CN106584862A - 一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统及其控制方法，它主要包含ESP8266模块、主板接口、检测接口、SD卡槽及3D打印主板，通过系统上电启动完成初始化并定义事件、程序读取上次的网络参数配置、ESP8266监听设置、web服务的步骤实现。本发明为3D打印机实现云打印提供了一种低成本高性能的接入设备方案，网络速度可达1MB/s；实现了高速WIFI接入，降低了设备升级的难度和成本；降低了软件开发难度，提高了系统易用性，可直接为电脑或移动终端提供WEB服务实现网络打印，界面友好、易于操控。

Description

一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域技术领域，尤其是一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统及其控制方法。

背景技术

3D打印机的工作原理与普通打印机基本相同，是通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印技术对于产品设计、制造和销售方式产生了变革作用，未来的产品销售将以设计销售为主，用户购买产品设计后直接用自己的或代工的3D打印机将产品制造出来。这是一项颠覆传统制造工艺的技术革命，不仅大大降低产品设计者的投资风险，也能减少社会资源浪费。

3D打印技术已经得到了快速发展，市场容量近5年来一直保持30%左右的年复合增长率。3D打印机已经成功应用在很多工业及生产领域中，比如医疗、汽车制造、航空、工业设计、建筑设计等领域。随着3D打印相关技术的日益成熟，3D打印机特别是熔融沉积(FDM)技术的3D打印机制造成本大幅度降低，可靠性迅速提高，作为激发人们创造力及动手能力，满足人们个性化需求的重要工具，3D打印机已经开始逐步进入教育及家用等消费类领域。

但是现有大部分3D打印机主要为工业用户或爱好者开发，其系统的使用和操作难度却很高，要求使用者必须具备一定的专业知识。市场最常见的Ultimaker、Prusa I3 、Kossel等FDM 3D打印机，需要实时连接电脑控制，或者采用3D打印机自带的按钮和字符型LCD显示器选择打印文件启动打印，普通用户会觉得使用烦琐、操作不便，用户界面不够友好。随着3D打印技术的普及，3D打印机大量进入学校和家庭，用户操作不便的矛盾越来越突出，已经成为3D打印机进入消费领域的主要障碍之一。

随着移动网络、智能硬件的迅速发展，将3D打印机机接入网络，利用PC或移动终端(手机、IPAD)实现网络打印是解决这类问题的主流趋势。现有的解决方案有以下几种。

1、利用HC-06等蓝牙转串口模块，连接3D打印机主板的串口，实现数据透传。该方式可以实现3D打印机远程控制，同时成本较低，但只能点对点传输，最高传输速度只有11.52KB/s仅能满足最基本的打印机控制指令传输，并需要在PC或者移动终端安装专用控制软件，使用比较繁琐。

2、利用HLK-RM04或USR-C215等WIFI转串口模块，连接3D打印机主板的串口，实现数据透传。该方式可以将3D打印机接入路由器，同时成本较低，但最高传输速度只有25KB/s仅能满足最基本的打印机控制指令传输，并需要在PC或者移动终端安装专用控制软件，使用比较繁琐。

3、直接使用平板电脑或者树莓派等卡片电脑，连接3D打印机主板的USB口，利用平板电脑或树莓派的WIFI功能实现网络打印及文件传输。该方式能够较为方便的实现3D网络打印功能，但是仍需要单独开发Web服务程序，同时硬件成本太高，不利于推广普及。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统及其控制方法，能减少硬件成本，增加系统的网络连接速度，提高通用性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统，它包含ESP8266模块、主板接口、检测接口、SD卡槽、3D打印主板、无线路由器以及终端，终端通过WIFI与无线路由器与ESP8266模块实现通讯，ESP8266模块和主板接口之间通过串口通讯，主板接口与3D打印主板之间有两个接口并通过两个接口连接，分别为串行接口和电源接口，ESP8266模块和SD卡槽之间通过SPI接口通讯，ESP8266模块通过两个GPIO口连接检测接口，所述的两个GPIO口分别为断电信号口和断科信号口，SD卡槽中插入储存卡。

所述的终端包括PC机以及移动终端。

所述的3D打印主板上设置有Marlin、Repetier、Smoothieware接口。

4. 一种内置Web服务的3D打印WIFI控制方法，它包含以下步骤：

S1、系统上电启动完成初始化并定义事件：所述的事件包括断电事件、断科事件、文件传输事件以及打印机控制事件；

S2、程序读取上次的网络参数配置，并尝试网络连接：如果连接失败，启动配置Web服务，程序进入等待用户输入网络参数状态，当获取用户输出参数后，程序重新尝试连接网络，连接成功后，进入ESP8266监听设置步骤；

