smartFarmEx

STM32(stm32-f411re) + Raspberry-pi(버젼 4) 스마트팜 모니터링/제어 시스템 C로 구현, Epoll 기반 단일 스레드 동작 systemed 등록(부팅시 자동 실행), logrotate로 로그파일 관리 TODO : 부팅시 UART, OLED등의 /dev검사로직 + 네트워크 연결(웹서버) 검사로직 넣고, 메인 소스와 분리하기 => 네트워크 연결 실패시 OLED에 에러문구 띄우기

리눅스 데몬	smartFarmEx(현재저장소) (farmd)
STM32 펌웨어	smartFarmEx_stm32
데모 영상(클릭)

구현 특징

• 단일 epoll 이벤트 기반 루프 (시그널, 타이머, UART, 소켓, 다중 HTTP연결 통합)
• 함수 포인터를 활용한 동적 디스패치 (epoll FD들이 각각의 이벤트핸들러 함수와 컨텍스트를 가지고 동작)
• 자체 설계 UART 통신 프로토콜 (프레임 재조립)
• Http서버 자체 구현, 요청 파싱/라우팅/세션 수명 관리

1. 블럭 다이어그램

계층	담당
STM32	센서값 측정, 액추에이터 구동(물주기, 조명 같은 / 프로젝트에서는 워터펌프 대신 LED 동작으로 대체)
farmd	stm32에서 보내준 프레임 파싱, 웹 콘솔 관리, OLED제어, 프로세스 로그 기록

=> 액추에이터 동작 차단 타이머는 STM32에 배치, AP가 멈추거나 통신이 끊겨도 동작 타이머가 만료되면 액추에이터가 정지한다.

2. 이벤트 루프

FD	핸들러 함수	역할 상세
signal_fd	finish_loop	-SIGTERM -SIGINT감지하여 프로세스 정상 종료
UART	read_uart_stm32	stm32가 보낸 프레임(센서 정보) 수신&파싱
timer_fd(웹서버)	read_web_timer	세션 수명 관리, 무응답 연결 회수
timer_fd(OLED)	oled_handle	디스플레이 정보 갱신
listen(소켓)	web_accept	웹 연결 수립
conn(소켓)	web_handle_conn	웹 HTTP 연결 요청/응답

2.1 epoll의 동적 디스패치

// epoll 이벤트 공용 구조체
typedef struct epoll_event_handle epoll_event_handle_t;
struct epoll_event_handle {
    int   fd;
    int (*func)(epoll_event_handle_t *self);
    void *ctx;
};

// if 분기 없이, 감지된 이벤트 목록에서 핸들러로 연결됨
epoll_event_handle_t *e = event_list[i].data.ptr;
e->func(e);

구분	대상	수명주기
고정 FD	시그널, UART, 타이머, listen	프로세스 수명, 종료 시 일괄 회수
동적 FD	HTTP 연결	힙 할당, 각자 개별 해제

2.2 논 블로킹

구분	설정
소켓	accept4(SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC)
UART	open(O_NONBLOCK)
타이머	timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, TFD_NONBLOCK | TFD_CLOEXEC)

— 등록 fd 중 하나라도 블로킹이면 루프 전체가 정지함.

• accept4 는 플래그를 원자적으로 설정해 fcntl 경쟁을 제거
• sigaction 대신 signalfd 를 쓴 것은 epoll_wait 진입 직전에 도착한 시그널을 놓치지 않기 위함.

3. HTTP Server

3.1 API

Method	Path	로그인 여부	Response
POST	/login	—	302 → /main.html + Set-Cookie
GET	/logout	필요	302 → /login.html, 쿠키 만료
GET	/api/sensor	필요	{temp, humi, light, timestamp, stm32_stat}
POST	/api/water	필요	{ok, sec} — 파라미터 sec
GET	/*.html	필요	정적 페이지

3.2 상세 정보

항목	값
프로토콜	HTTP/1.1, Connection: close
요청 버퍼	4096
완성 판정	\r\n\r\n + Content-Length
세션 ID	256비트 (getrandom), hex 64자
세션 저장	서버 테이블, 쿠키는 sid만 (HttpOnly)
세션 만료	우선은 30분, 5초 주기 검사
연결 유휴 타임아웃	30초
대시보드 데이터 폴링	2초

• 센서 갱신 주기가 초 단위라 폴링에서 푸시로 바꿔도 이득이 적음

4. UART

4.1 UART 프레임 레이아웃

4.2 프레임 재조립

단계	동작	실패 시
1	0x02 탐색, 찾으면 버퍼 앞으로 밀어버림	쓰레기값 폐기
2	LEN == sizeof(payload) 검증	틀린 경우, 해당 바이트 폐기 후 재탐색
3	LEN+5 바이트 도착 대기	대기
4	페이로드 복사	—

5. OLED (SSD1306)

항목	값
인터페이스	/dev/i2c-1, ioctl(I2C_SLAVE, 0x3C)
해상도	128 × 64, 1bpp
갱신	전용 timerfd 주기

wiringPi 등 GPIO/디스플레이 라이브러리 미사용. 초기화 커맨드 시퀀스를 데이터시트 기준으로 직접 전송하고, 페이지/컬럼 주소 지정 방식으로 프레임버퍼를 전송한다.

