基于Ardiuno的3D打印实验室远程监测系统的设计与实现

◆袁容 罗钦通讯作者 龙海轩 何雅萱 龙俊琪



基于Ardiuno的3D打印实验室远程监测系统的设计与实现

◆袁容1罗钦通讯作者1龙海轩2何雅萱1龙俊琪1

(1.湖南工业大学电气与信息工程学院 湖南 412007；2.湖南工业大学计算机与通信学院 湖南 412007)

针对3D打印实验室管理任务繁重，3D打印数据难以实时获取的现状，本文提出了3D打印实验室的远程监测系统的设计方案。本系统由远程终端模块（基于Arduino）、远程通信模块（采用ESP8266芯片）和Web应用模块组成。本系统经由路由器可对实验室的机器打印进度、机内热床以及喷头温度进行实时监测与反馈。系统经调查与实验表明，该系统实时性强，便于学生使用与教师管理，能够有效提高实验室的管理效率。

3D打印机；实验室远程监测；ESP8266；Web

0 前言

随着科技的迅速发展，远程监测技术正在逐渐被人们所认知和重视。目前国内市场3D打印机尚缺乏较成熟且易于推广的远程监测系统，所建设的3D打印实验室大多以单机版打印机进行教学，实验室管理员难以及时发现打印机出现的故障，且学生实验方式较单一。针对以上问题，本论文提出的3D打印实验室远程监测系统，能够满足实验室管理员和实验者的不同需求，为3D打印实验室提供人性化、开放性的管理方式。

1 系统总体框架

3D打印实验室远程监测系统通过登录实验室监测网页，远程获取3D打印机的设备数据。本系统的总体框架设计分为远程终端模块、远程通信模块和Web应用模块三大模块，总体框架如图1所示（注：该3D打印机使用Arduino mega 2560主控板烧配Marlin固件，搭载RAMPS1.4拓展板作为核心部件）。

图1 系统总体框架图

远程终端模块对应实验室Prusa i3结构3D打印机。每台3D打印机均配置ESP8266WIFI模块，实现3D打印机无线远程通信的功能。

远程通信模块所采用的ESP8266是一个能够搭载软件应用，实现WIFI网络功能嵌入的芯片。其可添加到任何基于微控制器的设备中，通过简单的串口连接便可通过SPI/SDIO接口或者中央处理器AHB实现通信。

Web 应用模块由Web 服务器和数据库服务器组成，实现对实验室数据的存储和处理及数据反馈与报告管理的功能。本网页采用目前最流行的J2EE技术，使用spring boot框架结构进行开发，使用html、Javascript与css设计网页内容，并采用velocity渲染模板将java代码从web页面中分离出来，且系统数据库选择稳定高效的 My SQL 数据库来组织、存储和管理数据。

2 系统模块设计

2.1 系统模块介绍

（1）远程终端模块

Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的微控制板，有54路数字输入/输出端口，16路模拟输入端口，4路UART串口，16MHz的晶振，USB连接口，电池接口，ICSP头和复位按钮，适合作为实验室3D打印机主板。其上传Marlin固件才可以使用，通过配置固件通信波特率，控制板类型，挤出头个数，温度传感器类型等函数，从而实现主板的控制功能。使用RAMPS扩展板提供扩展接口，并连接Arduino MEGA平台时，就拥有充足的扩展空间。

（2）远程通信模块

无线WIFI模块与3D打印机作为STA终端，连接到局域网中的路由器上，通过路由器与服务器进行数据交互，组成一个无线网络。

本模块选用的是以ESP8266为主控芯片的WiFi模块。WiFi模块具有高效的AT指令，且其价格低廉、开发简单。该芯片具有一个自成体系的WiFi网络解决方案，其高度片内集成，包括前端模块在内的整个电路所占PCB空间非常小，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，进行互联网或局域网通信。