S3、ESP8266监听设置，配置好Web服务不同事件的响应，准备进入web服务；

S4、web服务：终端进行输入事件，ESP8266模块持续监听输入事件；

如果输入事件为非定义事件，则向终端返回错误信息；如果输入事件为断电信号，则返回步骤S2；如果输入事件为断料信号，则返回步骤S2；如果输入事件为文件传输信号，则进行文件传输步骤；如果输入事件为打印机控制信号，则进行3D打印步骤；

所述的文件传输步骤包括以下步骤：a、ESP8266模块得到终端输入的文件传输信号；b、ESP8266模块获取传送文件的分片号并进行判断；c、如果分片号为0，则记录文件信息，创建文件，在SD卡槽中插入的储存卡中做好接收数据准备；如果分片号不为0，判断分片号是否为预期分片号，如果不是预期分片号，则返回要求重传的预期分片号，如果是预期分片号，则拷贝分片数据到储存卡中的缓存区，判断是否是最后一个分片；如果不是最后一个分片，则返回要求传送下一个分片，如果是最后一个分片，则保存文件；

所述的3D打印步骤包括以下步骤：a、进行命令类型检查，如果检查不通过，则返回步骤S2；b、参数检查：ESP8266模块根据连接到3D打印主板上的接口类型进行判断，ESP8266模块像对应接口的打印机发送打印指令；c、打印机进行打印并将结果反馈终端。

本发明的有益效果是：

1、本发明硬件实现成本较低，与WIFI转串口模块或蓝牙转串口模块相当，但传输速度是这些模块的40倍以上，同时能够连接路由器，能够满足云打印的需要，为3D打印机实现云打印提供了一种低成本高性能的接入设备方案，网络速度可达1MB/s；

2、本发明可以直接应用于市面上大多数消费级FDM 3D打印机，这些3D打印机主板固件基本都是采用Marlin、Repetier或者Smoothieware中的一个，而本发明支持全部这三种固件，采用这三个固件的3D打印机均可直接应用本发明实现高速WIFI接入，降低了设备升级的难度和成本；

3、本发明内置Web服务，电脑或移动终端无需另外安装专用软件，直接使用浏览器即可实现网络打印，文件传输，降低了软件开发难度，提高了系统易用性，可直接为电脑或移动终端提供WEB服务实现网络打印，界面友好、易于操控。

附图说明

图1为发明的结构示意图。

图2为本发明ESP8266模块的电路图。

图3位本发明主板接口的电路图。

图4为本发明采用的ASM117芯片的电压转换电路图。

图5为本发明检测接口的电路图。

图6为本发明SD卡槽的电路图。

图7为本发明控制流程示意图。

图8为本发明3D打印机控制流程图。

图9为本发明文件传送流程图。

图中，1-ESP8266模块，2-主板接口，3-检测接口，4- SD卡槽，5-3D打印主板，6-无线路由器，7-PC机，8-移动终端，9-断电信号口，10-断科信号口。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统，它包含ESP8266模块1、主板接口2、检测接口3、SD卡槽4、3D打印主板5、无线路由器6以及终端，终端通过WIFI与无线路由器6与ESP8266模块1实现通讯，ESP8266模块1和主板接口2之间通过串口通讯，主板接口2与3D打印主板5之间有两个接口并通过两个接口连接，分别为串行接口和电源接口，ESP8266模块1和SD卡槽4之间通过SPI接口通讯，ESP8266模块1通过两个GPIO口连接检测接口3，所述的两个GPIO口分别为断电信号口9和断科信号口10，SD卡槽4中插入储存卡。

所述的终端包括PC机7以及移动终端8，其中，ESP8266模块1通过WIFI与无线路由器6连接，连接相同无线路由器6的PC机7及移动终端8可以通过WIFI网络访问Web服务进行打印控制及文件传输。

具体而言， ESP8266模块1的TX管脚连接主板接口的TXD管脚，其RX管脚连接主板接口的RXD管脚，实现串口数据从ESP8266模块1到主板接口2的连接；主板接口2的VCC（5V）连接到电平转换芯片AMS1117的VCC(5V)输入，AMS1117实现5V供电转为3.3V供电，AMS1117的3.3V输出连接esp8266模块3.3V供电管脚，ESP8266模块1GND管脚连接主板接口2的GND管脚，从而实现主板接口2的5V电源对ESP8266模块1供电。

