자동차 무선 조종기능 구현

1. 블루투스 시리얼 통신으로 데이터 주고 받기

1.1 HM-10 블루투스 4.0 BLE

  • TI CC2540 또는 CC2541 블루투스 SOC(시스템 온 칩)를 기반으로 하는 소형 3.3V SMD 블루투스 4.0 BLE 모듈

  • 아두이노, 라즈베리파이 등 호환

  • 기본 사양
    • CC2540 또는 CC2541 칩 기반
    • +2.5v ~ +3.3v
    • 최대 50mA 필요
      • 활성 상태일 때: 약 9mA 사용
      • 수면모드 상태일 때: 50~200uA 사용
    • RF 전력: -23dbm, -6dbm, 0dbm, 6dbm
    • 블루투스 버전 4.0만 지원
      • HC-06 및 HC-05와 같은 Bluetooth 2/2.1 모듈에 연결할 수 없음
    • 직렬 UART 연결을 통해 전송되는 AT 명령을 통해 제어됨
    • 직렬 연결의 기본 통신 속도: 9600
    • 기본 PIN: 000000
    • 기본 이름: HMSoft

    (그림출처: 디바이스마트)

1.2 블루투스 통신 환경 설정

  • Serial Port ➜ 활성화
  • Serial Console ➜ 비활성화
  • 설정 이유
    • 리소스(직렬 통신 포트)의 충돌 방지 및 전용 사용이 목적
    • 라즈베리파이에서 블루투스를 사용하려면
      • 블루투스 모듈이 사용할 직렬 통신 포트(Serial Port)를 활성화하여 통신 채널을 열어주고
      • 이 포트가 다른 용도(Serial Console)로 사용되지 않도록 비활성화하여
      • 충돌을 막고 블루투스 전용으로 만들어 주어야 함
    • UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, 범용 비동기 송수신기)
      • 블루투스 모듈은 흔히 UART를 통해 라즈베리파이의 메인 CPU와 통신을 수행함
        • SPI(Serial Peripheral Interface), USB(Universal Serial Bus), SDIO(Secure Digital Input/Output), I2C(Inter-Integrated Circuit) 등 다른 통신 수단도 있지만 UART가 가장 기본적인 시리얼 통신의 하나이므로 저속 데이터의 전송 및 제어에 적합함
      • 한 번에 하나의 기능만 제대로 수행할 수 있음
    • Serial Port를 활성화하는 이유
      • 블루투스 모듈과의 통신 채널 확보
        • 블루투스 모듈이 라즈베리파이 OS와 데이터를 주고받으려면, 이 통신을 위한 하드웨어적인 통로(직렬 포트, 즉 UART)가 열려 있어야 함
        • 블루투스 기능(예: SPP 프로필)이 직렬 통신을 기반으로 작동하기 때문
        • 이 포트를 활성화해야 블루투스 통신이 가능해짐
    • Serial Console을 비활성화하는 이유
      • 직렬 포트 점유 방지
        • Serial Console은 라즈베리파이의 UART를 사용하여 부팅 메시지나 터미널(CLI) 접속 등을 제공하는 기능
        • 라즈베리파이 부팅 과정이나 운영체제 동작 중 발생하는 로그나 명령 프롬프트를 직렬 케이블을 통해 외부 컴퓨터에서 볼 수 있게 해주는 디버깅/관리용 콘솔
        • 굳이 직렬 포트를 점유하며 수행해야 할 필요는 없음
      • 블루투스와의 충돌 방지
        • Serial Console이 활성화되어 있으면, 블루투스 모듈과 Serial Console이 동일한 UART 자원을 서로 사용하려고 경쟁하게 됨
        • 이 경우 둘 중 어느 것도 제대로 작동하지 않게 되어 블루투스 통신에 오류가 발생하거나, 콘솔 접속이 불안정해질 수 있음
      • 블루투스 기능의 안정성 확보
        • Serial Console을 비활성화함으로써 해당 UART 자원을 블루투스 모듈이 전용으로 사용하게 하여, 블루투스 통신의 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있음

