一種3D打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

方統(tǒng)浩+呂寧

摘要：隨著近年來(lái)3D打印逐漸融入我們的生活，傳統(tǒng)3D打印服務(wù)模式的弊端也愈顯嚴(yán)重，本文旨在對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)的3D打印服務(wù)上，運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)與傳統(tǒng)3D打印相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)一種3D打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，給用戶(hù)提供新的解決方案和智能服務(wù)。經(jīng)搭建測(cè)試后，平臺(tái)的運(yùn)作結(jié)果符合預(yù)期要求。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；云計(jì)算；智能服務(wù)；云服務(wù)

引言

隨著近年來(lái)3D打印逐漸融入我們的生活，其傳統(tǒng)的打印方式的弊端也越顯嚴(yán)重。傳統(tǒng)的3D打印服務(wù)的有著“傳統(tǒng)3D打印服務(wù)沒(méi)有依靠云平臺(tái)來(lái)作服務(wù)支撐”，“資源由于沒(méi)有整合形成資源池，導(dǎo)致設(shè)備資源的調(diào)度極其不方便”等固有缺陷。所以本文的內(nèi)容著力用“云”+“3D打印”的結(jié)合來(lái)解決傳統(tǒng)3D打印方案的缺陷。

3D打印機(jī)+云的結(jié)合可以解決傳統(tǒng)的3D打印不靈活的情況，可以實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程打印”，“一鍵打印”，“模型庫(kù)共享”等功能，以提供全新的智能化3D打印解決方案。云平臺(tái)有著“靈活”，“按需服務(wù)”，“無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)”等相對(duì)于傳統(tǒng)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)主要技術(shù)以及框架

1.1 3D打印云平臺(tái)主要技術(shù)

其客戶(hù)機(jī)采用了3D打印機(jī)+客戶(hù)端的形式。3D打印機(jī)方面，主控平臺(tái)采用Arduino MEGA 2560 + RAMPS，采用A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，人機(jī)交互采用LCD12864+HMI串口屏，與客戶(hù)機(jī)通信方案有SD卡+Wifi+串口。服務(wù)器方面，采用CentOS操作系統(tǒng)，Web前端采用PHP，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面選擇Mysql，在Web服務(wù)器方面采用Ngnix、技術(shù)。客戶(hù)可以通過(guò)人機(jī)交互串口屏來(lái)實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的本地打印，也可以聯(lián)網(wǎng)通過(guò)云平臺(tái)服務(wù)來(lái)進(jìn)行一鍵打印與狀態(tài)檢測(cè)，以及模型文件上傳下載等功能，實(shí)現(xiàn)“隨時(shí)隨地即可打印”。

1.2 系統(tǒng)框架

整體系統(tǒng)框架，如圖2-1所示。

圖2-1 整體系統(tǒng)框架圖

2 3D打印機(jī)部分

2.1 Arduino Mega 2560 + RAMPS主控

Arduino Mega2560是基于采用ATmega 2560的AVR架構(gòu)處理器的微控制板，其最大的特點(diǎn)在于擁有54路數(shù)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(gè)16MHz晶體振蕩器。Mega2560屬于Mega的升級(jí)版，Arduino平臺(tái)相比于傳統(tǒng)硬件平臺(tái)，擁有社區(qū)，以及設(shè)計(jì)完善的軟件模塊等優(yōu)勢(shì)。

2.2 LCD12864 HMI串口屏

采用LCD12864 HMI串口屏作為人機(jī)交互的手段，其最大的特點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)速度極快，可以自行利用PC機(jī)進(jìn)行對(duì)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(dòng)在線(xiàn)升級(jí)等特點(diǎn)。

2.3 HC-05藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊BT-HC05模塊是一款高性能的主從一體可以設(shè)置的藍(lán)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(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(duì)。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中我們選用了串口進(jìn)行通信。

2.4 軟件部分

單片機(jī)編程采用Arduino Mega 2560 + RAMPS作為主控，可以跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)，便捷靈活，方便上手。其程序初始化過(guò)程為：系統(tǒng)初始化、IO初始化、串口初始化、中斷初始化、定時(shí)器初始化、HMI顯示屏初始化。

