一種3D打印機網絡云平臺的設計方案

方統浩+呂寧

摘要：隨著近年來3D打印逐漸融入我們的生活，傳統3D打印服務模式的弊端也愈顯嚴重，本文旨在對現有傳統的3D打印服務上，運用云計算技術與傳統3D打印相結合的方式，設計一種3D打印機網絡云平臺的設計方案，給用戶提供新的解決方案和智能服務。經搭建測試后，平臺的運作結果符合預期要求。

關鍵詞：3D打印機；云計算；智能服務；云服務

引言

隨著近年來3D打印逐漸融入我們的生活，其傳統的打印方式的弊端也越顯嚴重。傳統的3D打印服務的有著“傳統3D打印服務沒有依靠云平臺來作服務支撐”，“資源由于沒有整合形成資源池，導致設備資源的調度極其不方便”等固有缺陷。所以本文的內容著力用“云”+“3D打印”的結合來解決傳統3D打印方案的缺陷。

3D打印機+云的結合可以解決傳統的3D打印不靈活的情況，可以實現“遠程打印”，“一鍵打印”，“模型庫共享”等功能，以提供全新的智能化3D打印解決方案。云平臺有著“靈活”，“按需服務”，“無處不在的網絡訪問”等相對于傳統平臺的優勢。

1 系統主要技術以及框架

1.1 3D打印云平臺主要技術

其客戶機采用了3D打印機+客戶端的形式。3D打印機方面，主控平臺采用Arduino MEGA 2560 + RAMPS，采用A4988步進電機驅動，人機交互采用LCD12864+HMI串口屏，與客戶機通信方案有SD卡+Wifi+串口。服務器方面，采用CentOS操作系統，Web前端采用PHP，數據存儲方面選擇Mysql，在Web服務器方面采用Ngnix、技術。客戶可以通過人機交互串口屏來實現3D打印機的本地打印，也可以聯網通過云平臺服務來進行一鍵打印與狀態檢測，以及模型文件上傳下載等功能，實現“隨時隨地即可打印”。

1.2 系統框架

整體系統框架，如圖2-1所示。

圖2-1 整體系統框架圖

2 3D打印機部分

2.1 Arduino Mega 2560 + RAMPS主控

Arduino Mega2560是基于采用ATmega 2560的AVR架構處理器的微控制板，其最大的特點在于擁有54路數字輸入/輸出，其中15路可以作為PWM輸出，特別適合于大量IO接口的需求，16路模擬輸入，4路UART接口，一個16MHz晶體振蕩器。Mega2560屬于Mega的升級版，Arduino平臺相比于傳統硬件平臺，擁有社區，以及設計完善的軟件模塊等優勢。

2.2 LCD12864 HMI串口屏

采用LCD12864 HMI串口屏作為人機交互的手段，其最大的特點在于開發速度極快，可以自行利用PC機進行對其UI編程，擁有可編程智能LCD，觸摸顯示屏，嵌入式圖形界面，上位軟件自動在線升級等特點。

2.3 HC-05藍牙模塊

藍牙模塊BT-HC05模塊是一款高性能的主從一體可以設置的藍牙串口模塊，模塊的接口有串口、SPI接口、USB接口，可用于各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP等智能終端配對。產品開發中我們選用了串口進行通信。

2.4 軟件部分

單片機編程采用Arduino Mega 2560 + RAMPS作為主控，可以跨平臺開發，便捷靈活，方便上手。其程序初始化過程為：系統初始化、IO初始化、串口初始化、中斷初始化、定時器初始化、HMI顯示屏初始化。

3 客戶端設計

3.1 本地打印

利用客戶端程序，通過串口，Wifi，SD卡以及藍牙的方式與3D打印機進行通信，來布置用戶的打印任務，相對于傳統打印沒有什么較大的區別。

3.2 聯網打印

利用云平臺的優勢，用戶可以下載官方客戶端，通過客戶端訪問服云端，實現例如“一鍵打印”，“模型上傳”，“模型下載”，“在線3D工具”等功能以及各種行業解決方案。用戶訪問Web網站，賬號與密碼采用RSA加密算法進行加密存儲于服務器的Mysql數據庫中，用戶通過HTTP協議GET請求與服務器進行通信，并且采用MD5校驗算法來檢驗數據的完整性。

3.3 軟件部分實現

3.3.1 圖形用戶界面

采用C++編程語言，圖形用戶界面應用開發采用比較流行的Qt程序開發框架，相較于傳統的MFC與win32，Qt開發具有以下優點，如表3-1所示。

表3-1 Win32、MFC和Qt程序開發對比

可見，Qt除了運行效率低于傳統的Win32與MFC，其余無論是從開發速度、可維護性、跨平臺、學習難度等方面來講，并且Qt可以解析HTTP協議，所以采用Qt作為圖形用戶界面。