主板接口2的TXD管脚连接3D打印主板5的RXD管脚，主板接口2的RXD管脚连接3D打印主板5的TXD管脚，从而实现串口数据通讯；主板接口2的GND管脚连接3D打印主板5的GND管脚，主板接口2的VCC连接3D打印主板5的VCC，实现3D打印主板对整个系统的供电。

检测接口3的GPIO9口直接连接 ESP8266模块1的GPIO9，当外部断电时，断电检测开关会发送一个高电平信号到检测接口3的GPIO9，并传输给ESP8266模块1）的GPIO9；检测接口3的GPIO10口直接连接 ESP8266模块1的GPIO10，当断料时，断料检测装置会发送一个高电平信号到检测接口3的GPIO10，并传输给ESP8266模块1的GPIO10；

SD卡槽4的SD_CS连接ESP8266模块1的SD_CS，SD卡槽4的SD_MOSI连接ESP8266模块1的SD_MOSI，SD卡槽4的SD_MISO连接ESP8266模块1的SD_MISO，SD卡槽4的SD_SCK连接ESP8266模块1的SD_SCK，实现SD卡槽4和ESP8266模块1的SPI数据传输。

如图2、图3所示，其中，ESP8266模块1和主板接口2之间通过串口通讯，由于仅需要传输控制指令，无需传输文件，串口波特率可以设置为115200，可以满足传输速度要求，同时信号传输稳定。

主板接口2和3D打印主板5之间通过串口+供电线连接，串口波特率可以设置为115200，系统通过3D打印主板供电，由于标准3D打印主板的控制系统电压5伏、而ESP8266芯片是3.3伏供电，需要增加电压转换电路，如图4所示，可以采用高性价比的AMS1117芯片实现。标准3D打印主板的控制系统电流1安，一般都有500毫安以上的余量，而本系统所需电流低于100毫安，完全可以通过3D打印主板供电而无需外接电源，使系统更加简化而且易于安装。

如图5所示，ESP8266模块1通过两个GPIO口连接检测接口，获取外部断电信号及断料信号，当有断电信号或断料信号输入时，信号会通过GPIO由检测接口传送给ESP8266，并由ESP8266的CPU内驻留的Web服务程序处理。使用光电开关（例如ITR8102）或机械开关（例如D2F-L3-A1）检测FDM材料是否耗尽，材料耗尽时会发送断料信号到检测接口，通过GPIO发送给ESP8266的Web服务程序，Web服务程序收到断料信号时，会暂停打印工作，并自动进入换料程序。使用断电检测装置（例如：MKS DET）检测３Ｄ打印机的电源供电信号，由于３Ｄ打印机使用的直流开关电源的电容有储电能力，外部断电后，开关电源仍能供电２秒以上，当外部断电时断电检测装置会发送断电信号到检测接口，通过GPIO发送给ESP8266的Web服务程序，当Web服务程序收到断电信号时，可以自动进入断电保护程序，保存当前打印状态信息然后关机，确保恢复供电后可以实现断电续打。

如图6所示，ESP8266模块1和SD卡槽4之间通过SPI接口通讯，由于传输文件的速度要求高，结合ESP8266的CPU的主频及通讯稳定性考虑，SPI主频可以设置为40M，最高文件写入速度可达5MB/s，为保证信号传输质量，减少误码率，PCB布线时应确保ESP8266与SD卡槽之间的SPI数据传输线HSPI_MOSI，HSPI_MISO，HSPI_CLK，HSPI_CS小于1cm。

所述的3D打印主板5上设置有Marlin、Repetier、Smoothieware接口。

一种内置Web服务的3D打印WIFI控制方法，它包含以下步骤：

S1、系统上电启动完成初始化并定义事件：所述的事件包括断电事件、断科事件、文件传输事件以及打印机控制事件；

S2、程序读取上次的网络参数配置，并尝试网络连接：如果连接失败，启动配置Web服务，程序进入等待用户输入网络参数状态，当获取用户输出参数后，程序重新尝试连接网络，连接成功后，进入ESP8266监听设置步骤；

S3、ESP8266监听设置，配置好Web服务不同事件的响应，准备进入web服务；

S4、web服务：终端进行输入事件，ESP8266模块1持续监听输入事件；

如果输入事件为非定义事件，则向终端返回错误信息；如果输入事件为断电信号，则返回步骤S2；如果输入事件为断料信号，则返回步骤S2；如果输入事件为文件传输信号，则进行文件传输步骤；如果输入事件为打印机控制信号，则进行3D打印步骤；

