一种3D打印机网络云平台的设计方案

摘要:随着近年来3D打印逐渐融入我们的生活,传统3D打印服务模式的弊端也愈显严重,本文旨在对现有传统的3D打印服务上,运用云计算技术与传统3D打印相结合的方式,设计一种3D打印机网络云平台的设计方案,给用户提供新的解决方案和智能服务。经搭建测试后,平台的运作
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  摘要:随着近年来3D打印逐渐融入我们的生活,传统3D打印服务模式的弊端也愈显严重,本文旨在对现有传统的3D打印服务上,运用云计算技术与传统3D打印相结合的方式,设计一种3D打印机网络云平台的设计方案,给用户提供新的解决方案和智能服务。经搭建测试后,平台的运作结果符合预期要求。
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  关键词:3D打印机;云计算;智能服务;云服务
  引言
  随着近年来3D打印逐渐融入我们的生活,其传统的打印方式的弊端也越显严重。传统的3D打印服务的有着“传统3D打印服务没有依靠云平台来作服务支撑”,“资源由于没有整合形成资源池,导致设备资源的调度极其不方便”等固有缺陷。所以本文的内容着力用“云”+“3D打印”的结合来解决传统3D打印方案的缺陷。
  3D打印机+云的结合可以解决传统的3D打印不灵活的情况,可以实现“远程打印”,“一键打印”,“模型库共享”等功能,以提供全新的智能化3D打印解决方案。云平台有着“灵活”,“按需服务”,“无处不在的网络访问”等相对于传统平台的优势。
  1 系统主要技术以及框架
  1.1 3D打印云平台主要技术
  其客户机采用了3D打印?C+客户端的形式。3D打印机方面,主控平台采用Arduino MEGA 2560 + RAMPS,采用A4988步进电机驱动,人机交互采用LCD12864+HMI串口屏,与客户机通信方案有SD卡+Wifi+串口。服务器方面,采用CentOS操作系统,Web前端采用PHP,数据存储方面选择Mysql,在Web服务器方面采用Ngnix、技术。客户可以通过人机交互串口屏来实现3D打印机的本地打印,也可以联网通过云平台服务来进行一键打印与状态检测,以及模型文件上传下载等功能,实现“随时随地即可打印”。
  1.2 系统框架
  整体系统框架,如图2-1所示。
  图2-1 整体系统框架图
  2 3D打印机部分
  2.1 Arduino Mega 2560 + RAMPS主控
  Arduino Mega2560是基于采用ATmega 2560的AVR架构处理器的微控制板,其最大的特点在于拥有54路数字输入/输出,其中15路可以作为PWM输出,特别适合于大量IO接口的需求,16路模拟输入,4路UART接口,一个16MHz晶体振荡器。Mega2560属于Mega的升级版,Arduino平台相比于传统硬件平台,拥有社区,以及设计完善的软件模块等优势。
  2.2 LCD12864 HMI串口屏
  采用LCD12864 HMI串口屏作为人机交互的手段,其最大的特点在于开发速度极快,可以自行利用PC机进行对其UI编程,拥有可编程智能LCD,触摸显示屏,嵌入式图形界面,上位软件自动在线升级等特点。
  2.3 HC-05蓝牙模块
  蓝牙模块BT-HC05模块是一款高性能的主从一体可以设置的蓝牙串口模块,模块的接口有串口、SPI接口、USB接口,可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对。产品开发中我们选用了串口进行通信。
  2.4 软件部分
  单片机编程采用Arduino Mega 2560 + RAMPS作为主控,可以跨平台开发,便捷灵活,方便上手。其程序初始化过程为:系统初始化、IO初始化、串口初始化、中断初始化、定时器初始化、HMI显示屏初始化。
  3 客户端设计
  3.1 本地打印
  利用客户端程序,通过串口,Wifi,SD卡以及蓝牙的方式与3D打印机进行通信,来布置用户的打印任务,相对于传统打印没有什么较大的区别。
  3.2 联网打印
  利用云平台的优势,用户可以下载官方客户端,通过客户端访问服云端,实现例如“一键打印”,“模型上传”,“模型下载”,“在线3D工具”等功能以及各种行业解决方案。用户访问Web网站,账号与密码采用RSA加密算法进行加密存储于服务器的Mysql数据库中,用户通过HTTP协议GET请求与服务器进行通信,并且采用MD5校验算法来检验数据的完整性。
  3.3 软件部分实现
  3.3.1 图形用户界面
  采用C++编程语言,图形用户界面应用开发采用比较流行的Qt程序开发框架,相较于传统的MFC与win32,Qt开发具有以下优点,如表3-1所示。
  表3-1 Win32、MFC和Qt程序开发对比
  可见,Qt除了运行效率低于传统的Win32与MFC,其余无论是从开发速度、可维护性、跨平台、学习难度等方面来讲,并且Qt可以解析HTTP协议,所以采用Qt作为图形用户界面。
  3.3.2 客户端框架
  考虑到Windows操作系统和Linux操作系统的一些内核设计上的差异性,由于Windows下多进程程序的开发对操作系统的开销十分巨大,决定采用多线程并发模式编程,采用高效的半同步--半异步并发模式。由于传统的半同步--半反应堆模式其中的循环队列需要临界区,所以其并发性会有瓶颈。而后者的循环队列采用的是原子性操作的管道(PIPE),所以采用高效的半同步--半异步并发模式。
  其数据流走向过程如图3-1所示。
  图3-1 半同步--半异步并发模式流程图
  4 服务器设计
  4.1 服务器开发环境
  服务器操作系统为CentOS 6.7操作系统,相对于同样为Linux的Ubuntu,其特点在于CentOS相对于Ubuntu来讲更加稳定以及更加安全。用CentOS,不会因为在Ubuntu系统中安装带有Bug的应用程序版本而遇到任何稳定性方面的问题,这也是采用CentOS操作系统的原因之一。

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