البرمجة بلغة بايثون ومكتبة gpiozero

22.1 تجهيز النظام والاتصال – התקנת המערכת וחיבור מרחוק (Setup and SSH)

قارنّا في القسم 1.2 بين اللوحات، ورأينا أن الباي حاسوب وليس متحكّما. عليه نظام التشغيل (מערכת הפעלה) Raspberry Pi OS، وبرنامجنا واحد من عشرات البرامج التي تعمل معا. التثبيت يتم مرة واحدة:

1. نثبّت على حاسوبنا برنامج Raspberry Pi Imager من الموقع الرسمي، ونختار فيه طراز اللوحة والنظام وبطاقة microSD.
2. قبل الكتابة نملأ إعدادات التخصيص: اسم الجهاز، المستخدم وكلمة المرور، شبكة WiFi، وتفعيل SSH. قد تختلف أسماء الشاشات بين الإصدارات.
3. نضع البطاقة في الباي ونشغّله، وننتظر انتهاء الإقلاع الأول، ثم نتصل من حاسوبنا بسطر الأوامر (שורת פקודה):

ssh student@mypi.local
sudo apt update
sudo apt full-upgrade
python --version
sudo shutdown -h now

أوامر النظام في هذا الفصل لا تُنفَّذ في أثناء بناء الكتاب، لأنها تحتاج إلى باي حقيقي. أما برامج gpiozero التي تظهر تحتها شاشة فقد نُفّذت فعلا.

22.2 البيئة الافتراضية – סביבה וירטואלית (Virtual Environment)

على المتحكّم كنا ننسخ المكتبة إلى اللوحة وكفى. أما على الباي فالنظام نفسه يعتمد على بايثون، ولو غيّرنا مكتبة يستعملها لتعطّل شيء آخر. لذلك يمنع Raspberry Pi OS، منذ إصدار Bookworm، تثبيت المكتبات بـpip مباشرة في بايثون النظام:

$ pip install smbus2
error: externally-managed-environment

sudo apt install python3-gpiozero
mkdir ~/project
cd ~/project
python -m venv --system-site-packages env
source env/bin/activate
pip install smbus2
python blink.py
deactivate

الخيار --system-site-packages يجعل البيئة ترى مكتبات النظام أيضا، ومنها gpiozero التي ثبّتناها بـapt. بعد التفعيل يظهر الاسم (env) في بداية السطر، ومن تلك اللحظة يكتب pip داخل المجلد env فقط. وفي الملف pi_i2c.py من الفصل 6 استعملنا smbus2، وهذا هو المكان الصحيح لتثبيتها.

22.3 ترقيم الأطراف والجهد – מספור הדקים ומתח (BCM Numbering)

لكل طرف في الباي رقمان: الرقم الفيزيائي (פיזי) هو موضعه على الموصل، من 1 إلى 40. ورقم BCM هو رقمه في الشريحة. مكتبة gpiozero تستعمل رقم BCM، فالأمر LED(17) يعني GPIO17، وهو الطرف الفيزيائي 11.

22.4 أول برنامجين: الثنائي والزر – נורית ולחצן (LED, Button)

المكتبة gpiozero لا تبدأ من الطرف كما تفعل machine، بل من الجهاز: نقول «ثنائي باعث للضوء على 17»، فتتكفّل بالباقي. كل مُخرَج على الشاشات التالية جاء من تشغيل المكتبة الحقيقية على أطراف مُحاكاة، ولذلك هو مثالي ولا يدّعي قياسا على لوحة.

from gpiozero import LED
import time

led = LED(17)

for i in range(3):
    led.on()
    print("on,  is_lit =", led.is_lit)
    time.sleep(0.5)
    led.off()
    print("off, is_lit =", led.is_lit)
    time.sleep(0.5)

on,  is_lit = True
off, is_lit = False
on,  is_lit = True
off, is_lit = False
on,  is_lit = True
off, is_lit = False

والآن الزر. الصنف Button يفعّل مقاومة الرفع الداخلية من تلقاء نفسه، ثم يترجم المعنى لنا: is_pressed تعطي True عند الضغط، مع أن الطرف ينزل عندها إلى 0. لا حاجة إلى قلب القيمة كما فعلنا في الفصل 3.

from gpiozero import LED, Button
import time

led = LED(17)
button = Button(2)

for step in range(5):
    pressed = button.is_pressed
    led.value = pressed
    print("t=%.1f pressed=%s lit=%s" % (step * 0.5, pressed, led.is_lit))
    time.sleep(0.5)

t=0.0 pressed=False lit=False
t=0.5 pressed=True lit=True
t=1.0 pressed=True lit=True
t=1.5 pressed=False lit=False
t=2.0 pressed=False lit=False

22.5 الأحداث والانتظار – אירועים והמתנה (Events, pause)

حلقة الفحص تعمل، لكن قد تفوتها ضغطة قصيرة بين قراءتين. البديل هو الحدث (אירוע): نعطي المكتبة دالة، وهي تستدعيها عند الضغط.

from gpiozero import LED, Button
import time

led = LED(17)
button = Button(2)
count = 0


def pressed():
    global count
    count += 1
    led.toggle()
    print("press %d, lit=%s" % (count, led.is_lit))


button.when_pressed = pressed

for second in range(4):
    time.sleep(1)
print("done, %d presses" % count)

press 1, lit=True
press 2, lit=False
done, 2 presses

تشبه هذه الفكرة المقاطعة في الفصل 5، لكن الفرق كبير: الدالة هنا ليست مقاطعة حقيقية، بل تعمل في خيط (תהליכון) خلفي من بايثون. لذلك يجوز فيها ما كنا نتجنّبه في المقاطعة، مثل الطباعة وإنشاء القوائم. ثمن ذلك أن زمن الاستجابة أقل ثباتا.

