WiFi Module(ESP Module)을 이용한 원격제어: LAMP-server-data-logger-arduino

ESP8266/ESP32(LAMP Server - data logger) - Arduino IDE

ESP8266/ESP32 - LAMP Server를 이용한 Data logger - Arduino IDE

LAMP Server를 이용한 Data logger

LAMP Server를 이용한 Data logger의 구성
Data logger 구현에 필요한 Hardware와 배경 지식
LAMP Server를 이용한 Data logger 구현에 필요한 Software tool 설치

Data logger를 위한 MySQL Database 생성과 Web Server측 PHP Script

phpMyAdmin을 이용한 Database와 Data Table 생성
MySQL Database에 Data를 기록하는 PHP Script
MySQL Database의 Data를 Web page에 출력하는 PHP Script

ESP8266/ESP32를 이용한 온도·습도 측정과 Data 전송

ESP8266/ESP32를 이용한 온도·습도 측정 회로 구성 예
Arduino IDE 환경에서 ESP32/ESP8266에 필요한 프로그램
LAMP Server를 이용한 Data logger 실험

ESP8266/ESP32 - LAMP Server를 이용한 Data logger - 관련 페이지 보기

LAMP Server를 이용한 Data logger

LAMP Server를 이용한 Data logger의 구성

측정 결과(데이터)를 데이터 분석 등을 위하여 대규모로 저장하여야 하는 경우 LAMP(Linux + Apache + MySQL + PHP) Server를 이용하는 것이 효과적이다.

LAMP Server를 이용한 Data logger 구성도

LAMP Server를 이용한 Data logger 구성은 윗 그림과 같이 Raspberry Pi, ESP8266 또는 ESP32 Module, 온도/습도 센서(DHT11 또는 DHT22) 모듈, Data 출력 장치(PC, 노트북, 휴대폰 등과 같이 인터넷에 열결할 수 있는 터미널)로 구성된다.

Raspberry Pi: MySQL(or MariaDB), Apache Web server, PHP와 같은 LAMP Server에 필요한 Tool과 ESP8266/ESP32로 부터 전송되는 Data를 MySQL(or MariaDB)에 기록하기 위한 Data Logging Script(이 페이지에서는 php 언어로 작성함), MySQL(or MariaDB)에 저장된 data를 터미널에 전송하기 위한 Data Displsy Script(이 페이지에서는 php 언어로 작성함)를 설치한다.
ESP8266/ESP32: 주기적으로 온도와 습도를 측정하여 Server에 전송한다.
온도/습도 센서(DHT11 또는 DHT22) 모듈: 온도와 습도를 측정하여 ESP8266/ESP32에 전송(Single-Wire 통신을 사용)한다.
Data 출력 장치: Web Server로 부터 Data를 읽어 결과를 출력하는 장치로 PC, 노트북, 휴대폰 등과 같이 인터넷에 열결할 수 있는 터미널 장치를 사용한다.

Data logger 구현에 필요한 Hardware와 배경 지식

필요한 Hardware

Raspberry Pi board(MicroSD Card – 16GB)
ESP32 또는 ESP8266 Module
온도/습도 센서(DHT11 또는 DHT22) 모듈
인터넷 터미널로 사용할 수 있는 장치(PC, 노트북, 휴대폰 등)

필요한 Software와 배경 지식

Linux OS: Raspberry Pi에 설치하는 OS로 Raspberry Pi를 이용하기 위하여는 Linux OS에 대한 기본적인 이해가 필요하다.
Apache Web server: 무료로 사용할 수 있는 오픈 소스(Open-source) 웹 서버 소프트웨어로 Raspberry Pi에서 Web server를 사용할 수 있게 한다.
MySQL(or MariaDB): 오픈 소스 관계형 데이터베이스 관리 시스템(RDBMS)으로 다량의 Data를 체계적으로 저장하고 이용할 수 있게 한다.
PHP(Personal Home Page Tools or Hypertext Preprocessor) : 웹 서버 측에서 주로 사용되는 스크립트 언어로 웹 서버에서 필요한 기능을 용이하게 구축할 수 있도록 한다.
phpMyAdmin: MySQL을 웹 상에서 관리할 수 있도록 하는 PHP로 작성한 오픈 소스 도구이다.

