نظام اتمتة المنازل الذكية

لقد حظيت تقنيات إنترنت الأشياء (IoT) باهتمام واسع من قِبل العلماء والصناعات والحكومات حول العالم، نظرًا لقدرتها الكبيرة على إحداث تحول جذري في أسلوب الحياة المعاصر. وتقوم فكرة إنترنت الأشياء على ربط مليارات المستشعرات بشبكة الإنترنت باستخدام تقنيات الاتصالات اللاسلكية وغيرها. هذه المستشعرات تولّد كميات ضخمة من البيانات التي تتطلب التحليل والتفسير والاستخدام الفعّال في اتمتة المنازل .

حيث، يعتمد نظام اتمتة المنازل على تكنولوجيا إنترنت الأشياء لمراقبة الأجهزة الكهربائية والإلكترونية والتحكم بها عن بُعد، وذلك من خلال استخدام الهاتف الذكي فقط. وتُعرض في هذا الإطار فكرة تصميم نظام أتمتة منازل  منخفض التكلفة ومرن، يُعزز من الاعتماد على الاتصال اللاسلكي في التحكم بالمنازل الذكية.

تاريخ الاتمتة المنزلية وتطورها

تعود جذور مفهوم الاتمتة المنزلية إلى القرن التاسع عشر، لكن البداية الحقيقية ظهرت في أبريل عام 1968 مع تطوير أول نظام يُعرف باسم مشغل المنزل الإلكتروني المحوسب، والذي تم ابتكاره باستخدام مجموعة من المكونات الإلكترونية المتاحة في ذلك الوقت. لاحقًا، تم تطوير معيار X10 الذي أتاح إمكانية إرسال واستقبال الأوامر عبر الترددات اللاسلكية، مثل تشغيل الأجهزة أو إيقافها. ومع ذلك، لم يكن هذا النظام خاليًا من العيوب.

ومع ظهور جهاز راسبيري باي وهو كمبيوتر صغير بحجم بطاقة الائتمان يحتوي على العديد من المنافذ مثل Ethernet وUSB وHDMI، أصبحت فكرة اتمتة المنازل أسهل وأكثر متعة. لم تعد مقتصرة فقط على فتح وإغلاق الأبواب والنوافذ أو التحكم في درجات الحرارة، بل امتدت لتشمل إدارة أنظمة المسرح المنزلي، إطعام الحيوانات الأليفة، وسقي النباتات، وغيرها الكثير.

ببساطة، الاتمتة المنزلية تُعرف اليوم باسم البيت الذكي أو المنزل الذكي، وهي تقوم على تقنيات حديثة متعددة مثل GSM، الواي فاي، البلوتوث، Zigbee وغيرها من تقنيات الاتصال التي تسهّل التحكم الكامل بالمنازل بذكاء وراحة.

تصميم النظام، وحدة Raspberry Pi

Raspberry Pi هو حاسوب صغير الحجم ومنخفض التكلفة يستخدم في اتمتة المنازل ، بحجم بطاقة ائتمان، طوّرته مؤسسة Raspberry Pi في المملكة المتحدة لتعليم أساسيات البرمجة وعلوم الحاسب. تم الإعلان عن أولى نماذجه عام 2012، وتوالت الإصدارات حتى Pi 3 Model B في 2016.

يتميز الجهاز بإمكانية توصيله بشاشة كمبيوتر أو تلفاز، مع دعم لوصل لوحة مفاتيح وفأرة. يحتوي على شريحة Broadcom تضم معالج ARM ومعالج رسومات مدمج، بسرعات تتراوح بين 700 ميجاهرتز و1.2 جيجاهرتز، وذاكرة RAM بين 256 ميجابايت و1 جيجابايت. تُستخدم بطاقة SD لتخزين نظام التشغيل.

تدعم لوحات Raspberry Pi منافذ متعددة مثل USB وHDMI وDSI، بالإضافة إلى 40 دبوس GPIO، وتقنيات مدمجة كـ Bluetooth وWi-Fi. وهو يدعم عدة أنظمة تشغيل مثل Raspbian و Ubuntu Mate، ويتيح البرمجة بلغات متنوعة منها Python وC++ و Java وHTSQL، مما يجعله مناسبًا لمشاريع البرمجة والتطبيقات التفاعلية.

