共享3D打印机的物联网设计

荣金立 张厚今 魏光村

摘要：共享3D打印机秉承“共建共享”的理念，将个人或者高校长期闲置的3D打印机充分利用起来，利用OctoPrint开源上位机软件结合ngrok内网穿透技术，物联控制3D打印机，实现其共享化、平民化，降低3D打印技术使用的门槛和费用。

关键词：互建共享;OctoPrint;ngrok;内网穿透;物联网

1 研究背景及需求

1.1研究背景

正如《2017～2023年中国3D打印行业分析报告》中所指出，3D打印技术因其特殊的增材制造方式，体现出极高的加工自由度，适合加工形状复杂的、个性化的零件和物品，摆脱了传统的人工经验加工方式，实现数据输入后自动打印，大大降低体力劳动和操作难度，具有传统制造方式无法比拟的优点。在未来，3D打印技术有望成为5G物联网时代的支柱性技术支撑，让制造业成为更智能化、规模化和个性化的“智造”[1]。

但是报告也指出3D打印行业在强势辉煌崛起的同时，也暴露出诸如打印周期长、耗材昂贵、仍需操作人员部分干预、相较于传统制造法不划算等先天缺点。中国国内大多数产能和优秀的3D打印企业主要集中于服务环节，且存在品牌杂乱、整体质量相差较大、服务内容单一等缺陷，在生产服务中经常会出现实际与市场脱离的现状。中国的3D打印行业虽然呈现出快速发展趋势，但离普及仍需要很长一段时间，主要是耗材和设备昂贵、打印速度慢、耗材类型有限、产业链配套待完善等因素。

1.2市场需求

云智能+個性化定制服务平台已经成为国内市场的潮流，更适应和满足当今消费者的潜在需求。3D打印公司采用分布式制造模式，社会大众通过众包方式参与产品制造全过程，形成了基于企业的3D打印云智能+分布式定制模式。其基于节点企业个性化解决方案、全价值链整体解决方案、商业生态圈跨界解决方案进行商业模式创新，不但为满足消费者的个性化定制需求提供了定制模式和商业化策略，而且为拓展3D打印的主流应用市场提供了重要的理论支撑与决策借鉴[3]。

3D打印消费市场更倾向于用户需求的多样化和个性化，然而互联网众包模式有其限制性，个性化定制并不能完全释放其潜力，云智能3D打印模式[3]也有其实时性差和人工交流有偏差导致打印效果不尽如人意等弊端。针对市场需求和现有弊端，本设计基于“共建共享”的理念，目前主要是以个人和高校的3D打印设备为依托，提供一套较为完整的3D打印物联网解决方案，解决广大3D打印消费者的痛点，旨在降低设备采购门槛的同时，将操作简化和实时化，实现完全的监控和操控，基本实现无人化的物联网3D打印。

2 总体设计框架

3D打印机的物联网设计方案分两条核心思路走：如何控制3D打印机和如何链接到物联网上。如图1所示设计采用上位机树莓派控制下位机arduino，进而达到控制3D打印机。设计采用内网穿透技术及物联网交互平台，让3D打印设备链接到物联网交互平台，并且供用户登录连接使用，真正实现人人共享使用。

3D打印机在接入物联打印平台后，不间断地接受用户的打印订单，同时因为摄像头实时记录打印机工作状况，所以可以应对突发状况的风险处理，不需要人的参与。用户可以在物联打印平台上进行登录和查看设备列表等操作，同时查看打印的切片视频，对自己的整个操作可以更清晰直观，并且对打印过程更具掌控。工件打印完成后，机械爪将自动抓取物体到盒子中，然后物品通过物流网络快递到用户所填地址。

3物联网设计方案

如图2流程图所示，用户发出物联网打印请求后，通过系统的密码授权登录，部署在阿里云服务器上的ngrok反向代理软件为https流量隧道提供内网穿透服务，链接到本地的树莓派上位机，启动上位机控制软件OctoPrint，控制下位机arduino进行3D打印操作，体现在用户视角则是可以在任何地方，任何终端，无限制地直接物联访问和控制3D打印机。个人用户可以享受3D打印机带来的便捷服务，并且高效利用闲置的3D打印机设备，提高整体效能。

