共享3D打印機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

榮金立 張厚今 魏光村

摘要：共享3D打印機(jī)秉承“共建共享”的理念，將個(gè)人或者高校長(zhǎng)期閑置的3D打印機(jī)充分利用起來，利用OctoPrint開源上位機(jī)軟件結(jié)合ngrok內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)，物聯(lián)控制3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)其共享化、平民化，降低3D打印技術(shù)使用的門檻和費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：互建共享;OctoPrint;ngrok;內(nèi)網(wǎng)穿透;物聯(lián)網(wǎng)

1 研究背景及需求

1.1研究背景

正如《2017～2023年中國(guó)3D打印行業(yè)分析報(bào)告》中所指出，3D打印技術(shù)因其特殊的增材制造方式，體現(xiàn)出極高的加工自由度，適合加工形狀復(fù)雜的、個(gè)性化的零件和物品，擺脫了傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)加工方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入后自動(dòng)打印，大大降低體力勞動(dòng)和操作難度，具有傳統(tǒng)制造方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。在未來，3D打印技術(shù)有望成為5G物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的支柱性技術(shù)支撐，讓制造業(yè)成為更智能化、規(guī)模化和個(gè)性化的“智造”[1]。

但是報(bào)告也指出3D打印行業(yè)在強(qiáng)勢(shì)輝煌崛起的同時(shí)，也暴露出諸如打印周期長(zhǎng)、耗材昂貴、仍需操作人員部分干預(yù)、相較于傳統(tǒng)制造法不劃算等先天缺點(diǎn)。中國(guó)國(guó)內(nèi)大多數(shù)產(chǎn)能和優(yōu)秀的3D打印企業(yè)主要集中于服務(wù)環(huán)節(jié)，且存在品牌雜亂、整體質(zhì)量相差較大、服務(wù)內(nèi)容單一等缺陷，在生產(chǎn)服務(wù)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際與市場(chǎng)脫離的現(xiàn)狀。中國(guó)的3D打印行業(yè)雖然呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢(shì)，但離普及仍需要很長(zhǎng)一段時(shí)間，主要是耗材和設(shè)備昂貴、打印速度慢、耗材類型有限、產(chǎn)業(yè)鏈配套待完善等因素。

1.2市場(chǎng)需求

云智能+個(gè)性化定制服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的潮流，更適應(yīng)和滿足當(dāng)今消費(fèi)者的潛在需求。3D打印公司采用分布式制造模式，社會(huì)大眾通過眾包方式參與產(chǎn)品制造全過程，形成了基于企業(yè)的3D打印云智能+分布式定制模式。其基于節(jié)點(diǎn)企業(yè)個(gè)性化解決方案、全價(jià)值鏈整體解決方案、商業(yè)生態(tài)圈跨界解決方案進(jìn)行商業(yè)模式創(chuàng)新，不但為滿足消費(fèi)者的個(gè)性化定制需求提供了定制模式和商業(yè)化策略，而且為拓展3D打印的主流應(yīng)用市場(chǎng)提供了重要的理論支撐與決策借鑒[3]。

3D打印消費(fèi)市場(chǎng)更傾向于用戶需求的多樣化和個(gè)性化，然而互聯(lián)網(wǎng)眾包模式有其限制性，個(gè)性化定制并不能完全釋放其潛力，云智能3D打印模式[3]也有其實(shí)時(shí)性差和人工交流有偏差導(dǎo)致打印效果不盡如人意等弊端。針對(duì)市場(chǎng)需求和現(xiàn)有弊端，本設(shè)計(jì)基于“共建共享”的理念，目前主要是以個(gè)人和高校的3D打印設(shè)備為依托，提供一套較為完整的3D打印物聯(lián)網(wǎng)解決方案，解決廣大3D打印消費(fèi)者的痛點(diǎn)，旨在降低設(shè)備采購(gòu)門檻的同時(shí)，將操作簡(jiǎn)化和實(shí)時(shí)化，實(shí)現(xiàn)完全的監(jiān)控和操控，基本實(shí)現(xiàn)無人化的物聯(lián)網(wǎng)3D打印。

