基于3D打印的智能控制臺燈的設計

劉 麗，王 堯，馬虎兵

（中國礦業大學銀川學院 寧夏 銀川 750000）

1 引言

隨著科技的發展，3D打印技術已經引起了公眾的關注，且發展迅速，并成為了人們研究與開發的熱門領域[1]。而智能化的到來，對于產品的設計更是畫龍點睛，使其功能達到多元化、智能化[2]。本文主要對基于3D打印的智能控制臺燈的前期設計建模、3D打印實體模型、ESP8266搭載物聯網技術及溫濕度傳感器的智能控制程序做了基本的介紹。

2 產品的主體設計

2.1 主體構思

將我校標志性建筑——圖書館，作為本設計的主體，用以紀念學子們的大學時光。在此基礎上，外加兩側鑲嵌式筆筒的設計，使本設計實現了使用的多元化及個性化。通過帶有校徽的開關設計以及包覆的文字性校訓，將本校的辦學理念及文化特色彰顯得淋漓盡致。

2.2 主體的建模

采用SolidWorks繪圖軟件，對其主體進行建模。

2.2.1 燈座的設計

利用凸臺拉伸、切除拉伸、鏡像、圓角、線性陣列、放樣、包覆以及基準面建立等指令完成以礦院圖書館為本體的燈座。

2.2.2 筆筒的設計

筆筒通過拉伸、切除、放樣、抽殼以及基準面建立等命令，設計為可拆卸式，可以根據需求者不同的審美，設計不同的款式，完美鑲嵌在圖書館型燈座的兩側，用來收納。

2.2.3 拉伸LED燈架的設計

作為一款折疊類型的臺燈，采用目前市場上已有折疊臺燈的折疊原理，通過拉伸、切除、凸臺、線性陣列、圓周整列、圓角、倒角、鏡像、放樣以及基準面建立等指令設計出燈架部件，可調節燈光角度及高低。在此燈架旁設置內槽作為布線槽，連至LED燈使其工作，燈臂內槽外有擋板使其整體效果更美。

2.2.4 手動開關的設計

通過拉伸、切除、圓角等指令將開關設計成校徽樣式嵌入圖書館頂端，通過預留的線孔與控制主板連接，實現手動控制臺燈的開關。

2.2.5 校訓的引用

為了使作品外觀更為精美，在燈座的背部選用學校校訓以及勵志性句子，利用包覆命令將其設計在圖書館燈座的背面，同時更能彰顯本校辦學理念及治校精神，集中體現本校的教風、校風、學風。

2.2.6 零件裝配

將繪制好的燈座、筆筒、燈架等所有零件圖插入到裝配圖里面，在裝配圖里進行簡單的裝配，運用平行、重合、垂直、相切、同軸心等關系進行裝配，完成該智能臺燈的裝配體。

2.2.7 建模實體的渲染

運用SOLIDWORKS中的渲染功能進行建模實體的渲染操作，渲染出外觀精美的作品。

2.3 3D打印實體的制作

3D打印技術是綜合利用CAD技術、激光技術、數控技術、材料科學以及機械工程電子技術的技術集成，以實現從零件設計到三維實體原型制造一體化的系統設計。它是一種基于離散堆積成型思想的新型成型技術，是由CAD模型直接驅動的快速完成任意復雜形狀三維實體零件制造的技術的總稱。

本設計采用的是熔融沉積式（FDM）又稱為熔化堆積法、熔融擠出成模(Melted Extrusion Manufacturing，MEM)等。其具體工藝過程為：絲材在供絲機構的帶動下到達熱熔噴頭，并被加熱至熔融狀態，經噴頭擠出，到打印平臺上；在控制系統的控制下，沿著設計模型輪廓線的規劃途徑在平面內移動，在平臺打印一層所有結構后，打印平臺在步進電機控制下，下降一個分層厚度的高度再進行第2層的打印，直至打印完成[3]。

