3D打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的智能云平臺(tái)設(shè)計(jì)*

萬偉康，趙康，王文博，陳衛(wèi)峰，鄧小穎

(揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州 225002)

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萬偉康，趙康，王文博，陳衛(wèi)峰，鄧小穎

(揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州 225002)

摘要:近年來，3D打印技術(shù)在國內(nèi)外興起，應(yīng)用范圍不斷拓展，然而國內(nèi)對于3D打印技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)以及服務(wù)提供還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為此提出了3D打印人性化控制界面開發(fā)(無線控制監(jiān)測終端)、藍(lán)牙短距離協(xié)議接入、Internet遠(yuǎn)程控制以及云服務(wù)平臺(tái)搭建的解決方案，應(yīng)用于教育教學(xué)或者產(chǎn)品展示，以及3D打印云平臺(tái)的建設(shè)方面。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，平臺(tái)取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)；3D打?。贿h(yuǎn)程控制；智能化平臺(tái)；云服務(wù)

引言

由于受現(xiàn)有技術(shù)條件的限制，一般的3D打印機(jī)是由其自身的控制平臺(tái)控制，界面單一、按鍵操控有很大的局限性。盡管通過端口連接電腦可以實(shí)現(xiàn)電腦控制打印機(jī)，但作用也很有限。當(dāng)3D打印機(jī)遇上物聯(lián)網(wǎng)后，其巨大的潛力就體現(xiàn)出來了，可以實(shí)現(xiàn)無線控制打印、觸摸控制打印，甚至遠(yuǎn)程控制打印。這是一種新的概念，將3D打印機(jī)面向智能化應(yīng)用，以全新的方式實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的智能控制，是本文研究的主要內(nèi)容。

云服務(wù)在工業(yè)4.0時(shí)代發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)也將給3D打印提供更多的創(chuàng)新點(diǎn)，打印模型的共享，甚至是3D打印硬件設(shè)備的共享，都將更好地促進(jìn)3D打印走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)商業(yè)應(yīng)用以及普通大眾的生活，使得3D打印從一種前沿技術(shù)轉(zhuǎn)化成為商業(yè)和生活服務(wù)。

本文利用LPC1857主控芯片將reprap 3D打印機(jī)與藍(lán)牙和觸摸屏以及以太網(wǎng)相融合，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了3D打印的多種控制方式，同時(shí)為3D打印機(jī)搭建了集設(shè)備管理、遠(yuǎn)程控制、用戶上傳、本地下載打印為一體的3D打印云服務(wù)平臺(tái)。這將帶來新的商業(yè)模式，同時(shí)在教育教學(xué)、產(chǎn)品展示等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3D打印物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，使用LPC1857核心板進(jìn)行開發(fā)，融合了reprap 3D打印主控(Arduino+Ramps方案)，拓展了藍(lán)牙無線手持控制監(jiān)測終端(LCD+BT)，通過Linux網(wǎng)絡(luò)控制板(Openwrt)實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)信息與文件管理，實(shí)現(xiàn)了3D打印人機(jī)交互界面的優(yōu)化、無線控制(本地?zé)o線+廣域網(wǎng)遠(yuǎn)程控制)的開發(fā)，并研究搭建了初級形態(tài)的3D打印云服務(wù)平臺(tái)(網(wǎng)頁控制+用戶管理+文件共享)。3D打印智能云平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　3D打印智能云平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)用平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)以下功能：通過手持控制終端(藍(lán)牙無線協(xié)議與LCD顯示觸控技術(shù))實(shí)現(xiàn)本地聯(lián)機(jī)打印控制與狀態(tài)監(jiān)測，也可以通過Linux網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的信息交互與打印文件管理；通過廣域網(wǎng)服務(wù)器提供網(wǎng)頁服務(wù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程打印控制與狀態(tài)監(jiān)測，以及打印模型文件的上傳與下載；引入的藍(lán)牙協(xié)議同時(shí)也能支持更多的設(shè)備平臺(tái)以開發(fā)更多的3D打印應(yīng)用。

1.2工作原理

本文搭建的3D打印機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)智能平臺(tái)，硬件包括3個(gè)主要部分：3D打印控制器、網(wǎng)絡(luò)以及顯示觸控設(shè)備控制器、因特網(wǎng)服務(wù)器端。3D打印機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用了LPC1857單片機(jī)作為主要控制單元，結(jié)合reprap平臺(tái)的3D打印機(jī)硬件，基于TCP的HTTP協(xié)議、串口的HC-05藍(lán)牙模塊以及觸摸控制器，實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)功能，同時(shí)在云端使用了基于Apache的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)頁遠(yuǎn)程控制、上傳、下載等功能。3D打印物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)方案基本原理圖如圖2所示。

圖2　3D打印物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)方案基本原理圖

2硬件部分

2.1硬件原理

2.1.1LPC1857控制芯片

LPC1857是基于ARM Cortex-M3[1]核的微控制器，包括200 KB的片上SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、1 MB的閃存(片上閃存的部分)、4個(gè)SPI閃存接口(SPIFI)、1個(gè)靜態(tài)可配置定時(shí)器(SCT)子系統(tǒng)、2個(gè)高速USB控制器、1個(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)LCD接口、1個(gè)外部存儲(chǔ)控制器，以及多種模擬和數(shù)字外設(shè)。LPC1857硬件原理圖略——編者注。

