基于Ardiuno的3D打印實驗室遠程監測系統的設計與實現

◆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打印實驗室遠程監測系統的設計與實現

◆袁容1羅欽通訊作者1龍海軒2何雅萱1龍俊琪1

(1.湖南工業大學電氣與信息工程學院 湖南 412007；2.湖南工業大學計算機與通信學院 湖南 412007)

針對3D打印實驗室管理任務繁重，3D打印數據難以實時獲取的現狀，本文提出了3D打印實驗室的遠程監測系統的設計方案。本系統由遠程終端模塊（基于Arduino）、遠程通信模塊（采用ESP8266芯片）和Web應用模塊組成。本系統經由路由器可對實驗室的機器打印進度、機內熱床以及噴頭溫度進行實時監測與反饋。系統經調查與實驗表明，該系統實時性強，便于學生使用與教師管理，能夠有效提高實驗室的管理效率。

3D打印機；實驗室遠程監測；ESP8266；Web

0 前言

隨著科技的迅速發展，遠程監測技術正在逐漸被人們所認知和重視。目前國內市場3D打印機尚缺乏較成熟且易于推廣的遠程監測系統，所建設的3D打印實驗室大多以單機版打印機進行教學，實驗室管理員難以及時發現打印機出現的故障，且學生實驗方式較單一。針對以上問題，本論文提出的3D打印實驗室遠程監測系統，能夠滿足實驗室管理員和實驗者的不同需求，為3D打印實驗室提供人性化、開放性的管理方式。

1 系統總體框架

3D打印實驗室遠程監測系統通過登錄實驗室監測網頁，遠程獲取3D打印機的設備數據。本系統的總體框架設計分為遠程終端模塊、遠程通信模塊和Web應用模塊三大模塊，總體框架如圖1所示（注：該3D打印機使用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 系統總體框架圖

遠程終端模塊對應實驗室Prusa i3結構3D打印機。每臺3D打印機均配置ESP8266WIFI模塊，實現3D打印機無線遠程通信的功能。

遠程通信模塊所采用的ESP8266是一個能夠搭載軟件應用，實現WIFI網絡功能嵌入的芯片。其可添加到任何基于微控制器的設備中，通過簡單的串口連接便可通過SPI/SDIO接口或者中央處理器AHB實現通信。

Web 應用模塊由Web 服務器和數據庫服務器組成，實現對實驗室數據的存儲和處理及數據反饋與報告管理的功能。本網頁采用目前最流行的J2EE技術，使用spring boot框架結構進行開發，使用html、Javascript與css設計網頁內容，并采用velocity渲染模板將java代碼從web頁面中分離出來，且系統數據庫選擇穩定高效的 My SQL 數據庫來組織、存儲和管理數據。

2 系統模塊設計

2.1 系統模塊介紹

（1）遠程終端模塊

Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的微控制板，有54路數字輸入/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頭和復位按鈕，適合作為實驗室3D打印機主板。其上傳Marlin固件才可以使用，通過配置固件通信波特率，控制板類型，擠出頭個數，溫度傳感器類型等函數，從而實現主板的控制功能。使用RAMPS擴展板提供擴展接口，并連接Arduino MEGA平臺時，就擁有充足的擴展空間。

（2）遠程通信模塊

無線WIFI模塊與3D打印機作為STA終端，連接到局域網中的路由器上，通過路由器與服務器進行數據交互，組成一個無線網絡。

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，且其價格低廉、開發簡單。該芯片具有一個自成體系的WiFi網絡解決方案，其高度片內集成，包括前端模塊在內的整個電路所占PCB空間非常小，可將用戶的物理設備連接到WiFi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信。

WiFi模塊采用UART和控制器進行通信。使用STM32搭載ESP8266進行設置，STM32通過串口TX發送AT指令對WiFi的工作模式、UART波特率、建立連接等相關參數進行設置。STM32的UART接收端口RX則接收WiFi模塊從移動端接收到數據和指令。設置成功后將芯片與終端連接，當移動端和3D打印終端建立無線連接后，就可以實現數據雙向通信了。將ESP8266與3D打印連接完畢以后，進行ESP8266固件編程與燒寫，最后使用AT指令設置模塊。