3 客戶(hù)端設(shè)計(jì)

3.1 本地打印

利用客戶(hù)端程序，通過(guò)串口，Wifi，SD卡以及藍(lán)牙的方式與3D打印機(jī)進(jìn)行通信，來(lái)布置用戶(hù)的打印任務(wù)，相對(duì)于傳統(tǒng)打印沒(méi)有什么較大的區(qū)別。

3.2 聯(lián)網(wǎng)打印

利用云平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，用戶(hù)可以下載官方客戶(hù)端，通過(guò)客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)服云端，實(shí)現(xiàn)例如“一鍵打印”，“模型上傳”，“模型下載”，“在線(xiàn)3D工具”等功能以及各種行業(yè)解決方案。用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)Web網(wǎng)站，賬號(hào)與密碼采用RSA加密算法進(jìn)行加密存儲(chǔ)于服務(wù)器的Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)通過(guò)HTTP協(xié)議GET請(qǐng)求與服務(wù)器進(jìn)行通信，并且采用MD5校驗(yàn)算法來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。

3.3 軟件部分實(shí)現(xiàn)

3.3.1 圖形用戶(hù)界面

采用C++編程語(yǔ)言，圖形用戶(hù)界面應(yīng)用開(kāi)發(fā)采用比較流行的Qt程序開(kāi)發(fā)框架，相較于傳統(tǒng)的MFC與win32，Qt開(kāi)發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn)，如表3-1所示。

表3-1 Win32、MFC和Qt程序開(kāi)發(fā)對(duì)比

可見(jiàn)，Qt除了運(yùn)行效率低于傳統(tǒng)的Win32與MFC，其余無(wú)論是從開(kāi)發(fā)速度、可維護(hù)性、跨平臺(tái)、學(xué)習(xí)難度等方面來(lái)講，并且Qt可以解析HTTP協(xié)議，所以采用Qt作為圖形用戶(hù)界面。

3.3.2 客戶(hù)端框架

考慮到Windows操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)的一些內(nèi)核設(shè)計(jì)上的差異性，由于Windows下多進(jìn)程程序的開(kāi)發(fā)對(duì)操作系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)十分巨大，決定采用多線(xiàn)程并發(fā)模式編程，采用高效的半同步--半異步并發(fā)模式。由于傳統(tǒng)的半同步--半反應(yīng)堆模式其中的循環(huán)隊(duì)列需要臨界區(qū)，所以其并發(fā)性會(huì)有瓶頸。而后者的循環(huán)隊(duì)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(fā)模式。

其數(shù)據(jù)流走向過(guò)程如圖3-1所示。

圖3-1 半同步--半異步并發(fā)模式流程圖

4 服務(wù)器設(shè)計(jì)

4.1 服務(wù)器開(kāi)發(fā)環(huán)境

服務(wù)器操作系統(tǒng)為CentOS 6.7操作系統(tǒng)，相對(duì)于同樣為L(zhǎng)inux的Ubuntu，其特點(diǎn)在于CentOS相對(duì)于Ubuntu來(lái)講更加穩(wěn)定以及更加安全。用CentOS，不會(huì)因?yàn)樵赨buntu系統(tǒng)中安裝帶有Bug的應(yīng)用程序版本而遇到任何穩(wěn)定性方面的問(wèn)題，這也是采用CentOS操作系統(tǒng)的原因之一。endprint

4.2 Nginx Web服務(wù)器

Nginx是一款開(kāi)源代碼的高性能HTTP服務(wù)器和反向代理服務(wù)器，通知支持IMAP、POP3、STMP服務(wù)。Nginx作為Web服務(wù)器，有著處理靜態(tài)文件、索引文件以及自動(dòng)索引效率高的優(yōu)點(diǎn)；作為負(fù)載均衡器，內(nèi)不支持Rails和PHP，并且也支持HTTP代理服務(wù)器，對(duì)外進(jìn)行服務(wù)。同時(shí)支持簡(jiǎn)單容錯(cuò)和利用算法進(jìn)行負(fù)載均衡

