基于物联网技术的3D打印机设计

王胜

随着科学技术的快速发展，3D打印技术渐渐地走入了我们的视线。本设计实现了一种基于物联网技术的3D打印机。采用了WiFi通信技术，蓝牙无线传输技术。以ATmega2560微型控制器为主控核心，来控制3D打印机的三个电机，以及解析STL文件，并控制加热模块进行系统性协调控制。通过WiFi传输模块建立通信，实现云平台和3D打印机之间的信息连接。本设计使用的控制体系完善，实时性强及远程控制，效率高和成本低等优点。

三维打印，是快速成型技术的一种工艺。以数字模型文件为基础，使用石膏粉，金属粉或塑料丝等材料，采用层层堆积的方法制作出三维模型的技术。但是大部分的3D打印机都是传统的单一设备，这是传统3D打印机的一大弊端。使用移动通信技术可以实现3D打印机数据的远程交流。

本文致力于设计一款全新的物联网3D打印机，使用WiFi通信模块建立Arduino控制器與云平台之间的通信。使得用户可以通过云平台与3D打印机实现信息传输，然后通过一定驱动电路驱动电机，设计3D打印机的控制系统。在控制系统中，首先3D打印机接收云平台传输的数据，数据处理模块分析数据，并建立好3D模拟图型，将模型改为STL格式文件。Arduino控制器识别代码文件并处理，发送相应的指令到打印机各个部分，并做出响应。

（一）系统总体设计

基于物联网技术的3D打印机主要分为硬件和软件两个部分，软件部分主要是通过WiFi通信模块建立通信网关，接入云平台服务，并通过无线通信的方式，将数据传输至3D打印机，用户可以通过云平台实时控制3D打印机。硬件部分主要分为5个模块，分别为Arduino Mega2560模块、WiFi通信模块设计、步进电机驱动模块、蓝牙无线传输模块、LCD液晶显示屏模块。Arduino Mega2560模块作为3D打印机的控制核心，主要用来处理电脑所传输的STL所解析的代码文件。步进电机驱动模块的作用是控制三个电机X轴、Y轴、Z轴配合工作完成打印，蓝牙模块主要用于LCD显示屏模块和打印机之间的信息传输，LCD液晶显示屏模块主要用来实时监测打印机的状态。物联网3D打印机的总体设计框图，如图1。

（二）硬件设计部分

（1）Arduino Mega2560模块

A r d u i n o是全球最流行的开源硬件平台之一，Arduino已经被用于数千个不同的项目和应用程序中。Arduino软件不仅易于初学者使用，而且对于高级用户来说也足够灵活，它是跨平台的可以在在Mac、Windows和Linux上运行。3D打印机基于Arduino核心控制，ATmega2560微处理器为主控器，接收OneNet所发送的数据，数据处理模块分析数据，并建立好3D模拟图型，在分析，处理，生成相应的代码文件。

（2）WiFi通信模块设计

本设计所采用的芯片是ESP8266，采用ESP8266作为研发平台，主要是因为其超低成本，并且将处理器和WiFi芯片精致集成在一起，具有GPIO、PWM、I2C、ADC等功能。ESP8266是一个完整组自成体系的WiFi 网络解决方案，能够搭载软件应用，就是说可以将应用直接在ESP8266上运行，或通过另一个应用处理器进行业务逻辑处理，使用ESP8266的WiFi网络功能。Arudino控制器和该芯片能够实现串口通信，可以快速实现3D打印机之间的网络通信。

（三）步进电机驱动模块

3D打印机其打印过程主要通过X轴，Y轴，Z轴的协同完成，控制三个坐标的运动，主要是通过步进电机实现的。本次设计采用的步进电机驱动模块是A4988。该模块有多个电机驱动接口，对三个电机能实现精准的控制。

（四）蓝牙无线传输模块

LCD液晶显示屏与蓝牙模块传输指令时，为了提高传输效率性和快速性，添加了蓝牙无线传输模块，实现数据的无线传输功能。本设计所采用的蓝牙模块是CC2541，通过配对协议之后，可以通过串口通信使得LCD液晶显示屏与3D打印机控制体系之间进行数据传输，保证了数据传输的正确性和稳定性。

（五）LCD液晶显示屏模块

LCD采用了了KNY3030A串口屏，3D打印机的所有参数状态都是通过LCD液晶串口显示屏模块显示。该显示屏通过串口通信方式与蓝牙模块进行连接，当3D打印机接收到OneNet云平台所传输的数据，经过分析处理后，通过蓝牙无线传输发送到LCD液晶显示屏。通过LCD液晶显示屏显示的数据，我们可以非常便捷地知道3D打印机的工作状态，并且可以快速控制3D打印机。

（一）网关软件设计

由用户通过OneNet云平台传输信息，开启和初始化WiFi无线通信模块。WiFi模块联网成功之后，将数据通过WiFi无线通信传输发送到数据接收模块。如果接收到了数据，将由3D打印机中的数据处理模块处理分析数据，3D打印机开始运作，3D打印机所采集到的数据通过反馈的方式到OneNet云平台。

（二）云平台软件设计

本设计所采用的云平台是OneNet物联网开发平台，OneNet云平台是由中国移动公司搭建的开放型平台，为各种物联网应用，提供了简便的云端接入，信息存储，数据计算，能够极其快速打造物联网应用，极大节省了开发成本。OneNet所采用的协议是EDP协议，该协议能够有效的提供设备的数据存储，数据加密，数据传输等功能。OneNet云平台在本设计中属于数据发送部分，用户通过OneNet云平台向3D打印机传输信息，来达到远程控制打印机的目的。物联网3D打印机的软件部分流程图，如图2。

基于物联网技术的3D打印机采用了云平台服务，并使用了ZigBee技术，这是一种新兴的无线通信技术，能够满足近距离的无线通信。采用的Arduino控制器具有具有功耗低，成本低等优点。用户可以通过云平台向3D打印机传输数据，来控制3D的打印机的运作。LCD液晶显示屏可以实时显示3D打印机的各项参数，方便用户查看3D打印机的状态，能够极大地提高打印机的效率及成功率。

作者单位：西北民族大学 电气工程学院