將所繪制好的臺燈主體部分以及折疊部分，建模下載到3D打印機上進行打印，所選原材料為絲狀，利用熔融沉積的原理將原材料熔融逐層堆積，最終完成實體的打印制作，打印出來的顏色為乳白色，經過噴漆以及組裝，完成該臺燈的主體制作。見圖1。

圖1 臺燈主體制作

3 智能控制設計編程

3.1 光源的選用

臺燈的使用，要滿足桌面照明要求、光線穩定無頻閃、無眩光的國家標準，還要考慮節能、高效、環保等，而LED的發光效率超過白熾燈10倍左右，高于節能燈和熒光燈；光線中沒有紫外線和紅外線等輻射光線，光線質量好，對于長時間的閱讀和工作不會給眼睛帶來負面影響；顯色性好，適于閱讀照明；體積小，設計靈活；壽命長，節能環保，成本低[4]。所以，本設計作為一款節能綠色環保的臺燈，LED則是最佳光源的選擇。

3.2 ESP8266與溫濕度傳感器控制

ESP8266是一個完整且自成體系的Wi-Fi網絡解決方案，能夠獨立運行，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行。ESP8266在搭載應用并作為設備中唯一的應用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動，且內置的高速緩沖存儲器有利于提高系統性能，并減少內存需求。還有一種情況是，ESP8266負責無線上網接入承擔Wi-Fi適配器的任務，此時可以將其添加到任何基于微控制器的設計中。ESP8266高度片內集成，包括天線開關balun、電源管理轉換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模組在內的整個解決方案在設計時將所占PCB空間降到最小[5]。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[6]，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。而傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。

3.3 控制方式

本設計通過智能音響、手動開關、手機APP、手機語音助手等對其控制，見圖2。

圖2 控制設計

控制編程如下：

#define BLINKER_Wi-Fi

#define BLINKER_MIOT_LIGHT//引用小愛同學回調函數

#include ＜Blinker.h＞

char auth[] = "9b9916******";//點燈科技app中獲取到的Secret Key(密鑰)

char ssid[] = "LL";//無線Wi-Fi名稱

char pswd[] = "LL203772******";//無線Wi-Fi密碼

int GPIO = 0; //定義繼電器引腳

// 新建組件對象

BlinkerButton Button1("bt1");//注意：要和APP組件’數據鍵名’一致

// 按下BlinkerAPP按鍵即會執行該函數

void button1_callback(const String & state) { BLINKER_LOG("get button state： "，state); digitalWrite(GPIO，!digitalRead(GPIO));

Blinker.vibrate();

}

//小愛電源類操作的回調函數：

//當小愛同學向設備發起控制，設備端需要有對應控制處理函數

void miotPowerState(const String & state)

{

BLINKER_LOG("need set power state： "，state);

if (state == BLINKER_CMD_ON) {

digitalWrite(GPIO，LOW);

BlinkerMIOT.powerState("on");

BlinkerMIOT.print();

}

4 產品優勢

本產品的設計，采用先進的3D打印技術，從最初的建模到最后的產品成型，復雜的圖書館外形一次成型，大大降低了該產品制造的復雜程度及制造流程。其次，作為增材制造，提高了材料的利用率，大幅度降低了生產成本，加快了生產周期。學院圖書館的外形和背部的學校校訓及勵志文字，再加上承載開關的學校校徽，這些最具有代表意義的設計，賦予了此產品獨一無二的靈魂。臺燈的主體加上鑲嵌式筆筒，節省空間，實用性強；手動控制及智能控制，與傳統折疊臺燈及筆筒相比較更具個性化、智能化。這款臺燈的設計，操作和控制簡便，可實現多種形式控制，外觀精美，綠色環保，適用范圍廣泛，具有一定的藝術特色，加入人工智能控制，符合當代智能化發展。隨著3D打印產品日趨增加，該設計90%以上都需采用3D打印來完成，這也決定了生產趨勢的主導權，能靈活改變設計，迅速生產。其不論是作為學校形象代言品、畢業生贈品、學習型臺燈、辦公室用品、客廳擺飾，還是創意類商品，都有著廣泛的市場，發展前景非常可觀。