树莓派搭载Debian系统，以开源的3D的OctoPrint项目为基础，打造出可以本地局域网控制的上位机控制台。OctoPrint前段Web应用接收的3D模型文件将通过PHP脚本输出到数据库指定目录，部署在本地的开源CuraEngine加载、分析和修复3D模型，将3D模型切成2D图层，为每个层生成GCode编码，基于RPI CNC板将实时CNC控制器（运行GRBL的微控制器）与强大的信用卡大小的微型计算机（Raspberry Pi）相结合，板子直接插入Raspberry Pi通用输入/输出引脚，微控制器和Raspberry Pi通过串行通信，实现在本地控制3D打印进程。OctoPrint配有摄像头[5]，可以实时观看3D打印进程并切片延时拍摄视频流[6]，同时可以接受3D打印机内置传感器温度数据，监测异常，预防风险发生。方案采用自动开机服务脚本，插上电源即可自动开始工作，减少配置要求和终端命令输入。

ngrok是一款反向代理软件，可以让用户能够通过一台部署有ngrok的中转服务器访问在内网中的一台设备。其用途类似与端口映射，把一台内网中的机器的端口映射到具有公网IP的另一台机器的端口[7]。ngrok使得内网的机器和外网的机器维护一条通讯链接，同时为了避免链接的中断，还需要通过心跳等途径维持链接。这条链接保证了外网机器能够随时和内网通信。为了保证通信性能，外网机器和内网机器制定了一种协议，外网的机器可以通过协议请求内网的机器创建多条联通外网机器的链接以供传输。保证请求可以被并行地响应，并保证性能. 通过这种并行的反向代理方式，实现树莓派上位机并入到物联网中。

设计方案还采用开源armPi机械臂[8]，拥有四个自由度，可以自定义拆解打印底座，将黏附在热床上的打印工件准确抓取到盒子中，并且阿里云服务器后端调用数据库信息，将工件邮寄到消费用户所在地址，实现无操作人员管理。

4结语

我国工业正在转型升级，《中国制造2025》和《国家增材制造产业发展推进计划（2017-2020年）》的出台，将3D打印产业发展上升到国家战略[9]。通过政策引导，在社会各界共同努力下，我国增材制造产业实现快速发展。但与发达国家相比，我国增材制造产业尚存在关键技术滞后、创新能力不足、专用材料性能亟需提高、高端装备及零部件质量可靠性有待提升、应用广度深度有待提高等问题。在5G时代的风口与万物互联的物联网时代到临之际，笔者希望通过3D打印机的物联网设计，以共享的方式拓展3D打印行业的应用深度和广度，降低设备使用门槛和社会成本，使得3D打印技术的便利性普惠大众，将3D打印技术集合物联网、云计算等新技术，充分发挥优质服务和刺激行业创新潜力。

参考文献：

[1]吴怀宇.3D打印给中国智造带来新机遇[J]. 中国国情国力， 2017（9）：27-29.

[2]Wijnen B， Anzalone G C， Haselhuhn A S， et al. Free and Open-source Control Software for 3-D Motion and Processing[J]. Journal of open research software， 2016， 4（1）.

[3]付大鹏， 周威. 工程训练互联网+3D打印和智能制造教学探索[J]. 中国教育技术装备， 2017（12）.

[4]孟炯. 满足个性化需求的3D打印定制模式创新——兼论实现个性化定制模式的商业化策略[J]. 科技进步与对策， 2016， 33（15）：22-29.

[5]寇晓斌， 张涛， 张佳伟. 基于Mjpg_Streamer的跨内网视频监控系统研究[J]. 电脑知识与技术， 2017（21）.

[6]李长才. 基于嵌入式Linux视频图像采集及其无线传输的研究[D].

[7]夏治安， 齐华， 刘军. 远程巡防定位管理系统设计与研究[J]. 机械与电子， 2018.

[8]曹东， 闫银发， 宋占华，等. 农业轮式机器人PI鲁棒-滑模控制——基于RBF神經网络[J]. 农机化研究， 2019（3）.

[9]周济. 智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J]. 中国机械工程， 2015， 26（17）：2273-2284.