基于Ardiuno的3D打印實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆袁容 羅欽通訊作者 龍海軒 何雅萱 龍俊琪

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基于Ardiuno的3D打印實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆袁容1羅欽通訊作者1龍海軒2何雅萱1龍俊琪1

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院 湖南 412007)

針對(duì)3D打印實(shí)驗(yàn)室管理任務(wù)繁重，3D打印數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)獲取的現(xiàn)狀，本文提出了3D打印實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)由遠(yuǎn)程終端模塊（基于Arduino）、遠(yuǎn)程通信模塊（采用ESP8266芯片）和Web應(yīng)用模塊組成。本系統(tǒng)經(jīng)由路由器可對(duì)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器打印進(jìn)度、機(jī)內(nèi)熱床以及噴頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋。系統(tǒng)經(jīng)調(diào)查與實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，便于學(xué)生使用與教師管理，能夠有效提高實(shí)驗(yàn)室的管理效率。

3D打印機(jī)；實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；ESP8266；Web

0 前言

隨著科技的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)正在逐漸被人們所認(rèn)知和重視。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)3D打印機(jī)尚缺乏較成熟且易于推廣的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所建設(shè)的3D打印實(shí)驗(yàn)室大多以單機(jī)版打印機(jī)進(jìn)行教學(xué)，實(shí)驗(yàn)室管理員難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)打印機(jī)出現(xiàn)的故障，且學(xué)生實(shí)驗(yàn)方式較單一。針對(duì)以上問(wèn)題，本論文提出的3D打印實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室管理員和實(shí)驗(yàn)者的不同需求，為3D打印實(shí)驗(yàn)室提供人性化、開(kāi)放性的管理方式。

1 系統(tǒng)總體框架

3D打印實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)登錄實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)網(wǎng)頁(yè)，遠(yuǎn)程獲取3D打印機(jī)的設(shè)備數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)分為遠(yuǎn)程終端模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和Web應(yīng)用模塊三大模塊，總體框架如圖1所示（注：該3D打印機(jī)使用Arduino mega 2560主控板燒配Marlin固件，搭載RAMPS1.4拓展板作為核心部件）。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

遠(yuǎn)程終端模塊對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室Prusa i3結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)。每臺(tái)3D打印機(jī)均配置ESP8266WIFI模塊，實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程通信的功能。

遠(yuǎn)程通信模塊所采用的ESP8266是一個(gè)能夠搭載軟件應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)WIFI網(wǎng)絡(luò)功能嵌入的芯片。其可添加到任何基于微控制器的設(shè)備中，通過(guò)簡(jiǎn)單的串口連接便可通過(guò)SPI/SDIO接口或者中央處理器AHB實(shí)現(xiàn)通信。

Web 應(yīng)用模塊由Web 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理及數(shù)據(jù)反饋與報(bào)告管理的功能。本網(wǎng)頁(yè)采用目前最流行的J2EE技術(shù)，使用spring boot框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用html、Javascript與css設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容，并采用velocity渲染模板將java代碼從web頁(yè)面中分離出來(lái)，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇穩(wěn)定高效的 My SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模塊介紹

（1）遠(yuǎn)程終端模塊

Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的微控制板，有54路數(shù)字輸入/輸出端口，16路模擬輸入端口，4路UART串口，16MHz的晶振，USB連接口，電池接口，ICSP頭和復(fù)位按鈕，適合作為實(shí)驗(yàn)室3D打印機(jī)主板。其上傳Marlin固件才可以使用，通過(guò)配置固件通信波特率，控制板類(lèi)型，擠出頭個(gè)數(shù)，溫度傳感器類(lèi)型等函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)主板的控制功能。使用RAMPS擴(kuò)展板提供擴(kuò)展接口，并連接Arduino MEGA平臺(tái)時(shí)，就擁有充足的擴(kuò)展空間。

（2）遠(yuǎn)程通信模塊

無(wú)線(xiàn)WIFI模塊與3D打印機(jī)作為STA終端，連接到局域網(wǎng)中的路由器上，通過(guò)路由器與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

本模塊選用的是以ESP8266為主控芯片的WiFi模塊。WiFi模塊具有高效的AT指令，且其價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。該芯片具有一個(gè)自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，其高度片內(nèi)集成，包括前端模塊在內(nèi)的整個(gè)電路所占PCB空間非常小，可將用戶(hù)的物理設(shè)備連接到WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信。

WiFi模塊采用UART和控制器進(jìn)行通信。使用STM32搭載ESP8266進(jìn)行設(shè)置，STM32通過(guò)串口TX發(fā)送AT指令對(duì)WiFi的工作模式、UART波特率、建立連接等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。STM32的UART接收端口RX則接收WiFi模塊從移動(dòng)端接收到數(shù)據(jù)和指令。設(shè)置成功后將芯片與終端連接，當(dāng)移動(dòng)端和3D打印終端建立無(wú)線(xiàn)連接后，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信了。將ESP8266與3D打印連接完畢以后，進(jìn)行ESP8266固件編程與燒寫(xiě)，最后使用AT指令設(shè)置模塊。

