基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的3D打印機設(shè)計

王勝

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)漸漸地走入了我們的視線。本設(shè)計實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的3D打印機。采用了WiFi通信技術(shù)，藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)。以ATmega2560微型控制器為主控核心，來控制3D打印機的三個電機，以及解析STL文件，并控制加熱模塊進(jìn)行系統(tǒng)性協(xié)調(diào)控制。通過WiFi傳輸模塊建立通信，實現(xiàn)云平臺和3D打印機之間的信息連接。本設(shè)計使用的控制體系完善，實時性強及遠(yuǎn)程控制，效率高和成本低等優(yōu)點。

三維打印，是快速成型技術(shù)的一種工藝。以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，使用石膏粉，金屬粉或塑料絲等材料，采用層層堆積的方法制作出三維模型的技術(shù)。但是大部分的3D打印機都是傳統(tǒng)的單一設(shè)備，這是傳統(tǒng)3D打印機的一大弊端。使用移動通信技術(shù)可以實現(xiàn)3D打印機數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交流。

本文致力于設(shè)計一款全新的物聯(lián)網(wǎng)3D打印機，使用WiFi通信模塊建立Arduino控制器與云平臺之間的通信。使得用戶可以通過云平臺與3D打印機實現(xiàn)信息傳輸，然后通過一定驅(qū)動電路驅(qū)動電機，設(shè)計3D打印機的控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，首先3D打印機接收云平臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊分析數(shù)據(jù)，并建立好3D模擬圖型，將模型改為STL格式文件。Arduino控制器識別代碼文件并處理，發(fā)送相應(yīng)的指令到打印機各個部分，并做出響應(yīng)。

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的3D打印機主要分為硬件和軟件兩個部分，軟件部分主要是通過WiFi通信模塊建立通信網(wǎng)關(guān)，接入云平臺服務(wù)，并通過無線通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印機，用戶可以通過云平臺實時控制3D打印機。硬件部分主要分為5個模塊，分別為Arduino Mega2560模塊、WiFi通信模塊設(shè)計、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊、藍(lán)牙無線傳輸模塊、LCD液晶顯示屏模塊。Arduino Mega2560模塊作為3D打印機的控制核心，主要用來處理電腦所傳輸?shù)腟TL所解析的代碼文件。步進(jìn)電機驅(qū)動模塊的作用是控制三個電機X軸、Y軸、Z軸配合工作完成打印，藍(lán)牙模塊主要用于LCD顯示屏模塊和打印機之間的信息傳輸，LCD液晶顯示屏模塊主要用來實時監(jiān)測打印機的狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)3D打印機的總體設(shè)計框圖，如圖1。

（二）硬件設(shè)計部分

（1）Arduino Mega2560模塊

A r d u i n o是全球最流行的開源硬件平臺之一，Arduino已經(jīng)被用于數(shù)千個不同的項目和應(yīng)用程序中。Arduino軟件不僅易于初學(xué)者使用，而且對于高級用戶來說也足夠靈活，它是跨平臺的可以在在Mac、Windows和Linux上運行。3D打印機基于Arduino核心控制，ATmega2560微處理器為主控器，接收OneNet所發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊分析數(shù)據(jù)，并建立好3D模擬圖型，在分析，處理，生成相應(yīng)的代碼文件。

（2）WiFi通信模塊設(shè)計

本設(shè)計所采用的芯片是ESP8266，采用ESP8266作為研發(fā)平臺，主要是因為其超低成本，并且將處理器和WiFi芯片精致集成在一起，具有GPIO、PWM、I2C、ADC等功能。ESP8266是一個完整組自成體系的WiFi 網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用，就是說可以將應(yīng)用直接在ESP8266上運行，或通過另一個應(yīng)用處理器進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理，使用ESP8266的WiFi網(wǎng)絡(luò)功能。Arudino控制器和該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)串口通信，可以快速實現(xiàn)3D打印機之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

（三）步進(jìn)電機驅(qū)動模塊

3D打印機其打印過程主要通過X軸，Y軸，Z軸的協(xié)同完成，控制三個坐標(biāo)的運動，主要是通過步進(jìn)電機實現(xiàn)的。本次設(shè)計采用的步進(jìn)電機驅(qū)動模塊是A4988。該模塊有多個電機驅(qū)動接口，對三個電機能實現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。

（四）藍(lán)牙無線傳輸模塊

LCD液晶顯示屏與藍(lán)牙模塊傳輸指令時，為了提高傳輸效率性和快速性，添加了藍(lán)牙無線傳輸模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。本設(shè)計所采用的藍(lán)牙模塊是CC2541，通過配對協(xié)議之后，可以通過串口通信使得LCD液晶顯示屏與3D打印機控制體系之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和穩(wěn)定性。

（五）LCD液晶顯示屏模塊

LCD采用了了KNY3030A串口屏，3D打印機的所有參數(shù)狀態(tài)都是通過LCD液晶串口顯示屏模塊顯示。該顯示屏通過串口通信方式與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接，當(dāng)3D打印機接收到OneNet云平臺所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后，通過藍(lán)牙無線傳輸發(fā)送到LCD液晶顯示屏。通過LCD液晶顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，我們可以非常便捷地知道3D打印機的工作狀態(tài)，并且可以快速控制3D打印機。

（一）網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

由用戶通過OneNet云平臺傳輸信息，開啟和初始化WiFi無線通信模塊。WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)成功之后，將數(shù)據(jù)通過WiFi無線通信傳輸發(fā)送到數(shù)據(jù)接收模塊。如果接收到了數(shù)據(jù)，將由3D打印機中的數(shù)據(jù)處理模塊處理分析數(shù)據(jù)，3D打印機開始運作，3D打印機所采集到的數(shù)據(jù)通過反饋的方式到OneNet云平臺。

（二）云平臺軟件設(shè)計

本設(shè)計所采用的云平臺是OneNet物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，OneNet云平臺是由中國移動公司搭建的開放型平臺，為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，提供了簡便的云端接入，信息存儲，數(shù)據(jù)計算，能夠極其快速打造物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，極大節(jié)省了開發(fā)成本。OneNet所采用的協(xié)議是EDP協(xié)議，該協(xié)議能夠有效的提供設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋neNet云平臺在本設(shè)計中屬于數(shù)據(jù)發(fā)送部分，用戶通過OneNet云平臺向3D打印機傳輸信息，來達(dá)到遠(yuǎn)程控制打印機的目的。物聯(lián)網(wǎng)3D打印機的軟件部分流程圖，如圖2。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的3D打印機采用了云平臺服務(wù)，并使用了ZigBee技術(shù)，這是一種新興的無線通信技術(shù)，能夠滿足近距離的無線通信。采用的Arduino控制器具有具有功耗低，成本低等優(yōu)點。用戶可以通過云平臺向3D打印機傳輸數(shù)據(jù)，來控制3D的打印機的運作。LCD液晶顯示屏可以實時顯示3D打印機的各項參數(shù)，方便用戶查看3D打印機的狀態(tài)，能夠極大地提高打印機的效率及成功率。

作者單位：西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院