مقدمة

وقد حولت معدات المصادر المفتوحة مشهد جمع البيانات في مجال البحث والتطوير، ومن خلال إتاحة ملفات التصميم للجمهور، تمكن هذه الأدوات العلماء والمهندسين والهوائيين من بناء نظم قياسية وتعديلها وتقاسمها في جزء من تكلفة البدائل الجاهزة، وتسريع عملية تطوير المعدات الحاسوبية الابتكارية، وتحسين إمكانية التكاثر، وتفتح آفاقا جديدة للاكتشاف، وسواء كنت ترصد الظروف البيئية المفتوحة، وتكيف الأجهزة.

ما هو فتح-السرّ هارد واير؟

وتشير الأجهزة المفتوحة المصدر إلى الأجهزة المادية مثل أجهزة التحكم بالموجات الدقيقة، والمجسات، وسجلات البيانات التي تُعد مخططات، وفاتورة المواد، وملفات التصميم، وتُصدر بموجب ترخيص يسمح لأي شخص بدراسة المعدات الحاسوبية وتعديلها وتوزيعها وتصنيعها، وهذا المفهوم يعكس حركة البرمجيات المفتوحة المصدر، ولكن يجب أن يشمل أشياء ملموسة.

ومن الأمثلة الشعبية Arduino] Microcontroller platform, which has been used in thousands of data acquisition projects, and the ]Raspberry Pi], a single-board computer that can run full operating systems and interface with a wide range of sensors.

أهم مزايا برنامج " البرمجيات المفتوحة " للحصول على البيانات

التكلفة - الأثر

وكثيرا ما تأتي نظم اقتناء البيانات الأساسية بتكاليف عالية، ورسوم الترخيص، ومسارات التحديث المحدودة، وتزيل المعدات المفتوحة المصدر العديد من هذه الحواجز المالية، ويمكن تجميع سجل بيانات نموذجي قائم على الأردينو بأقل من 100 دولار، بينما قد يكلف المكافئ التجاري الآلاف، وذلك باستخدام عناصر ميسورة التكلفة وغير قابلة للطياف، وتعبئة تصميمات المجتمع المحلي، ومجموعات البحوث ذات الميزانيات المحدودة يمكن أن تنشر في آن واحد عدة مراكز لقياس الكفاءة.

وبالإضافة إلى الشراء الأولي، تتيح المعدات المفتوحة المصدر للباحثين استبدال الأجزاء المتضررة منفردة بدلا من إعادة شراء النظم الكاملة، ويمكن استخدام ملفات التصميم لطلب لوحات الدوائر المطبوعة حسب الطلب من المصنعين ذوي التكلفة المنخفضة، مما يؤدي إلى زيادة تخفيض النفقات الطويلة الأجل.

المرونة والتعريف

ولا توجد تجربتان متشابهتان تماما، كما أن المعدات المفتوحة المصدر تتيح للباحثين القدرة على تصميم نظمهم الخاصة باقتناء البيانات على نحو دقيق، إذ تحتاج إلى معدلات أعلى لأخذ العينات؟ تسويق المتحكم في الميكرويتر أو إضافة محول خارجي للمناظر إلى الأرقام، وتشترط أنواع متعددة من أجهزة الاستشعار؟ هل تريد أن تعمل في درجات حرارة قصوى؟

ويمتد هذا التكييف ليشمل البرمجيات أيضا، وبأجهزة مفتوحة المصدر، يمكنك تعديل البرمجيات الجاهزة لتنفيذ الخوارزميات المفرزة، أو بدء الأحداث استنادا إلى العتبات، أو تسجيل البيانات إلى الخدمات السحابية، وقدرة البرمجيات والمعدات الحاسوبية على حد سواء تعني أن الباحثين لا يضطرون إلى النيل من نوعية القياس بسبب القيود المفروضة على البائعين.

