درجة الحرارة، مستشعر الضوء) ومشغلات (مثل مضخة مياه، مصابيح LED، محرك لفتح نافذة الدفيئة). لذلك، الفكرة الأساسية هي مقارنة قدرة كل جهاز على التعامل مع عدد كبير من هذه المكونات في وقت واحد. الأردوينو (مثل Uno) يوفر عادة عدداً أكبر من أطراف الإدخال/الإخراج (I/O Pins). على سبيل المثال، لوحة Arduino Uno لديها 14 طرفاً رقمياً (يمكن استخدام بعضها كمداخل تناظرية أيضاً) و6 مداخل تناظرية خالصة. هذا العدد الكبير يتيح للمصمم توصيل العديد من المستشعرات والمشغلات مباشرة أو من خلال وحدات توسيع بسيطة. من ناحية أخرى، المايكروبت (micro:bit) مصمم لتكون لوحة تعليمية صغيرة وبسيطة. عدد أطراف الإدخال/الإخراج المتاحة للاستخدام العام فيه أقل بكثير (حوالي 5-6 أطراف رئيسية مع إمكانيات محدودة أخرى). في مشروع مثل الحديقة الذكية، حيث قد نحتاج إلى مراقبة عدة مناطق من التربة ودرجة الحرارة والتحكم في عدة مشغلات، فإن وجود عدد أكبر من الأطراف يمنح مرونة وتوسعاً أكبر. إذن الإجابة هي: **الأردوينو يُعد خياراً أفضل كجهاز تحكم دقيق في نظام الحديقة الذكية بسبب توفر عدد أكبر من أطراف الإدخال/الإخراج (رقمية وتناظرية)، مما يتيح توصيل عدد أكبر من المستشعرات والمشغلات مباشرة، ويعطي النظام مرونة وقابلية للتوسع أكبر.**

سؤال 3: اشرح سبب معالجة قيم إدخال المستشعر المأخوذة من الأطراف التناظرية باستخدام صيغة رياضية مختلفة اعتماداً على المستشعر؟

الإجابة: س3: لأن القراءة التناظرية جهد خام، وعلاقتها بالكمية الفيزيائية تختلف (خطية/غير خطية) وتتطلب معادلات تحويل خاصة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** نتذكر أن الأطراف التناظرية في المتحكمات الدقيقة (مثل الأردوينو) تقرأ الجهد الكهربائي المطبق عليها. هذا الجهد هو قيمة رقمية خام (مثلاً من 0 إلى 1023 على مقياس 10-bit) تمثل الجهد (مثلاً من 0V إلى 5V). **الخطوة 2 (التطبيق):** المشكلة هي أن هذه القراءة الرقمية للجهد لا تمثل مباشرة الكمية الفيزيائية التي يقيسها المستشعر (مثل درجة الحرارة، المسافة، شدة الإضاءة). العلاقة بين الجهد الخارج من المستشعر والكمية الفيزيائية المقاسة تختلف من مستشعر لآخر: 1. **علاقة خطية:** بعض المستشعرات (مثل مستشعر درجة الحرارة LM35) تنتج جهداً يتناسب طردياً مع الكمية. هنا قد نستخدم معادلة بسيطة مثل: `الكمية = (القراءة * عامل) + ثابت`. 2. **علاقة غير خطية:** مستشعرات أخرى (مثل مستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية) لها علاقة أكثر تعقيداً. الجهد أو وقت الاستجابة قد لا يتناسب خطياً مع المسافة. 3. **نطاق قياس مختلف:** حتى مع العلاقة الخطية، قد ينتج المستشعر جهداً من 0.5V إلى 4.5V ليمثل نطاقاً معيناً (مثلاً من -40°C إلى 125°C). هنا نحتاج معادلة تحويل لتعيين القراءة الرقمية (0-1023) إلى هذا النطاق الفعلي. **الخطوة 3 (النتيجة):** لذلك، يجب معالجة القراءة التناظرية الخام باستخدام صيغة رياضية (معادلة تحويل) مختلفة تعتمد على نوع المستشعر. هذه المعادلة تأخذ في الاعتبار: - **العلاقة الرياضية** بين خرج المستشعر والكمية المقاسة (خطية، تربيعية، لوغاريتمية...). - **نطاق الجهد** الذي يخرجه المستشعر. - **نطاق القياس الفعلي** للكمية الفيزيائية. إذن الإجابة هي: **لأن القراءة التناظرية من المتحكم الدقيق هي مجرد قيمة رقمية تمثل جهداً كهربائياً. العلاقة بين هذا الجهد والكمية الفيزيائية المقاسة (كدرجة الحرارة أو المسافة) تختلف من مستشعر لآخر (قد تكون خطية أو غير خطية) وتعمل ضمن نطاق جهد وقياس محدد. لذلك، نحتاج إلى معادلات تحويل رياضية خاصة بكل مستشعر لتحويل القراءة الرقمية الخام إلى قيمة فيزيائية ذات معنى.**

