في عالم أصبحت فيه الأتمتة المنزلية أكثر سهولة، أصبح من الممكن الآن أتمتة الإضاءة الخارجية بتكلفة منخفضة بفضل المتحكمات الدقيقة المتصلة بشبكة Wi-Fi. يقدم هذا المشروع تصميم نظام ذكي قادر على التحكم عن بعد، باستخدام الهاتف الذكي، في أربعة كشافات LED بقدرة 30 واط لكل منها، موضوعة في زوايا حديقة تبلغ مساحتها حوالي 100 متر مربع. يتم التحكم في النظام عبر شبكة Wi-Fi محلية خاصة دون الاعتماد على الإنترنت باستخدام وحدة NodeMCU ESP8266. يتم التحكم في كل كشاف يعمل على 220 فولت بشكل مستقل عبر مرحل (ريليه) بقدرة 10 أمبير، مما يوفر هامش أمان كبير (30 واط تعادل 0.14 أمبير). يضمن إدماج ترانزستورات 2N3904 بين المتحكم الدقيق والمرحل تشغيلًا موثوقًا ويمنع التبديلات غير المرغوبة عند تشغيل النظام. يجمع هذا الحل بين البساطة والأداء والتكلفة المنخفضة، حيث لا تتجاوز التكلفة الإجمالية للمكونات 20 يورو.
ما هو NodeMCU ESP8266؟
NodeMCU ESP8266 من Lolin هو لوحة تطوير تعتمد على المتحكم الدقيق ESP8266، تم تصميمها خصيصًا لتسهيل إنشاء مشاريع إنترنت الأشياء (IoT). تدمج هذه اللوحة وحدة Wi-Fi فعالة يمكنها الاتصال بسهولة بالشبكات اللاسلكية، مما يجعلها خيارًا شائعًا لتطبيقات الأتمتة المنزلية، والقياس عن بُعد، وغيرها من المشاريع التي تتطلب اتصالًا بالإنترنت.
تتميز NodeMCU ببيئة تطوير مبسطة. فهي تستخدم لغة Lua في الأصل، ولكنها متوافقة أيضًا مع بيئة تطوير Arduino، مما يجعلها مناسبة للمبتدئين والمطورين ذوي الخبرة على حد سواء. تحتوي عادةً على ذاكرة فلاش بسعة 4 ميجابايت، وتوفر 10 دبابيس دخل/خرج قابلة للبرمجة، مما يتيح توصيل مجموعة متنوعة من الحساسات والمرحل والمكونات الإلكترونية الأخرى.
من حيث الأبعاد، تعد لوحة NodeMCU من Lolin مدمجة، حيث يبلغ حجمها حوالي 50 ملم × 25 ملم، مما يسهل إدماجها في المشاريع المدمجة أو النماذج الأولية السريعة. يتم تزويدها عادةً بجهد 3.3 فولت، مع منظم مدمج يتيح استخدام مصدر تغذية من 5 إلى 12 فولت بدون مشاكل. كما أنها تستهلك طاقة منخفضة، بمعدل يبلغ حوالي 70 مللي أمبير أثناء تشغيل Wi-Fi، مما يجعلها مثالية للتطبيقات المعتمدة على البطارية.
أخيرًا، فإن مجتمع NodeMCU ESP8266 نشط جدًا، ويوفر عددًا كبيرًا من المكتبات والدروس والموارد. تباع هذه اللوحة بسعر يقل غالبًا عن 10 يورو، مما يجعلها خيارًا ممتازًا من حيث التكلفة والأداء وسهولة الاستخدام لكل من يرغب في تطوير أجهزة متصلة أو أتمتة المهام باستخدام Wi-Fi.