دعم المجتمع والتعاون

إن وجود مجتمع عالمي نشط من المطورين والباحثين والمشجعين يحيطون بالمنابر الشعبية للمعدات المفتوحة المصدر، ومن المرجح أن تكون المنتديات الإلكترونية، والواكي، والمستودعات الخاضعة للمراقبة في النسخ، توفر مجموعة كبيرة من الأمثلة، والمشورة في مجال تشخيص المشاكل، وتصميمات الدوائر المثبتة، وإذا واجهتم مسألة غير متوقعة، فإن شخصا آخر قد واجهها ووضع حلا، وهذه الشبكة التي تدعم الأقران تعجل دورات التنمية وتخفض الوقت المستغرقه.

وعلاوة على ذلك، فإن الطابع التعاوني للمعدات المفتوحة المصدر يشجع على تبادل أفضل الممارسات، إذ يمكن للباحثين أن ينشروا ليس بياناتهم ونتائجهم فحسب، بل أيضا التصميم الكامل للمعدات التي يستخدمونها، مما يجعل من المستقيم للآخرين تكرار العمل أو توسيع نطاقه، وهذا الشفافية يعزز أزمة إعادة الإنتاج في العديد من الميادين ويعزز ثقافة العلم المفتوح.

الابتكار السريع والإرسال

وتتطور مشاريع المعدات المفتوحة المصدر بسرعة لأن المساهمات تأتي من مصادر مستقلة كثيرة، وقد يكتب سائق جديد لأجهزة الاستشعار بواسطة هواية في بلد ما، بينما يسهم باحث في بلد آخر في دائرة أكثر كفاءة لإدارة الطاقة، وتدمج هذه التحسينات في المستودع الرئيسي، وفوائد المجتمع المحلي بأكملها، كما أن الدورة المتكررة للتصميم والاختبار والتقاسم أقصر بكثير من دورة المنتجات التجارية، مما يعني أن أحدث المعدات المتاحة للموردين تتيح في كثير من الأحيان.

فعلى سبيل المثال، شهد النظام الإيكولوجي في أردوينو تصميمات دروع لا حصر لها لكل شيء من الاستشعار عن طريق طرطوبة التربة إلى التخمين، وعندما تصبح رقاقة جديدة متاحة، يقوم المجتمع بسرعة ببناء لوحات ومكتبات متفرقات، مما يمكّن الباحثين من تجربة تكنولوجيا التقطيع دون انتظار منتج تجاري.

القيمة التعليمية وتنمية المهارات

كما أن الأجهزة المفتوحة المصدر هي أداة تعليمية ممتازة، ويمكن للطلاب دراسة مخططات الدوائر، وفهم كيفية عمل كل عنصر، ثم تعديل التصميم للتعلم عن المفاضلات، وهذه التجربة العملية قيمة أكبر بكثير من استخدام نظام لاقتناء البيانات في إطار صندوق أسود حيث تُخبأ الإلكترونيات الداخلية، وتُدمج حالياً برامج مفتوحة المصدر في مناهجها، وتدريس الإلكترونيات، والبرمجة، والتصميم التجريبي من خلال مشاريع تُنشئ أدوات حقيقية.

وعلاوة على ذلك، فإن توافر الأدوات المنخفضة التكلفة يقلل من الحواجز التي تعترض دخول الباحثين الشباب والجواهات، ويمكن لطلاب المدارس الثانوية الآن بناء محطات جوية ذات درجة مهنية أو رصدات لمعدلات القلب، مما يشعل الاهتمام بمجالات التعليم العالي ويوفر أساسا للعمل المقبل في مجال التنمية المستدامة.

الأثر على البحث والتطوير

القابلية للتكاثر والشفافية

ومن أهم المساهمات في المعدات الحاسوبية المفتوحة المصدر في مجال البحث والتطوير تحسين إمكانية إعادة الإنتاج، وعندما تستخدم الدراسة نظاماً لاقتناء البيانات الخاصة بالملكية، قد لا تكون مختبرات أخرى قادرة على تكرار هذه المجموعة بدقة لأن تصميمات المعدات هي ملكية، وتتأكد الأجهزة المفتوحة المصدر من أن هذه العقبة: يمكن نشر التصميمات إلى جانب أوراق البحث، مما يتيح لأي شخص إعادة بناء الأجهزة بالضبط، وهذه الممارسة تساعد على زيادة فعالية الحركة العلمية.

