基于WiFi的3D打印機遠程控制系統設計

靳 濤, 馬 杰, 楊立闖

(河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401)

0 引 言

3D打印的3.0時代的到來，提供了3D打印技術[1,2]與WiFi技術相結合的方案[3]，基于移動終端無線網絡技術，3D打印由傳統單一設備的“制造”向網絡信息化的“智造”轉型。改善傳統打印機電纜連接通信的弊端[4]，利用移動終端設備實現3D打印機數據的遠程實時交互。

本文基于嵌入式實時系統設計一種3D打印機遠程控制系統，利用WiFi模塊將下位機STM32主控芯片與用戶Android移動控制端連接，建立用戶與3D打印機之間的無線傳輸網絡，用戶通過Android移動終端可以對3D打印機的實時控制，節省了用戶現場觀察的不必要時間。該系統具有結構簡單、成本低、功耗低、易安裝等優點。設計重點為3D打印機的控制系統與Android移動終端的遠程控制系統設計。

1 系統整體框架設計

1.1 3D打印機無線網絡系統設計

3D打印機無線網絡系統由WiFi模塊建立一個核心網關，協調上層應用層與底層無線網絡節點的數據交互。3D打印機的各項參數經WiFi網絡傳至用戶移動終端。本文采用WiFi模塊的接入點(access point,AP)模式和STA(station)模式[5]。AP模式下，WiFi模塊是無線網絡的中心節點，Android移動終端連接打印機無線網絡熱點，在不需要基礎設施的情況下快速組建局域網進行數據傳輸。STA模式下，WiFi模塊是無線網絡的終端節點，通過網關連接到Internet網，與遠端TCP 客戶端相連。這種組網方式可將3D打印機的數據通過無線路由器的橋接功能轉發到服務器的網關進行處理，Android移動終端則通過外網直接訪問服務器的IP地址，進而得到打印機數據，實現3D打印機的遠程控制。3D打印機無線網絡控制系統整體框架如圖1所示。

圖1 無線網絡系統整體框架

1.2 3D打印機控制系統設計

3D打印機控制系統整體框架如圖2所示，主控制器為STM32F405，通過USB OTG電路讀取U盤里的Gcode模型文件，主控芯片逐行解析文件中的G指令，對步進電機的轉速方向、位置偏移量和速度精確控制，其中4路步進電機驅動分別控制X,Y,Z和擠出機的步進電機的驅動脈沖。3路限位開關用于反饋步進電機的位置信息，定位打印的初始和結束位置。主控制器分別通過三極管開關電路及比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)算法控制噴頭加熱棒和熱床溫度，噴頭采用K型熱電偶經SPI接口反饋主控制器，熱床采用DS18B20單總線溫度傳感器采溫反饋到主控制器，對3D打印機的溫度系統實時控制。Android移動終端的APP通過WiFi網絡傳輸打印數據。

圖2 3D打印機控制系統整體框架

2 硬件電路設計

2.1 主控芯片

系統控制電路的主控芯片為ARM內核的STM32F405微控制器，內部含有1MB Flash，256 kB RAM，168 MHz工作頻率，完全可以運行RT—Thread實時操作系統。

2.2 WiFi無線通信電路設計

采用USR—C215芯片，該無線模塊設有3種WiFi工作模式：STA，AP，AP+STA，可以提供十分靈活的組網方式和網絡拓撲方法。主控制器與該模塊實現串口數據到網絡數據的透傳，包括Socket透傳和Http Client透傳，可實現3D打印機快速組網。USR-C215電路原理如圖3所示。

圖3 USR—C215電路原理

2.3 步進電機的驅動電路設計

設計的電機驅動模塊采用Allergro公司的A4988電機驅動器，可在全、半、1/4,1/8及1/16步進模式時操作步進電機，輸出驅動性能可達到35V及±2A。

本文采用1/16細分，即將MS1，MS2，MS3引腳置高，主控制器只需控制驅動模塊的EN，DIR，STEP 3個引腳即可完全控制步進電機驅動。其中，EN為步進電機的使能端，DIR為步進電機的方向控制端，STEP為步進電機的脈沖輸入端[6]。步進電機驅動電路原理如圖4所示。

圖4 步進電機驅動電路原理

2.4 USB OTG電路設計

USB OTG電路是3D打印機中用于接插U盤的接口電路，為保證信號傳輸正常，抑制干擾，USB的D+和D-兩根線要差分處理，同時串聯差分阻抗，以防止信號反射。本設計為防止熱插拔中靜電的干擾，采用PRTR5V0U4D靜電保護芯片來保護D+，D-，VBUS引腳的功能。USB OTG電路原理如圖5所示。

圖5 USB OTG電路原理

3 軟件系統設計

3.1 嵌入式系統的選擇

本文選用了RT-Thread實時操作系統[7]，具有實時性、穩定性、可裁剪性的特點。系統中的任務采用線程來實現，通過線程來描述任務的優先級和上下文關系，并通過系統提供的調度器將最高的就緒線程運行。

本文的3D打印機遠程控制系統，需要將各自功能設計成各自可調度的，序列化的并行執行程序線程，將3D打印機的功能：電機驅動、WiFi傳輸、U盤G命令解析、加熱控制、液晶顯示劃分為執行任務，RT—Thread操作系統根據任務的優先級來執行對應的任務操作。各應用線程創建完后，由調度器根據各個線程的優先級先后進行調度。每個線程將在就緒、運行、掛起3個狀態不停切換，從而3D打印機的各個線程得以實時運行。3D打印機遠程控制系統流程如圖6所示。