أوضاع الطاقة في Raspberry Pi

من مميزات Raspberry Pi في أنظمة اتمتة المنازل قدرته على العمل في أوضاع طاقة مختلفة، وفيما يلي اربعة من تلك الأوضاع:

• وضع التشغيل الكامل (Run Mode): حيث يعمل المعالج المركزي (CPU) بكامل طاقته، وتكون جميع وظائف نواة ARM11 مفعّلة.
• وضع الاستعداد (Standby Mode): يتم إيقاف عمل الأنوية الرئيسية، ولكن تظل دوائر الطاقة نشطة. يُعرف هذا الوضع باسم الانتظار للمقاطعة (WFI)، ويمكن إعادة تنشيط المعالج بسرعة عند تلقي إشارة مقاطعة (Interrupt) من عملية معينة.
• وضع الإيقاف الكامل (Shutdown Mode): لا توجد طاقة تعمل في هذا الوضع.
• الوضع الساكن (Dormant Mode): يتم فصل الطاقة عن النواة، بينما تظل ذاكرة التخزين المؤقت (Cache) نشطة.

الأجهزة المحمولة

تلعب الأجهزة المحمولة دورًا رئيسيًا في أنظمة اتمتة المنازل ، حيث أن الأجهزة المحمولة هي ببساطة حواسيب صغيرة الحجم يمكن حملها وتشغيلها باليد بسهولة. ورغم صغر حجمها، إلا أنها تمتلك أنظمة تشغيل خاصة بها، وتتميز بإمكانية التنقل من مكان لآخر دون قيود. ومن أبرز الأمثلة على الأجهزة المحمولة: الهواتف الذكية، الحواسيب المحمولة (اللابتوب)، الأجهزة اللوحية (التابلت)، وغيرها.

تنفيذ النظام: الجزء الصلب والبرمجي

يعتمد نظام اتمتة المنازل الذكية على تقسيمه إلى جانبين رئيسيين: الخادم والمستخدم.

• جانب الخادم:
  يُنفّذ بالكامل على جهاز Raspberry Pi باستخدام بيئة (LAMP (Linux, Apache, MySQL, PHP، حيث يتم تخزين ملفي PHP وswitchDevice.php للتحكم بالنظام. يحتوي Raspberry Pi على 40 منفذ GPIO تُستخدم لتوصيل الأجهزة المنزلية عبر وحدة الريليه، مع دائرة تشغيل لرفع الجهد من 3.3 إلى 6 فولت.
• جانب المستخدم:
  يتم الوصول إلى النظام عبر جهاز محمول متصل بالإنترنت. بمجرد إدخال عنوان IP الخاص بـ Raspberry Pi في المتصفح، تظهر واجهة ويب بسيطة تتيح للمستخدم التحكم في الأجهزة داخل كل غرفة باستخدام أزرار تشغيل وإيقاف.
• البرمجة:
  تمت برمجة النظام بلغة PHP، واستخدام Adobe Dreamweaver لتصميم واجهة الاستخدام، التي تعرض الأجهزة والغرف بشكل تفاعلي يسهّل التحكم الكامل من أي مكان.

في النهاية، يمثل نظام اتمتة المنازل الذكية نقلة نوعية في أسلوب الحياة الحديثة، حيث يجمع بين الراحة، والتحكم، والكفاءة في استهلاك الطاقة. وبالاعتماد على تقنيات إنترنت الأشياء وأجهزة مثل Raspberry Pi، أصبح بالإمكان إدارة المنزل عن بُعد بسهولة وأمان. يعكس هذا النظام تكامل البرمجيات والأجهزة لخلق بيئة معيشية ذكية ومتصلة. ومع تطور التكنولوجيا، يُتوقع أن تصبح هذه الأنظمة جزءًا أساسيًا من كل منزل عصري.