فعلى سبيل المثال، يبين مشروع مضخة الحقن من مصادر متعددة من جامعة ميتشيغان كيف يمكن تقاسم تصميمات المعدات لتمكين معدات مختبرية منخفضة التكلفة ومنتجة، ويستشهد الباحثون الذين يرغبون في ضمان إجراء تجاربهم على نحو متزايد.

حلقات الابتكار المعجلة

ولا يحتاج الباحثون، من خلال معدات مفتوحة المصدر، إلى إعادة فتح عجلة القيادة، بل إلى أن يقضوا أشهراً في تصميم لوحة لحيازة البيانات الجمركية، يمكنهم البدء من تصميم قائم من مصادر مفتوحة وتعديله لتلبية احتياجاتهم المحددة، مما يعجل بالانتقال من فكرة إلى جمع البيانات، وفي مجالات سريعة مثل علم الأعصاب، والرصد البيئي، والهندسة الطبية الحيوية، قد يعني أن هناك فرقاً بين أن تكون الملاحظة الأولى أو الناشرة الجديدة.

وفورات التكاليف

وكثيرا ما تحد القيود المفروضة على الميزانية من حجم اقتناء البيانات في مجال المعدات الحاسوبية ذات الموارد المفتوحة، ويسمح للباحثين بنشر عدد أكبر من رموز القياس لنفس التكلفة، وهذا أمر ذو قيمة خاصة في العلوم البيئية، حيث تتطلب شبكات الاستشعار وحدات موزعة كثيرة لاستخلاص التقلبات المكانية، فعلى سبيل المثال، يمكن لفريق يرصد نوعية الهواء في المدينة أن ينشر عشرات من أجهزة الاستشعار المنخفضة التكلفة المفتوحة المصدر بدلا من أن تستخدم وحدات استخلاصية باهظة، مما يؤدي إلى نتائج احصائية أكثر قوة.

التكامل المتعدد التخصصات

ونظراً لاستخدام منابر الأجهزة المفتوحة المصدر مثل الأردينو ورابزبيري بي في العديد من المجالات، يمكن للباحثين من مختلف الميادين أن يتبادلوا الحلول، وقد يستخدم مهندس ميكانيكي يطور جهازاً للاستشعار عن الاهتزاز نفس الملوِّثات الدقيقة التي يستخدمها عالم الأحياء لقياس نقل النباتات، كما أن توافر الوصلات البينية المشتركة (I2C، وSPI، وUART) ومكتبات البرمجيات يعني أنه يمكن تكييف المعدات والبرمجيات لتطبيقات مختلفة تماماً مع تطبيقات قبل الحد الأدنى من حيث تتسارع.

التطبيقات العالمية الحقيقية في مجال البحث والتطوير

البحوث الطبية الحيوية

وقد قطعت أجهزة التجهيز المفتوح شوطا كبيرا في الهندسة الطبية الحيوية، إذ أن مشاريع مثل نظام " أوب بي سي " توفر في المتناول قدرا كبيرا من الأشعة الكهرومغناطيسية ونظم الكهرباء الكهرومغناطيسية، والباحثين الذين يدرسون الوصلات البينية لحواسيب الدماغ، وأنماط النوم، أو تنشيط العضلات يمكن أن يبنيوا صفائف الكهرومغناطيسية، وأنبوب معالجة الإشارات دون ارتفاع تكلفة المعدات الطبية المستخدمة.

الرصد البيئي

ويعتمد العلماء الذين يدرسون تغير المناخ والتنوع البيولوجي ونوعية المياه على شبكات الاستشعار الكثيفة، ويمكن لسجلات البيانات المفتوحة المصدر التي تستخدم أجهزة التحكم الدقيقة مثل الأردينو أو ESP32 أن تقيس درجة الحرارة والرطوبة والضوء وثاني أكسيد الكربون والجسيمات، كما يمكن أن تستخدم هذه النظم في مشاريع مثل PurpleAir[FlibT:1]]، وهي شبكات حساسية مثبتة المصدر (و غير متاحة تماما).

