01/ 22 الأسبوع 1-2 · الحساسات وبطاقات جمع البيانات 3 ساعات

مقدمة في Arduino ومنصات إنترنت الأشياء الزراعية

Introduction to Arduino & Agricultural IoT Platforms

نفهم كيف يتحول الحقل إلى بيانات: مكونات نظام IoT الزراعي، بنية Arduino و ESP32، الدوائر الكهربية الأساسية، GPIO و PWM و Serial — ونبني أول محاكي لمضخة ري على Tinkercad ثم على جهاز حقيقي.

مؤقت المحاضر 00:00 / 03:00

اضغط «ابدأ» مع بداية السيشن

Overview

نظرة عامة على السيشن

بنهاية السيشن ستكون قادراً على

تشرح سلسلة Sense → Transmit → Store → Decide → Act في نظام IoT زراعي بأمثلة من المزرعة.
تفرّق بين Arduino Uno و ESP32 وتختار المناسب لكل استخدام في الحقل.
تستخدم digitalRead / digitalWrite / analogWrite وتفهم الفرق بين Digital و Analog و PWM.
تحسب مقاومة الـ LED بقانون أوم وتبني الدائرة على Breadboard بأمان.
تقرأ وتكتب عبر Serial Monitor وتفهم دورة القراءة/الكتابة (Read/Write cycle).

التطبيق في مزرعة الكلية

جولة في مزرعة الكلية لرسم «خريطة احتياجات»: أين المضخات؟ ما نظام الري (تنقيط / غمر)؟ أين مصادر الكهرباء والواي فاي؟ وتحديد 4 نقاط مرشحة لتركيب عقد الحساسات طوال الكورس.

المُخرج (Deliverable)

دائرة «محاكي مضخة الري» تعمل على Tinkercad وعلى Arduino حقيقي (زر تشغيل/إيقاف + سرعة PWM + مهلة أمان)، وخريطة مبدئية لنقاط القياس في المزرعة.

خطة السيشن (180 دقيقة)

0:00 مراجعة تعارف + لماذا الزراعة الذكية؟ مشكلة الري في الدلتا 15 د
0:15 شرح نظام IoT الزراعي: من الحساس إلى القرار 30 د
0:45 شرح Arduino و ESP32 من الداخل + أساسيات الدوائر 25 د
1:10 محاكاة Tinkercad: محاكي مضخة الري 30 د
1:40 استراحة استراحة 10 د
1:50 تطبيق Lab: الدائرة على Arduino حقيقي + Serial Monitor 35 د
2:25 ميداني تطبيق ميداني: جولة المزرعة وخريطة نقاط القياس 25 د
2:50 تقييم اختبار سريع + الواجب 10 د

الأدوات والمكونات

Arduino Uno / ESP32 DevKitBreadboardLEDs (أحمر/أخضر)مقاومات 220Ω و 10kΩPush buttonPotentiometer 10kΩJumper wiresArduino IDE 2Tinkercad (حساب مجاني)

قبل السيشن

إنشاء حساب مجاني على tinkercad.com.
تثبيت Arduino IDE 2 على اللابتوب.
لا يلزم أي خبرة برمجية سابقة.

قاموس المصطلحات (Glossary)

IoTإنترنت الأشياء

أجهزة صغيرة متصلة بالشبكة تقيس وتتحكم بدون تدخل بشري مستمر.

Microcontroller (MCU)متحكم دقيق

كمبيوتر صغير على شريحة واحدة يشغّل برنامجاً واحداً باستمرار.

GPIOأطراف إدخال/إخراج عامة

General Purpose Input/Output — أطراف نبرمجها كمدخل (زر) أو مخرج (LED/Relay).

Digital signalإشارة رقمية

قيمتان فقط: HIGH (5V أو 3.3V) أو LOW (0V).

Analog signalإشارة تناظرية

قيمة مستمرة مثل جهد حساس الرطوبة بين 0 و 3.3V.

PWMتعديل عرض النبضة

Pulse Width Modulation — تشغيل وإطفاء سريع لمحاكاة جهد متوسط والتحكم في السرعة/الإضاءة.