هدف المشروع
الهدف الرئيسي من هذا المشروع هو تصميم نظام بسيط وفعال للتحكم في أربعة كشافات LED بقدرة 30 واط لكل منها، بشكل مستقل، باستخدام هاتف ذكي متصل بشبكة Wi-Fi محلية. على سبيل المثال، يمكن للمستخدم تشغيل الكشاف عند المدخل أو كشاف الحديقة فقط دون التأثير على الباقي، مما يحسن من استهلاك الطاقة ويزيد من المرونة. يوفر التحكم اللاسلكي عبر Wi-Fi، وهي تقنية مستخدمة على نطاق واسع في وحدات مثل NodeMCU ESP8266 (انظر Espressif Systems، 2020)، سهولة في التركيب بدون الحاجة لأسلاك إضافية ويسمح بإدارة مريحة من أي متصفح ويب. تم تطوير واجهة ويب بديهية تتيح استخدامًا سريعًا حتى للمستخدمين غير التقنيين، وهو أمر أساسي في تطبيقات الأتمتة المنزلية الحديثة (المصدر: IEEE IoT Journal، 2019). وأخيرًا، تم تصميم النظام ليكون آمنًا ومستقرًا باستخدام بروتوكولات Wi-Fi قوية لضمان الحماية من الوصول غير المصرح به، وهو جانب حاسم للأنظمة المتصلة اليوم.
المكونات المستخدمة
مخطط التوصيل
يتم توصيل كل خرج GPIO من ESP8266 بقاعدة ترانزستور NPN من نوع 2N3904، والذي يعمل كمفتاح إلكتروني. عند انتقال خرج GPIO إلى الحالة العليا، يتم تحفيز الترانزستور مما يسمح بمرور التيار إلى مدخل وحدة الريليه المقابلة. تقوم وحدة الريليه، التي يتم تغذيتها بـ 5 فولت، بتنشيط الاتصال الخاص بها للتحكم مباشرة في الكشاف المتصل بشبكة الكهرباء 220 فولت. يضمن هذا النظام عزلًا بين الدائرة المنطقية (3.3 فولت) ودائرة الطاقة (220 فولت)، مما يوفر الأمان والموثوقية. يوجد ترانزستور خامس في النظام يلعب دورًا مهمًا في منع التشغيل العشوائي للريليه عند بدء تشغيل ESP8266. يقوم بحجب الإشارة مؤقتًا عن ترانزستورات التحكم أثناء تشغيل الجهاز، مما يمنع التشغيل غير المقصود للكشافات الناتج عن عدم استقرار دبابيس GPIO أثناء بدء التشغيل.
آلية عمل الشبكة اللاسلكية المحلية
تمت تهيئة وحدة ESP8266 في وضع نقطة الوصول اللاسلكية مع اسم معرف SSID «Ecl-jardin». وبذلك يتم إنشاء شبكة محلية مستقلة دون الحاجة إلى جهاز راوتر أو اتصال بالإنترنت. بعد الاتصال بهذه الشبكة من الهاتف الذكي، يمكن للمستخدم الوصول إلى واجهة تحكم بديهية. يكفي فتح متصفح الويب وكتابة العنوان المحلي 192.168.4.1 ثم الضغط على «Enter». تتيح الواجهة التي تظهر للمستخدم التحكم بكل كشاف على حدة أو تشغيل/إطفاء جميع الكشافات بضغطة واحدة. يتيح هذا الحل إدارة سهلة من أي مكان داخل المنزل يغطيه نطاق Wi-Fi الذي ينشئه ESP8266، والذي يمكن أن يصل مداه إلى حوالي 50 مترًا في الهواء الطلق.