الفيزياء والهندسة

وفي مختبرات الفيزياء، تتيح أجهزة البرمجيات المفتوحة المصدر إجراء تجارب تتطلب معدات متخصصة مكلفة، مثلاً، يمكن استخدام منضدة جيغر ديي جيغير استناداً إلى تصميمات الموارد المفتوحة في الدراسات الإشعاعية، وبالمثل، فإن الأوساخ المفتوحة المصدر ومولدات الإشارات التي تقام حول أجهزة الموجات FPGA أو أجهزة التحكم الدقيقة تسمح للطلاب والباحثين باستثمار أدوات القياس الإلكتروني.

التكنولوجيا الزراعية

ويمكن تجميع ونشر أجهزة الاستشعار عن طريق رطوبة التربة، ومحطات الطقس، ومراقبي نمو المحاصيل في مختلف الميادين، ويمكن تسجيل البيانات في منابر غيومية للتحليل، وتمكين المزارعين والباحثين من تحقيق الحد الأمثل من الري والتخصيب وإدارة الآفات، وتبقي معدات المصادر المفتوحة التكاليف منخفضة بما يكفي للمزارع الصغيرة والمؤسسات التعليمية للمشاركة في الزراعة القائمة على البيانات.

التحديات والنظر في المسألة

وفي حين أن المعدات المفتوحة المصدر توفر مزايا كثيرة، فإنها لا تنطوي على قيود، ويجب أن يكون الباحثون على علم بالمسائل المحتملة وأن يعالجوها على نحو ملائم لتطبيقاتها المحددة.

معايرة ومستقبل

وهناك العديد من أجهزة الاستشعار المفتوحة المصدر التي تبنى بمكونات منخفضة التكلفة لا تفي بدقة أو دقة الأدوات الصناعية، وبالنسبة للدراسات التي تتطلب قياسات عالية الجودة (مثلاً، رصد EEG السريري أو ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي)، من الضروري تحديد معايير دقيقة، وينبغي للباحثين أن يوثقوا إجراءات المعايرة وأن يتأكدوا بانتظام من أداء النظام.

الوثائق والقابلية للاعتماد

وتختلف نوعية الوثائق الخاصة بمشاريع المعدات المفتوحة المصدر اختلافا كبيرا، إذ أن بعض التصميمات مصحوبة بتعليمات وخطوط بيانية مفصلة؛ بينما يتولى آخرون الخبرة السابقة، وينبغي للباحثين أن يقيّموا مدى نضج المشروع قبل اعتماده لجمع البيانات بصورة حاسمة، وقد يتطلب بناء نظام قوي بيع وتجمع يدوي وتصفية برمجيات ثابتة، يمكن أن تستغرق وقتا طويلا، أما بالنسبة للتصميمات السريعة، فقد تكون هذه الجهود مبررة، ولكن بالنسبة للإنتاج.

طول العمر والدعم

ويمكن أن تصبح مشاريع المعدات المفتوحة المصدر ثابتة إذا فقد المحافظون الرئيسيون اهتمامهم أو نهايات التمويل، وقد تصبح المكونات قديمة، وقد تتسرب المكوّنات مع مكتبات البرامجيات الجديدة، ومن أجل التخفيف من ذلك، ينبغي للباحثين أن يختاروا منابر مع المجتمعات المحلية الكبيرة والنشطة، وأن ينظروا في استخدام تصميمات نموذجية تتيح تبادل الأجزاء العتيقة، كما أن ملفات تصميم المحفوظات وفات المواد المحلية تتسم أيضا بالحصافة.

الملكية الفكرية والرخص

وفي حين أن تراخيص الأجهزة المفتوحة المصدر (مثل رخصة تشغيل الشبكة المفتوحة أو رخصة تشغيل الشبكة المفتوحة للبرمجيات الحرة التابعة للرابطة) تشجع على التقاسم، ينبغي للباحثين أن يفهموا الشروط قبل استخدام أو تعديل التصميمات، وتشترط بعض التراخيص الإفراج عن الأعمال المشتقّة بموجب نفس الترخيص (مثلاً)، الذي قد يؤثر على الاستخدام التجاري أو التمديدات المسجلة الملكية، وفي معظم السياقات الأكاديمية للنظم التجارية، فإن هذه التراخيص لا تنطوي على سوى على عدد قليل من المشاكل.