Duty cycleنسبة التشغيل

نسبة زمن HIGH من الدورة — 50% تعني نصف القدرة تقريباً.

Serial communicationالاتصال التسلسلي

إرسال البيانات بتاً بعد بت بين الـ MCU والكمبيوتر (USB) بسرعة Baud rate.

Breadboardلوحة التجارب

لوحة توصيل بدون لحام لتجربة الدوائر.

Pull-up resistorمقاومة الرفع

تجعل الطرف HIGH افتراضياً حتى لا «يطفو» — INPUT_PULLUP تفعّل مقاومة داخلية.

Relayمُرحِّل

مفتاح كهرومغناطيسي يسمح لإشارة صغيرة بالتحكم في مضخة أو مروحة.

Firmwareالبرنامج الثابت

الكود الذي نرفعه على المتحكم (Sketch في Arduino).

Part 1 · Agricultural IoT

نظام IoT الزراعي

30 دقيقة

في الدلتا تُستهلك أكثر من 80% من المياه العذبة في الزراعة، ومعظم قرارات الري تتم «بالخبرة والعين»: نروي كل كام يوم بغض النظر عن حالة التربة الفعلية. الزراعة الدقيقة (Precision Agriculture) تقول: قِس أولاً، ثم قرّر.

نظام إنترنت الأشياء الزراعي هو سلسلة من 5 حلقات — وطوال الـ 22 سيشن سنبني كل حلقة منها بأيدينا داخل مزرعة الكلية:

Sense — القياس
حساسات في التربة والهواء: رطوبة التربة (Soil moisture)، الحرارة والرطوبة (DHT22)، الإضاءة (LDR). السيشنات 1-4
Transmit — الإرسال
العقدة (Node) ترسل القراءات لاسلكياً عبر Wi-Fi أو ESP-NOW أو LoRa. السيشنات 5-8
Store — التخزين
سيرفر محلي (لابتوب أو Raspberry Pi) يستقبل ويخزن البيانات كسلسلة زمنية (Time-series). السيشنات 8-10
Decide — القرار
لوحة تحكم + قواعد + نموذج ذكاء اصطناعي يتوقع: هل يحتاج الحقل ري خلال 24 ساعة؟ السيشنات 11-17
Act — التنفيذ
Relay يشغل المضخة أو مروحة الصوبة تلقائياً أو بأمر من المتصفح، مع تنبيه Telegram. السيشنات 12، 18

أمثلة حقيقية من مزرعة الكلية

المشكلة في الحقل	ماذا نقيس؟	القرار / الفعل
ري زائد في حقل الخضر يسبب عفن الجذور	رطوبة التربة كل 15 دقيقة	إيقاف الري عند الاقتراب من السعة الحقلية (Field capacity)
ارتفاع الرطوبة ليلاً في الصوبة	رطوبة وحرارة الهواء	تشغيل المروحة عند RH > 90% لتقليل الأمراض الفطرية
موجة حر في يونيو	حرارة الهواء + ET0	ري تكميلي صباحاً + تنبيه للمشرف
عطل مضخة لا يُكتشف إلا بعد أيام	تيار المضخة / تغير الرطوبة بعد الري	تنبيه «ري بدون أثر» خلال ساعة

سؤال للنقاش (3 دقائق)

لو قلنا إن الفلاح يروي «كل 4 أيام» صيفاً، ما الذي يمكن أن يجعل هذا القرار خاطئاً؟ فكّر في: نوع التربة، عمر النبات، الحرارة، الرياح، الأمطار.

منصات IoT الزراعية — أين يقع Arduino؟

هناك منصات تجارية جاهزة (مثل محطات الطقس الذكية وحساسات التربة اللاسلكية)، لكنها مغلقة ومكلفة. في هذا الكورس نبني نظاماً مفتوح المصدر يمكن تعديله لأي محصول: المتحكم (Arduino / ESP32) + بروتوكولات مفتوحة (MQTT / HTTP) + برمجيات مجانية (Python, Flask, SQLite).

