一种3D打印机网络云平台的设计方案

方统浩+吕宁

摘要：随着近年来3D打印逐渐融入我们的生活，传统3D打印服务模式的弊端也愈显严重，本文旨在对现有传统的3D打印服务上，运用云计算技术与传统3D打印相结合的方式，设计一种3D打印机网络云平台的设计方案，给用户提供新的解决方案和智能服务。经搭建测试后，平台的运作结果符合预期要求。

关键词：3D打印机；云计算；智能服务；云服务

引言

随着近年来3D打印逐渐融入我们的生活，其传统的打印方式的弊端也越显严重。传统的3D打印服务的有着“传统3D打印服务没有依靠云平台来作服务支撑”，“资源由于没有整合形成资源池，导致设备资源的调度极其不方便”等固有缺陷。所以本文的内容着力用“云”+“3D打印”的结合来解决传统3D打印方案的缺陷。

3D打印机+云的结合可以解决传统的3D打印不灵活的情况，可以实现“远程打印”，“一键打印”，“模型库共享”等功能，以提供全新的智能化3D打印解决方案。云平台有着“灵活”，“按需服务”，“无处不在的网络访问”等相对于传统平台的优势。

1 系统主要技术以及框架

1.1 3D打印云平台主要技术

其客户机采用了3D打印機+客户端的形式。3D打印机方面，主控平台采用Arduino MEGA 2560 + RAMPS，采用A4988步进电机驱动，人机交互采用LCD12864+HMI串口屏，与客户机通信方案有SD卡+Wifi+串口。服务器方面，采用CentOS操作系统，Web前端采用PHP，数据存储方面选择Mysql，在Web服务器方面采用Ngnix、技术。客户可以通过人机交互串口屏来实现3D打印机的本地打印，也可以联网通过云平台服务来进行一键打印与状态检测，以及模型文件上传下载等功能，实现“随时随地即可打印”。

1.2 系统框架

整体系统框架，如图2-1所示。

图2-1 整体系统框架图

2 3D打印机部分

2.1 Arduino Mega 2560 + RAMPS主控

Arduino Mega2560是基于采用ATmega 2560的AVR架构处理器的微控制板，其最大的特点在于拥有54路数字输入/输出，其中15路可以作为PWM输出，特别适合于大量IO接口的需求，16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器。Mega2560属于Mega的升级版，Arduino平台相比于传统硬件平台，拥有社区，以及设计完善的软件模块等优势。

2.2 LCD12864 HMI串口屏

采用LCD12864 HMI串口屏作为人机交互的手段，其最大的特点在于开发速度极快，可以自行利用PC机进行对其UI编程，拥有可编程智能LCD，触摸显示屏，嵌入式图形界面，上位软件自动在线升级等特点。

2.3 HC-05蓝牙模块

蓝牙模块BT-HC05模块是一款高性能的主从一体可以设置的蓝牙串口模块，模块的接口有串口、SPI接口、USB接口，可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对。产品开发中我们选用了串口进行通信。

2.4 软件部分

单片机编程采用Arduino Mega 2560 + RAMPS作为主控，可以跨平台开发，便捷灵活，方便上手。其程序初始化过程为：系统初始化、IO初始化、串口初始化、中断初始化、定时器初始化、HMI显示屏初始化。

3 客户端设计

3.1 本地打印

利用客户端程序，通过串口，Wifi，SD卡以及蓝牙的方式与3D打印机进行通信，来布置用户的打印任务，相对于传统打印没有什么较大的区别。

3.2 联网打印

利用云平台的优势，用户可以下载官方客户端，通过客户端访问服云端，实现例如“一键打印”，“模型上传”，“模型下载”，“在线3D工具”等功能以及各种行业解决方案。用户访问Web网站，账号与密码采用RSA加密算法进行加密存储于服务器的Mysql数据库中，用户通过HTTP协议GET请求与服务器进行通信，并且采用MD5校验算法来检验数据的完整性。

3.3 软件部分实现

3.3.1 图形用户界面

采用C++编程语言，图形用户界面应用开发采用比较流行的Qt程序开发框架，相较于传统的MFC与win32，Qt开发具有以下优点，如表3-1所示。

表3-1 Win32、MFC和Qt程序开发对比

可见，Qt除了运行效率低于传统的Win32与MFC，其余无论是从开发速度、可维护性、跨平台、学习难度等方面来讲，并且Qt可以解析HTTP协议，所以采用Qt作为图形用户界面。