LAMP Server를 이용한 Data logger 구현에 필요한 Software tool 설치

Linux OS: "Raspberry Pi 사용을 위한 준비"를 참고하여 Raspberry Pi Board를 준비하고 RRASPBIAN OS를 설치한다.
Apache Web server: "Raspberry - Apache Web server"를 참고하여 Apache Web server를 설치한다.
MySQL(or MariaDB): "MySQL(MariaDB) - phpMyAdmin 설치하기"를 참고하여 MySQL(or MariaDB)를 설치한다.
PHP: "Raspberry Pi에 PHP 설치하기"를 참고하여 PHP를 설치한다.
phpMyAdmin: "phpMyAdmin 설치하기"를 참고하여 phpMyAdmin를 설치한다.

Data logger를 위한 MySQL Database 생성과 Web Server측 PHP Script

phpMyAdmin을 이용한 Database와 Data Table 생성

phpMyAdmin을 사용하여 MySQL Database를 관리하기 위하여는 먼저 PC의 Web 브라우저에서 phpMyAdmin에 연결하여야 한다.

참고자료: "PHPMyAdmin 사용자를 위한 새로운 DB 사용자 계정을 생성하고 phpMyAdmin에 연결(로그인)하기"

주: MySQL과 SQL에 대한 배경 지식이 있는 경우에는 phpMyAdmin을 사용하지 않고 Raspberry Pi 터미널(Putty 등)에서 직접 Database와 Data Table 생성하는 것이 편리하다.

Web 브라우저를 이용하여(예: 192.168.0.15/phpmyadmin/) phpMyAdmin에 연결하기

Raspberry Pi 터미널(예: Putty)에서 아래 명령을 사용하여 Raspberry Pi의 IP Address를 확인한다.

hostname –I

Web 브라우저를 이용하여(예: 192.168.0.15/phpmyadmin/) phpMyAdmin에 연결 한다.

Database 생성하기

phpMyAdmin 관리 창에서 "데이터베이스"를 선택하고 아래와 같이 "새 데이터베이스 만들기"란에 데이터베이스 이름(예: esp_DHT_data)을 입력하고 "만들기" 버튼을 클릭한다.

phpMyAdmin 관리 창에서 "데이터베이스"를 생성하는 예

생성한 데이터베이스(예: esp_DHT_data)에 데이터 저장을 위한 Table 생성하기

phpMyAdmin 관리 창 왼쪽에서 데이터베이스(예: esp_DHT_data)를 선택하고, "SQL"을 선택하면 SQL을 입력할 수 있는 창이 열린다.
SQL 입력 창에 아래 SQL 문을 복사하여 입력하고 "실행" 버튼을 클릭한다.

데이터베이스(예: esp_DHT_data)에 데이터 저장을 위한 Table를 생성하는 예

phpMyAdmin 관리 창 왼쪽에서 생성한 Table(예: DHT_data)를 선택하고, "구조"를 선택하면 아래와 같이 새로 생성된 Table(예: DHT_data)의 구조를 확인 할 수 있다.

생성된 Table(예: DHT_data)의 구조 예

MySQL Database에 Data를 기록하는 PHP Script

ESP32 또는 ESP8266에서 들어오는 요청(Requests)을 수신하고, 수신한 데이터를 MySQL 데이터베이스에 삽입하는 PHP 스크립트를 작성하여 /var/www/html에 저장한다.

Raspberry Pi에서 실행하는 Script의 크기가 큰 경우에는 편리한 PC의 텍스트 편집기(예: Notepad++ 등)를 이용하여 Script를 작성하고, Windows용 그래픽 유저 인터페이스를 사용하여 원격으로 파일을 관리할 수 있는 WinSCP를 이용하여 Script를 관리하는 것이 편리하다. 만약 Script의 크기가 작은 경우에는 터미널(Putty 등)에서 직접 nano 편집기를 사용하여 Script를 작성할 수 있다.

참고자료: "원격 컴퓨터에서 PuTTY(SSH 프로토콜 이용)를 사용한 개발 환경"

아래 예에서는 PC의 텍스트 편집기(예: Notepad++ 등)와 WinSCP를 사용하여 Script를 작성한다.