圖6 3D打印機遠程控制系統流程

3.2 WiFi模塊底層通信

WiFi模塊的底層配置主要實現串口數據的收發與報文的廣播。本文采用緩沖機制和信號量來收發串口數據，即將數據存儲到串口寄存器，并保存到環形緩沖區buffer中，定義head變量標記當前寫入的位置，tail變量表示發送數據的位置，同時標記當前數據處理長度len。當接收指針指向緩沖區末尾時，只要緩沖區頭的數據被處理，緩沖區指針會重新指向頭位置，這樣當數據處理線程阻塞時，連續收到的數據會保存到緩沖區中而避免了丟失。當數據處理的線程處于就緒狀態，則開始數據處理，要求處理數據的速度高于接收到的數據，緩沖區部分設計為一個結構體。

本文為WiFi模塊設計一個獨立的線程用于WiFi數據處理，其優先級為23，系統上電后會輪詢WiFi模塊的NREADY與NLINK引腳狀態，判斷WiFi模塊是否啟動完畢,是否有WiFi節點接入，紅綠發光二極管指示當前連接狀態。主控制器將接收WiFi數據按特定協議解析數據，實現控制3D打印機的操作；反之，3D打印數據通過串口發到WiFi模塊，并廣播到AP節點。WiFi底層流程如圖7。

圖7 WiFi底層流程

3.3 電機行程規劃

本系統采用開環控制步進電機驅動命令，然后對命令的參數進行解析，從而驅動4路步進電機的協調運動。其中U盤里的運動指令包括電機運動的坐標位置，速度大小，每層的高度等參數。在解析命令過程中，需要加入一個緩沖區協調讀取與解析命令的時間差。為防止電機在啟動和停止時發生失步和過沖，需以電機的啟動頻率啟動然后增加到工作頻率，在停止時電機先降低到脈沖頻率最后降低到截止頻率，因此電機的運動采用S型曲線算法。流程如圖8所示。

圖8 電機行程管理

3.4 Android移動終端軟件設計

本文Android移動終端基于adt-bundle-eclipse開發平臺，采用Java語言開發。

設計將USR—C215的WiFi模塊設計成服務器，將Android移動終端設計成客戶端，二者之間的數據傳輸采用TCP/IP協議，通過Socket通信[8～10]。

USR—C215 WiFi模塊作為無線網卡，將IP地址映射到無線路由器中，這里使用動態配置網關。本文通過開啟后臺的IP地址連接服務，采用key—value鍵值對來存儲變化的IP與端口號。客戶端連接服務器Socket的IP與端口號后，建立Socket實例對象，通過InputStream讀取數據，通過OutputStream將數據封裝發送，完成服務器與客戶端的數據對話。

為實時查看打印機中的狀態數據，需開啟U盤文件監聽，打印狀態數據監聽以及打印控制命令監聽，每隔100 ms會更新1次監聽數據?？蛻舳私邮誛iFi模塊節點數據，通過Broadcast同步廣播機制，將數據發送到不同的廣播接收進程進行數據處理。Android 移動終端流程如圖9。

圖9 Android移動終端流程

4 系統測試

本設計采用WiFi的STA模式測試，WiFi模塊的IP映射到本地的無線路由器，Android移動終端則通過外網連接無線路由器的靜態IP與端口，實現WiFi模塊—無線路由器—Internet—Android移動終端之間的數據傳輸通路。

4.1 測試流程

1)登錄:打開軟件進入登錄界面，輸入正確的用戶名和密碼，跳轉到應用程序的主界面,如圖10(a)所示。

2)設置服務器的IP與端口號:設置遠程路由器的靜態IP和端口號,如圖10(b)所示。

3)數據傳輸:選中U盤按鍵，即可讀取U盤文件列表，選擇打印文件模型，如圖10(c)所示，轉至“打印狀態”界面，如圖10(d)所示，即可開始模型打印。3D打印機的電機歸位原點，等待噴頭、熱床溫度升至打印溫度，即可開始讀取U盤G指令，并打印模型。在打印過程中，可遠程查看打印機的打印數據、控制打印機的停止、熱床溫度、自動斷電等操作。當打印出現異常，如在打印過程中噴頭降低到目的溫度以下，手機會啟動聲音報警，及時提醒用戶，并采取相應措施。提高打印的成功率。

圖10 Android智能手機移動界面

4.2 數據傳輸測試

3D打印機遠程數據傳輸測試如表1。通過對3D打印機不同距離的多次模型打印測試，得出結論：手機端登錄路由器公網IP的WiFi網絡，即可異地遠程控制打印機。在毫秒(ms)級上可以達到手機端與3D打印機數據的實時交互，且信號強度在-75～-60 dBm以內，遠程數據傳輸丟包率均小于2 %，滿足無線遠程傳輸要求，達到了設計目的。

5 結 論

實際測試證明，用戶通過手機實現了遠程控制3D打印機的功能。移動終端通過對U盤、電機、溫度系統的數據監聽，保證了移動終端與網關數據的實時交互，為用戶查看打印狀態帶來了很大的便利，提高了打印的成功率。