（3）Web應用模塊

本模塊開發的框架，將系統的開發任務分為表現層和業務邏輯層以及數據訪問層。第三層的功能是對數據庫數據進行各種基礎操作，并為業務邏輯層或表示層提供數據服務。而第二層則是在數據訪問層的基礎之上，把數據層的一些操作進行組合，對數據進行業務邏輯處理。第一層主要表示為Web方式，用于顯示數據和接收用戶輸入的數據，實現用戶與網絡管理系統的交互。

2.2 功能設計

本系統通過Web應用模塊實現網頁的開發與設計，支持管理員與普通用戶實現系統應用層操作，對實驗室內3D打印機實施指令，并通過遠程通信模塊進行TCP/UDP數據傳輸，將指令傳達于終端，進行實際工作。本系統旨在為管理員（老師）與普通用戶（學生）提供便捷與服務。管理員擁有最高權限，可進行系統的所有操作，功能如圖2所示。普通用戶只擁有部分權限，且可由管理員分配信息和設置權限，功能如圖3所示。

圖2 管理員系統功能模塊圖

圖3 普通用戶系統功能模塊圖

（1）管理員（老師）模塊

①登錄模塊中，管理員通過賬號和對應的密碼進行登錄。

②上傳模塊中，管理員可上傳文檔和實驗報告的分數。

③查看/修改模塊中，管理員可查看任意用戶上傳的信息，增加或刪除某用戶的操作權限。

④監測模塊中，管理員可添加對應3D打印機設備號，實時監測打印機情況。

（2）普通用戶（學生）模塊

①登錄模塊中，普通用戶通過用戶名（如學號）和對應的密碼登錄網頁。

②預約模塊中，普通用戶可進行實驗預約，系統將其所提交的預約信息自動發送至管理員郵箱等待管理員查收。

③上傳模塊中，普通用戶可將已完成的實驗報告進行上傳。

3 系統測試與結果分析

3.1 系統終端測試

測試管理員功能，001號3D打印機進入待機狀態，接入室內無線網，選擇打印模型一號。以管理員身份登錄網頁，選擇監測001號3D打印機工作狀態，網頁接收工作狀態信息如表1。

表1 打印機工作狀態信息表

打開3D打印LCD屏，進入信息欄目，對比數據無誤，終端功能實現正常。

3.2 ESP8266模塊測試

將ESP8266正常接線上電，使用USR-TCP232-Test軟件，以建立TCP連接為例進行芯片功能測試：

（1）創建服務器；

（2）開啟多連接模式；

（3）建立TCP連接；

發送命令AT+CIPSTART=2,"TCP","192.168.1.109",8080，軟件界面顯示OK Linked，建立連接成功。

（4）測試與服務器之間數據傳輸。

發送命令AT+CIPSEND=2,10后接收串口數據，當數據長度滿length時發送數據。電腦顯示數據發送成功，返回SEND OK。此時連接已建立，可以進行數據的雙向收發。證明該ESP8266芯片工作正常。

3.3 丟包率測試

表2 丟包率測試

由表2和圖4可見，本系統的丟包率隨著發送數據包個數的逐步增加，其大小開始上升，證明Web模塊工作正常。

圖4 丟包率測試圖

4 結語

相比傳統的實驗室模式，本文闡述的實驗室遠程監測系統具有操作方便、信息實時更新、設備動態管理以及系統維護成本低的特點。其采用新興的3D打印機，結合及時性強的遠程通信，實現了對實驗室的實時、高效、低成本的數據監測，極大地提高了實驗室工作的效率。

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湖南工業大學校級研究性學習與創新性實驗項目“面向3D打印的實驗室智能遠程管理系統的研發”。