3.3.2 客户端框架

考虑到Windows操作系统和Linux操作系统的一些内核设计上的差异性，由于Windows下多进程程序的开发对操作系统的开销十分巨大，决定采用多线程并发模式编程，采用高效的半同步--半异步并发模式。由于传统的半同步--半反应堆模式其中的循环队列需要临界区，所以其并发性会有瓶颈。而后者的循环队列采用的是原子性操作的管道（PIPE），所以采用高效的半同步--半异步并发模式。

其数据流走向过程如图3-1所示。

图3-1 半同步--半异步并发模式流程图

4 服务器设计

4.1 服务器开发环境

服务器操作系统为CentOS 6.7操作系统，相对于同样为Linux的Ubuntu，其特点在于CentOS相对于Ubuntu来讲更加稳定以及更加安全。用CentOS，不会因为在Ubuntu系统中安装带有Bug的应用程序版本而遇到任何稳定性方面的问题，这也是采用CentOS操作系统的原因之一。endprint

4.2 Nginx Web服务器

Nginx是一款开源代码的高性能HTTP服务器和反向代理服务器，通知支持IMAP、POP3、STMP服务。Nginx作为Web服务器，有着处理静态文件、索引文件以及自动索引效率高的优点；作为负载均衡器，内不支持Rails和PHP，并且也支持HTTP代理服务器，对外进行服务。同时支持简单容错和利用算法进行负载均衡

4.3 Web前端设计

采用PHP作为前端开发语言，采用AJAX方式与后端进行交互，来获得相关信息状态。

4.4 数据加密与数据存储部分

采用RSA加密算法对用户的用户名与密码进行加密，RSA算法是目前最具有影响力以及最常用的公钥加密算法，它能抵抗这个世界上绝大多数的密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。服务端接收其被加密过的用户名与密码，并将其储存在Mysql数据库中以方便后续查询。工作流程如图4-1所示。

图4-1 RSA加密算法与客户登陆流程图

5 系统测试

5.1 测试步骤

1.开启打印机，启动相关设备，可以尝试本地打印来测试打印机功能完整性；

2.通过浏览器访问相关网站，下载客户端程序；

3.登入客户端，输入用户名和密码，等待验证，进入客户端主控界面；

4.点击“模型库”，选中要打印的模型，点击“下载模型文件”；

5.点击“一键打印”，導入下载好的模型库，此时客户端和3D打印机液晶屏应该能正确显示打印进度以及温度等信息，此时可以测试“暂停打印”与“继续打印”功能；

6.若可以打印且打印完成，可以将打印过程信息数据和模型上传云端，测试其数据上传功能。

5.2 测试设备

本测试方案的所需的设备包括：3D打印机一台；PC机一台；用于调试的PC机一台。

5.3 测试数据

利用Wireshark网络分析包软件来进行抓取分析客户端与服务器之间的通信数据包，

其服务器响应控制码如表5-2所示。

表5-2 服务器响应控制码表

5.4 测试结果

1.3D打印机启动无问题，最基本的本地打印功能无问题；

2.客户端程序下载无问题；

3.模型库浏览无问题。用Wireshark进行抓包分析，其中HTTP请求与响应无问题；

4.一键下载功能无问题，打印机启动，此时液晶屏显示3D打印机目前的打印信息，如打印进度，温度等信息；

5.打印完成，本地打印信息文件生成无问题，点击“上传云端”，无问题，服务器接收成功。

测试结果如表5-3所示。

表5-3 测试结果

6 结语

云计算平台是未来众多技术发展的趋势之一，随着“互联网+”模式的逐渐普及，云计算平台也逐渐走进大众生活。相信未来的不久，3D打印+云平台的服务模式将成为主流的服务模式。

参考文献：

[1]万伟康，赵康，王文博等.3D打印机网络服务的智能云平台设计[J].单片机与嵌入式系统应用.2016，33（03）：19-22.

[2]张良杰，钟石根，郭凌等.基于物联网的在线打印出版云平台设计[J].信号与系统，2017，23（07）：37-41.

[3]王文涛，刘燕华.3D打印制造技术发展趋势及对我国结构转型的影响[J].科技管理研究.2014，34（06）：22-25.

作者简介：第一作者：姓名：方统浩（1996.10--）；性别：男；籍贯：黑龙江省尚志市；学历：本科.endprint