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✏️ 목차

1. 🎯 범용 RC카 프로젝트 소개
2. 📋 주요 기능
3. 🚚임베디드 설계도
4. 📊 범용 RC카 프로젝트 구성도
5. 🛠️ 동시성 제어 관련 제한조건 구현 내용
6. ✨ 프로젝트 파일 구성
7. 🐛 개발시 문제점과 해결 (트러블 슈팅)
8. 📝 시스템 커스텀 가이드
   • device 확장 가이드
   • 새로운 모터 타입 추가 방법
9. 👬 팀원 소개 및 역할

시연 링크

RC카 프로젝트 시연

노션 페이지

프로젝트 노션 페이지

웹 컨트롤러 링크

웹 컨트롤러 링크

블루트스 앱 설치 qr 코드

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🎯범용 RC카 프로젝트 소개

RC 카의 제어와 기기 추가를 좀 더 확장하기 쉽게 하기 위해 제작되었습니다. 이 프로젝트는 아래와 같은 목적을 가지고 있습니다:

• 모터 및 제어 장치 확장: DC 모터, 서보 모터 등 다양한 임베디드 제어 장치를 쉽게 추가하고, 사용자 맞춤 제어를 가능하게 함.
• 제어 방법의 커스터마이징: WebSocket API, Bluetooth 등을 통해 사용자가 다양한 방식으로 RC 카를 제어할 수 있도록 유연성을 제공.
• 확장성과 안정성 강화: 프로세스 간 통신과 동시성 제어를 통해 안정적이며 확장 가능한 시스템 구축.

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📋 주요 기능

RC카 device 기능

1. DC 모터를 활용한 전진 및 후진 방향 제어

   • RC카의 전진 및 후진 방향을 DC 모터로 정밀하게 제어합니다.

2. 서보 모터를 이용한 오픈카 모드

   • 서보 모터를 활용하여 차량의 오픈카 모드를 구현합니다.

3. 조도 센서 및 LED를 활용한 오토라이트 기능

   • 주변의 밝기를 감지하여 자동으로 라이트를 켜고 끄는 기능입니다.

4. 스피커를 활용한 경적 기능

   • 스피커를 통해 RC카에 경적 소리를 지원합니다.

유연한 제어 방법

RC카는 다양한 인터페이스를 지원하여 유연한 제어가 가능합니다.

• WebSocket API : 웹(Web) 환경을 통해 실시간 제어 가능
• Bluetooth : 모바일 환경에서 Bluetooth를 통해 제어 가능

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🚚임베디드 설계도

구성 설명

1. 건전지 스펙

전원 공급:

RC 카의 모터 제어및 서보 모터, 라즈베리파이 보드 전원 공급에 사용

갯수 : 2개

전압: 3.7V

용량: 2000mAh

2. UART (블루투스 통신)

역할:

블루투스 모듈과 라즈베리파이 간 통신을 통해 RC 카의 원격 제어수행

활용: 스마트폰 등 외부 장치에서 조종 명령을 전송

3. 서보 모터 (Servo Motor)

역할:

오픈 카 모드 제어

RC 카의 각도 및 조향 방향을 세밀하게 조정

4. DC 모터와 어댑터

역할:

RC 카의 구동 및 방향 제어

모터 드라이버를 통해 속도와 방향을 조절

2개의 DC 모터를 사용하여 RC 카를 움직임

5. LED 핀과 조도 센서

역할:

주변 조도 감지를 통해 오토라이트 모드 구현

조도 센서가 어두운 환경을 감지하면 LED가 자동으로 켜짐

6. 스피커

역할:

RC 카 경적을 내도록 함

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📊범용 RC카 프로젝트 구성도

1. Controller RC 카의 동작을 제어하며, 현재 등록된 Device 를 제어합니다. Thread Pool을 사용해 병렬 작업을 수행하며, 효율적인 리소스 활용과 빠른 응답성을 보장합니다.

2. Connection Handler 외부 입력(Bluetooth, WebSocket, Remote)을 처리하며, 동시 연결 시 경쟁 조건 방지를 위해 Mutex Lock을 사용해 안정성을 보장합니다.

3. IPC (Message Queue) 프로세스 간 데이터 교환을 위한 비동기 데이터 전달 역할을 수행합니다. 데이터를 FIFO 방식으로 처리하며, Connection Handler와 Controller 간의 의사소통을 중재합니다.

