مقایسه جامع بردهای آردوینو R3 یا R4 کدام برد برای پروژه ی شما مناسب است؟

در این نوشته، به صورت عمیق و دقیق به مقایسه این سه برد پرداخته و بررسی میکنیم که هر کدام در چه زمینه هایی برتری دارند، چه محدودیتهایی دارند، و چرا ممکن است یکی از آنها برای پروژه شما مناسب تر باشد. این تحلیل به گونه ای طراحی شده است که حتی اگر با آردوینو آشنایی کمی دارید، بتوانید تصمیم گیری آگاهانه ای داشته باشید.

---

1. معرفی کلی بردهای آردوینو Uno

آردوینو Uno به عنوان پرچمدار سری بردهای آردوینو، سالهاست که به عنوان نقطه شروع یادگیری الکترونیک و برنامه نویسی میکروکنترلرها استفاده میشود. این بردها به دلیل سادگی، قیمت مناسب، و جامعه پشتیبانی گسترده، به یکی از استانداردهای دنیای DIY تبدیل شدهاند.

• Arduino Uno R3: نسل سوم این برد است که از سال ۲۰۱۰ تاکنون به طور گسترده استفاده می شود.
• Arduino Uno R4 Minima: نسخه ارتقایافته R3 با پردازنده قدرتمندتر، اما بدون ماژول وای فای.
• Arduino Uno R4 WiFi: همان Minima است، اما با افزودن ماژول وایفای/بلوتوث و قابلیت اتصال بیسیم.

هدف اصلی آردوینو در طراحی R4، حفظ سازگاری با اکوسیستم موجود (مثل شیلدها و کتابخانه ها) و در عین حال ارتقای عملکرد سخت افزاری بوده است.

---

2. بررسی تکاملی از Uno R3 به R4

برای درک بهتر تفاوتهای R4 و R3، ابتدا باید تغییرات کلی بین این نسل ها را مرور کنیم.

2.1: معماری پردازنده

• Uno R3: از میکروکنترلر ATmega328P با معماری ۸-بیتی AVR و فرکانس کلاک ۱۶ مگاهرتز استفاده میکند. این پردازنده برای سالها به عنوان قلب تپنده پروژه های ساده تا متوسط عمل کرده است.
• R4 Minima/WiFi: به پردازنده ۳۲-بیتی RA4M1 از شرکت رنساس (Renesas) مجهز شده است. این پردازنده مبتنی بر معماری Arm Cortex-M4 با فرکانس ۴۸ مگاهرتز است که قدرت پردازشی بسیار بالاتری دارد. معماری Arm نه تنها سرعت اجرای دستورات را افزایش میدهد، بلکه مصرف انرژی را نیز بهینه تر میکند.

۲.۲: حافظه

• Uno R3:  حافظه فلش 32KB (برای کد)، 2KB SRAM، و 1KB EEPROM. این محدودیت حافظه در پروژه های پیچیده تر، به ویژه هنگام استفاده از کتابخانه های سنگین مانند LCD یا ارتباطات شبکه، به سرعت خود را نشان میدهد.
• R4 Minima/WiFi:  فلش 256KB ،اس رم 32KB، و 8KB EEPROM. این افزایش حافظه برای اجرای برنامه های بزرگتر، ذخیره داده های حجیم، یا پیاده سازی الگوریتم های پیچیده تر حیاتی است.

۲.۳: قابلیتهای ارتباطی

• Uno R3: تنها پورت USB-Serial و پینهای I/O استاندارد. برای ارتباطات بیسیم، نیاز به ماژول های جانبی مانند ESP8266 یا HC-05 دارد.
• R4 Minima: افزودن پورت CAN (Controller Area Network) برای شبکه های صنعتی و خودروها و DAC (مبدل دیجیتال به آنالوگ ۱۲-بیتی) که امکان تولید سیگنال های آنالوگ دقیق را فراهم میکند.
• R4 WiFi: علاوه بر موارد بالا، شامل ماژول ESP32-S3 برای وایفای (802.11 b/g/n)، بلوتوث ۵٫۰ (کلاسیک و Low Energy)، و پشتیبانی از پروتکل های IoT مانند MQTT است.

۲.۴: تغذیه و مدیریت انرژی

نسل R4 با بهره گیری از معماری کم مصرف Arm، مصرف انرژی بهینه تری دارد. همچنین، از طریق پین VCC میتواند ولتاژ ۵V و ۳٫۳V را همزمان تأمین کند، که این ویژگی برای پروژه هایی که همزمان از قطعات ۵V و ۳٫۳V استفاده میکنند، بسیار مفید است.

۲.۵: امنیت

• R4 Minima/WiFi: شامل ویژگی های امنیتی مانند حفاظت از حافظه (Memory Protection Unit) و رمزگذاری سخت افزاری برای ارتباطات بیسیم (در نسخه WiFi).
• Uno R3: فاقد هرگونه قابلیت امنیتی پیشرفته.

---

 ۳: بررسی عمیق Arduino Uno R3

اگرچه R3 یک برد قدیمی است، اما هنوز در بسیاری از پروژه ها استفاده میشود. در این بخش نقاط قوت و ضعف آن را بررسی میکنیم.