1.3 라즈베리파이 적용

  • 라즈베리파이의 GPIO 14(RXD), 15(TXD)번 핀이 시리얼 통신용으로 할당되어 있음
  • /dev/serial0 의 이름으로 호출됨
#// file: "라즈베리파이 터미널"
ls -l /dev/serial0
  • ttyAMA10이라는 이름으로 할당됨 (시스템에 따라 다를 수 있음) ➜ 파이썬 코드 작성 시 사용할 serial0 접속명
  • 시리얼 통신 테스트: 전송되는 데이터가 없으므로 빈 데이터만 표시됨
#// file: "bluetooth_test.py"
import serial

bleSerial = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600, timeout=1.0)

try:
    while True:
        data = bleSerial.read()
        print(data)
        
except KeyboardInterrupt:
    pass

bleSerial.close()

1.4 무선 조종을 위한 스마트폰 앱 설치

  • 안드로이드 기종
    • 플레이스토어에서 Serial Bluetooth Terminal 검색하여 설치
       ➜   
    • Serial Bluetooth Terminal에서 라즈베리파이의 블루투스 탐색 및 연결
      • 주로 MLT-BT05, HM-10, BT05 등의 이름으로 검색됨




  • 아이폰 기종의 경우
    • App Store에서 ble automation 앱을 검색 후 설치할 것
      • 무료 터미널 앱이지만 가끔 광고가 나타남
      • 사용법은 동일하지만 라즈베리파이에서 전송한 값을 확인할 수 없음
        • 아이폰용 앱(ble automation)에서 전송 값을 표시하는 기능을 지원하지 않음

1.5 라즈베리파이 ➜ 스마트폰 데이터 전송 확인

#// file: "bluetooth.py"
import serial
import time

bleSerial = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600, timeout=1.0)

try:
    while True:
        sendData = "I am raspberry \r\n"
        bleSerial.write( sendData.encode() )
        time.sleep(1.0)
        
except KeyboardInterrupt:
    pass

bleSerial.close()

2. 시리얼 데이터를 분석하여 명령어 해석하기

  • 시리얼 통신 데이터를 한 줄씩 받아 출력하기
    • 받은 값은 bytes형이므로 일반적으로 사용할 수 있는 문자열로 변경하여 처리
#// file: "serial_command.py"
import serial

bleSerial = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600, timeout=1.0)

try:
    while True:
        data = bleSerial.readline()
        data = data.decode()
        if data.find("go") >= 0:
            print("ok go")
        elif data.find("back") >= 0:
            print("ok back")
        elif data.find("left") >= 0:
            print("ok left")
        elif data.find("right") >= 0:
            print("ok right")
        elif data.find("stop") >= 0:
            print("ok stop")
        
        
except KeyboardInterrupt:
    pass

bleSerial.close()

3. 쓰레드를 활용하여 통신기능 분리하기

  • 라즈베리파이에서 블루투스 통신을 할 때,
    • 데이터가 도착할 때까지 대기하거나,
    • Timeout으로 설정한 시간이 지나면
    • 다음 코드로 넘어감
  • 이러한 대기 시간은 while문으로 반복할 때, 동작 시간이 시리얼 통신에 의해 주기가 틀어질 수 있음
    • 통신 부분만 추출하여 별도의 모델을 만들고
    • 쓰레드를 이용하여 다수의 동작을 수행할 수 있도록 함
      • 쓰레드(Thread)
        • 컴퓨터 프로그램이 작업을 수행하는 가장 작은 단위
        • 하나의 프로그램(프로세스) 안에서 여러 작업을 동시에 처리할 수 있게 해주는 기능
        • 여러 쓰레드가 같은 메모리 영역에 동시 접근할 경우, 데드락(DeadLock)과 같은 문제가 발생할 수 있음
          • 동기화(Synchronization) 기술이 요구됨
#// file: "thread_comm.py"
import threading
import serial
import time

bleSerial = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600, timeout=1.0)

gData = ""

def serial_thread():
    global gData
    while True:
        data = bleSerial.readline()
        data = data.decode()
        gData = data

def main():
    global gData
    try:
        while True:
            print("serial data:",gData)
            time.sleep(1.0)

    except KeyboardInterrupt:
        pass

if __name__ == '__main__':
    task1 = threading.Thread(target = serial_thread)
    task1.start()
    main()
    bleSerial.close()

