基于物联网的3D 打印控制终端

钟远平，胡云峰，陈李胜，何惠龙

（电子科技大学中山学院，广东 中山 528400）

3D 打印技术是一种快速成型技术，它通过将材料层进行堆叠黏合来制造产品，属于增材制造。物联网技术使机器、控制器、传感器、人员和物料等通过新的方式联在一起，形成物与物、人与物相连，并且可以实现远程管理控制。随着物联网技术的发展，物与物间的通信成为了可能，3D 打印机的远程控制和打印成为了该领域可以研究的点。基于物联网的3D 打印控制终端把3D 打印机和物联网技术进行结合，使用户可以应用3D 打印机的远程控制、打印等功能，让用户更加高效、便捷地打印3D 模型，对3D 打印机的发展和普及具有较大的意义。

1 总体设计方案

基于物联网的3D 打印控制终端工作于云服务器和3D 打印机之间。其中，云服务器与3D 打印控制终端使用TCP/IP 进行通信；3D 打印控制终端与3D 打印机使用串口进行通信。系统整体结构如图1 所示。

图1 系统整体结构框图

云服务器使用TCP/IP 协议获取3D 打印机当前工作状态与下发控制命令、G-code 文件到3D 打印控制终端；3D 打印控制终端使用串口获取3D 打印机状态与下发G-code 命令控制3D 打印机工作。

2 3D 打印机选型及硬件设计

2.1 3D 打印机选型

3D 打印机以开源项目RepRap 为蓝本，该3D 打印机是一部可以生成塑料实物的免费桌面型3D 打印机，由塑料结构件、主控电路板、42 步进电机、打印喷头、热床平台、丝杆、光杆和轴承等组成。其主控器控制指令遵循“RepRap G-code”标准，默认的G-code 指令缓存为4，完成1 条G-code 指令后使用“ok”字符串作为返回值。RepRap G-code 是由空格或换行符分隔的字段列表。字段可以解释为命令、参数或任何其他特殊用途。它由1 个字母紧跟1 个数字组成，也可以只是1 个独立的字母（标志）。该字母提供了有关字段含义的信息，见表1。

表1 G-code 字段含义信息表

2.2 硬件设计

考虑成本以及实验的便捷，3D 打印控制终端的主控板采用ARM Cortex A7 架构，主控芯片为Broadcom BCM2836，4 核，主频为900 MHz，内存为1 GB，运行Linux 操作系统。BCM2836 有丰富的接口，可增强系统后期的可拓展性。考虑网线的引线不便捷因素，3D 打印控制终端选用USB 无线网卡（TP-LINK TLWN725N）连接网络。如图2 所示。

图2 3D 打印控制终端硬件原理图

3D 打印控制终端主控板使用USB 口与无线网卡和3D 打印机相连，并通过无线网卡接入Wi-Fi 连接以太网。供电电源使用12 V、3 A 直流电源给3D 打印机供电，使用5 V、1 A 直流电源给主控板供电。

3 上位机控制软件设计

3D 打印控制终端控制软件框架图如图3 所示。

图3 3D 打印控制终端软件框架图

上位机控制软件通过创建2 个线程实现与云服务器和3D 打印机交互。

云服务器交互：为了更简单、更可靠地实现3D 打印控制终端与云服务器的通信，软件中使用一个基于TCP/IP 的套接字实现3D 打印控制终端与云服务器的通信，通信命令类型见表2。

3D 打印机调试控制命令：上位机控制软件在接收到3D 打印机调试控制命令后，直接把3D 打印机调试控制命令通过3D 打印机交互线程发送到3D 打印机，3D 打印机完成指令操作。

文件传输的命令：上位机控制软件在接收到文件传输的命令后，进入文件传输状态。其中，云服务器发送的文件传输命令中包含文件的文件名和文件大小信息，上位机控制软件根据这些信息在文件系统中创建文件，并开始接收与存储由服务器发送过来的G-code文件数据。

打印三维模型命令：上位机控制软件在接收到打印三维模型命令后，进入三维模型打印状态。上位机控制软件根据三维模型命令中包含的G-code 文件名，使用系统调用open 函数打开G-code 文件。由于RepRap 3D 打印机主控器的G-code 缓存默认为4，为了方便管理3D 打印机的缓存资源，上位机控制软件创建一个信号量初始值为4 的信号量对3D 打印机的G-code 缓存进行管理。

3D 打印机交互：3D 打印机连接到3D 打印控制终端时，3D 打印机会产生复位操作，使3D 打印机挤出头回到打印坐标原点准备打印。3D 打印机是一个串口设备，在3D 打印控制终端的Linux 操作系统中以一个字符设备的设备文件呈现。使用操作系统的系统调用open 函数打开3D 打印机对应的串口设备文件，使用操作系统的系统调用write 函数把G-code 命令发送给3D 打印机，3D 打印机根据指令动作，操作完成后返回字符串“ok”。

上位机控制软件工作流程如图4 所示。软件运行后尝试与云服务器建立连接，与云服务器连接成功之后尝试连接3D 打印机，与3D 打印机连接成功之后开始等待云服务器发送通信命令，上位机软件解析云服务器发送过来的通信命令，并根据通信命令控制3D打印机工作。

图4 上位机控制软件工作流程图

4 系统测试

为了方便调试，在编写3D 打印控制终端控制软件过程中加入相应的打印信息。通过查看程序执行时输出的打印信息，可知道程序的执行过程。3D 打印控制终端控制软件测试的准备步骤：①开启云服务器的相应服务；②使用Mini USB 数据线连接就绪的3D 打印机和控制终端；③使用SSH 登录到控制终端中运行的Linux 操作系统；④运行控制终端上位机控制软件，查看软件运行过程中的打印信息。功能测试结果见表3，3D 打印机在接收到云服务器下发的“G28”控制命令后，3D 打印机的打印喷头回到打印坐标原点，远程控制功能测试正常，如图5 所示。

表3 云服务器与3D 打印控制终端通信命令类型表

图5 3D 打印控制终端测试实物图

5 结束语

本文提出一种新的3D 打印机控制方式，通过3D打印控制终端+云服务器的方式实现3D 打印机的远程控制。本设计选用价格较为低廉的嵌入式开发板硬件完成了3D 打印控制终端的制作，使用USB 数据线与3D 打印机进行连接、TCP/IP 与云服务器进行通信。经实验验证，3D 打印控制终端可以远程控制3D 打印机动作和打印三维模型。3D 打印控制终端使3D 打印机摆脱需要使用PC 连接并使用PC 上位机软件其进行控制的束缚，使用户对3D 打印机的控制和操作方式变得便捷，可为后期3D 打印服务智能化提供基础。