التوقعات المستقبلية

التكامل مع شبكة الإنترنت في الأمور

وينشئ الجمع بين المعدات المفتوحة المصدر والمنصات الإلكترونية (مثلاً، MQTT، LoRaWAN، أو الخلايا الخلوية) شبكات ذكية لاقتناء البيانات يمكن أن تعمل بشكل مستقل لشهور أو سنوات، ويمكن للباحثين نشر عقدات تنقل البيانات إلى الخواديم السحابية لتحليلها في الوقت الحقيقي، مع تنبيهها إلى أوجه الخلل أو الاتجاهات، حيث تصبح مكونات تكنولوجيا المعلومات ذات حجم أرخص وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، كما أن الهياكل الأساسية المفتوحة ستؤدي إلى ذلك.

الاستخبارات الفنية والحساب الإلكتروني

وتقوم الآن مجالس إدارة منخفضة التكلفة مثل راببيري بي وجناتسون نانو بدعم استخدام الأجهزة المتطورة للتعلم الآلي، ويمكن أن تدير أجهزة المصادر المفتوحة شبكات عصبية مباشرة على جهاز الاستشعار، مما يتيح تصنيف الإشارات في الوقت الحقيقي (مثل كشف المكالمات الحيوانية المحددة، وتحديد الأصوات العيبية في الآلات، أو التنبؤ بفشل المعدات).

علم المواطنين وديمقراطيتهم

ونظراً لأن المعدات المفتوحة المصدر تصبح أكثر سهولة للمستعملين، فإنها تمكن العلماء من المساهمة في البحوث، فالمشاريع العلمية للمواطنين التي تعتمد على سجلات البيانات المفتوحة المصدر تتيح للجمهور جمع بيانات قيمة عن مواضيع مثل نوعية الهواء، وتلوث الضوضاء، وعلم الفينولوجيا، ويمكن لهذا النهج القائم على الموارد المزدحمة أن يولد مجموعات بيانات من الحجم والتنوع، تكمل الجهود التقليدية المبذولة في مجال التنمية الريفية.

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

وتجعل الجهود الرامية إلى توحيد الموصلات، وعوامل الشكل، وبروتوكولات الاتصال (مثلاً، دبوس الدرع الأردينو، ومواصفات مواصفات مبيد فرابيري، والتفاعل بين مترجمي الإنترنت الذكي 1451) معدات مفتوحة المصدر أكثر من المزروعات والملعب، وسيؤدي زيادة قابلية التشغيل المتبادل إلى الحد من الاحتكاك عند الجمع بين أجهزة الاستشعار من مختلف المشاريع، مما يعجل بتطوير نظم قياس شاملة.

خاتمة

وقد أصبحت معدات المصادر المفتوحة حجر الزاوية في اكتساب البيانات الحديثة في مجال البحث والتطوير، إذ إن فعالية التكلفة ومرونتها ودعمها القوي للمجتمعات المحلية تمكن العلماء من بناء أجهزة تكييف تلبي الاحتياجات الدقيقة لتجاربهم، ومن خلال تعزيز الشفافية وإعادة الإنتاج، تعزز الأجهزة المفتوحة المصدر الطريقة العلمية وتعجل بخطى الابتكار، وفي حين أن التحديات المتصلة بالطابع المعايرة والوثائق والطول قائمة، فإنها يمكن إدارتها بالتخطيط الحر والتشارك بنشاط مع المجتمع المحلي.

ومع تطور التكنولوجيات مثل تكنولوجيا التوحيد القياسي، وأجهزة الاستشعار المزودة بمستحضرات عدل، فإن المعدات المفتوحة المصدر ستستمر في تخفيض الحواجز التي تحول دون الحصول على بيانات عالية الجودة، وإضفاء الطابع الديمقراطي على إمكانية الحصول على الأدوات التي كانت مخصصة في السابق للمختبرات الممولة تمويلاً جيداً، وبالنسبة لأي باحث يسعى إلى تحقيق أقصى قدر من التأثير في عمله، فإن استخدام المعدات المفتوحة المصدر ليس مجرد تدبير من تدابير الاقتصاد في التكاليف، بل هو استثمار استراتيجي في مستقبل العلم المفتوح.