4. Thread Pool Controller와 Connection Handler 모두에서 작업을 병렬로 처리하며, 리소스 최적화 및 성능 향상을 도모합니다.

5. 외부 제어 소프트웨어 WebSocket API와 Bluetooth 모듈을 통해 사용자가 실시간으로 RC 카를 제어할 수 있습니다.

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🛠️동시성 제어 관련 제한조건 구현 내용

1. IPC 메시지 큐

   역할: 프로세스 간 메시지 전달 (Handler → Controller).

   특징: 비동기 데이터 처리 안정적 프로세스 통신

// 메시지 큐 속성의 초기화
attr.mq_flags = 0;
attr.mq_maxmsg = 10;
attr.mq_msgsize = BUFSIZ;
attr.mq_curmsgs = 0;

// 메시지 큐 오픈
mq = mq_open(MESSAGE_QUEUE_NAME, O_CREAT | O_RDONLY, 0644, &attr);
if (mq == (mqd_t)-1) {
    perror("mq_open failed");
    return 1;
}

// 메시지 큐에서 데이터를 읽음
n = mq_receive(mq, buf, sizeof(buf), NULL);
if (n == -1) {
    perror("mq_receive failed");
    continue;
}

// 메시지 큐로 전송
if (mq_send(mq, buffer, strlen(buffer), 0) == -1) {
    perror("[Handler] Failed to send message");
}

2. 쓰레드 풀

   구성: Controller: Device Worker Thread Pool Handler: Connection Worker Thread Pool
   

   이유: 실시간 처리 강화 리소스 효율화 (스레드 재사용) : Device 제어 이벤트 마다 쓰레드를 생성 및 종료하면 리소스와 성능에 부담이 있어서 프로그램 시작시 쓰레드를 생성하고 재사용하게끔 설계 확장성 유지 : 디바이스와 제어 장치가 추가되면 해당 쓰레드를 더 생성하면 됨

// 모터 제어 스레드를 초기화
for (int i = 0; i < MAX_MOTOR_TYPES; i++) {
    motor_threads[i].motor_id = i;
    motor_threads[i].is_active = 0;
    pthread_mutex_init(&motor_threads[i].mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&motor_threads[i].cond, NULL);
    pthread_create(&motor_threads[i].thread, NULL, motor_control_thread, &motor_threads[i]);
}

3. 커넥션 동기화

   문제: 커넥션 다중 지원 상황에서 제어 명령에 대한 경쟁 조건이 발생함, 제어 소프트웨어 간에 동기화 필요.

   해결: Mutex Lock 사용 → 연결 단위 동기화 보장

// 모터 제어 스레드를 초기화
for (int i = 0; i < MAX_MOTOR_TYPES; i++) {
    motor_threads[i].motor_id = i;
    motor_threads[i].is_active = 0;
    pthread_mutex_init(&motor_threads[i].mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&motor_threads[i].cond, NULL);
    pthread_create(&motor_threads[i].thread, NULL, motor_control_thread, &motor_threads[i]);
}

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✨프로젝트 파일 구성

1. main.c 프로그램의 시작점이자 root process

프로그램이 시작되면 child process 로
controller.c 와 handler.c를 fork spawn을 실행합니다.

2. handler.c

RC카를 직접 제어하거나 웹 통신 블루투스 통신 등등 RC카 제어를 위한 connection 을 핸들링 함

connection에서 보내진 데이터를 IPC로 보내는 파이프라인 역할을 함

3. controller.c

메세지 큐의 데이터를 polling 하여 device 장치를 제어하도록 실행함

4. device_adaptor.c

connection에서 보낸 데이터를 parsing 하여 적합한 device worker thread 에 동작하게 한다. device_adaptor 에 제공된 규악을 device 실행 메서드와 구조체 , 문자열 구조체 변환 메서드를 커스텀하면 해당 device를 실행할 수 있다.