PHP Script(esp-data-database.php) 작성하기

텍스트 편집기(예: Notepad++ 등)의 새 편집창에 아래 Script를 복사한다.
아래 Script에서 Database 이름, Database 사용자, Database 사용자의 password를 설정하고 esp-data-database.php로 저장한다.
WinSCP를 사용하여 esp-data-database.php 파일을 Raspberry Pi의 /var/www/html/ 폴더에 복사한다.

<?php
$servername = "localhost";

// Database 이름을 설정한다.
$dbname = "esp_DHT_data";
// Database 사용자를 설정한다.
$username = "phpmyadmin";
// Database 사용자의 password를 설정한다.
$password = "******";

// ESP32 code에서 설정한 Device ID와 동일한 값으로 설정하여야 한다. 
$deviceId_value = "home-dht-sensor-1";
// 변수를 선언하고 초기화 한다.
$deviceId = $sensor = $location = $value1 = $value2 = "";

// 만약 HTTP POST 가 수신되었으면... 
if ($_SERVER["REQUEST_METHOD"] == "POST") {
    $deviceId = data_format($_POST["deviceId"]);
    if($deviceId == $deviceId_value) {
        $sensor = data_format($_POST["sensor"]);
        $location = data_format($_POST["location"]);
        $value1 = data_format($_POST["value1"]);
        $value2 = data_format($_POST["value2"]);
        
        // DB Connection을 생성한다.
        $conn = new mysqli($servername, $username, $password, $dbname);
        // Connection 성공 여부를 Check 한다.
        if ($conn->connect_error) {
            die("Connection failed: " . $conn->connect_error);
        } 
        
        $sql = "INSERT INTO DHT_data (sensor, location, value1, value2)
        VALUES ('" . $sensor . "', '" . $location . "', '" . $value1 . "', '" . $value2 . "')";
        
        if ($conn->query($sql) === TRUE) {
            echo "New record inserted successfully";
        } 
        else {
            echo "Error: " . $sql . "<br>" . $conn->error;
        }
    
        $conn->close();
    }
    else {
        echo "Wrong device Id.";
    }

}
// HTTP POST 가 수신되지 않은 경우 아래 메세지를 출력한다.
else {
    echo "No data posted with HTTP POST.";
}

// 수신된 data를 html 문서에 적합하도록 변환한다.
function data_format($data) {
    $data = trim($data);
    $data = stripslashes($data);
    $data = htmlspecialchars($data);
    return $data;
}

MySQL Database의 Data를 Web page에 출력하는 PHP Script

PHP Script(esp-data-display.php) 작성하기

텍스트 편집기(예: Notepad++ 등)의 새 편집창에 아래 Script를 복사한다.
아래 Script에서 Database 이름, Database 사용자, Database 사용자의 password를 설정하고 esp-data-display.php로 저장한다.
WinSCP를 사용하여 esp-data-display.php 파일을 Raspberry Pi의 /var/www/html/ 폴더에 복사한다.

<!DOCTYPE html>
<html><body>
<?php
$servername = "localhost";

// Database 이름을 설정한다.
$dbname = "esp_DHT_data";
// Database 사용자를 설정한다.
$username = "phpmyadmin";
// Database 사용자의 password를 설정한다.
$password = "******";

// Database를 연결한다.
$conn = new mysqli($servername, $username, $password, $dbname);
// Database 연결를 확인한다.
if ($conn->connect_error) {
    die("Connection failed: " . $conn->connect_error);
} 
// DB로 부터 최근 10개의 Data를 SELECT 하는 SQL 문
$sql = "SELECT id, sensor, location, value1, value2, reading_time FROM DHT_data ORDER BY id DESC LIMIT 10";

echo '<table cellspacing="14" cellpadding="5">
      <tr> 
        <td>ID</td> 
        <td>Sensor</td> 
        <td>Location</td> 
        <td>Temperature</td> 
        <td>Humidity</td>
        <td>Timestamp</td> 
      </tr>';
 
if ($result = $conn->query($sql)) {
    while ($row = $result->fetch_assoc()) {
        $row_id = $row["id"];
        $row_sensor = $row["sensor"];
        $row_location = $row["location"];
        $row_value1 = $row["value1"];
        $row_value2 = $row["value2"]; 
        $row_reading_time = $row["reading_time"];
      
        echo '<tr> 
                <td>' . $row_id . '</td> 
                <td>' . $row_sensor . '</td> 
                <td>' . $row_location . '</td> 
                <td>' . $row_value1 . '</td> 
                <td>' . $row_value2 . '</td>
                <td>' . $row_reading_time . '</td> 
              </tr>';
    }
    $result->free();
}