Part 2 · Architecture, GPIO, PWM, Serial

Arduino و ESP32 من الداخل

25 دقيقة

المقارنة التي ستحدد اختيارك في الحقل

الخاصية	Arduino Uno (ATmega328P)	ESP32 DevKit
المعالج	8-bit، 16 MHz	32-bit ثنائي النواة، 240 MHz
الذاكرة	32 KB Flash / 2 KB RAM	4 MB Flash / 520 KB RAM
جهد الأطراف	5V	3.3V (لا تدخل 5V على أطرافه!)
ADC	10-bit (0–1023)، 6 أطراف	12-bit (0–4095)، 18 طرف (استخدم ADC1 مع Wi-Fi)
اتصال لاسلكي	لا يوجد	Wi-Fi + Bluetooth + ESP-NOW
Deep sleep	محدود	~10 µA — مناسب للبطارية
متى نستخدمه؟	التعلم، Tinkercad، تحكم محلي بسيط	عقدة حقلية ترسل البيانات

الدائرة الكهربية في 3 قوانين

قانون أوم (Ohm’s law): V = I × R. الـ LED الأحمر يحتاج ~2V وتيار ~20 mA. من طرف Uno (5V) نحتاج مقاومة: R = (5 − 2) / 0.02 = 150Ω ⇒ نستخدم أقرب قيمة أعلى متاحة 220Ω للأمان.

المسار المغلق: التيار يحتاج دائماً طريق عودة إلى GND — أشهر خطأ للمبتدئين هو نسيان توصيل الأرضي.

التيار من الطرف محدود: طرف Arduino يعطي حتى ~20 mA بأمان. المضخة تحتاج أمبيرات ⇒ لا نوصلها مباشرة أبداً، بل عبر Relay أو MOSFET.

digitalWrite(pin, HIGH)إخراج رقمي

يجعل الطرف 5V/3.3V — تشغيل LED أو Relay.

digitalRead(pin)قراءة رقمية

يعيد HIGH أو LOW — حالة زر أو حساس عتبة.

analogRead(pin)قراءة تناظرية

يحول الجهد لرقم: 0–1023 (Uno) أو 0–4095 (ESP32).

analogWrite(pin, 0-255)إخراج PWM

على أطراف ~ فقط في Uno (3، 5، 6، 9، 10، 11).

ARDUINO C++ blink_status_led.ino — أول برنامج: هيكل setup() و loop()

// setup() runs once at power-on, loop() runs forever
const int STATUS_LED = 13;      // built-in LED on Arduino Uno

void setup() {
  pinMode(STATUS_LED, OUTPUT);  // configure the GPIO as an output
  Serial.begin(9600);           // open the serial port (USB) at 9600 baud
  Serial.println("Node booted");
}

void loop() {
  digitalWrite(STATUS_LED, HIGH);   // "node alive" heartbeat
  delay(200);
  digitalWrite(STATUS_LED, LOW);
  delay(1800);                      // one blink every 2 s
}

كل عقدة حقلية في الكورس سيكون لها «نبضة حياة» (Heartbeat) مثل هذه — ستتطور لاحقاً إلى رسالة Health عبر MQTT في السيشن 20.

قاعدة أمان ذهبية

في هذا الكورس لا يتعامل الطلاب مع كهرباء 220V إطلاقاً. المضخات في المعمل 5–12V DC، ومضخة المزرعة الحقيقية يوصلها فني كهرباء المزرعة عبر Relay معزول وقاطع أرضي (RCD).

Part 3 · Tinkercad simulation

Tinkercad: محاكي مضخة الري

30 دقيقة

Tinkercad Circuits

محاكي مضخة الري — زر تشغيل + سرعة PWM + مهلة أمان

30 دقيقة

نحاكي لوحة تحكم مضخة: الـ LED الأخضر = المضخة (سطوعه = السرعة)، الـ LED الأحمر = إنذار. نضغط الزر للتشغيل/الإيقاف، والـ Potentiometer يحدد السرعة، وبعد 10 ثوانٍ تتوقف المضخة تلقائياً (Safety timeout).