تحسين مدى إشارة Wi-Fi في مشروع ESP8266
يعتمد مدى هذا النظام باستخدام NodeMCU ESP8266 بشكل كبير على قوة إشارة Wi-Fi المنبعثة، والتي يمكن تعديلها باستخدام الدالة WiFi.setOutputPower(). يستخدم هذا المشروع افتراضيًا قدرة 18 ديسيبل ميلي واط (حوالي 63 ميلي واط)، مما يتيح مدى فعال من 20 إلى 30 مترًا داخل المباني، وحتى 100 متر في الأماكن المفتوحة. لتحسين هذا المدى، يمكن زيادة القيمة حتى الحد الأقصى المسموح به من الوحدة، وهو 20.5 ديسيبل ميلي واط (حوالي 112 ميلي واط)، وذلك بتعديل السطر البرمجي إلى WiFi.setOutputPower(20.5). يتيح ذلك توسيع المدى قليلًا دون إضافة معدات. تشمل الحلول الإضافية استخدام هوائي خارجي موجه لتركيز الإشارة في منطقة معينة، أو استخدام مكرر Wi-Fi مثل TP-Link RE305 لتقوية الإشارة. في المشاريع الأكبر، يمكن استخدام شبكة Wi-Fi مترابطة (Mesh) أو وحدات ESP32 المزودة بهوائي خارجي، أو حتى وحدات LoRa إذا لم تكن واجهة الويب التفاعلية مطلوبة.
التحكم عبر واجهة الويب
هيكل HTML المبسط للواجهة:
- أزرار تشغيل / إيقاف فردية لكل مصباح.
- أزرار تحكم شاملة: تشغيل أو إيقاف جميع المصابيح.
- مؤشرات الحالة: دوائر ملونة (أصفر = قيد التشغيل، رمادي = مطفأ).
- وضع الأمان: تفعيل / إيقاف شامل للنظام.
أمثلة على الأوامر المرسلة من المتصفح:
جدول توضيحي لدبابيس GPIO المستخدمة
تغذية دائرة التحكم
تتكون دائرة التحكم بشكل أساسي من المتحكم الدقيق NodeMCU ESP8266 ووحدة تحتوي على 4 مرحلات، وتستهلك أقصى تيار يبلغ حوالي 400 ميلي أمبير تحت جهد 5 فولت عند التشغيل بكامل الحمل (جميع المرحلات مفعلة). لضمان عمل مستقر وموثوق، يُنصح بشدة باستخدام مصدر تغذية قادر على توفير ما لا يقل عن 1 أمبير تحت 5 فولت. توفر هذه الهامشية في التيار أماناً من عدة مشكلات حرجة مثل انخفاض الجهد الذي قد يؤدي إلى إعادة تشغيل غير مرغوب فيها للمتحكم، أو ارتفاع حرارة مصدر التغذية، أو حدوث أعطال عشوائية في النظام مثل تشغيل المرحلات بشكل غير منتظم. في الإلكترونيات المدمجة، غالباً ما يكون مصدر التغذية الضعيف سبباً رئيسياً في أعطال يصعب تشخيصها. في التطبيقات الواقعية، يُفضل استخدام وحدة تغذية 5 فولت/1 أمبير من نوع منظم جيداً (مثل وحدة تحويل buck أو مصدر طاقة USB نوعية جيدة) لضمان استقرار النظام حتى في ظروف حرارة أو حمل متغيرة.
الاستهلاك الكهربائي والتوافق
يستهلك كل كشاف LED قدرة قدرها 30 واط تحت جهد 220 فولت، أي بقدرة إجمالية 4 × 30 واط = 120 واط لكامل النظام. ويبلغ التيار الكلي المسحوب حوالي 0.55 أمبير (120 واط / 220 فولت)، وهي قيمة منخفضة جداً مقارنة بالقدرة القصوى للمرحلات المستخدمة، والتي يمكنها تحمل حتى 10 أمبير لكل مرحل، أي ما يعادل قدرة 2200 واط لكل مرحل. وهذا يوفر هامش أمان مريح ويسمح باستخدام كشافات أقوى عند الحاجة. نظرياً، يمكن لكل مرحل التحكم في كشاف بقدرة تصل إلى 2200 واط، ولكن يُنصح بعدم تجاوز 1000 واط لكل قناة لضمان السلامة وطول عمر المكونات. وبالتالي، يُعتبر هذا النظام مناسباً جداً للإضاءة الخارجية المنزلية حتى مع استخدام كشافات ذات قدرة أعلى.