$conn->close();
?> 
</table>
</body>
</html>

ESP8266/ESP32를 이용한 온도·습도 측정과 Data 전송

ESP8266/ESP32를 이용한 온도·습도 측정 회로 구성 예

Arduino IDE 환경에서 ESP32/ESP8266에 필요한 프로그램

온도/습도 센서(DHT11/DHT22) 모듈은 측정한 온도/습도 값을 디지털 데이터로 변환하여 Single-Wire 통신 프로토콜로 출력한다.

ESP32/ESP8266: 센서(DHT11/DHT22) 모듈의 측정 값을 서버에 전송한다.

온도/습도을 측정하여 서버에 전송하는 프로그램 예: esp-post-DHT11.ino

#ifdef ESP32
  #include <WiFi.h>
  #include <HTTPClient.h>
#else
  #include <ESP8266WiFi.h>
  #include <ESP8266HTTPClient.h>
  #include <WiFiClient.h>
#endif

#include <Wire.h>
// Arduino의 Adafruit_Sensor 와 dht sensor Library를 사용한다.
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <DHT.h>

// WiFi(본인이 사용하는 무선공유기) 연결에 필요한 Id와 Password를 설정한다.
const char* ssid     = "iptime-home";
const char* password = "******";

// 데이터를 수신하는 서버의 Domain name 과 URL path(or IP address 와 path)를 설정한다.
const char* serverName = "http://example.com/esp-data-database.php";

// "deviceIdValue"은 Device를 구분하는 값으로 esp-data-database.php 파일의 
// "deviceId_value" 값과 일치 하여야 한다.
String deviceIdValue = "home-dht-sensor-1";
String sensorName = "DHT11";
String sensorLocation = "Home";

#define SEALEVELPRESSURE_HPA (1013.25)

#define DHTTYPE    DHT11
//#define DHTTYPE    DHT22

// GPIO14을 Single wire 통신에 사용한다.
const int dhtPin = 14;

DHT dht(dhtPin, DHTTYPE);

// DHT를 초기화한다.
void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  dht.begin();

WiFi.begin(ssid, password);
  Serial.println("Connecting");
  while(WiFi.status() != WL_CONNECTED) { 
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.print("Connected to WiFi network with IP Address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

// 무한 Loop를 실행하며 WiFi 연결 상태를 Check 한다. 
void loop()
{
  // WiFi 연결 상태를 Check 한다.
  if(WiFi.status()== WL_CONNECTED){
    WiFiClient client;
    HTTPClient http;
    
    // 데이터를 수신하는 Domain name 과 URL path(or IP address 와 path)를 사용한다.
    http.begin(client, serverName);
    
    // Specify content-type header
    http.addHeader("Content-Type", "application/x-www-form-urlencoded");
    
    // HTTP POST request data를 생성한다.
    // application/x-www-form-urlencoded는 key=value&key=value의 형태로 전달된다.
    String httpRequestData = "deviceId=" + deviceIdValue + "&sensor=" + sensorName
                          + "&location=" + sensorLocation + "&value1=" + String(dht.readTemperature())
                          + "&value2=" + String(dht.readHumidity()) + "";
    Serial.print("httpRequestData: ");
    Serial.println(httpRequestData);
    
    // Send HTTP POST request
    int httpResponseCode = http.POST(httpRequestData);
             
    if (httpResponseCode>0) {
      Serial.print("HTTP Response code: ");
      Serial.println(httpResponseCode);
    }
    else {
      Serial.print("Error code: ");
      Serial.println(httpResponseCode);
    }
    // Free resources
    http.end();
  }
  else {
    Serial.println("WiFi Disconnected");
  }
  // HTTP POST request를 매 30 초에 한번 실행한다.
  delay(30000);  
}

LAMP Server를 이용한 Data logger 실험

실험을 위한 준비

Sensor Library 설치하기

DHT Sensor Library 설치하기

DHT Sensor Library "DHT-sensor-library-master.zip"을 다운로드한다.
"스케치 -> 라이브러리 포함하기 -> .ZIP 라이브러리 추가..."를 실행하면 라이브러리 검색 창이 열린다.
DHT-sensor-library-master.zip를 검색하여 "열기" 클릭하면 스케치북 폴더(스케치북 폴더 위치는 환경설정 창에서 확인할 수 있음) 아래 libraries 폴더에 Library가 설치된다.