3.3.2 客戶端框架

考慮到Windows操作系統和Linux操作系統的一些內核設計上的差異性，由于Windows下多進程程序的開發對操作系統的開銷十分巨大，決定采用多線程并發模式編程，采用高效的半同步--半異步并發模式。由于傳統的半同步--半反應堆模式其中的循環隊列需要臨界區，所以其并發性會有瓶頸。而后者的循環隊列采用的是原子性操作的管道（PIPE），所以采用高效的半同步--半異步并發模式。

其數據流走向過程如圖3-1所示。

圖3-1 半同步--半異步并發模式流程圖

4 服務器設計

4.1 服務器開發環境

服務器操作系統為CentOS 6.7操作系統，相對于同樣為Linux的Ubuntu，其特點在于CentOS相對于Ubuntu來講更加穩定以及更加安全。用CentOS，不會因為在Ubuntu系統中安裝帶有Bug的應用程序版本而遇到任何穩定性方面的問題，這也是采用CentOS操作系統的原因之一。endprint

4.2 Nginx Web服務器

Nginx是一款開源代碼的高性能HTTP服務器和反向代理服務器，通知支持IMAP、POP3、STMP服務。Nginx作為Web服務器，有著處理靜態文件、索引文件以及自動索引效率高的優點；作為負載均衡器，內不支持Rails和PHP，并且也支持HTTP代理服務器，對外進行服務。同時支持簡單容錯和利用算法進行負載均衡

4.3 Web前端設計

采用PHP作為前端開發語言，采用AJAX方式與后端進行交互，來獲得相關信息狀態。

4.4 數據加密與數據存儲部分

采用RSA加密算法對用戶的用戶名與密碼進行加密，RSA算法是目前最具有影響力以及最常用的公鑰加密算法，它能抵抗這個世界上絕大多數的密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰數據加密標準。服務端接收其被加密過的用戶名與密碼，并將其儲存在Mysql數據庫中以方便后續查詢。工作流程如圖4-1所示。

圖4-1 RSA加密算法與客戶登陸流程圖

5 系統測試

5.1 測試步驟

1.開啟打印機，啟動相關設備，可以嘗試本地打印來測試打印機功能完整性；

2.通過瀏覽器訪問相關網站，下載客戶端程序；

3.登入客戶端，輸入用戶名和密碼，等待驗證，進入客戶端主控界面；

4.點擊“模型庫”，選中要打印的模型，點擊“下載模型文件”；

5.點擊“一鍵打印”，導入下載好的模型庫，此時客戶端和3D打印機液晶屏應該能正確顯示打印進度以及溫度等信息，此時可以測試“暫停打印”與“繼續打印”功能；

6.若可以打印且打印完成，可以將打印過程信息數據和模型上傳云端，測試其數據上傳功能。

5.2 測試設備

本測試方案的所需的設備包括：3D打印機一臺；PC機一臺；用于調試的PC機一臺。

5.3 測試數據

利用Wireshark網絡分析包軟件來進行抓取分析客戶端與服務器之間的通信數據包，

其服務器響應控制碼如表5-2所示。

表5-2 服務器響應控制碼表

5.4 測試結果

1.3D打印機啟動無問題，最基本的本地打印功能無問題；

2.客戶端程序下載無問題；

3.模型庫瀏覽無問題。用Wireshark進行抓包分析，其中HTTP請求與響應無問題；

4.一鍵下載功能無問題，打印機啟動，此時液晶屏顯示3D打印機目前的打印信息，如打印進度，溫度等信息；

5.打印完成，本地打印信息文件生成無問題，點擊“上傳云端”，無問題，服務器接收成功。

測試結果如表5-3所示。

表5-3 測試結果

6 結語

云計算平臺是未來眾多技術發展的趨勢之一，隨著“互聯網+”模式的逐漸普及，云計算平臺也逐漸走進大眾生活。相信未來的不久，3D打印+云平臺的服務模式將成為主流的服務模式。

參考文獻：

[1]萬偉康，趙康，王文博等.3D打印機網絡服務的智能云平臺設計[J].單片機與嵌入式系統應用.2016，33（03）：19-22.

[2]張良杰，鐘石根，郭凌等.基于物聯網的在線打印出版云平臺設計[J].信號與系統，2017，23（07）：37-41.

[3]王文濤，劉燕華.3D打印制造技術發展趨勢及對我國結構轉型的影響[J].科技管理研究.2014，34（06）：22-25.

作者簡介：第一作者：姓名：方統浩（1996.10--）；性別：男；籍貫：黑龍江省尚志市；學歷：本科.endprint