المكونات (Components)

Arduino Uno R3
Breadboard Small
LED أخضر + LED أحمر
2 × Resistor 220Ω
Pushbutton
Potentiometer 10kΩ
Wires

التوصيل (Wiring)

من	إلى	ملاحظة
D9 (~PWM)	220Ω → LED أخضر (+)	الـ Cathode (-) إلى GND
D12	220Ω → LED أحمر (+)	إنذار
D2	Pushbutton (طرف)	الطرف المقابل إلى GND — INPUT_PULLUP
A0	Potentiometer (Wiper الأوسط)	الطرفان إلى 5V و GND
5V / GND	شريط الـ Breadboard	+ و −

من Tinkercad: Create → Circuit، واسحب Arduino Uno و Breadboard.
ابنِ التوصيلات حسب الجدول — لوّن أسلاك 5V بالأحمر و GND بالأسود (عادة احترافية).
افتح Code → Text والصق الكود، ثم Start Simulation.
افتح Serial Monitor أسفل نافذة الكود وراقب حالة المضخة ونسبة السرعة كل ثانية.
لف الـ Potentiometer أثناء التشغيل ولاحظ تغير السطوع (PWM) — ثم انتظر 10 ثوانٍ لترى مهلة الأمان.

ARDUINO C++ s01_irrigation_pump_sim.ino

/*
  Session 1 — Simple irrigation pump simulation (Arduino Uno — works in Tinkercad Circuits)
  Parts : green LED (pump running) on D9 (PWM) + 220Ω, red LED (tank empty) on D12 + 220Ω,
          push button on D2 (INPUT_PULLUP, other leg to GND), potentiometer on A0 (pump speed)
  Concepts: GPIO (digitalRead / digitalWrite), PWM (analogWrite 0-255), Serial Communication
*/
const int PUMP_LED = 9;      // PWM pin (~)
const int ALARM_LED = 12;
const int BUTTON = 2;
const int SPEED_POT = A0;

bool pumpOn = false;
bool lastButton = HIGH;
unsigned long startedAt = 0;
const unsigned long MAX_RUN_MS = 10000;   // safety: stop the pump after 10 s in the simulation

void setup() {
  pinMode(PUMP_LED, OUTPUT);
  pinMode(ALARM_LED, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);           // pressed = LOW
  Serial.begin(9600);
  Serial.println(F("KFS farm pump simulator ready. Press the button to start/stop irrigation."));
}

void loop() {
  bool now = digitalRead(BUTTON);
  if (lastButton == HIGH && now == LOW) {   // falling edge = one press
    pumpOn = !pumpOn;
    startedAt = millis();
    Serial.println(pumpOn ? F("Pump ON") : F("Pump OFF"));
    delay(30);                              // debounce
  }
  lastButton = now;

  if (pumpOn && millis() - startedAt > MAX_RUN_MS) {
    pumpOn = false;
    digitalWrite(ALARM_LED, HIGH);          // timeout -> alarm LED (e.g. tank empty / pipe blocked)
    Serial.println(F("Safety timeout! Pump stopped."));
  }

  int pot = analogRead(SPEED_POT);          // 0..1023
  int duty = map(pot, 0, 1023, 0, 255);     // 0..255  (PWM duty cycle)
  analogWrite(PUMP_LED, pumpOn ? duty : 0);
  if (!pumpOn && digitalRead(BUTTON) == LOW) digitalWrite(ALARM_LED, LOW);

  static unsigned long lastPrint = 0;
  if (millis() - lastPrint > 1000) {
    lastPrint = millis();
    Serial.print(F("pump=")); Serial.print(pumpOn);
    Serial.print(F(" speed%=")); Serial.println(duty * 100 / 255);
  }
}

افتح Tinkercad الـ LED الأخضر يتغير سطوعه، والأحمر يضيء بعد 10 ثوانٍ تشغيل.

لماذا INPUT_PULLUP؟

بدونها يكون الطرف D2 «عائماً» (Floating) ويقرأ HIGH و LOW عشوائياً بسبب التشويش الكهربي — وفي الحقل قد يعني ذلك تشغيل المضخة بدون سبب! المقاومة الداخلية تجعله HIGH دائماً، والضغط يوصله بـ GND فيصبح LOW.