2 總體設(shè)計(jì)框架

3D打印機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案分兩條核心思路走：如何控制3D打印機(jī)和如何鏈接到物聯(lián)網(wǎng)上。如圖1所示設(shè)計(jì)采用上位機(jī)樹莓派控制下位機(jī)arduino，進(jìn)而達(dá)到控制3D打印機(jī)。設(shè)計(jì)采用內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)交互平臺(tái)，讓3D打印設(shè)備鏈接到物聯(lián)網(wǎng)交互平臺(tái)，并且供用戶登錄連接使用，真正實(shí)現(xiàn)人人共享使用。

3D打印機(jī)在接入物聯(lián)打印平臺(tái)后，不間斷地接受用戶的打印訂單，同時(shí)因?yàn)閿z像頭實(shí)時(shí)記錄打印機(jī)工作狀況，所以可以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的風(fēng)險(xiǎn)處理，不需要人的參與。用戶可以在物聯(lián)打印平臺(tái)上進(jìn)行登錄和查看設(shè)備列表等操作，同時(shí)查看打印的切片視頻，對(duì)自己的整個(gè)操作可以更清晰直觀，并且對(duì)打印過程更具掌控。工件打印完成后，機(jī)械爪將自動(dòng)抓取物體到盒子中，然后物品通過物流網(wǎng)絡(luò)快遞到用戶所填地址。

3物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

如圖2流程圖所示，用戶發(fā)出物聯(lián)網(wǎng)打印請(qǐng)求后，通過系統(tǒng)的密碼授權(quán)登錄，部署在阿里云服務(wù)器上的ngrok反向代理軟件為https流量隧道提供內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)，鏈接到本地的樹莓派上位機(jī)，啟動(dòng)上位機(jī)控制軟件OctoPrint，控制下位機(jī)arduino進(jìn)行3D打印操作，體現(xiàn)在用戶視角則是可以在任何地方，任何終端，無限制地直接物聯(lián)訪問和控制3D打印機(jī)。個(gè)人用戶可以享受3D打印機(jī)帶來的便捷服務(wù)，并且高效利用閑置的3D打印機(jī)設(shè)備，提高整體效能。

樹莓派搭載Debian系統(tǒng)，以開源的3D的OctoPrint項(xiàng)目為基礎(chǔ)，打造出可以本地局域網(wǎng)控制的上位機(jī)控制臺(tái)。OctoPrint前段Web應(yīng)用接收的3D模型文件將通過PHP腳本輸出到數(shù)據(jù)庫指定目錄，部署在本地的開源CuraEngine加載、分析和修復(fù)3D模型，將3D模型切成2D圖層，為每個(gè)層生成GCode編碼，基于RPI CNC板將實(shí)時(shí)CNC控制器（運(yùn)行GRBL的微控制器）與強(qiáng)大的信用卡大小的微型計(jì)算機(jī)（Raspberry Pi）相結(jié)合，板子直接插入Raspberry Pi通用輸入/輸出引腳，微控制器和Raspberry Pi通過串行通信，實(shí)現(xiàn)在本地控制3D打印進(jìn)程。OctoPrint配有攝像頭[5]，可以實(shí)時(shí)觀看3D打印進(jìn)程并切片延時(shí)拍攝視頻流[6]，同時(shí)可以接受3D打印機(jī)內(nèi)置傳感器溫度數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)異常，預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。方案采用自動(dòng)開機(jī)服務(wù)腳本，插上電源即可自動(dòng)開始工作，減少配置要求和終端命令輸入。