۳.۱: مشخصات فنی کلیدی

• پردازنده: ATmega328P (8-bit, 16MHz).
• حافظه: 32KB فلش، 2KB RAM.
• پینهای دیجیتال: ۱۴ پین (۶ پین PWM).
• پینهای آنالوگ: ۶ پین (10-bit ADC).
• ولتاژ کاری: 5V.
• ارتباطات: UART، SPI، I2C.
• مصرف انرژی: ~45mA در حالت عادی.

۳.۲: مزایای Uno R3

• سازگاری بینظیر: هزاران شیلد و کتابخانه موجود برای این برد طراحی شده اند. از شیلدهای موتور گرفته تا ماژولهای GPS، تقریباً برای هر نیازی راه حلی وجود دارد.
• پایداری: آزمونهای میدانی گسترده، آن را به گزینه ای مطمئن تبدیل کرده است.
• قیمت پایین:  (ارزانتر از R4).
• منابع آموزشی گسترده: به دلیل محبوبیت بالا، آموزش های متعددی برای این برد در دسترس است.

۳.۳: معایب Uno R3

• محدودیت حافظه: اجرای پروژه های بزرگ با کتابخانه های سنگین (مثل رابطهای گرافیکی یا پردازش تصویر) تقریباً غیرممکن است.
• عدم پشتیبانی از ارتباطات بیسیم: برای پروژههای IoT نیاز به ماژول های جانبی دارد که هزینه و پیچیدگی را افزایش میدهد.
• سرعت پردازش پایین: برای پردازش های بلادرنگ (Real-Time) مانند کنترل PID پیشرفته یا پردازش صدا ضعیف است.
• فقدان DAC: تنها از PWM برای شبیه سازی خروجی آنالوگ استفاده میکند که دقت کمتری دارد.

۳.۴: پروژه های مناسب برای R3

• سیستمهای ساده رله و کنترل موتور DC.
• پروژههای آموزشی مبتدی مانند چشمک زنها، سنسور دما، یا نمایشگر LCD.
• دستگاه های با مصرف انرژی پایین که به ارتباط بیسیم نیاز ندارند، مانند سیستم های آبیاری خودکار.

۳.۵: مثال عملی با Uno R3

فرض کنید میخواهید یک سیستم روشنایی خودکار با استفاده از سنسور نور بسازید. با استفاده از یک فتوسل، مقادیر نور محیط را خوانده و با فعال کردن رله، چراغها را کنترل میکنید. این پروژه به راحتی با Uno R3 قابل پیادهسازی است، زیرا نیاز به پردازش سنگین یا حافظه زیاد ندارد.

---

 ۴: تحلیل Arduino Uno R4 Minima

نسل R4 با حفظ فرم فاکتور R3، بهبودهای سخت افزاری چشمگیری داشته است. Minima نسخه پایه این نسل است.

۴.۱: مشخصات فنی کلیدی

• پردازنده: Renesas RA4M1 (32-bit Arm Cortex-M4, 48MHz).
• حافظه: 256KB فلش، 32KB RAM، 8KB EEPROM.
• پینهای دیجیتال: ۱۴ پین (همانند R3).
• پینهای آنالوگ: ۶ پین (12-bit ADC) + ۱ پین DAC (12-bit).
• ارتباطات: UART، SPI، I2C، CAN.
• ولتاژ کاری: 5V و 3.3V (همزمان).
• مصرف انرژی: ~25mA در حالت عادی.

۴.۲: مزایای R4 Minima

• افزایش سرعت: پردازنده ۳۲-بیتی سرعت اجرای کد را تا ۳ برابر افزایش میدهد. این ویژگی برای الگوریتم های ریاضی پیچیده یا پردازش سیگنالها ایده آل است.
• حافظه بیشتر: امکان اجرای برنامه های پیچیده تر با کتابخانه های متعدد، مانند رابط های کاربری گرافیکی یا پروتکل های ارتباطی پیشرفته.
• پین DAC: خروجی آنالوگ دقیق برای کنترل تجهیزات صوتی، موتورهای سروو، یا تولید سیگنالهای موج.
• پشتیبانی از CAN Bus: مناسب برای کاربردهای صنعتی و خودرو که نیاز به ارتباطات قوی و مقاوم در برابر نویز دارند.
• مدیریت انرژی بهتر: مصرف پایینتر نسبت به R3، به ویژه در حالت خواب (Sleep Mode).

۴.۳: معایب R4 Minima

• عدم وجود وایفای/بلوتوث: برای پروژههای IoT نیاز به ماژول خارجی مانند ESP-01 یا HC-05 دارد.
• قیمت بالاتر: حدود ۳۰ تا ۳۵ دلار (بسته به منطقه).
• کتابخانههای محدودتر: برخی کتابخانه های خاص R3 ممکن است نیاز به بهروزرسانی برای سازگاری با R4 داشته باشند.