4. 블루투스 시리얼 통신으로 조종하는 자동차 만들기

  • 프로세스
    • 블루투스 시리얼 통신을 이용하여 명령어 데이터를 수신
    • 명령어 부분만 해석
    • 명령어에 해당하는 제어 함수 호출
  • 스마트폰 앱에서 각 명령을 버튼에 할당
#// file: "bluetooth_control.py"
import threading
import serial
import time
from gpiozero import DigitalOutputDevice
from gpiozero import PWMOutputDevice

bleSerial = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600, timeout=1.0)

gData = ""

PWMA = PWMOutputDevice(18)
AIN1 = DigitalOutputDevice(22)
AIN2 = DigitalOutputDevice(27)

PWMB = PWMOutputDevice(23)
BIN1 = DigitalOutputDevice(25)
BIN2 = DigitalOutputDevice(24)

def motor_go(speed):
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = speed

def motor_back(speed):
    AIN1.value = 1
    AIN2.value = 0
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 1
    BIN2.value = 0
    PWMB.value = speed
    
def motor_left(speed):
    AIN1.value = 1
    AIN2.value = 0
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = speed
    
def motor_right(speed):
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 1
    BIN2.value = 0
    PWMB.value = speed

def motor_stop():
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = 0.0
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = 0.0

def serial_thread():
    global gData
    while True:
        data = bleSerial.readline()
        data = data.decode()
        gData = data

def main():
    global gData
    try:
        while True:
            if gData.find("go") >= 0:
                gData = ""
                print("ok go")
                motor_go(0.5)
            elif gData.find("back") >= 0:
                gData = ""
                print("ok back")
                motor_back(0.5)
            elif gData.find("left") >= 0:
                gData = ""
                print("ok left")
                motor_left(0.5)
            elif gData.find("right") >= 0:
                gData = ""
                print("ok right")
                motor_right(0.5)
            elif gData.find("stop") >= 0:
                gData = ""
                print("ok stop")
                motor_stop()

    except KeyboardInterrupt:
        pass

if __name__ == '__main__':
    task1 = threading.Thread(target = serial_thread)
    task1.start()
    main()
    bleSerial.close()
    PWMA.value = 0.0
    PWMB.value = 0.0

5. 스위치를 이용하여 비상 정지기능 만들기

  • 무선통신은 항상 접속이 끊어짐을 주의해야 함
  • 통신이 끊어지더라도 차량의 스위치를 누르면 차량이 멈추도록 제어함
#// file: "emergency_stop.py"
import threading
import serial
import time
from gpiozero import DigitalOutputDevice
from gpiozero import PWMOutputDevice
from gpiozero import Button

bleSerial = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600, timeout=1.0)

gData = ""

SW1 = Button(5, pull_up=False)
SW2 = Button(6, pull_up=False)
SW3 = Button(13, pull_up=False)
SW4 = Button(19, pull_up=False)

PWMA = PWMOutputDevice(18)
AIN1 = DigitalOutputDevice(22)
AIN2 = DigitalOutputDevice(27)