Adafruit Unified Sensor Driver 설치하기

Adafruit Unified Sensor Driver "Adafruit_Sensor-master.zip"을 다운로드한다.
"스케치 -> 라이브러리 포함하기 -> .ZIP 라이브러리 추가..."를 실행하면 라이브러리 검색 창이 열린다.
Adafruit_Sensor-master.zip를 검색하여 "열기" 클릭하면 스케치북 폴더(스케치북 폴더 위치는 환경설정 창에서 확인할 수 있음) 아래 libraries 폴더에 Library가 설치된다.

ESP8266/ESP32 개발보드와 센서 모듈 연결

ESP8266/ESP32 개발보드 Data input pin(GPIO14) <-> 센서의 data pin
Data input line Pull up 저항(1K - 10K): DHT11/DHT22 모듈에 Pull up 저항이 내장된 경우 생략하여도됨.
ESP8266/ESP32 개발보드 VDD(3.3V) <-> 센서 Vcc pin
ESP8266/ESP32 개발보드 GND <-> 센서 GND

실험 방법

Arduino IDE를 실행하고 "파일 -> 새 파일"을 클릭한다.
윗 프로그램(esp-post-DHT11.ino)을 프로그램 편집 창에 복사하여 저장한다.
WiFi(본인이 사용하는 무선공유기) 연결에 필요한 Id와 Password를 설정한다.
데이터를 수신하는 서버의 Domain name 과 URL path(or IP address 와 path)를 설정하고 저장한다.
"툴 -> 보드: "보오드 이름" 에서 보드를 선택("NodeMCUS-32인 경우에는 "NodeMCU-32S" , ESP8266 NodeMCU인 경우에는 "NodeMCU 1.0(ESP-12E Module)) 한다.
"툴 -> 포트: "에서 COM Port(제어판에서 ESP에 연결된 Port 번호를 확인)를 선택 한다.
"스케치 -> 확인/컴파일"을 클릭하여 프로그램이 정상으로 컴파일되는지 확인한다.
"업 로드"를 실행 한다. 컴파일이 완료되고 Arduino IDE와 개발 보드 사이에 연결이 시작되면 FLASH Switch(NodeMCU-32S 인 경우 BOOT SW)를 약 2초 동안 누른다.

주: ESP8266 NodeMCU 개발보드를 사용하는 경우에는 FLASH Switch와 RST Switch를 누르지 않아도 자동으로 업 로드 된다.

실험

"업 로드"가 완료되면 프로그램이 자동으로 실행되고 된다.
프로그램이 실행되면 ESP32/ESP8266 모듈은 3초 간격으로 온도/습도 값을 측정하여 Raspberry Pi 서버에 전송한다.
PC 등의 웹 브라우저에서 웹 서버의 esp-data-display.php(url 예: http://192.168.0.2/esp-data-display.php)에 접속하면 최근 10번의 측정 결과가 웹 브라우저에 출력된다.
온도와 습도를 변동(센서에 손가락을 대고 있으면 온도와 습도가 변동함) 시키며 실험한다.

phpMyAdmin을 이용하여 데이터베이스에 저장된 측정 데이터 삭제하기

프로그램이 실행되는 동안 3초 간격으로 데이터베이스에 데이터가 누적되기 때문에 필요한 경우 데이터베이스에 저장된 데이터를 삭제할 필요가 있다.

Web 브라우저를 이용하여 phpMyAdmin에 연결(예: 192.168.0.15/phpmyadmin/) 하고 아래 예와 같이 "DHT_data" Table 보기를 실행한다.
"DHT_data" Table 보기 창에서 "모두 보기"를 체크하고 "삭제"를 실행하면 삭제 실행 창이 열린다.

"DHT_data" Table 보기 창 예

삭제 실행 창에서 "예"를 실행하면 선택된 데이터가 모두 삭제된다.

삭제 실행 창 예

ESP8266/ESP32 - LAMP Server를 이용한 Data logger - 관련 페이지 보기