스마트 카트 설계기 (3) - 기능 합치기, NFC 코딩의 시작

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네비게이션 기능과의 융합

한 학기의 절반이 지났을 때쯤, 터틀봇3의 네비게이션 부분을 맡은 친구가 원하는 좌표까지 움직이는 네비게이션 기능을 거의 다 완성했다는 말을 하였다. 주제 선정이 빠르기도 하고 각자가 나름대로 생각이 있었던 분야여서 그런지 다른 졸업 작품 설계 팀들보다 완성 속도가 엄청 빨랐다.

 

아쉽게도 네비게이션 기능은 생각보다 고려해야 할 부분들이 너무나 많았기 때문에, 친구가 가져온 코드는 바닥부터 끝까지 짠 코드는 아니었다. 하지만, 일단 가장 큰 걸림돌이었던 네비게이션 기능을 구현할 수 있게 된 것만으로도 정말 다행이었다.

친구가 가진 코드는 Python 파일로 turtlebot3_navigation이라는 ROS 패키지에 좌표를 보내 이동하는 구조였다. 우리가 생각했을 때 각자의 코드를 연동하는 가장 좋은 방식은 웹서버 소스 파일에서 네비게이션 기능 소스를 모듈처럼 import로 불러와서 웹서버 코드 내에서 직접 실행하는 방식이었다.

 

하지만 Python에 관한 지식 부족으로 인해 모듈 형식으로 import를 시킬 수 있는 방법을 당시에 구현하지 못했다. 그래서 이전까지 알고 있었던 방식을 응용하기로 했다.

 

우리가 생각한 방식은 실행 시 쉘로 매개변수를 입력 받을 수 있게 만들고 Flask 내에서 해당 파일을 Python을 이용하여 별도의 쉘로 실행시키는 방법이었다. 일단은 이렇게 구현하고 나중에 시간이 남는다면 모듈처럼 불러오는 방식을 공부한 뒤에 바꾸기로 했다.

친구에게 그 코드를 매개변수로 좌표 값을 받아서 동작하도록 수정을 부탁했다. 그리고 나는 물품 상세 페이지에서 물품 추적 버튼을 누르면 Python의 subprocess 모듈을 이용해서 쉘에서 파이썬 파일을 실행시키는 것처럼 작동시키는 데 성공했다.

 

def send2ros(tablequery):
    print('x: ',tablequery.locationx,'y: ', tablequery.locationy,'z: ',  tablequery.locationz )
    subpro = subprocess.Popen(["python", "go_to_specific_point_on_map.py", str(tablequery.locationx), str(tablequery.locationy) ])

위치 이동 버튼을 눌렸을 때 실행하는 함수

 

네비게이션 기능 작동 동영상

 

NFC 모듈 사용기

웹 페이지를 어느 정도 마무리하고 난 뒤 NFC 모듈을 작업하기 시작했다. ^[각주:1]

 

만들어진 프로그램들 모두 Python으로 쓰였으니, NFC 모듈 구동 방식도 Python으로 구현하면 코드 웹서버와 연동하기에 좀 더 유리하지 않을까?라는 생각이 들었다. 그래서 여러 NFC 작동 프로그램을 찾아보다가, nfcpy라는 프로그램이 눈에 띄었다.

 

nfcpy의 사용

nfcpy는 USB나 UART를 이용하여 작동하는 프로그램으로, 프로그램 사용 설명에 관한 문서와 예제프로그램들이 많아서 좋았다.

시험 삼아 라즈베리파이에 GPIO를 이용하여 연결, 예제 프로그램을 이용하여 NFC 모듈을 사용해보았다. 다행히 별도의 보조전원 없이 NFC 모듈은 정상적으로 동작함을 확인할 수 있었다.

 

당시 테스트 했었던 사진들 중 일부 (이 때는 터틀봇3의 전원을 사용하지 않았다.)

이제 작동에 이상이 없음을 확인을 하고, nfcpy를 이용하여 가장 복잡한 방법인 NFC 태그를 시뮬레이션하는 프로그램을 작동시켜보려고 했다. 하지만 안타깝게도 nfcpy 문서에 기록된 시뮬레이션 코드를 잘 이해하지 못하는 바람에 정상적으로 동작시킬 수 없었다. 다른 대안으로 예제에 적힌 SNEP 프로토콜을 이용해 보기도 했다.

해당 프로토콜을 사용하면 NFC 태그가 읽혔는지 확인할 수 있어서 보안 면에서도 상당히 유용하다 싶었는데, 휴대폰 기종에 따라 작동이 완벽히 되지 않는 호환성에 문제가 있었다.^{[각주:2][각주:3]} 하는 수 없이 NFC 태그 에뮬레이션, SNEP 프로토콜 사용 방법은 포기하기로 했다. 대신 NFC 스티커와 같은 NFC 태그를 NFC 모듈에 별도로 붙여서 NFC 모듈 –> NFC 태그 –> 스마트폰 식으로 연동을 하기로 했다.

 

생각한 방법대로 구현하기 위해 nfcpy 설명서를 찾아보다가 예제 파일들에 관한 설명을 볼 수 있었다. 예제 파일 중 나에게 필요한 파일은 tagtool.py 파일로, tagtool.py format tt2 를 실행한 다음 tagtool.py load ‘ndef 파일 경로’를 실행하면 됐다. 이 방법은 네비게이션 기능을 웹서버 기능과 합칠 때처럼, 간단히 subprocess를 이용하여 구현을 함으로 코드를 간단히 융합하였다. 참고로 ndef 파일에는 암호 코드가 포함된 Flask 서버 URL이 적혀 있다.

단, 여기서 필요한 파일인 ndef 파일은 어떻게 생성할 수 있는지 열심히 찾다가, ndeftool이라는 프로그램으로 생성할 수 있다는 것을 찾았다. 그렇다면 ndeftool로 만들어진 파일은 어떻게 보내고 받을 수 있을까? 라는 고민 끝에 하다가 아래와 같은 구상을 하였다.

 

1. Flask 서버가 로그 아웃이나 초기 실행 시 비밀 번호를 포함하여 사이트 주소가 담긴 ndef파일을 만든다. (주소 예시: https://***.ipdisk.co.kr/?passcode=1234)
2. Tcp/Ip를 이용하여 라즈베리파이에 a라는 문자를 보내면 라즈베리파이는 Flask 서버의 숨겨진 경로에서 ndef 파일을 다운로드한다.
3. 라즈베리파이는 다운로드된 ndef 파일을 이용하여 nfc 태그에 해당 URL을 기록한다.
4. 사용자는 휴대폰으로 해당 태그를 태깅하여 웹 서비스에 접속한다.

 

이렇게 한다면 https를 통해 파일이 암호화되어 전송되므로 제 3자는 암호 코드를 가로챌 수 없었으며, 따라서 보안상 유리할 것이라 생각했다. 그리고 이를 토대로  ndef 파일 전송 구현에 성공했으며, 동작도 정상적임을 확인할 수 있었다.

 

context = ssl._create_unverified_context()
def get_ndef(): ##url
    ndefdata = request.urlopen(url,context=context).read()
with open('./urlreceived.ndef', 'wb') as f:
        f.write(ndefdata)
if data.decode('utf-8') == 'a' :
            get_ndef()
            subpro1 = subprocess.Popen(['python', 'tagtool.py', '--device', '/dev/ttyS0', 'format', 'tt2'])
            print('subpro1 ended')
            subpro2 = subprocess.Popen(['python', 'tagtool.py', 'load', 'urlreceived.ndef'])
            print('subpro2 ended')

라즈베리파이에서 사용되는 Subprocess와 tagtool.py를 사용한 코드

 

@app.route('/url.ndef', methods=['GET'])
def urlndef():

    if request.args.get('passcode', "pass") == ndefpasskey :
        return send_from_directory(app.static_folder, request.path[1:])
    else :
        flash('Wrong url download code')
        return redirect ('/')
        
        
def nfcdatacreate(secretword) : #On windows, pip install python-magic-bin==0.4.14
    subpro = subprocess.Popen(["ndeftool","uri",
"https://***.ipdisk.co.kr?passcode=" + str(secretword),
"save","--force",
"./static/url.ndef"],
close_fds=True)
    time.sleep(0.5) #nfc파일이 생길 때 까지 기다리는 시간

Flask 서버에서 사용되는 코드

 

NFC Tools 앱으로 본 NFC 태그의 상태

 

생각지 못한 문제

작동이 잘 될 때도 있지만, 아래와 같이 간혹 NFC 모듈을 찾을 수 없다면서 작동에 실패하는 경우도 가끔씩 있었다. 내가 겪은 작동 실패 상황은 크게 두 가지 상황으로 나누어졌는데, 첫 번째 상황은 부팅 후 처음 NFC를 사용할 때, 그리고 두 번째 상황은 시간에 관계없이 무작위로 나타나는 경우였다.

 

[nfc.clf] searching for reader on path tty:S0 [nfc.clf] searching for reader on path tty:S0 [nfc.clf] using PN532v1.6 at /dev/ttyS0 ** waiting for a tag ** [nfc.clf.pn532] input/output error while waiting for ack [nfc.clf] [Errno 5] Input/output error [nfc.clf.pn532] input/output error while waiting for ack [nfc.clf] no reader available on path tty:S0 [main] no contactless reader found on tty:S0 [main] no contactless reader available

NFC 모듈 읽기에 실패한 메시지

 

오류가 나는 이유가 무엇인지 고민하다가 혹시나 subprocess.Popen를 이용한 tagtool.py이 거의 동시에 2번 사용되어 읽기상에 문제가 발생하는 것인가?라는 생각이 들었다. 그렇다면, 동시 실행이 되지 않게 만들어야 할 것 같은데… 라는 생각이 들어서 고민하다가, time.sleep(0.5) 로 동시 실행을 방지하기로 했다.

 

subpro1 = subprocess.Popen(['python3', './tagtool.py', '--device', 'tty:S0', 'format', 'tt2'])
time.sleep(0.5)
subpro2 = subprocess.Popen(['python3', './tagtool.py', 'load', 'urlreceived.ndef'])

간단히 time.sleep만 추가한 코드

 

수정된 코드로 실험을 해 본 결과, 무작위로 나타나는 인식 불량 문제에는 효과가 조금 있는 듯했다. 하지만, 부팅 직후에 NFC 모듈이 인식이 안 되는 현상은 해결할 수 없었다.

 

이를 해결하기 위해서는 다른 해결책이 필요해 보였다.

 

NFC 모듈 인식 실패율을 줄이기 위한 시도

인식 실패율을 줄이기 위해 아래와 같은 방안을 생각했다.

1. NFC 모듈의 교체
   - NFC 모듈의 불량이거나 NFC를ㄹ 너무 많이 사용해서 NFC 모듈이 고장이 났을 수도 있다는 생각이었다.
   
   
2. 블루투스 기능 끄기
   - 라즈베리파이3에는 블루투스와 UART를 동시에 사용 중이므로 혼선이 있을 수 있다. 이를 해결하기 위해 블루투스 모듈을 꺼보는 것도 좋은 시도일 것 같았다.
   
   
3. 모듈 통신 방식의 수정
   - 다른 통신 방법을 사용하면 좀 더 나아지지 않을까?
   
   
4. NFC 작동 방식의 수정
   - nfcpy를 이용하는 Tagtool.py와 subprocess로 인한 버그의 발생일 것이다. Tagtool.py와 subprocess 사용을 하지 않고, nfcpy만 이용하여 코드를 간결하게 구현하면 해결될 수도 있다.

 

우선 가장 간단한 방안인 NFC 모듈의 교체를 먼저 해보았다. 하지만 안타깝게 교체 후에도 문제는 해결되지 않았다.

 

두 번째 방안으로 블루투스 모듈을 끄고 NFC 모듈 읽기를 시도하였다. 이때 내 실수인지는 모르겠지만, 블루투스를 꺼버리니 기존에 ttyS0로 작동했던 코드가 작동을 아예 하지 않거나 더 불안정하게 작동했다. 블루투스를 끄는 방법도 사용할 수 없는 방법인 것 같았다.

 

그래서 대신 세 번째 방안인 다른 통신 방법을 시도하려고 했으나, nfcpy는 다른 통신 방법을 지원하지 않는 듯했다.^[각주:4] nfcpy를 포기하고 다른 모듈이나 프로그램들을 찾는 게 나을지 고민했지만, 아무래도 네 번째 방안이 남아 있으니, 네 번째 방안을 먼저 해보기로 했다.

 

마지막으로 수단인 작동 방식의 수정이었다. 작동 방식을 수정하기 위해서 기본적으로 nfcpy Python 모듈의 사용 방법을 알아가야 했다. 문서화가 잘 되어 있어서 예제를 참조하면서 조금씩 배워 나갔다.

 

그리고 약 3일 동안 nfcpy 프로그램의 사용법을 참조하며 코드를 하나씩 파헤쳐 나갔다. ^[각주:5] 내가 새로 작성한 코드는 tagtool.py를 사용하는 것보다 훨씬 간결했다. 그리고 기존의 ndef 파일을 읽는 절차, nfc 태그에 URL을 기록하기 전 nfc 태그를 초기화하는 절차, 그리고 time.sleep 구문이 필요 없어졌다. 덕분에 작동 속도와 안전성도 훨씬 좋아졌다.

 

if data.decode('utf-8') == 'a' :
with nfc.ContactlessFrontend('tty:S0') as clf:    
       target = clf.sense(RemoteTarget('106A'))
       tag = nfc.tag.activate(clf, target)
       record = ndef.UriRecord(get_uri())
       tag.ndef.records=[record]

간결해진 NFC 태그 코드

 

기존에는 ndef 파일을 Flask 서버에서 만든 뒤 해당 ndef 파일을 전송받아서 ndef 파일을 읽고 해당 파일을 NFC 태그에 기록하는 방식이었다면, 새로운 방식은 Flask 서버에서 ndef 파일이 아닌 바뀌어진 사이트의 URL와 암호 코드만 받아도 작동할 수 있는 방식이었다.

 

NFC 모듈 구동 코드의 수정과 함께, Flask 서버에 사용된 코드도 새로운 방식에 맞춰서 변경해줘야 했다. 기존의 ndef 파일을 생성하는 부분을 제거하고, ndef 파일을 보내는 것 대신에 Resoponse를 통해 사이트의 URL과 암호 코드 텍스트만 https로 전송하도록 변경했다.

 

@app.route('/url.ndef', methods=['GET'])
def urlndef():
    if request.args.get('passcode', "pass") == ndefpasskey :
return Response("https://beatcart.ipdisk.co.kr/?passcode=" + str(secretword), mimetype='text/plain')
    else :
        flash('Wrong url download code')
        return redirect ('/')

새로 작성된 Flask 서버에서 사용되는 코드

 

안전성 향상

50번의 연속적인 NFC 쓰기 실험을 해봤지만, NFC 모듈 사용에 실패를 한 적은 없었다. 혹시나 발생할 수 있는 읽기 실패에 대비하면 좋을 것 같다는 생각에 반복문으로 NFC 모듈 탐지에 성공할 때까지 1초마다 모듈을 검색하게 수정했다.^[각주:6]

 

with nfc.ContactlessFrontend('tty:S0') as clf:
                    while True:
                        target = clf.sense(RemoteTarget('106A'))        
                        if target is None:
                            sleep(1)
                            print("NFC Module Searching..")
                            continue ##Search everytime 
                        else:
                            print("Found a NFC Module")
                            break

NFC 검색을 지속적으로 하는 무한 루프 코드

 

무한 루프를 사용한 NFC 쓰기 코드를 교수님께 보여드렸는데, 교수님께서 이런 식의 while문 무한 루프는 좀 위험한 방법이라고 말을 해 주셨다. 그래서 최종적으로는 최종 횟수가 정해진 for 문으로 구현하였다. 이렇게 NFC 태그 모듈 코드를 끝을 맺을 수 있었다.

 

for i in range(30) : ##for safe coding, retry 30 times for searching a nfc module.
                    with nfc.ContactlessFrontend('tty:S0') as clf:    
                        target = clf.sense(RemoteTarget('106A'))        
                        if target is None:
                            sleep(1)
                            print("Failed to find NFC Module, retrying..")
                            continue ##Search everytime 
                        else:
                            print("Found a NFC Module")
                            tag = nfc.tag.activate(clf, target)
                            record = ndef.UriRecord(get_uri())
                            tag.ndef.records=[record]
                            print("Wrote on a tag")
                            break
                        if i == 29 :
                            print("Couldn't find nfc tag")
                            exit()

완성된 NFC 쓰기 코드 일부

 

[본문 동영상 파일]

 

smartcart_nav.mp4

6.12MB

 

 

1. 내가 고른 NFC 모듈은 ITHEAD사에서 만들었으며 PN532 칩셋을 사용하며, UART, I2C, SPI 통신을 지원하였다. [본문으로]
2. 실제 사용을 해 본 결과 이상하게 갤럭시 휴대폰에서는 인식이 되지 않고 LG 휴대폰에서만 작동을 하였으며, 인터넷에서는 아이폰에서는 사용이 불가능하다는 말을 찾을 수 있었다. [본문으로]
3. 참고: https://github.com/nfcpy/nfcpy/issues/111 [본문으로]
4. 출처: https://stackoverflow.com/questions/44845043/using-nfcpy-and-spi-to-connect-pn532-to-rasperry-pi#comment76672809_44845605 [본문으로]
5. 참고: https://blog.sigsec.net/posts/2019/04/reading-and-writing-nfc-tags.html [본문으로]
6. 참고: https://blog.sigsec.net/posts/2019/04/reading-and-writing-nfc-tags.html [본문으로]