共享3D打印機的物聯網設計

榮金立 張厚今 魏光村

摘要：共享3D打印機秉承“共建共享”的理念，將個人或者高校長期閑置的3D打印機充分利用起來，利用OctoPrint開源上位機軟件結合ngrok內網穿透技術，物聯控制3D打印機，實現其共享化、平民化，降低3D打印技術使用的門檻和費用。

關鍵詞：互建共享;OctoPrint;ngrok;內網穿透;物聯網

1 研究背景及需求

1.1研究背景

正如《2017～2023年中國3D打印行業分析報告》中所指出，3D打印技術因其特殊的增材制造方式，體現出極高的加工自由度，適合加工形狀復雜的、個性化的零件和物品，擺脫了傳統的人工經驗加工方式，實現數據輸入后自動打印，大大降低體力勞動和操作難度，具有傳統制造方式無法比擬的優點。在未來，3D打印技術有望成為5G物聯網時代的支柱性技術支撐，讓制造業成為更智能化、規模化和個性化的“智造”[1]。

但是報告也指出3D打印行業在強勢輝煌崛起的同時，也暴露出諸如打印周期長、耗材昂貴、仍需操作人員部分干預、相較于傳統制造法不劃算等先天缺點。中國國內大多數產能和優秀的3D打印企業主要集中于服務環節，且存在品牌雜亂、整體質量相差較大、服務內容單一等缺陷，在生產服務中經常會出現實際與市場脫離的現狀。中國的3D打印行業雖然呈現出快速發展趨勢，但離普及仍需要很長一段時間，主要是耗材和設備昂貴、打印速度慢、耗材類型有限、產業鏈配套待完善等因素。

1.2市場需求

云智能+個性化定制服務平臺已經成為國內市場的潮流，更適應和滿足當今消費者的潛在需求。3D打印公司采用分布式制造模式，社會大眾通過眾包方式參與產品制造全過程，形成了基于企業的3D打印云智能+分布式定制模式。其基于節點企業個性化解決方案、全價值鏈整體解決方案、商業生態圈跨界解決方案進行商業模式創新，不但為滿足消費者的個性化定制需求提供了定制模式和商業化策略，而且為拓展3D打印的主流應用市場提供了重要的理論支撐與決策借鑒[3]。

3D打印消費市場更傾向于用戶需求的多樣化和個性化，然而互聯網眾包模式有其限制性，個性化定制并不能完全釋放其潛力，云智能3D打印模式[3]也有其實時性差和人工交流有偏差導致打印效果不盡如人意等弊端。針對市場需求和現有弊端，本設計基于“共建共享”的理念，目前主要是以個人和高校的3D打印設備為依托，提供一套較為完整的3D打印物聯網解決方案，解決廣大3D打印消費者的痛點，旨在降低設備采購門檻的同時，將操作簡化和實時化，實現完全的監控和操控，基本實現無人化的物聯網3D打印。

2 總體設計框架

3D打印機的物聯網設計方案分兩條核心思路走：如何控制3D打印機和如何鏈接到物聯網上。如圖1所示設計采用上位機樹莓派控制下位機arduino，進而達到控制3D打印機。設計采用內網穿透技術及物聯網交互平臺，讓3D打印設備鏈接到物聯網交互平臺，并且供用戶登錄連接使用，真正實現人人共享使用。

3D打印機在接入物聯打印平臺后，不間斷地接受用戶的打印訂單，同時因為攝像頭實時記錄打印機工作狀況，所以可以應對突發狀況的風險處理，不需要人的參與。用戶可以在物聯打印平臺上進行登錄和查看設備列表等操作，同時查看打印的切片視頻，對自己的整個操作可以更清晰直觀，并且對打印過程更具掌控。工件打印完成后，機械爪將自動抓取物體到盒子中，然后物品通過物流網絡快遞到用戶所填地址。

3物聯網設計方案

如圖2流程圖所示，用戶發出物聯網打印請求后，通過系統的密碼授權登錄，部署在阿里云服務器上的ngrok反向代理軟件為https流量隧道提供內網穿透服務，鏈接到本地的樹莓派上位機，啟動上位機控制軟件OctoPrint，控制下位機arduino進行3D打印操作，體現在用戶視角則是可以在任何地方，任何終端，無限制地直接物聯訪問和控制3D打印機。個人用戶可以享受3D打印機帶來的便捷服務，并且高效利用閑置的3D打印機設備，提高整體效能。

樹莓派搭載Debian系統，以開源的3D的OctoPrint項目為基礎，打造出可以本地局域網控制的上位機控制臺。OctoPrint前段Web應用接收的3D模型文件將通過PHP腳本輸出到數據庫指定目錄，部署在本地的開源CuraEngine加載、分析和修復3D模型，將3D模型切成2D圖層，為每個層生成GCode編碼，基于RPI CNC板將實時CNC控制器（運行GRBL的微控制器）與強大的信用卡大小的微型計算機（Raspberry Pi）相結合，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，實現在本地控制3D打印進程。OctoPrint配有攝像頭[5]，可以實時觀看3D打印進程并切片延時拍攝視頻流[6]，同時可以接受3D打印機內置傳感器溫度數據，監測異常，預防風險發生。方案采用自動開機服務腳本，插上電源即可自動開始工作，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部署有ngrok的中轉服務器訪問在內網中的一臺設備。其用途類似與端口映射，把一臺內網中的機器的端口映射到具有公網IP的另一臺機器的端口[7]。ngrok使得內網的機器和外網的機器維護一條通訊鏈接，同時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機器能夠隨時和內網通信。為了保證通信性能，外網機器和內網機器制定了一種協議，外網的機器可以通過協議請求內網的機器創建多條聯通外網機器的鏈接以供傳輸。保證請求可以被并行地響應，并保證性能. 通過這種并行的反向代理方式，實現樹莓派上位機并入到物聯網中。

設計方案還采用開源armPi機械臂[8]，擁有四個自由度，可以自定義拆解打印底座，將黏附在熱床上的打印工件準確抓取到盒子中，并且阿里云服務器后端調用數據庫信息，將工件郵寄到消費用戶所在地址，實現無操作人員管理。

4結語

我國工業正在轉型升級，《中國制造2025》和《國家增材制造產業發展推進計劃（2017-2020年）》的出臺，將3D打印產業發展上升到國家戰略[9]。通過政策引導，在社會各界共同努力下，我國增材制造產業實現快速發展。但與發達國家相比，我國增材制造產業尚存在關鍵技術滯后、創新能力不足、專用材料性能亟需提高、高端裝備及零部件質量可靠性有待提升、應用廣度深度有待提高等問題。在5G時代的風口與萬物互聯的物聯網時代到臨之際，筆者希望通過3D打印機的物聯網設計，以共享的方式拓展3D打印行業的應用深度和廣度，降低設備使用門檻和社會成本，使得3D打印技術的便利性普惠大眾，將3D打印技術集合物聯網、云計算等新技術，充分發揮優質服務和刺激行業創新潛力。

參考文獻：

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[8]曹東， 閆銀發， 宋占華，等. 農業輪式機器人PI魯棒-滑模控制——基于RBF神經網絡[J]. 農機化研究， 2019（3）.

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