PWMB = PWMOutputDevice(23)
BIN1 = DigitalOutputDevice(25)
BIN2 = DigitalOutputDevice(24)

def motor_go(speed):
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = speed

def motor_back(speed):
    AIN1.value = 1
    AIN2.value = 0
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 1
    BIN2.value = 0
    PWMB.value = speed
    
def motor_left(speed):
    AIN1.value = 1
    AIN2.value = 0
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = speed
    
def motor_right(speed):
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 1
    BIN2.value = 0
    PWMB.value = speed

def motor_stop():
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = 0.0
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = 0.0

def serial_thread():
    global gData
    while True:
        data = bleSerial.readline()
        data = data.decode()
        gData = data

def main():
    global gData
    try:
        while True:
            if gData.find("go") >= 0:
                gData = ""
                print("ok go")
                motor_go(0.5)
            elif gData.find("back") >= 0:
                gData = ""
                print("ok back")
                motor_back(0.5)
            elif gData.find("left") >= 0:
                gData = ""
                print("ok left")
                motor_left(0.5)
            elif gData.find("right") >= 0:
                gData = ""
                print("ok right")
                motor_right(0.5)
            elif gData.find("stop") >= 0:
                gData = ""
                print("ok stop")
                motor_stop()
                
            if SW1.is_pressed == True or SW2.is_pressed == True or SW3.is_pressed == True or SW4.is_pressed == True :
                motor_stop()

    except KeyboardInterrupt:
        pass

if __name__ == '__main__':
    task1 = threading.Thread(target = serial_thread)
    task1.start()
    main()
    bleSerial.close()
    PWMA.value = 0.0
    PWMB.value = 0.0

6. LED로 이동방향 표시하기

#// file: "move_direction.py"
import threading
import serial
import time
from gpiozero import Button
from gpiozero import DigitalOutputDevice
from gpiozero import PWMOutputDevice
from gpiozero import LED

bleSerial = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600, timeout=1.0)

gData = ""

SW1 = Button(5, pull_up=False )
SW2 = Button(6, pull_up=False )
SW3 = Button(13, pull_up=False )
SW4 = Button(19, pull_up=False )

PWMA = PWMOutputDevice(18)
AIN1 = DigitalOutputDevice(22)
AIN2 = DigitalOutputDevice(27)

PWMB = PWMOutputDevice(23)
BIN1 = DigitalOutputDevice(25)
BIN2 = DigitalOutputDevice(24)

LED1 = LED(26)
LED2 = LED(16)
LED3 = LED(20)
LED4 = LED(21)

def motor_go(speed):
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = speed

def motor_back(speed):
    AIN1.value = 1
    AIN2.value = 0
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 1
    BIN2.value = 0
    PWMB.value = speed
    
def motor_left(speed):
    AIN1.value = 1
    AIN2.value = 0
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = speed
    
def motor_right(speed):
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 1
    BIN2.value = 0
    PWMB.value = speed

def motor_stop():
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = 0.0
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = 0.0

def serial_thread():
    global gData
    while True:
        data = bleSerial.readline()
        data = data.decode()
        gData = data

def main():
    global gData
    try:
        while True:
            if gData.find("go") >= 0:
                gData = ""
                print("ok go")
                motor_go(0.5)
                LED1.on()
                LED2.on()
                LED3.off()
                LED4.off()
            elif gData.find("back") >= 0:
                gData = ""
                print("ok back")
                motor_back(0.5)
                LED1.off()
                LED2.off()
                LED3.on()
                LED4.on()
            elif gData.find("left") >= 0:
                gData = ""
                print("ok left")
                motor_left(0.5)
                LED1.on()
                LED2.off()
                LED3.on()
                LED4.off()
            elif gData.find("right") >= 0:
                gData = ""
                print("ok right")
                motor_right(0.5)
                LED1.off()
                LED2.on()
                LED3.off()
                LED4.on()
            elif gData.find("stop") >= 0:
                gData = ""
                print("ok stop")
                motor_stop()
                LED1.off()
                LED2.off()
                LED3.off()
                LED4.off()
                
            if SW1.is_pressed == True or SW2.is_pressed == True or SW3.is_pressed == True or SW4.is_pressed == True :
                motor_stop()
                LED1.off()
                LED2.off()
                LED3.off()
                LED4.off()

    except KeyboardInterrupt:
        pass

if __name__ == '__main__':
    task1 = threading.Thread(target = serial_thread)
    task1.start()
    main()
    bleSerial.close()
    PWMA.value = 0.0
    PWMB.value = 0.0
    LED1.off()
    LED2.off()
    LED3.off()
    LED4.off()

