基于物聯網技術的3D打印機設計

王勝

隨著科學技術的快速發展，3D打印技術漸漸地走入了我們的視線。本設計實現了一種基于物聯網技術的3D打印機。采用了WiFi通信技術，藍牙無線傳輸技術。以ATmega2560微型控制器為主控核心，來控制3D打印機的三個電機，以及解析STL文件，并控制加熱模塊進行系統性協調控制。通過WiFi傳輸模塊建立通信，實現云平臺和3D打印機之間的信息連接。本設計使用的控制體系完善，實時性強及遠程控制，效率高和成本低等優點。

三維打印，是快速成型技術的一種工藝。以數字模型文件為基礎，使用石膏粉，金屬粉或塑料絲等材料，采用層層堆積的方法制作出三維模型的技術。但是大部分的3D打印機都是傳統的單一設備，這是傳統3D打印機的一大弊端。使用移動通信技術可以實現3D打印機數據的遠程交流。

本文致力于設計一款全新的物聯網3D打印機，使用WiFi通信模塊建立Arduino控制器與云平臺之間的通信。使得用戶可以通過云平臺與3D打印機實現信息傳輸，然后通過一定驅動電路驅動電機，設計3D打印機的控制系統。在控制系統中，首先3D打印機接收云平臺傳輸的數據，數據處理模塊分析數據，并建立好3D模擬圖型，將模型改為STL格式文件。Arduino控制器識別代碼文件并處理，發送相應的指令到打印機各個部分，并做出響應。

（一）系統總體設計

基于物聯網技術的3D打印機主要分為硬件和軟件兩個部分，軟件部分主要是通過WiFi通信模塊建立通信網關，接入云平臺服務，并通過無線通信的方式，將數據傳輸至3D打印機，用戶可以通過云平臺實時控制3D打印機。硬件部分主要分為5個模塊，分別為Arduino Mega2560模塊、WiFi通信模塊設計、步進電機驅動模塊、藍牙無線傳輸模塊、LCD液晶顯示屏模塊。Arduino Mega2560模塊作為3D打印機的控制核心，主要用來處理電腦所傳輸的STL所解析的代碼文件。步進電機驅動模塊的作用是控制三個電機X軸、Y軸、Z軸配合工作完成打印，藍牙模塊主要用于LCD顯示屏模塊和打印機之間的信息傳輸，LCD液晶顯示屏模塊主要用來實時監測打印機的狀態。物聯網3D打印機的總體設計框圖，如圖1。

（二）硬件設計部分

（1）Arduino Mega2560模塊

A r d u i n o是全球最流行的開源硬件平臺之一，Arduino已經被用于數千個不同的項目和應用程序中。Arduino軟件不僅易于初學者使用，而且對于高級用戶來說也足夠靈活，它是跨平臺的可以在在Mac、Windows和Linux上運行。3D打印機基于Arduino核心控制，ATmega2560微處理器為主控器，接收OneNet所發送的數據，數據處理模塊分析數據，并建立好3D模擬圖型，在分析，處理，生成相應的代碼文件。

（2）WiFi通信模塊設計

本設計所采用的芯片是ESP8266，采用ESP8266作為研發平臺，主要是因為其超低成本，并且將處理器和WiFi芯片精致集成在一起，具有GPIO、PWM、I2C、ADC等功能。ESP8266是一個完整組自成體系的WiFi 網絡解決方案，能夠搭載軟件應用，就是說可以將應用直接在ESP8266上運行，或通過另一個應用處理器進行業務邏輯處理，使用ESP8266的WiFi網絡功能。Arudino控制器和該芯片能夠實現串口通信，可以快速實現3D打印機之間的網絡通信。

（三）步進電機驅動模塊

3D打印機其打印過程主要通過X軸，Y軸，Z軸的協同完成，控制三個坐標的運動，主要是通過步進電機實現的。本次設計采用的步進電機驅動模塊是A4988。該模塊有多個電機驅動接口，對三個電機能實現精準的控制。

（四）藍牙無線傳輸模塊

LCD液晶顯示屏與藍牙模塊傳輸指令時，為了提高傳輸效率性和快速性，添加了藍牙無線傳輸模塊，實現數據的無線傳輸功能。本設計所采用的藍牙模塊是CC2541，通過配對協議之后，可以通過串口通信使得LCD液晶顯示屏與3D打印機控制體系之間進行數據傳輸，保證了數據傳輸的正確性和穩定性。

（五）LCD液晶顯示屏模塊

LCD采用了了KNY3030A串口屏，3D打印機的所有參數狀態都是通過LCD液晶串口顯示屏模塊顯示。該顯示屏通過串口通信方式與藍牙模塊進行連接，當3D打印機接收到OneNet云平臺所傳輸的數據，經過分析處理后，通過藍牙無線傳輸發送到LCD液晶顯示屏。通過LCD液晶顯示屏顯示的數據，我們可以非常便捷地知道3D打印機的工作狀態，并且可以快速控制3D打印機。

（一）網關軟件設計

由用戶通過OneNet云平臺傳輸信息，開啟和初始化WiFi無線通信模塊。WiFi模塊聯網成功之后，將數據通過WiFi無線通信傳輸發送到數據接收模塊。如果接收到了數據，將由3D打印機中的數據處理模塊處理分析數據，3D打印機開始運作，3D打印機所采集到的數據通過反饋的方式到OneNet云平臺。

（二）云平臺軟件設計

本設計所采用的云平臺是OneNet物聯網開發平臺，OneNet云平臺是由中國移動公司搭建的開放型平臺，為各種物聯網應用，提供了簡便的云端接入，信息存儲，數據計算，能夠極其快速打造物聯網應用，極大節省了開發成本。OneNet所采用的協議是EDP協議，該協議能夠有效的提供設備的數據存儲，數據加密，數據傳輸等功能。OneNet云平臺在本設計中屬于數據發送部分，用戶通過OneNet云平臺向3D打印機傳輸信息，來達到遠程控制打印機的目的。物聯網3D打印機的軟件部分流程圖，如圖2。

基于物聯網技術的3D打印機采用了云平臺服務，并使用了ZigBee技術，這是一種新興的無線通信技術，能夠滿足近距離的無線通信。采用的Arduino控制器具有具有功耗低，成本低等優點。用戶可以通過云平臺向3D打印機傳輸數據，來控制3D的打印機的運作。LCD液晶顯示屏可以實時顯示3D打印機的各項參數，方便用戶查看3D打印機的狀態，能夠極大地提高打印機的效率及成功率。

作者單位：西北民族大學 電氣工程學院