تحميل البرنامج على ESP8266: الخطوات المفصلة
لتحميل البرنامج، يجب استخدام بيئة تطوير Arduino IDE أو أي بيئة متوافقة أخرى (مثل PlatformIO). فقط افتح كود المصدر في المحرر، ثم قم بتوصيل وحدة ESP8266 (NodeMCU) بجهاز الكمبيوتر باستخدام كابل micro-USB. قبل التحميل، تأكد من اختيار لوحة “NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)” من قائمة الأدوات > نوع اللوحة، واختيار منفذ COM الصحيح من قائمة الأدوات > المنفذ. بعد إتمام هذه الإعدادات، اضغط على زر “تحميل”. سيتم تجميع الكود ثم نقله إلى ESP8266، الذي سيبدأ تشغيل نظام التحكم تلقائياً بعد الانتهاء من التحميل.
الكود المراد تحميله
رابط التحميل: https://www.zonetronik.com/wp-content/uploads/2025/05/Programme-projet-controle-intelligent-eclairage-de-jardin.zip
تركيب آمن للنظام في الداخل والخارج
لتثبيت هذا النظام في المنزل أو الحديقة، من الضروري الالتزام بقواعد السلامة الكهربائية، ومراعاة العزل ضد الماء وتبديد الحرارة. إذا اخترت وضع دائرة التحكم في الخارج، فيجب وضع لوحة NodeMCU ومصدر تغذيتها 5 فولت ووحدة المرحلات داخل علبة محكمة الغلق (على الأقل بمعيار IP65)، ويجب أن تكون هذه العلبة ذات حجم كافٍ لتسمح بمرور الهواء حول المكونات. ذلك لأن هذه المكونات قد تولد حرارة ملحوظة، خصوصاً مصدر التغذية والمرحلات عند التشغيل الطويل. يُنصح باستخدام علبة جيدة التهوية بشكل سلبي (مع فتحات تهوية محمية من الماء) أو وضعها في الظل لتجنب السخونة الزائدة. يجب تثبيت الكابلات التي توصل الكشافات الأربعة بإحكام، باستخدام أنابيب خارجية مناسبة (مثل ICTA أو TPC) لضمان العزل الجيد. ومن أجل السلامة، يُوصى بشدة باستخدام قاطع تفاضلي 30 ميلي أمبير في مقدمة التغذية لحماية النظام من التيارات الزائدة وتسرب التيار. وأخيراً، يجب أن تكون التوصيلات الكهربائية متينة، ومثبتة بالبراغي، ومحمية داخل صناديق توصيل محكمة لضمان موثوقية النظام على المدى الطويل، حتى في الظروف الخارجية.
المزايا الرئيسية وموثوقية مشروع التحكم في المصابيح باستخدام ESP8266
يوفر هذا المشروع ميزة كبيرة من خلال تمكين التحكم في ما يصل إلى 4 مصابيح بقدرة 30 واط لكل منها، أي قدرة إجمالية 120 واط، عبر شبكة Wi-Fi محلية دون الحاجة للإنترنت. هذه الاستقلالية توفر أماناً أعلى وتحكمًا جيدًا في استهلاك الطاقة، حيث يبلغ التيار الأقصى حوالي 0.55 أمبير تحت 220 فولت. تتيح الواجهة الويب، التي يمكن الوصول إليها من أي هاتف ذكي أو كمبيوتر متصل بالشبكة، إدارة سريعة وسهلة للمصابيح. كما أن النظام يستخدم مرحلات تتحمل حتى 10 أمبير، مما يضمن موثوقية عالية وهامش أمان مريح. يتميز هذا المشروع بكونه قابل للتعديل واقتصادي، ويعد حلاً عمليًا وقابلاً للتوسعة للمنزل الذكي.