حلقة for في البرنامج أعلاه موجودة للعرض فقط: هي تُبقي البرنامج حيا بضع ثوان ثم ينتهي، فنرى المُخرَج. في المشروع الحقيقي نضع مكانها pause()، وهي تنتظر إلى الأبد. لذلك لم نشغّل البرنامج التالي عند بناء الكتاب، فهو لا ينتهي:

from gpiozero import LED, Button
from signal import pause

led = LED(17)
button = Button(2, bounce_time=0.05)
button.when_pressed = led.toggle

pause()

22.6 السطوع والمحرّك المؤازر والمسافة – בהירות, סרוו ומרחק (PWMLED, Servo, DistanceSensor)

برنامج السطوع يعمل هنا على أطراف مُحاكاة تحفظ قيمة PWM فقط، فلا ضوء ولا نبضات. أما DistanceSensor فيحتاج إلى قياس زمن حقيقي، ولذلك لم يُنفَّذ برنامج الموقف في بناء الكتاب: مرّ بالترجمة فقط، وليس تحته شاشة.

from gpiozero import PWMLED
import time

led = PWMLED(18, frequency=1000)

for percent in (0, 25, 50, 75, 100):
    led.value = percent / 100
    print("duty %3d%%  value %.2f" % (percent, led.value))
    time.sleep(1)

duty   0%  value 0.00
duty  25%  value 0.25
duty  50%  value 0.50
duty  75%  value 0.75
duty 100%  value 1.00

from gpiozero import Servo, DistanceSensor
import time

servo = Servo(18)
sensor = DistanceSensor(echo=24, trigger=23, max_distance=1)

while True:
    metres = sensor.distance
    print("%.2f m" % metres)
    if metres < 0.2:
        servo.max()
    else:
        servo.min()
    time.sleep(0.5)

نوصل تغذية المحرّك المؤازر بمصدر 5 V مستقل، مع أرضي مشترك، ونأخذ من الطرف إشارته فقط. وServo يولّد النبضات برمجيا، فقد يرتجف المحرّك قليلا، لأن لينكس قد يؤخّر البرنامج.

ولا يوجد في الباي محوّل تماثلي رقمي. لقراءة مقياس جهد أو مقاومة ضوئية نستعمل المحوّل الخارجي ADS1115 عبر I2C، كما فعلنا في الفصل 6.

22.7 ما الذي تغيّر عن مايكروبايثون؟ – ההבדלים ממיקרו-פייתון

السطر قبل الأخير يفسّر توزيع الأدوار في الفصل التالي: التوقيت الدقيق والقرب من الحسّاس للمتحكّم، والتخزين والشبكة وصفحات الويب للباي.

22.8 التشغيل التلقائي: الخدمة – הרצה אוטומטית (systemd)

على المتحكّم يبدأ main.py وحده عند التغذية. على الباي لا يحدث شيء من هذا: إذا أغلقنا نافذة SSH توقف البرنامج، وبعد إعادة الإقلاع لن يعمل. الحل هو الخدمة (שירות): ملف يصف لمدير النظام systemd كيف يشغّل برنامجنا. نحفظ برنامج pause() من القسم 22.5 باسم button_led.py ونكتب:

[Unit]
Description=Button and LED
After=multi-user.target

[Service]
User=student
WorkingDirectory=/home/student/project
ExecStart=/home/student/project/env/bin/python -u button_led.py
Restart=on-failure

[Install]
WantedBy=multi-user.target

sudo nano /etc/systemd/system/button-led.service
sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl enable --now button-led
systemctl status button-led
journalctl -u button-led -f
sudo systemctl stop button-led

• ExecStart: يشير مباشرة إلى بايثون داخل البيئة، فلا حاجة إلى activate.
• User: اسم المستخدم الذي اخترناه في التخصيص. لم يعد الاسم pi مضمونا.
• Restart=on-failure: يعيد التشغيل إذا انهار البرنامج.
• -u: يمنع تأخير print، فنرى المُخرَج فورا في journalctl.

أهمّ أفكار الفصل:

• الباي حاسوب عليه لينكس: نطفئه بأمر، ولا نفصل كهرباءه.
• كل مشروع في بيئة افتراضية، و--system-site-packages لرؤية gpiozero.
• gpiozero تستعمل رقم BCM، وتعمل على الباي 4 والباي 5. أما RPi.GPIO فلا تعمل على الباي 5.
• كل طرف 3.3 V فقط، ولا محوّل تماثليا في الباي.
• الأحداث تعمل في خيط خلفي، وpause() يُبقي البرنامج حيا.
• خدمة systemd هي نظير main.py على الباي.

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين:

from gpiozero import LED, Button
from signal import pause

led = LED(17)
button = Button(2)
button.when_pressed = led.on
button.when_released = led.off
pause()