4.3 Web前端設(shè)計(jì)

采用PHP作為前端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用AJAX方式與后端進(jìn)行交互，來(lái)獲得相關(guān)信息狀態(tài)。

4.4 數(shù)據(jù)加密與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

采用RSA加密算法對(duì)用戶(hù)的用戶(hù)名與密碼進(jìn)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(gè)世界上絕大多數(shù)的密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。服務(wù)端接收其被加密過(guò)的用戶(hù)名與密碼，并將其儲(chǔ)存在Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中以方便后續(xù)查詢(xún)。工作流程如圖4-1所示。

圖4-1 RSA加密算法與客戶(hù)登陸流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 測(cè)試步驟

1.開(kāi)啟打印機(jī)，啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備，可以嘗試本地打印來(lái)測(cè)試打印機(jī)功能完整性；

2.通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)網(wǎng)站，下載客戶(hù)端程序；

3.登入客戶(hù)端，輸入用戶(hù)名和密碼，等待驗(yàn)證，進(jìn)入客戶(hù)端主控界面；

4.點(diǎn)擊“模型庫(kù)”，選中要打印的模型，點(diǎn)擊“下載模型文件”；

5.點(diǎn)擊“一鍵打印”，導(dǎo)入下載好的模型庫(kù)，此時(shí)客戶(hù)端和3D打印機(jī)液晶屏應(yīng)該能正確顯示打印進(jìn)度以及溫度等信息，此時(shí)可以測(cè)試“暫停打印”與“繼續(xù)打印”功能；

6.若可以打印且打印完成，可以將打印過(guò)程信息數(shù)據(jù)和模型上傳云端，測(cè)試其數(shù)據(jù)上傳功能。

5.2 測(cè)試設(shè)備

本測(cè)試方案的所需的設(shè)備包括：3D打印機(jī)一臺(tái)；PC機(jī)一臺(tái)；用于調(diào)試的PC機(jī)一臺(tái)。

5.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

利用Wireshark網(wǎng)絡(luò)分析包軟件來(lái)進(jìn)行抓取分析客戶(hù)端與服務(wù)器之間的通信數(shù)據(jù)包，

其服務(wù)器響應(yīng)控制碼如表5-2所示。

表5-2 服務(wù)器響應(yīng)控制碼表

5.4 測(cè)試結(jié)果

1.3D打印機(jī)啟動(dòng)無(wú)問(wèn)題，最基本的本地打印功能無(wú)問(wèn)題；

2.客戶(hù)端程序下載無(wú)問(wèn)題；

3.模型庫(kù)瀏覽無(wú)問(wèn)題。用Wireshark進(jìn)行抓包分析，其中HTTP請(qǐng)求與響應(yīng)無(wú)問(wèn)題；

4.一鍵下載功能無(wú)問(wèn)題，打印機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)液晶屏顯示3D打印機(jī)目前的打印信息，如打印進(jìn)度，溫度等信息；

5.打印完成，本地打印信息文件生成無(wú)問(wèn)題，點(diǎn)擊“上傳云端”，無(wú)問(wèn)題，服務(wù)器接收成功。

測(cè)試結(jié)果如表5-3所示。

表5-3 測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

云計(jì)算平臺(tái)是未來(lái)眾多技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的逐漸普及，云計(jì)算平臺(tái)也逐漸走進(jìn)大眾生活。相信未來(lái)的不久，3D打印+云平臺(tái)的服務(wù)模式將成為主流的服務(wù)模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬(wàn)偉康，趙康，王文博等.3D打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的智能云平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2016，33（03）：19-22.

[2]張良杰，鐘石根，郭凌等.基于物聯(lián)網(wǎng)的在線(xiàn)打印出版云平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].信號(hào)與系統(tǒng)，2017，23（07）：37-41.

[3]王文濤，劉燕華.3D打印制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)我國(guó)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的影響[J].科技管理研究.2014，34（06）：22-25.

作者簡(jiǎn)介：第一作者：姓名：方統(tǒng)浩（1996.10--）；性別：男；籍貫：黑龍江省尚志市；學(xué)歷：本科.endprint