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🐛 개발 시 문제점과 해결 (트러블 슈팅)

1. 유연한 확장 기능 지원

• 문제: 정형화된 데이터 형식 필요
• 해결 방안: JSON ↔ 구조체 변환을 통해 데이터 표준화 및 유연성 확보

2. DEVICE 제어 비용 최적화

• 문제: FORK 비용 및 CONTEXT SWITCHING 부담
• 해결 방안: THREAD 기반 제어 채택 및 THREAD POOL 패턴 적용으로 스레드 생성/종료 비용 최소화

3. 커넥션 동기화

• 문제: 여러 커넥션이 동시에 접근 시 경쟁 조건 발생
• 해결 방안: MUTEX LOCK 사용, 커넥션 단위로 동기화하여 데이터 정합성 및 연결 안정성 보장

4. 웹 기반 응답률 최적화

• 문제: HTTP 방식은 신뢰성과 안정성이 높지만, 메시지 단위가 무겁고 느리다는 단점 존재
• 해결 방안: 웹 소켓 프로토콜 채택으로, 신뢰성 있는 HTTP 위에 빠르고 작은 통신 가능

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📝시스템 커스텀 가이드

device 확장 가이드

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새로운 모터 타입 추가 방법

새로운 모터 타입을 추가하려면 다음 작업이 필요합니다:

1. 명령 구조체를 정의합니다.
   • 구조체에는 반드시 id 필드를 포함해야 합니다.
   • json 문자열을 구조체로 변경하는 함수를 구현합니다.
2. 명령 처리 함수를 구현합니다.
3. 모터 핸들러를 프레임워크에 등록합니다.

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단계별 가이드

• 확장할 device 관련 커스텀 함수를 정의할 파일을 생성합니다 (이번 예시는 survo.c 을 생성했다고 가정)

1. 명령 구조체 정의하기

먼저, survo.c 에 새로운 모터 타입의 명령 구조체를 정의합니다.
구조체에는 반드시 id 필드가 포함되어야 하며, 모터의 동작에 필요한 다른 필드를 추가로 정의합니다.

typedef struct {
    int id;         // 모터 고유 ID (필수 필드)
    int angle;      // 서보 모터 회전 각도
    int duration;   // 동작 지속 시간 (ms 단위)
} ServoMotorCommand;

json 문자열을 구조체로 변경하는 함수를 작성합니다

• survo.c 에 문자열을 구조체로 변경하는 메서드를 작성합니다
• dc_motor.c 파일에 구조체 변경 함수 예시가 작성되어 있습니다!

void* parse_servo_motor_message(const char* json_str) {
}

2. 명령 처리 함수를 구현합니다.

• 아래는 예제입니다.
• survo.c 에 명령 처리 메서드를 작성합니다

void handle_servo_motor_command(void* command) {
    ServoMotorCommand* servo_command = (ServoMotorCommand*)command;
    printf("서보 모터 제어 - ID: %d, 각도: %d, 지속 시간: %dms\n", 
           servo_command->id, 
           servo_command->angle, 
           servo_command->duration);
}

3. 모터 핸들러를 프레임워크에 등록합니다.

• device_adaptor.c 파일에 해당 함수에 다음과 같은 코드를 추가합니다

#include "survo.c" // device_adaptor.c 파일에 추가 

void register_custom_device_handler() { // 구현되어 있는 함수에 다음 코드를 추가
    MotorHandler servo_motor_handler = {
        .handle_command = handle_servo_motor_command,
        .parse_message = parse_servo_motor_message,
    };
    register_motor_handler(1, servo_motor_handler); // 모터 ID 1에 핸들러 등록
}

컴파일

 gcc -o controller controller.c -lpthread -lwiringPi -ljansson

실행

gcc -o controller controller.c -lpthread -lwiringPi -ljansson
gcc -o handler handler.c -lpthread -lwiringPi -ljansson -lwebsockets
sudo ./main

👬팀원 소개 및 역할

Profile	Role
강민기	전체적인 프로젝트 구성 설계, 제어 소프트웨어와 모터 사이의 파이프라인 개발, 동시성 처리 구현
황용진	웹과 라즈베리파이 간 웹소켓 통신을 위한 웹 플랫폼 개발, RC카 dc모터 조립, RC카와 핸들러간 데이터 통신 테스트 진행
강인석	라즈베리파이5와 스마트폰 간 블루투스 통신을 위한 모바일 애플리케이션 개발, 부가 기능 확장
정보경	RC카 전체 조립 및 device 단의 조작 소프트웨어 개발, 부가 기능 확장, RC카와 핸들러간 데이터 통신 테스트 진행