ما السبب الرئيسي لكون تقنية تضمين عرض النبضة (PWM) أكثر كفاءة من التحكم التناظري التقليدي في تشغيل محرك التيار المستمر؟

• أ) تزيد من سرعة دوران المحرك بشكل أكبر من الطريقة التناظرية.
• ب) تقلل من الطاقة المهدورة على شكل حرارة في دارة التحكم لأنها تعمل في حالتين فقط: مفتوحة بالكامل أو مغلقة بالكامل.
• ج) توفر جهداً كهربائياً أعلى للمحرك دون الحاجة لمصدر طاقة إضافي.
• د) تستخدم عدداً أقل من المكونات الإلكترونية في الدارة، مما يقلل التكلفة.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تقلل من الطاقة المهدورة على شكل حرارة في دارة التحكم لأنها تعمل في حالتين فقط: مفتوحة بالكامل أو مغلقة بالكامل.

الشرح: 1. في التحكم التناظري، تعمل دارة التحكم في حالة مقاومة متوسطة باستمرار، مما يحول جزءاً من الطاقة إلى حرارة. 2. في تقنية PWM، تكون دارة التحكم إما مفتوحة بالكامل (مقاومة منخفضة) أو مغلقة بالكامل (لا تيار). 3. هذا التبديل السريع يقلل بشكل كبير من الطاقة المهدورة على شكل حرارة، مما يزيد الكفاءة.

تلميح: فكر في كيفية عمل دارة التحكم في كلتا الطريقتين وما يحدث للطاقة الزائدة.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

عند مقارنة لوحة الأردوينو بلوحة المايكروبت (micro:bit) لاستخدامها في نظام الحديقة الذكية، ما الميزة الرئيسية التي تجعل الأردوينو خياراً أفضل؟

• أ) سهولة برمجتها باستخدام لغة سكراتش (Scratch) مقارنة بالأردوينو.
• ب) توفر شاشة LED مدمجة لعرض القراءات مباشرة دون الحاجة لشاشة خارجية.
• ج) توفر عدداً أكبر من أطراف الإدخال/الإخراج (I/O Pins) مما يتيح توصيل عدد أكبر من المستشعرات والمشغلات.
• د) استهلاكها أقل للطاقة مما يجعلها مناسبة للتشغيل بالبطاريات لفترات أطول.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: توفر عدداً أكبر من أطراف الإدخال/الإخراج (I/O Pins) مما يتيح توصيل عدد أكبر من المستشعرات والمشغلات.

الشرح: 1. نظام الحديقة الذكية يتطلب توصيل عدة مستشعرات ومشغلات في وقت واحد. 2. لوحة الأردوينو (مثل Uno) توفر عدداً أكبر من أطراف الإدخال/الإخراج الرقمية والتناظرية. 3. هذا العدد الكبير يمنح مرونة أكبر في التصميم وقابلية للتوسع مستقبلاً مقارنة بالمايكروبت ذو الأطراف المحدودة.

تلميح: تذكر أن نظام الحديقة الذكية يحتاج إلى توصيل عدة مستشعرات (رطوبة، حرارة، ضوء) ومشغلات (مضخات، مصابيح).

التصنيف: مقارنة | المستوى: سهل

لماذا يجب معالجة القراءة الرقمية الخام من الطرف التناظري للمتحكم الدقيق (مثل 0-1023) باستخدام معادلة تحويل مختلفة لكل مستشعر؟

• أ) لأن دقة المتحكم الدقيق تختلف من لوحة لأخرى، مما يتطلب معايرة مختلفة.
• ب) لأن بعض المستشعرات تعمل بجهد 3.3 فولت والبعض الآخر بجهد 5 فولت.
• ج) لأن العلاقة بين الجهد الكهربائي الخارج من المستشعر والكمية الفيزيائية المقاسة (كدرجة الحرارة) تختلف من مستشعر لآخر (قد تكون خطية أو غير خطية).
• د) لأن لغة البرمجة المستخدمة (مثل Arduino IDE) تفرض صيغة رياضية محددة لكل نوع من المداخل.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: لأن العلاقة بين الجهد الكهربائي الخارج من المستشعر والكمية الفيزيائية المقاسة (كدرجة الحرارة) تختلف من مستشعر لآخر (قد تكون خطية أو غير خطية).

الشرح: 1. القراءة التناظرية الخام تمثل فقط الجهد الكهربائي الوارد إلى الطرف. 2. كل مستشعر له علاقة رياضية خاصة تربط بين هذا الجهد والكمية الفيزيائية التي يقيسها (درجة حرارة، ضوء، مسافة). 3. هذه العلاقة قد تكون خطية (مثل LM35) أو غير خطية (مثل مستشعرات المسافة بالموجات فوق الصوتية). 4. لذلك، نحتاج لمعادلة تحويل خاصة بكل مستشعر لتحويل القراءة الرقمية إلى قيمة فيزيائية ذات معنى.

تلميح: ليس كل المستشعرات تترجم التغير في الكمية الفيزيائية إلى تغير متناسب في الجهد بنفس الطريقة.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط