루아 입문 시리즈 #10: NodeMCU IoT 프로젝트

루아 NodeMCU IoT 프로젝트 썸네일

 

NodeMCU와 루아 스크립트를 활용한 ESP8266/ESP32 기반 IoT 센서 제어 및 WiFi 통신 프로젝트 완벽 가이드

루아 입문 시리즈의 열 번째 시간입니다.

이번에는 실제 하드웨어와 연동하여 IoT 프로젝트를 구현해보겠습니다.

NodeMCU는 ESP8266 또는 ESP32 기반의 개발 보드로, 루아 스크립트를 통해 쉽게 프로그래밍할 수 있는 IoT 플랫폼입니다.

본 글에서는 센서 제어부터 WiFi 통신까지 포괄적인 IoT 프로젝트 개발 방법을 다룹니다.

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NodeMCU 개요 및 특징

NodeMCU는 루아 기반의 오픈소스 IoT 플랫폼으로, ESP8266 또는 ESP32 마이크로컨트롤러를 기반으로 합니다.

NodeMCU 공식 문서에서 제공하는 자료를 통해 더 자세한 정보를 확인할 수 있습니다.

NodeMCU 보드와 주요 핀배치 다이어그램

NodeMCU의 주요 특징은 다음과 같습니다:

내장 WiFi 모듈: 별도의 WiFi 모듈 없이도 무선 통신이 가능합니다.

루아 스크립트 지원: C/C++ 대신 간단한 루아 문법으로 프로그래밍할 수 있습니다.

다양한 센서 지원: GPIO, ADC, PWM, I2C, SPI 등 다양한 인터페이스를 제공합니다.

저전력 운영: 배터리 기반 IoT 디바이스에 적합한 저전력 모드를 지원합니다.

 

ESP8266과 ESP32의 주요 차이점을 비교해보겠습니다:

항목	ESP8266	ESP32
CPU 코어	단일 코어 80MHz	듀얼 코어 240MHz
RAM	80KB	320KB
Flash	1-16MB	4-16MB
GPIO 핀	17개	34개
ADC	1개 (10bit)	2개 (12bit)
WiFi	802.11 b/g/n	802.11 b/g/n
Bluetooth	없음	4.2 LE
가격	저렴	약간 높음

ESP32는 더 강력한 성능을 제공하지만, 간단한 IoT 프로젝트라면 ESP8266도 충분합니다.

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개발 환경 설정

NodeMCU 개발을 위한 환경 설정 과정을 단계별로 설명하겠습니다.

펌웨어 설치

먼저 NodeMCU 펌웨어를 설치해야 합니다.

NodeMCU 빌더에서 필요한 모듈을 선택하여 커스텀 펌웨어를 생성할 수 있습니다.

기본적으로 다음 모듈들을 포함하는 것을 권장합니다:

• file (파일 시스템)
• gpio (GPIO 제어)
• net (네트워크)
• node (기본 노드 기능)
• timer (타이머)
• uart (시리얼 통신)
• wifi (WiFi 기능)
• adc (아날로그 입력)

개발 도구 설정

NodeMCU 개발을 위한 주요 도구들입니다:

ESPlorer: 가장 널리 사용되는 NodeMCU IDE입니다.

Java 기반으로 크로스 플랫폼을 지원하며, 루아 스크립트 편집과 업로드가 간편합니다.

Arduino IDE: NodeMCU를 Arduino 보드로 설정하여 사용할 수도 있습니다.

VS Code: Lua 확장을 설치하면 강력한 코드 편집 환경을 구성할 수 있습니다.

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WiFi 연결 설정

IoT 프로젝트의 기본은 WiFi 연결입니다.

NodeMCU에서 WiFi 연결을 설정하는 방법을 알아보겠습니다.

기본 WiFi 연결

-- WiFi 모드 설정 (Station 모드)
wifi.setmode(wifi.STATION)

-- WiFi 네트워크 설정
wifi.sta.config("your_wifi_ssid", "your_wifi_password")

-- 연결 시도
wifi.sta.connect()

-- 연결 상태 확인
tmr.alarm(1, 1000, tmr.ALARM_AUTO, function()
    if wifi.sta.getip() then
        print("WiFi connected!")
        print("IP address: " .. wifi.sta.getip())
        tmr.stop(1)
    else
        print("Connecting to WiFi...")
    end
end)

고급 WiFi 설정

보다 안정적인 WiFi 연결을 위한 고급 설정입니다:

-- WiFi 이벤트 핸들러 설정
wifi.eventmon.register(wifi.eventmon.STA_CONNECTED, function(T)
    print("Connected to " .. T.SSID .. " at channel " .. T.channel)
end)

wifi.eventmon.register(wifi.eventmon.STA_GOT_IP, function(T)
    print("IP: " .. T.IP .. ", Gateway: " .. T.gateway .. ", Netmask: " .. T.netmask)
end)

wifi.eventmon.register(wifi.eventmon.STA_DISCONNECTED, function(T)
    print("Disconnected from " .. T.SSID .. " (reason: " .. T.reason .. ")")
    -- 재연결 시도
    wifi.sta.connect()
end)

-- 자동 연결 활성화
wifi.sta.autoconnect(1)

WiFi 라이브러리 문서에서 더 자세한 API 정보를 확인할 수 있습니다.

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센서 제어 기초

NodeMCU에서 다양한 센서를 제어하는 방법을 알아보겠습니다.

GPIO 기본 제어

디지털 입출력을 위한 GPIO 제어는 IoT 프로젝트의 기본입니다:

-- GPIO 핀 모드 설정
gpio.mode(1, gpio.OUTPUT)  -- GPIO1을 출력으로 설정
gpio.mode(2, gpio.INPUT)   -- GPIO2를 입력으로 설정

-- 디지털 출력
gpio.write(1, gpio.HIGH)   -- LED 켜기
gpio.write(1, gpio.LOW)    -- LED 끄기

-- 디지털 입력
local button_state = gpio.read(2)
if button_state == gpio.HIGH then
    print("Button pressed!")
end

아날로그 센서 읽기

온도, 습도, 조도 등의 아날로그 센서 값을 읽는 방법입니다:

-- ADC로 센서 값 읽기
function read_sensor()
    local adc_value = adc.read(0)  -- A0 핀에서 값 읽기
    local voltage = adc_value * 3.3 / 1024  -- 전압으로 변환

    -- 온도 센서 (LM35) 계산 예시
    local temperature = voltage * 100  -- LM35: 10mV/°C

    print("ADC Value: " .. adc_value)
    print("Voltage: " .. voltage .. "V")
    print("Temperature: " .. temperature .. "°C")

    return temperature
end

-- 주기적으로 센서 값 읽기
tmr.alarm(2, 5000, tmr.ALARM_AUTO, function()
    read_sensor()
end)

 

센서 연결 회로도 (온도센서, 버튼, LED 포함)

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실전 IoT 프로젝트: 스마트 환경 모니터링

실제 IoT 프로젝트를 통해 NodeMCU의 활용법을 익혀보겠습니다.

온도, 습도를 측정하고 웹 서버를 통해 실시간으로 확인할 수 있는 시스템을 구축해보겠습니다.

DHT22 센서 연동

DHT22 센서를 사용하여 온습도를 측정하는 코드입니다:

-- DHT22 센서 설정
local dht_pin = 4  -- GPIO4에 연결

function read_dht22()
    local status, temp, humi, temp_dec, humi_dec = dht.read(dht_pin)

    if status == dht.OK then
        local temperature = temp + temp_dec / 100
        local humidity = humi + humi_dec / 100

        print("Temperature: " .. temperature .. "°C")
        print("Humidity: " .. humidity .. "%")

        return temperature, humidity
    else
        print("DHT22 read error: " .. status)
        return nil, nil
    end
end

웹 서버 구현

측정한 데이터를 웹 브라우저에서 확인할 수 있는 간단한 웹 서버를 구현합니다:

-- 웹 서버 생성
local srv = net.createServer(net.TCP)

srv:listen(80, function(conn)
    conn:on("receive", function(client, request)
        local temperature, humidity = read_dht22()

        -- HTML 응답 생성
        local html = [[
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Smart Environment Monitor</title>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <style>
        body { font-family: Arial, sans-serif; margin: 40px; }
        .sensor-data { background: #f0f0f0; padding: 20px; border-radius: 10px; margin: 20px 0; }
        .value { font-size: 2em; color: #333; }
    </style>
</head>
<body>
    <h1>Environment Monitor</h1>
    <div class="sensor-data">
        <h2>Temperature</h2>
        <div class="value">]] .. (temperature or "N/A") .. [[°C</div>
    </div>
    <div class="sensor-data">
        <h2>Humidity</h2>
        <div class="value">]] .. (humidity or "N/A") .. [[%</div>
    </div>
    <p>Last updated: ]] .. tmr.now() .. [[</p>
</body>
</html>
        ]]

        -- HTTP 응답 전송
        client:send("HTTP/1.1 200 OK\r\n")
        client:send("Content-Type: text/html\r\n")
        client:send("Connection: close\r\n\r\n")
        client:send(html)
    end)

    conn:on("sent", function(client)
        client:close()
    end)
end)

print("Web server started on port 80")

데이터 로깅

센서 데이터를 파일로 저장하여 기록을 남기는 기능을 추가할 수 있습니다:

-- 파일 시스템에 데이터 저장
function log_data(temperature, humidity)
    local timestamp = tmr.now()
    local log_entry = timestamp .. "," .. temperature .. "," .. humidity .. "\n"

    -- 로그 파일에 추가
    local file = file.open("sensor_log.csv", "a+")
    if file then
        file:write(log_entry)
        file:close()
        print("Data logged: " .. log_entry)
    else
        print("Failed to open log file")
    end
end

-- 주기적으로 데이터 로깅
tmr.alarm(3, 60000, tmr.ALARM_AUTO, function()  -- 1분마다
    local temp, humi = read_dht22()
    if temp and humi then
        log_data(temp, humi)
    end
end)

 

완성된 IoT 환경 모니터링 시스템의 웹 인터페이스 스크린샷

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HTTP 통신 및 클라우드 연동

IoT 디바이스의 진정한 가치는 클라우드 서비스와의 연동에서 나타납니다.

NodeMCU에서 HTTP 요청을 통해 외부 서비스와 통신하는 방법을 알아보겠습니다.

HTTP 클라이언트 구현

-- HTTP POST 요청으로 데이터 전송
function send_to_cloud(temperature, humidity)
    local url = "https://api.thingspeak.com/update"
    local api_key = "YOUR_API_KEY"

    local data = "api_key=" .. api_key .. 
                "&field1=" .. temperature .. 
                "&field2=" .. humidity

    http.post(url,
        'Content-Type: application/x-www-form-urlencoded\r\n',
        data,
        function(code, data)
            if code < 0 then
                print("HTTP request failed")
            else
                print("Data sent to cloud, response code: " .. code)
            end
        end
    )
end

JSON 데이터 처리

현대적인 IoT 시스템에서는 JSON 형태로 데이터를 주고받는 경우가 많습니다:

-- JSON 인코딩 함수
function encode_json(temperature, humidity)
    local timestamp = tmr.now()
    local json_data = '{"timestamp":' .. timestamp .. 
                     ',"temperature":' .. temperature .. 
                     ',"humidity":' .. humidity .. '}'
    return json_data
end

-- REST API로 JSON 데이터 전송
function send_json_data(temperature, humidity)
    local json_payload = encode_json(temperature, humidity)

    http.post("https://your-api-endpoint.com/sensors",
        'Content-Type: application/json\r\n',
        json_payload,
        function(code, response)
            print("Response: " .. code .. " " .. response)
        end
    )
end

HTTP 모듈 문서에서 더 자세한 HTTP 통신 방법을 확인할 수 있습니다.

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고급 기능 활용

NodeMCU의 고급 기능들을 활용하여 더욱 전문적인 IoT 프로젝트를 구현할 수 있습니다.

딥슬립 모드 활용

배터리 기반 IoT 디바이스에서는 전력 소모를 최소화하는 것이 중요합니다:

-- 센서 데이터 수집 후 딥슬립 모드 진입
function collect_and_sleep()
    local temp, humi = read_dht22()

    if temp and humi then
        send_to_cloud(temp, humi)

        -- 5분 후 깨어나도록 설정 (마이크로초 단위)
        node.dsleep(5 * 60 * 1000000)  -- 5분 = 300초
    else
        -- 에러 발생 시 1분 후 재시도
        node.dsleep(60 * 1000000)
    end
end

-- WiFi 연결 완료 후 데이터 수집 및 슬립
wifi.eventmon.register(wifi.eventmon.STA_GOT_IP, function()
    tmr.alarm(4, 2000, tmr.ALARM_SINGLE, collect_and_sleep)
end)

인터럽트 기반 입력 처리

효율적인 입력 처리를 위한 인터럽트 활용법입니다:

-- 버튼 인터럽트 설정
local button_pin = 3

gpio.mode(button_pin, gpio.INT, gpio.PULLUP)

gpio.trig(button_pin, "down", function(level, when)
    print("Button pressed at: " .. when)

    -- 디바운싱을 위한 지연
    tmr.alarm(5, 50, tmr.ALARM_SINGLE, function()
        if gpio.read(button_pin) == gpio.LOW then
            handle_button_press()
        end
    end)
end)

function handle_button_press()
    print("Button press confirmed!")
    -- 버튼 동작 구현
    local temp, humi = read_dht22()
    if temp and humi then
        print("Current readings - Temp: " .. temp .. "°C, Humidity: " .. humi .. "%")
    end
end

파일 시스템 활용

설정 값이나 데이터를 파일로 관리하는 방법입니다:

-- 설정 파일 읽기
function load_config()
    local config = {}

    if file.exists("config.lua") then
        dofile("config.lua")
        config = _G.config or {}
    else
        -- 기본 설정
        config = {
            wifi_ssid = "default_ssid",
            wifi_password = "default_password",
            update_interval = 60
        }
        save_config(config)
    end

    return config
end

-- 설정 파일 저장
function save_config(config)
    local file_handle = file.open("config.lua", "w+")
    if file_handle then
        file_handle:write("config = {\n")
        file_handle:write('  wifi_ssid = "' .. config.wifi_ssid .. '",\n')
        file_handle:write('  wifi_password = "' .. config.wifi_password .. '",\n')
        file_handle:write('  update_interval = ' .. config.update_interval .. '\n')
        file_handle:write("}\n")
        file_handle:close()
        print("Configuration saved")
    end
end

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최적화 및 디버깅

안정적인 IoT 시스템을 위한 최적화 기법과 디버깅 방법을 알아보겠습니다.

메모리 관리

NodeMCU는 제한된 메모리를 가지고 있으므로 효율적인 메모리 관리가 필수입니다:

-- 메모리 사용량 모니터링
function print_memory_usage()
    collectgarbage()  -- 가비지 컬렉션 강제 실행
    print("Free heap: " .. node.heap() .. " bytes")
end

-- 주기적으로 메모리 상태 확인
tmr.alarm(6, 30000, tmr.ALARM_AUTO, print_memory_usage)

-- 큰 데이터 처리 후 명시적 가비지 컬렉션
function process_large_data()
    -- 대용량 데이터 처리
    local large_array = {}
    for i = 1, 1000 do
        large_array[i] = math.random()
    end

    -- 처리 완료 후 메모리 정리
    large_array = nil
    collectgarbage()
end

에러 처리 및 복구

-- 안전한 함수 실행을 위한 래퍼
function safe_execute(func, error_message)
    local status, result = pcall(func)
    if not status then
        print("Error: " .. (error_message or "Unknown error"))
        print("Details: " .. result)
        return false
    end
    return true, result
end

-- WiFi 연결 실패 시 재시도 로직
function connect_wifi_with_retry(max_retries)
    local retries = 0

    local function try_connect()
        wifi.sta.connect()

        tmr.alarm(7, 10000, tmr.ALARM_SINGLE, function()
            if wifi.sta.getip() then
                print("WiFi connected successfully!")
            else
                retries = retries + 1
                if retries < max_retries then
                    print("WiFi connection failed, retrying... (" .. retries .. "/" .. max_retries .. ")")
                    try_connect()
                else
                    print("WiFi connection failed after " .. max_retries .. " attempts")
                    -- 재부팅 또는 대체 동작
                    node.restart()
                end
            end
        end)
    end

    try_connect()
end

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보안 고려사항

IoT 디바이스의 보안은 매우 중요한 요소입니다.

기본적인 보안 사항들을 살펴보겠습니다.

안전한 WiFi 연결

-- WPA2-Enterprise 연결 (가능한 경우)
wifi.sta.config({
    ssid = "enterprise_network",
    pwd = "password",
    identity = "user_identity",
    auth = wifi.WPA2_ENTERPRISE
})

-- MAC 주소 기반 필터링을 위한 MAC 주소 확인
print("Device MAC address: " .. wifi.sta.getmac())

HTTPS 통신

민감한 데이터 전송 시에는 반드시 HTTPS를 사용해야 합니다:

-- SSL/TLS를 사용한 안전한 HTTP 통신
function secure_send_data(data)
    local url = "https://secure-api.example.com/data"

    http.post(url,
        'Content-Type: application/json\r\n' ..
        'Authorization: Bearer YOUR_API_TOKEN\r\n',
        data,
        function(code, response)
            if code == 200 then
                print("Data sent securely")
            else
                print("Secure transmission failed: " .. code)
            end
        end
    )
end

NodeMCU 보안 가이드에서 더 자세한 보안 정보를 확인할 수 있습니다.

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성능 최적화 팁

NodeMCU 프로젝트의 성능을 최대화하기 위한 실용적인 팁들입니다:

효율적인 타이머 사용: 불필요한 타이머는 정리하고, 가능한 한 적은 수의 타이머를 사용합니다.

배치 처리: 여러 센서 값을 한 번에 읽고 처리하여 전력 소모를 줄입니다.

적절한 업데이트 주기: 센서 특성에 맞는 적절한 측정 주기를 설정합니다.

코드 최적화: 루프 내에서 불필요한 계산을 피하고, 자주 사용되는 값은 캐시합니다.

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마무리

이번 글에서는 NodeMCU를 활용한 IoT 프로젝트 개발의 전 과정을 다뤘습니다.

WiFi 연결 설정부터 센서 제어, 웹 서버 구현, 클라우드 연동까지 실제 프로젝트에 필요한 모든 요소들을 살펴봤습니다.

NodeMCU와 루아의 조합은 빠른 프로토타이핑과 간편한 IoT 개발을 가능하게 합니다.

특히 복잡한 C/C++ 코드 없이도 강력한 기능을 구현할 수 있다는 점이 큰 장점입니다.

다음 시리즈에서는 더욱 고급 주제들을 다룰 예정입니다.

궁금한 점이나 개선 사항이 있다면 댓글로 남겨주세요!

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관련 시리즈:
루아 입문 시리즈 #9: LÖVE 2D 게임 개발 입문

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참고 자료:

• NodeMCU 공식 문서
• ESP8266 데이터시트
• 루아 프로그래밍 가이드