تحدي 1

وضع «ري تلقائي» بالـ Potentiometer كحساس تربة

أضف زراً ثانياً على D3 يبدّل بين الوضع اليدوي والوضع التلقائي. في الوضع التلقائي اعتبر الـ Potentiometer «حساس رطوبة تربة»: إذا كانت القيمة أقل من 300 (تربة جافة) شغّل المضخة بسرعة 100%، وإذا زادت عن 600 أوقفها. ما الذي يحدث بين 300 و 600؟

تلميح (Hint)

المنطقة بين العتبتين تسمى Hysteresis (منطقة ميتة): لا نغير الحالة فيها، حتى لا تشتغل المضخة وتطفي كل ثانية عند قيمة حدّية.

الحل (Solution)

ARDUINO C++ solution

// inside loop(), when autoMode == true
int soil = analogRead(A0);          // pretend: 0 = dry ... 1023 = wet
if (soil < 300) pumpOn = true;      // dry  -> start irrigation
else if (soil > 600) pumpOn = false; // wet  -> stop
// 300..600: keep the previous state (hysteresis band)
analogWrite(PUMP_LED, pumpOn ? 255 : 0);

Part 4 · Real hardware lab

Lab على الجهاز الحقيقي

35 دقيقة

تطبيق عملي · Hands-on Lab

من المحاكاة إلى Arduino حقيقي + Serial Monitor

35 د

الهدف: تشغيل نفس الكود على Arduino Uno حقيقي (أو ESP32)، وفهم دورة القراءة/الكتابة عبر Serial.

Arduino Uno + كابل USBBreadboardنفس مكونات TinkercadArduino IDE 2

تثبيت البيئة
في Arduino IDE: Tools → Board → Arduino Uno ثم Tools → Port (COMx في ويندوز).
نقل الدائرة
ابنِ نفس دائرة Tinkercad على الـ Breadboard الحقيقي — افصل USB أثناء التوصيل.
الرفع
الصق الكود واضغط Upload (→). لو ظهر خطأ port busy أغلق أي Serial Monitor مفتوح.
Serial Monitor
اضبط السرعة على 9600 baud (نفس Serial.begin). لو ظهرت رموز غريبة فالسرعة غير متطابقة.
دورة القراءة/الكتابة
أضف في loop: if (Serial.available()) { char c = Serial.read(); if (c=='1') pumpOn=true; if (c=='0') pumpOn=false; } — الآن تتحكم في «المضخة» من الكمبيوتر! هذا هو أصل التحكم عن بعد الذي سنبنيه على الويب في السيشن 12.
لمن معه ESP32
نفس الكود يعمل مع تغيير الأطراف (مثلاً LED على GPIO 25، الزر على GPIO 14) و Serial.begin(115200). في ESP32 core 3.x تعمل analogWrite مباشرة.

النتيجة المتوقعة: كتابة 1 في Serial Monitor تشغل الـ LED الأخضر و 0 تطفئه، والزر ما زال يعمل.

أشهر الأعطال وحلولها (Troubleshooting)

العَرَض	السبب المحتمل	الحل
الـ LED لا يضيء	معكوس القطبية أو بدون GND	الطرف الطويل (+) ناحية الطرف، والقصير ناحية GND
الزر يعطي قراءات عشوائية	طرف عائم	استخدم INPUT_PULLUP
Upload failed	Port خطأ / كابل شحن فقط	جرّب كابل بيانات آخر وتأكد من Port
ESP32 يعيد التشغيل باستمرار	المضخة تسحب تيار من الـ USB	مصدر منفصل للمضخة + GND مشترك

Part 5 · Farm walk

تطبيق ميداني: خريطة المزرعة

25 دقيقة

تطبيق ميداني · مزرعة الكلية

جولة استكشافية: أين سنضع عقد الحساسات؟

25 د

مزرعة كلية الزراعة — الصوبة التجريبية + حقل الخضر + حقل الذرة + غرفة المضخات

نظام الري
حدد نوع الري في كل قطعة (تنقيط / رش / غمر)، ومن أين يأتي الماء، ومن يقرر موعد الري حالياً.
مصادر الطاقة والشبكة
أين أقرب مقبس كهرباء آمن؟ هل يصل الواي فاي؟ (افتح هاتفك وسجل قوة الإشارة بالأشرطة) — سنقيسها بدقة في السيشن 5.
نقاط القياس
اختر 4 نقاط: داخل الصوبة، حقل الخضر، حقل الذرة، نقطة مرجعية مكشوفة. سجّل إحداثيات GPS من Google Maps (اضغط مطولاً على موقعك).
الحساسية الزراعية
اسأل مشرف المزرعة: ما المحصول؟ عمره؟ أكثر مشكلة تواجهه (ري زائد/ناقص، أمراض، حرارة)؟