7. 부저를 이용하여 경적기능 추가하기

  • 프로세스
    • 부저에 사용할 핀 추가
    • bz_on, bz_off 명령어를 입력받아서 제어
#// file: "buzzer.py"
import threading
import serial
import time
from gpiozero import Button
from gpiozero import DigitalOutputDevice
from gpiozero import PWMOutputDevice
from gpiozero import LED
from gpiozero import TonalBuzzer

bleSerial = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", baudrate=9600, timeout=1.0)

gData = ""

SW1 = Button(5, pull_up=False )
SW2 = Button(6, pull_up=False )
SW3 = Button(13, pull_up=False )
SW4 = Button(19, pull_up=False )

PWMA = PWMOutputDevice(18)
AIN1 = DigitalOutputDevice(22)
AIN2 = DigitalOutputDevice(27)

PWMB = PWMOutputDevice(23)
BIN1 = DigitalOutputDevice(25)
BIN2 = DigitalOutputDevice(24)

LED1 = LED(26)
LED2 = LED(16)
LED3 = LED(20)
LED4 = LED(21)

BUZZER = TonalBuzzer(12)

def motor_go(speed):
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = speed

def motor_back(speed):
    AIN1.value = 1
    AIN2.value = 0
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 1
    BIN2.value = 0
    PWMB.value = speed
    
def motor_left(speed):
    AIN1.value = 1
    AIN2.value = 0
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = speed
    
def motor_right(speed):
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = speed
    BIN1.value = 1
    BIN2.value = 0
    PWMB.value = speed

def motor_stop():
    AIN1.value = 0
    AIN2.value = 1
    PWMA.value = 0.0
    BIN1.value = 0
    BIN2.value = 1
    PWMB.value = 0.0

def serial_thread():
    global gData
    while True:
        data = bleSerial.readline()
        data = data.decode()
        gData = data

def main():
    global gData
    try:
        while True:
            if gData.find("go") >= 0:
                gData = ""
                print("ok go")
                motor_go(0.5)
                LED1.on()
                LED2.on()
                LED3.off()
                LED4.off()
            elif gData.find("back") >= 0:
                gData = ""
                print("ok back")
                motor_back(0.5)
                LED1.off()
                LED2.off()
                LED3.on()
                LED4.on()
            elif gData.find("left") >= 0:
                gData = ""
                print("ok left")
                motor_left(0.5)
                LED1.on()
                LED2.off()
                LED3.on()
                LED4.off()
            elif gData.find("right") >= 0:
                gData = ""
                print("ok right")
                motor_right(0.5)
                LED1.off()
                LED2.on()
                LED3.off()
                LED4.on()
            elif gData.find("stop") >= 0:
                gData = ""
                print("ok stop")
                motor_stop()
                LED1.off()
                LED2.off()
                LED3.off()
                LED4.off()
            elif gData.find("bz_on") >= 0:
                gData = ""
                print("ok buzzer on")
                BUZZER.play(391)
            elif gData.find("bz_off") >= 0:
                gData = ""
                print("ok buzzer off")
                BUZZER.stop()
            
            if SW1.is_pressed == True or SW2.is_pressed == True or SW3.is_pressed == True or SW4.is_pressed == True :
                motor_stop()
                LED1.off()
                LED2.off()
                LED3.off()
                LED4.off()
                BUZZER.stop()
                
    except KeyboardInterrupt:
        pass

if __name__ == '__main__':
    task1 = threading.Thread(target = serial_thread)
    task1.start()
    main()
    bleSerial.close()
    PWMA.value = 0.0
    PWMB.value = 0.0
    LED1.off()
    LED2.off()
    LED3.off()
    LED4.off()
    BUZZER.stop()