TODO : 디바이스 드라이버로 초기화 작업 자동화

6. 펌웨어 (STM32F411)

STM32F411. HAL_GetTick() 기반 스케줄러

• 센서 송신과 액추에이터 동작을 동시 진행시킴 (명령은 UART 인터럽트로 수신하되, ISR은 플래그만 세우고 실행은 메인 루프가 담당)
• AP는 fd 이벤트를 epoll 로, STM32는 시간 이벤트를 틱 비교로 다중화, 둘 다 논블로킹 운영 수행

상세: smartFarmEx_stm32

7. 빌드 및 운영

7-1. C파일 빌드

make            # bin/farmd
./bin/farmd     # 웹 포트 :8080

의존성: 표준 C 라이브러리

Config 파일 — include/config.h

이름	기본값
WEBPORT	8080
UART_DEVICE	/dev/serial0
UART_SPEED	B115200 (펌웨어도 같이 수정해야함)
SESSION_TIMEOUT_SEC	1800
EXPIRE_INTERVAL_SEC	5 (세션 검사주기)
WATER_MAX_SEC	30 (물주기시간 상한)
LOG_LEVEL	LL_ERROR (N 이상의 심각도 로그만 표출)

7-2. systemd 서비스 등록 & 로그 관리

파일정보	경로
farmd(컴파일된 파일)	/home/유저명/sv/farmd/farmd
html(웹뷰 디렉터리)	/home/유저명/sv/farmd/html
서비스 파일	/etc/systemd/system/farmd.service
로그관리 설정	/etc/logrotate.d/farmd

# farmd.service
[Unit]
# 서비스 표시이름
Description=Smart Farm Daemon
# 네트워크 연결된 이후 실행
After=network.target
# 프로세스 시작되려 할때 네트워크 켜기
Wants=network.target

[Service]
# 기본값(파일 없어도 우선 실행성공 반환, 이후 execve시스템콜 실패하면 재시작)
Type=simple
# 실행 계정
User=raspi
Group=raspi
# 장치 그룹 권한부여
SupplementaryGroups=dialout i2c
# 상대경로 지정
WorkingDirectory=/home/raspi/sv/farmd
# 실제 실행 명령
ExecStart=/home/raspi/sv/farmd/farmd

# 서비스 떨어지면 재시작
Restart=on-failure
# N초 뒤에 재시작
RestartSec=5s

# 로그 파일 만드는 권한
LogsDirectory=farmd
LogsDirectoryMode=0750

[Install]
# 네트워크 올라온 일반 서버 상태일떄 프로세스 시작
WantedBy=multi-user.target

# logrotate

/var/log/farmd/*.log {
    # 하루에 한 번 실행
    daily
    # 파일 용량 제한선인데, 하루에 한 번 로그파일 교체해서 의미 없음
    maxsize 10M
    # 개 까지 파일 보관
    rotate 30
    # 파일 없어도 오류처리 안함
    missingok
    # 내용이 비었으면 교체 안 함
    notifempty
    # 새로 만든 파일 권한지정
    create 0640 raspi raspi

# 매칭되는 로그파일이 여러개일 때의 처리 
    sharedscripts
    # 순회 직후 실행 (파일 여러개라도 한 번만 실행됨)
    postrotate
        # SIGHUP 보내기
        systemctl kill -s HUP farmd.service 2>/dev/null || true
    endscript
}

8. Source Map

src/
├── main.c              프로세스 수명 관리
├── epoll_loop.c        이벤트 루프, 핸들러 등록/회수
├── sig_handler.c       signalfd 시그널 처리
├── uart/
│   ├── uart.c          termios 설정, 수신, 명령 송신
│   └── uart_parser.c   프레임 관련
├── webserver/
│   └── web_server.c    HTTP 파싱, 라우팅, 세션, 연결 관리
├── oled/oled.c         OLED 제어, OLED 프레임버퍼 렌더링
└── util/               로거, 유틸함수
 
include/    헤더
html/       정적 페이지 (빌드 파일과 같은 위치로 넣으면 보임=기본값 설정)
expr/       테스트 코드

9. TODO list

• 프레임 무결성 / STX랑 LEN까지만 검증중 : ETX나 TYPE 등 검증 추가
• 명령 실행 확인 / UART 명령 전송 성공까지만 확인중 : 상태 프레임에 액추에이터 상태 포함해야됨
• 웹 인증 / 관리자계정 하드코딩 상태 : 환경설정에 관리자 메뉴 추가해야됨.
  : 웹뷰 종류가 하드코딩 상태, 웹기능 확장이 필요하면, 디렉터리 자동인식으로 바꿀 예정.

10. 시스템 인터페이스

분류	인터페이스	용도
I/O 다중화	epoll_create1 epoll_ctl epoll_wait	이벤트 루프
시그널	sigprocmask signalfd	시그널을 fd로 수신, 유실 방지
타이머	timerfd_create timerfd_settime	주기 작업을 fd 이벤트로
소켓	socket bind listen accept4 setsockopt	TCP 서버, 논블로킹 연결 수립
난수	getrandom	세션 ID 생성
시리얼	termios cfmakeraw tcsetattr	UART 회선 설정
I2C	open ioctl(I2C_SLAVE)	OLED 직접 제어
동기화	pthread_mutex	로거 잠금