2.1.2reprap 3D打印機(jī)

reprap是一個(gè)3D打印原型機(jī)，具有一定程度的自我復(fù)制能力，能夠打印出大部分其自身的(塑料)組件。reprap是(replicating rapid prototyper)的縮寫,本項(xiàng)目選用的Prusa i3打印機(jī)是基于reprap進(jìn)行二次改進(jìn)的版本，在提升打印速度的同時(shí)提高了打印精度和穩(wěn)定性。

2.1.3HC-05

藍(lán)牙模塊HC-05是一款高性能的藍(lán)牙串口模塊,具有以下特點(diǎn)：可用于各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP等智能終端配對；波特率范圍為4 800～1 382 400 bps，并且模塊兼容單片機(jī)(微控制器)系統(tǒng)。

2.1.4LCD顯示及觸摸屏

LCD采用了武漢中顯科技的SDWI4827-043-NN28W VGUS串口屏，簡便的配置方法，以及便捷的界面設(shè)計(jì)大大地簡化了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)過程。藍(lán)牙協(xié)議的拓展(HC-05)以及鋰電池的加入使得該串口終端實(shí)現(xiàn)了無線控制功能。觸摸屏硬件原理圖如圖3所示。

圖3　觸摸屏硬件原理圖

2.2原理框圖

3D打印物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)硬件框圖如圖4所示。

圖4　3D打印物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)硬件框圖

3軟件部分

3.1軟件原理

3.1.1LPC1857

單片機(jī)的編程環(huán)境是IAR，支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微控制器，許多全球著名的公司都在使用IAR SYSTEMS提供的開發(fā)工具，LPC1857芯片是以ARM為內(nèi)核的，所以用IAR for ARM版本就可以開發(fā)相應(yīng)的工程。

初始化包括：系統(tǒng)初始化、串口中斷初始化、觸摸屏初始化、顯示狀態(tài)界面、開啟定時(shí)器和消息處理主循環(huán)等。

3.1.2消息隊(duì)列

3D物聯(lián)網(wǎng)打印機(jī)主控平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)移植了一個(gè)簡單的循環(huán)消息隊(duì)列系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)如下：①簡化了嵌入式系統(tǒng)的編程思路，提高了系統(tǒng)搭建效率；②提高了嵌入式系統(tǒng)的消息處理效率，避免了大量的代碼冗余；③采用了環(huán)形隊(duì)列(FIFO)，解決了消息丟失以及大量消息阻塞的問題。

3.1.3串口通信及中斷

本系統(tǒng)使用了3個(gè)串口，串口接收和發(fā)送使用了FIFO環(huán)形緩沖區(qū)，有效避免了多串口多中斷的消息丟失。3個(gè)串口的功能如表1所列。

表1　3個(gè)串口的功能

3.1.4定時(shí)器函數(shù)

本系統(tǒng)中用到了定時(shí)器中斷，每隔一段時(shí)間進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)，定時(shí)執(zhí)行屏幕刷新以及打印機(jī)狀態(tài)獲取函數(shù)。

3.1.5打印機(jī)控制函數(shù)

系統(tǒng)將打印機(jī)的控制指令進(jìn)行封裝，并且通過字符串指令解讀算法獲得打印機(jī)傳回的消息，集成的函數(shù)能夠更好地實(shí)現(xiàn)和打印機(jī)的信息交互。打印機(jī)主要功能有：開始打印、暫停打印、獲得打印機(jī)狀態(tài)、開始打印選定模型、打印機(jī)風(fēng)扇控制、打印機(jī)警報(bào)控制(蜂鳴器)和打印機(jī)回傳指令解讀。

3.1.6服務(wù)器端網(wǎng)頁和php部分

(1) 服務(wù)器概況、架構(gòu)及體系

服務(wù)器操作系統(tǒng)采用基于RHEL(Red Hat Enterprise Linux)內(nèi)核的CentOS，安全穩(wěn)定，并且有完善的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及算法，專門為提供Web服務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。Web服務(wù)器軟件采用Apache+php體系，簡單高效，能為用戶提供穩(wěn)定的服務(wù)。

(2) 核心腳本文件的作用

data.php接收、處理并存儲(chǔ)單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后返回用戶控制狀態(tài)；index.html 可提供用戶直接訪問的網(wǎng)頁接口；view.php 處理網(wǎng)頁接口的表單和AJAX請求等數(shù)據(jù)；up.php 處理用戶上傳的文件。

(3) 數(shù)據(jù)的接收與處理

采用GET方式接收單片機(jī)發(fā)送的HTTP請求，使用正則表達(dá)式對字符串進(jìn)行處理與過濾，然后使用獨(dú)立文件存儲(chǔ)腳本運(yùn)行狀態(tài)及處理后的數(shù)據(jù)。另外，采用關(guān)鍵字作為驗(yàn)證碼以識(shí)別數(shù)據(jù)發(fā)送者的合法性，檢測到無關(guān)設(shè)備發(fā)送的非法數(shù)據(jù)或發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，能及時(shí)結(jié)束腳本運(yùn)行并關(guān)閉連接，避免對服務(wù)器安全造成威脅，同時(shí)提高了服務(wù)器的穩(wěn)定性。文件的上傳采用驗(yàn)證方式，可安全地上傳并存儲(chǔ)G代碼文件。