ngrok是一款反向代理軟件，可以讓用戶能夠通過一臺(tái)部署有ngrok的中轉(zhuǎn)服務(wù)器訪問在內(nèi)網(wǎng)中的一臺(tái)設(shè)備。其用途類似與端口映射，把一臺(tái)內(nèi)網(wǎng)中的機(jī)器的端口映射到具有公網(wǎng)IP的另一臺(tái)機(jī)器的端口[7]。ngrok使得內(nèi)網(wǎng)的機(jī)器和外網(wǎng)的機(jī)器維護(hù)一條通訊鏈接，同時(shí)為了避免鏈接的中斷，還需要通過心跳等途徑維持鏈接。這條鏈接保證了外網(wǎng)機(jī)器能夠隨時(shí)和內(nèi)網(wǎng)通信。為了保證通信性能，外網(wǎng)機(jī)器和內(nèi)網(wǎng)機(jī)器制定了一種協(xié)議，外網(wǎng)的機(jī)器可以通過協(xié)議請(qǐng)求內(nèi)網(wǎng)的機(jī)器創(chuàng)建多條聯(lián)通外網(wǎng)機(jī)器的鏈接以供傳輸。保證請(qǐng)求可以被并行地響應(yīng)，并保證性能. 通過這種并行的反向代理方式，實(shí)現(xiàn)樹莓派上位機(jī)并入到物聯(lián)網(wǎng)中。

設(shè)計(jì)方案還采用開源armPi機(jī)械臂[8]，擁有四個(gè)自由度，可以自定義拆解打印底座，將黏附在熱床上的打印工件準(zhǔn)確抓取到盒子中，并且阿里云服務(wù)器后端調(diào)用數(shù)據(jù)庫信息，將工件郵寄到消費(fèi)用戶所在地址，實(shí)現(xiàn)無操作人員管理。

4結(jié)語

我國(guó)工業(yè)正在轉(zhuǎn)型升級(jí)，《中國(guó)制造2025》和《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2017-2020年）》的出臺(tái)，將3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到國(guó)家戰(zhàn)略[9]。通過政策引導(dǎo)，在社會(huì)各界共同努力下，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)尚存在關(guān)鍵技術(shù)滯后、創(chuàng)新能力不足、專用材料性能亟需提高、高端裝備及零部件質(zhì)量可靠性有待提升、應(yīng)用廣度深度有待提高等問題。在5G時(shí)代的風(fēng)口與萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到臨之際，筆者希望通過3D打印機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，以共享的方式拓展3D打印行業(yè)的應(yīng)用深度和廣度，降低設(shè)備使用門檻和社會(huì)成本，使得3D打印技術(shù)的便利性普惠大眾，將3D打印技術(shù)集合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)，充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)服務(wù)和刺激行業(yè)創(chuàng)新潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳懷宇.3D打印給中國(guó)智造帶來新機(jī)遇[J]. 中國(guó)國(guó)情國(guó)力， 2017（9）：27-29.

[2]Wijnen B， Anzalone G C， Haselhuhn A S， et al. Free and Open-source Control Software for 3-D Motion and Processing[J]. Journal of open research software， 2016， 4（1）.

[3]付大鵬， 周威. 工程訓(xùn)練互聯(lián)網(wǎng)+3D打印和智能制造教學(xué)探索[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備， 2017（12）.

[4]孟炯. 滿足個(gè)性化需求的3D打印定制模式創(chuàng)新——兼論實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制模式的商業(yè)化策略[J]. 科技進(jìn)步與對(duì)策， 2016， 33（15）：22-29.

[5]寇曉斌， 張濤， 張佳偉. 基于Mjpg_Streamer的跨內(nèi)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)， 2017（21）.

[6]李長(zhǎng)才. 基于嵌入式Linux視頻圖像采集及其無線傳輸?shù)难芯縖D].

[7]夏治安， 齊華， 劉軍. 遠(yuǎn)程巡防定位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)械與電子， 2018.

[8]曹東， 閆銀發(fā)， 宋占華，等. 農(nóng)業(yè)輪式機(jī)器人PI魯棒-滑模控制——基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究， 2019（3）.

[9]周濟(jì). 智能制造——“中國(guó)制造2025”的主攻方向[J]. 中國(guó)機(jī)械工程， 2015， 26（17）：2273-2284.