ورقة تسجيل ميدانية (Field Data Sheet) — اطبعها أو انسخها

النقطة	GPS (Lat, Lon)	المحصول	نظام الري	كهرباء؟	إشارة Wi-Fi	ملاحظات

السلامة في الحقل:

لا تلمس لوحات الكهرباء أو المضخات.
ارتدِ حذاءً مغلقاً — قنوات الري والأرض الطينية زلقة.
لا تدخل الصوبة بدون إذن المشرف (بروتوكولات منع العدوى).

نقاش جماعي · Think – Pair – Share

نقاش بعد الجولة

أي نقطة تتوقع أن تكون الأكثر جفافاً؟ ولماذا؟ (سنتأكد بالبيانات في السيشن 13).
لو عقدة الحقل البعيد لا يصلها الواي فاي — ما الحلول الممكنة؟ (تمهيد للسيشن 5).
ما القرار الزراعي الوحيد الذي لو أتمتناه سيوفر أكبر قدر من المياه؟

Wrap-up

الواجب والتسليم

الواجب الأسبوعي (Weekly Assignment)

أكمل «تحدي 1» (الوضع التلقائي مع Hysteresis) على Tinkercad وشارك رابط الدائرة (Share → Invite link).
املأ ورقة نقاط القياس للأربع نقاط وارفعها كصورة أو جدول على مستودع الفريق.
اكتب فقرة (5 أسطر) عن قرار ري واحد في مزرعة الكلية يمكن أتمتته، وما البيانات اللازمة له.

قائمة التسليم (Submission Checklist)

0 / 4

رابط دائرة Tinkercad تعمل (زر + PWM + مهلة أمان) فيديو قصير (10 ث) للدائرة الحقيقية تعمل ورقة نقاط القياس + إحداثيات GPS تحدي الوضع التلقائي (اختياري — درجة إضافية)

مراجع ومصادر

استعد للسيشن القادمة

السيشن القادمة نقيس المناخ الدقيق داخل الصوبة: أحضر حساس DHT22 وحساس رطوبة التربة السعوي و LDR، وجهاز Multimeter لكل فريق.

مقدمة في Arduino ومنصات إنترنت الأشياء الزراعية

نظرة عامة على السيشن

بنهاية السيشن ستكون قادراً على

التطبيق في مزرعة الكلية

المُخرج (Deliverable)

خطة السيشن (180 دقيقة)

الأدوات والمكونات

قبل السيشن

قاموس المصطلحات (Glossary)

نظام IoT الزراعي

سؤال للنقاش (3 دقائق)

منصات IoT الزراعية — أين يقع Arduino؟

Arduino و ESP32 من الداخل

الدائرة الكهربية في 3 قوانين

جرّب PWM: كيف نتحكم في سرعة مضخة بإشارة رقمية؟

قاعدة أمان ذهبية

Tinkercad: محاكي مضخة الري

محاكي مضخة الري — زر تشغيل + سرعة PWM + مهلة أمان

المكونات (Components)

التوصيل (Wiring)

لماذا INPUT_PULLUP؟

وضع «ري تلقائي» بالـ Potentiometer كحساس تربة

Lab على الجهاز الحقيقي

من المحاكاة إلى Arduino حقيقي + Serial Monitor

تطبيق ميداني: خريطة المزرعة

جولة استكشافية: أين سنضع عقد الحساسات؟

نقاش بعد الجولة

اختبر فهمك

الواجب والتسليم

الواجب الأسبوعي (Weekly Assignment)

قائمة التسليم (Submission Checklist)

مراجع ومصادر

استعد للسيشن القادمة