(4) 數(shù)據(jù)的讀取與呈現(xiàn)

等待用戶請求，讀取文件并提取字符串，將其轉(zhuǎn)換為規(guī)定的文件名、百分比格式等數(shù)值。

(5) 用戶訪問接口頁面

采用AJAX方式實(shí)時(shí)與后端進(jìn)行交互，及時(shí)獲取打印進(jìn)度、正在打印文件等信息，并能夠及時(shí)將用戶控制指令發(fā)送給后端進(jìn)行處理，然后發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行控制、下載等動(dòng)作。

3.2原理框圖

3D打印物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)軟件框圖如圖5所示。

圖5　3D打印物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)軟件框圖

4系統(tǒng)整體功能測試

將調(diào)試好的各個(gè)部件進(jìn)行連接，進(jìn)行整體功能測試,步驟如下：

① 接通設(shè)備電源，打印機(jī)開機(jī)，然后等待設(shè)備連接上互聯(lián)網(wǎng)。

② 用已連接互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)掃描二維碼(或在瀏覽器中輸入指定網(wǎng)址)，進(jìn)入打印機(jī)控制頁面。

③ 在頁面上選擇一個(gè)要打印的模型并開始打印，在網(wǎng)頁和單片機(jī)的屏幕上應(yīng)能正確顯示打印進(jìn)度，同時(shí)網(wǎng)頁可以控制打印的暫?；蚶^續(xù)。

④ 使用觸摸屏選擇一個(gè)文件打印，測試觸摸屏上的進(jìn)度顯示及開始/暫停等交互是否正常。

⑤ 在手機(jī)上用藍(lán)牙連接設(shè)備，選擇文件并打印，測試手機(jī)端藍(lán)牙控制打印是否正常。

⑥ 通過任意一種控制途徑選擇模型打印，并在每個(gè)控制端同時(shí)進(jìn)行打印控制與進(jìn)度查看。

4.1測試設(shè)備

本方案的測試設(shè)備包括：reprap 3D打印機(jī)一臺(tái)，LPC1857開發(fā)板、STM32開發(fā)板及串口、藍(lán)牙、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊各一套，開發(fā)與調(diào)試用電腦/智能手機(jī)一臺(tái)/部，用于連接互聯(lián)網(wǎng)的3G貓或路由器一部。

4.2測試數(shù)據(jù)

用于控制打印機(jī)的M代碼如表2所列。

表2　M代碼功能

測試所用的gcode模型代碼文件為01.gco-06.gco。向服務(wù)器發(fā)送的字符串(HTTP請求格式)為“GET /test/data.php?get=00s[兩位文件名代碼][四位百分比代碼]e00&key=[設(shè)備識(shí)別驗(yàn)證碼] HTTP /1.1”。

服務(wù)器返回控制碼如表3所列。

表3　服務(wù)器返回控制碼功能

4.3結(jié)果分析

測試結(jié)果如下：

① 使用網(wǎng)頁、觸摸屏、手機(jī)藍(lán)牙串口App交替發(fā)送指令控制打印機(jī)；

② 觸摸屏與藍(lán)牙串口進(jìn)行開始/暫停打印控制，響應(yīng)正常；

③ 各個(gè)控制端能正常顯示打印進(jìn)度并實(shí)時(shí)刷新；

④ 單片機(jī)向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)能被正常解析并存儲(chǔ)，在網(wǎng)頁上可以實(shí)時(shí)刷新打印進(jìn)度和打印控制；

⑤ 同時(shí)單片機(jī)能接收到服務(wù)器返回的控制碼并作出正常響應(yīng)，表明系統(tǒng)工作正常；

⑥ 服務(wù)器端用戶上傳G代碼文件，打印機(jī)可自動(dòng)下載并打印。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論如表4所列。作品實(shí)物照片略——編者注。

表4　實(shí)驗(yàn)結(jié)論

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

參考文獻(xiàn)

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Wan Weikang,Zhao Kang,Wang Wenbo,Chen Weifeng,Deng Xiaoying

(College of Physics Science and Technology,Yangzhou University,Yangzhou 225002,China)

Abstract：3D printing technology rises in China in the recent years,and the application scope is expanding.However,the application development of 3D printing technology and the services are not enough.So the development of 3D printing human control interface (wireless control monitoring terminal),Bluetooth protocol access,Internet remote control and the building of cloud services platform are proposed.The platform can be widely applied in teaching education,product dislpay and the construction of 3D printing cloud platform.The platform has achieved good results in the practical operation.

Key words:Internet of Things;3D printing;remote control;intelligent platform;cloud service

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-09-18)

中圖分類號(hào):TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

* 基金項(xiàng)目：揚(yáng)州大學(xué)2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201511117013)；2015年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201511117013Z)。