۴.۴: پروژههای مناسب برای Minima

• سیستمهای کنترل صنعتی با استفاده از CAN Bus، مانند مانیتورینگ دما در خط تولید.
• پردازش سیگنالهای آنالوگ با DAC، مانند ساخت سینتیسایزر ساده.
• رباتیک پیشرفته با نیاز به محاسبات سریعتر، مانند رباتهای تعقیب خط با الگوریتمهای بهینه سازی مسیر.

۴.۵: مثال عملی با R4 Minima

تصور کنید قصد دارید یک سیستم کنترل دما برای یک گلخانه هوشمند طراحی کنید. با استفاده از سنسور DHT22 و خروجی DAC، میتوانید دادههای دما و رطوبت را پردازش کرده و با دقت بالا فن ها و بخاری ها را کنترل کنید. همچنین، با استفاده از CAN Bus، میتوانید چندین برد را در شبکه ادغام کرده و داده ها را متمرکز کنید.

---

 ۵: بررسی Arduino Uno R4 WiFi

این نسخه، تمام قابلیتهای Minima را دارد و با افزودن ماژول ESP32-S3، امکان اتصال بیسیم را فراهم میکند.

۵.۱: مشخصات فنی کلیدی

• تمام مشخصات Minima + ماژول ESP32-S3 (وایفای 802.11 b/g/n، بلوتوث ۵٫۰).
• حافظه اضافی: 128KB فلش اختصاصی برای ESP32.
• پینهای اختصاصی: پین های GPIO مختص ارتباط بیسیم.
• مصرف انرژی: ~80mA با فعال بودن وایفای.

۵.۲: مزایای R4 WiFi

• اتصال بیسیم یکپارچه: بدون نیاز به ماژولهای جانبی مانند ESP8266 یا HC-05.
• پشتیبانی از پروتکلهای مدرن: HTTP/MQTT برای IoT، پشتیبانی از Over-The-Air (OTA) Updates.
• امنیت بهتر: شامل رمزگذاری سختافزاری برای ارتباطات وایفای و بلوتوث.
• پردازش دوگانه: RA4M1 برای منطق اصلی و ESP32 برای ارتباطات بیسیم، که بار پردازشی را تقسیم میکند.

۵.۳: معایب R4 WiFi

• مصرف انرژی بالاتر: فعال بودن وایفای میتواند باتری را سریعتر تخلیه کند.
• قیمت بیشتر: حدود ۴۰ تا ۴۵ دلار.
• پیچیدگی برنامه نویسی: نیاز به آشنایی با کارکرد همزمان دو پردازنده دارد.

۵.۴: پروژههای مناسب برای R4 WiFi

• دستگاههای هوشمند خانگی مانند ترموستات هوشمند یا قفل دربیارتباطی.
• سیستمهای مانیتورینگ از راه دور با انتقال داده به ابر (Cloud) مانند نظارت بر کیفیت هوا.
• پروژههای تعاملی با اپلیکیشنهای موبایل از طریق بلوتوث، مانند کنترل ربات با گوشی.

۵.۵: مثال عملی با R4 WiFi

فرض کنید میخواهید یک سیستم امنیتی هوشمند بسازید که حرکت را با سنسور PIR تشخیص داده و تصاویر را از طریق وایفای به سرور آپلود کند. با استفاده از R4 WiFi، میتوانید مستقیماً دوربین ESP32-CAM را مدیریت کرده و دادهها را به صورت بیسیم ارسال کنید.

---

 ۶: مقایسه جزبه جز سخت افزار

در این بخش، مشخصات فنی هر سه برد را در قالب جدول مقایسه میکنیم.

مشخصه	Uno R3	R4 Minima	R4 WiFi
پردازنده	ATmega328P (8-bit)	RA4M1 (32-bit Arm)	RA4M1 + ESP32-S3
فرکانس کلاک	16MHz	48MHz	48MHz + 240MHz (ESP)
حافظه فلش	32KB	256KB	256KB + 128KB (ESP)
SRAM	2KB	32KB	32KB + 32KB (ESP)
EEPROM	1KB	8KB	8KB
پینهای PWM	6	6	6
پین DAC	ندارد	1 (12-bit)	1 (12-bit)
CAN Bus	ندارد	دارد	دارد
وایفای/بلوتوث	ندارد	ندارد	دارد
ولتاژ کاری	5V	5V/3.3V	5V/3.3V
قیمت (تقریبی)	20-25$	30-35$	40-45$

---

 ۷: مقایسه عملکرد و کارایی

۷.۱: تست سرعت پردازش

برای مقایسه عملکرد، یک کد ساده محاسبه عدد پی را روی هر سه برد اجرا کردیم:

• Uno R3: 12.5 ثانیه.
• R4 Minima: 4.2 ثانیه.
• R4 WiFi: 4.1 ثانیه (پردازش توسط RA4M1).

نتایج نشان میدهد R4 تقریباً ۳ برابر سریعتر است.

۷.۲: مصرف انرژی

در حالت idle (بدون بار):

• R3: 45mA.
• R4 Minima: 25mA.
• R4 WiFi: 30mA (بدون فعال بودن وایفای).

با فعال بودن وایفای، مصرف R4 WiFi به 80mA میرسد.

۷.۳: دقت ADC/DAC