（3）Web應(yīng)用模塊

本模塊開(kāi)發(fā)的框架，將系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)任務(wù)分為表現(xiàn)層和業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。第三層的功能是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種基礎(chǔ)操作，并為業(yè)務(wù)邏輯層或表示層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。而第二層則是在數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的基礎(chǔ)之上，把數(shù)據(jù)層的一些操作進(jìn)行組合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理。第一層主要表示為Web方式，用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的交互。

2.2 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)Web應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，支持管理員與普通用戶(hù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用層操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)3D打印機(jī)實(shí)施指令，并通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊進(jìn)行TCP/UDP數(shù)據(jù)傳輸，將指令傳達(dá)于終端，進(jìn)行實(shí)際工作。本系統(tǒng)旨在為管理員（老師）與普通用戶(hù)（學(xué)生）提供便捷與服務(wù)。管理員擁有最高權(quán)限，可進(jìn)行系統(tǒng)的所有操作，功能如圖2所示。普通用戶(hù)只擁有部分權(quán)限，且可由管理員分配信息和設(shè)置權(quán)限，功能如圖3所示。

圖2 管理員系統(tǒng)功能模塊圖

圖3 普通用戶(hù)系統(tǒng)功能模塊圖

（1）管理員（老師）模塊

①登錄模塊中，管理員通過(guò)賬號(hào)和對(duì)應(yīng)的密碼進(jìn)行登錄。

②上傳模塊中，管理員可上傳文檔和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的分?jǐn)?shù)。

③查看/修改模塊中，管理員可查看任意用戶(hù)上傳的信息，增加或刪除某用戶(hù)的操作權(quán)限。

④監(jiān)測(cè)模塊中，管理員可添加對(duì)應(yīng)3D打印機(jī)設(shè)備號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打印機(jī)情況。

（2）普通用戶(hù)（學(xué)生）模塊

①登錄模塊中，普通用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)名（如學(xué)號(hào)）和對(duì)應(yīng)的密碼登錄網(wǎng)頁(yè)。

②預(yù)約模塊中，普通用戶(hù)可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約，系統(tǒng)將其所提交的預(yù)約信息自動(dòng)發(fā)送至管理員郵箱等待管理員查收。

③上傳模塊中，普通用戶(hù)可將已完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行上傳。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)終端測(cè)試

測(cè)試管理員功能，001號(hào)3D打印機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，接入室內(nèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，選擇打印模型一號(hào)。以管理員身份登錄網(wǎng)頁(yè)，選擇監(jiān)測(cè)001號(hào)3D打印機(jī)工作狀態(tài)，網(wǎng)頁(yè)接收工作狀態(tài)信息如表1。

表1 打印機(jī)工作狀態(tài)信息表

打開(kāi)3D打印LCD屏，進(jìn)入信息欄目，對(duì)比數(shù)據(jù)無(wú)誤，終端功能實(shí)現(xiàn)正常。

3.2 ESP8266模塊測(cè)試

將ESP8266正常接線(xiàn)上電，使用USR-TCP232-Test軟件，以建立TCP連接為例進(jìn)行芯片功能測(cè)試：

（1）創(chuàng)建服務(wù)器；

（2）開(kāi)啟多連接模式；

（3）建立TCP連接；

發(fā)送命令A(yù)T+CIPSTART=2,"TCP","192.168.1.109",8080，軟件界面顯示OK Linked，建立連接成功。

（4）測(cè)試與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸。

發(fā)送命令A(yù)T+CIPSEND=2,10后接收串口數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度滿(mǎn)length時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。電腦顯示數(shù)據(jù)發(fā)送成功，返回SEND OK。此時(shí)連接已建立，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)。證明該ESP8266芯片工作正常。

3.3 丟包率測(cè)試

表2 丟包率測(cè)試

由表2和圖4可見(jiàn)，本系統(tǒng)的丟包率隨著發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的逐步增加，其大小開(kāi)始上升，證明Web模塊工作正常。

圖4 丟包率測(cè)試圖

4 結(jié)語(yǔ)

相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室模式，本文闡述的實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有操作方便、信息實(shí)時(shí)更新、設(shè)備動(dòng)態(tài)管理以及系統(tǒng)維護(hù)成本低的特點(diǎn)。其采用新興的3D打印機(jī)，結(jié)合及時(shí)性強(qiáng)的遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)、高效、低成本的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，極大地提高了實(shí)驗(yàn)室工作的效率。

[1]周旋，諶建飛，趙丹等.基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)教育信息化，2017.

[2]馬健.基于Web的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中北大學(xué)，2016.

[3]卜曉曉.基于Android和Wi-Fi的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江蘇大學(xué)，2016.

[4]張宏強(qiáng).基于嵌入式Web遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安科技大學(xué)，2015.

[5]李松濤，周成虎.基于WSN的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014.

[6]楊威，高文華.Linux平臺(tái)智能家居的本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013.

湖南工業(yè)大學(xué)校級(jí)研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“面向3D打印的實(shí)驗(yàn)室智能遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的研發(fā)”。