WiFi模块采用UART和控制器进行通信。使用STM32搭载ESP8266进行设置，STM32通过串口TX发送AT指令对WiFi的工作模式、UART波特率、建立连接等相关参数进行设置。STM32的UART接收端口RX则接收WiFi模块从移动端接收到数据和指令。设置成功后将芯片与终端连接，当移动端和3D打印终端建立无线连接后，就可以实现数据双向通信了。将ESP8266与3D打印连接完毕以后，进行ESP8266固件编程与烧写，最后使用AT指令设置模块。

（3）Web应用模块

本模块开发的框架，将系统的开发任务分为表现层和业务逻辑层以及数据访问层。第三层的功能是对数据库数据进行各种基础操作，并为业务逻辑层或表示层提供数据服务。而第二层则是在数据访问层的基础之上，把数据层的一些操作进行组合，对数据进行业务逻辑处理。第一层主要表示为Web方式，用于显示数据和接收用户输入的数据，实现用户与网络管理系统的交互。

2.2 功能设计

本系统通过Web应用模块实现网页的开发与设计，支持管理员与普通用户实现系统应用层操作，对实验室内3D打印机实施指令，并通过远程通信模块进行TCP/UDP数据传输，将指令传达于终端，进行实际工作。本系统旨在为管理员（老师）与普通用户（学生）提供便捷与服务。管理员拥有最高权限，可进行系统的所有操作，功能如图2所示。普通用户只拥有部分权限，且可由管理员分配信息和设置权限，功能如图3所示。

图2 管理员系统功能模块图

图3 普通用户系统功能模块图

（1）管理员（老师）模块

①登录模块中，管理员通过账号和对应的密码进行登录。

②上传模块中，管理员可上传文档和实验报告的分数。

③查看/修改模块中，管理员可查看任意用户上传的信息，增加或删除某用户的操作权限。

④监测模块中，管理员可添加对应3D打印机设备号，实时监测打印机情况。

（2）普通用户（学生）模块

①登录模块中，普通用户通过用户名（如学号）和对应的密码登录网页。

②预约模块中，普通用户可进行实验预约，系统将其所提交的预约信息自动发送至管理员邮箱等待管理员查收。

③上传模块中，普通用户可将已完成的实验报告进行上传。

3 系统测试与结果分析

3.1 系统终端测试

测试管理员功能，001号3D打印机进入待机状态，接入室内无线网，选择打印模型一号。以管理员身份登录网页，选择监测001号3D打印机工作状态，网页接收工作状态信息如表1。

表1 打印机工作状态信息表

打开3D打印LCD屏，进入信息栏目，对比数据无误，终端功能实现正常。

3.2 ESP8266模块测试

将ESP8266正常接线上电，使用USR-TCP232-Test软件，以建立TCP连接为例进行芯片功能测试：

（1）创建服务器；

（2）开启多连接模式；

（3）建立TCP连接；

发送命令AT+CIPSTART=2,"TCP","192.168.1.109",8080，软件界面显示OK Linked，建立连接成功。

（4）测试与服务器之间数据传输。

发送命令AT+CIPSEND=2,10后接收串口数据，当数据长度满length时发送数据。电脑显示数据发送成功，返回SEND OK。此时连接已建立，可以进行数据的双向收发。证明该ESP8266芯片工作正常。

3.3 丢包率测试

表2 丢包率测试

由表2和图4可见，本系统的丢包率随着发送数据包个数的逐步增加，其大小开始上升，证明Web模块工作正常。

图4 丢包率测试图

4 结语

相比传统的实验室模式，本文阐述的实验室远程监测系统具有操作方便、信息实时更新、设备动态管理以及系统维护成本低的特点。其采用新兴的3D打印机，结合及时性强的远程通信，实现了对实验室的实时、高效、低成本的数据监测，极大地提高了实验室工作的效率。

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湖南工业大学校级研究性学习与创新性实验项目“面向3D打印的实验室智能远程管理系统的研发”。