在FDM-3D打印机打印过程中，PLA/ABS耗材使用完毕后，耗材检测装置(光电限位开关或机械限位开关)会发送一个电平信号到CPU，CPU在获得该信号后，会产生一个断料事件发送给ESP8266模块1。

所述的文件传输步骤包括以下步骤：a、ESP8266模块1得到终端输入的文件传输信号；b、ESP8266模块1获取传送文件的分片号并进行判断；c、如果分片号为0，则记录文件信息，创建文件，在SD卡槽4中插入的储存卡中做好接收数据准备；如果分片号不为0，判断分片号是否为预期分片号，如果不是预期分片号，则返回要求重传的预期分片号，如果是预期分片号，则拷贝分片数据到储存卡中的缓存区，判断是否是最后一个分片；如果不是最后一个分片，则返回要求传送下一个分片，如果是最后一个分片，则保存文件；

所述的3D打印步骤包括以下步骤：a、进行命令类型检查，如果检查不通过，则返回步骤S2；b、参数检查：ESP8266模块1根据连接到3D打印主板5上的接口类型进行判断，ESP8266模块1像对应接口的打印机发送打印指令；c、打印机进行打印并将结果反馈终端。

如图7所示，本发明的主要原理描述：系统上电启动并完成初始化后，首先进入Web服务程序；程序读取上次的网络参数配置，并尝试网络连接；如果连接失败，启动配置Web服务，程序进入等待用户输入网络参数状态，当获取用户输出参数后，程序重新尝试连接网络；如果连接成功，程序进行监听回调函数设置，配置好Web服务不同事件的响应程序，然后Web服务开始启动。Web服务启动后，会持续监听输入事件，并对输入事件进行检查；如果输入事件为非定义事件，返回错误信息；如果输入事件为断电信号，调用断电处理子流程，启用新的线程处理断电事件；如果输入事件为断料信号，调用断料处理子流程，启用新的线程处理断料事件；如果输入事件为文件传输，调用文件传输子流程，启用新的线程处理文件传输事件；如果输入事件为打印机控制信号，调用3D打印机控制子流程，启用新的线程处理3D打印机控制事件；事件处理优先级排序为：1、断电信号，2、断料信号，3、文件传输，4、3D打印机控制信号。在ESP8266与cpu的高速通信中，为了防止传输误码，在原生传输数据上添加一定的传输仲裁域，如帧头、传输类型、有效数据长度、帧尾、校验码等。而针对文件传输，还增加文件分片号来进行文件分包和组包，发送端对大文件分包时，顺序的对分片数据加入分片号；接收端接收到分片数据时，先判断分片号与上次接收到的分片号的对应关系（除了第一分片和最后一分片，当前分片号为上一分片号加1），正确才组包，不正确则通知发送端该分片错误。另外分片号还能标识该分片数据是否最后一分片。

如图8所示，3D打印机控制流程图，主要原理描述：接收到3D打印机控制事件，进行命令类型检查及参数处理；如果检查不通过，则丢弃事件；如果检查通过，根据系统连接的3D打印机主板固件类型分别处理，市场主流的三种3D打印机主板固件分别为Marlin、Repetier、Smoothieware，根据不同的主板固件的指令格式要求，对指令进行封装并通过串口发送给3D打印机，并等待和获取3D打印机应答，收到应答后，根据不同固件的应答格式，对反馈信息进行处理。

如图9所示，文件传送流程图，主要原理描述：接收到文件传送事件后，获取传送的分片号；如果分片号为0，说明是新的文件，则记录文件信息，创建文件，开辟缓存块做好接收数据准备；如果分片号不为0，判断分片号是否为预期分片号，如果不是预期分片号，则返回要求重传的预期分片号，这里是为了做好文件数据校验，确保高速数据传输的准确性；如果是预期分片号，则拷贝分片数据到缓存区，判断是否是最后一个分片；如果不是最后一个分片，则返回要求传送下一个分片，如果是最后一个分片，则保存文件，结束文件传输程序子流程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统，其特征在于：它包含ESP8266模块（1）、主板接口（2）、检测接口（3）、SD卡槽（4）、3D打印主板（5）、无线路由器（6）以及终端，终端通过WIFI与无线路由器（6）与ESP8266模块（1）实现通讯，ESP8266模块（1）和主板接口（2）之间通过串口通讯，主板接口（2）与3D打印主板（5）之间有两个接口并通过两个接口连接，分别为串行接口和电源接口，ESP8266模块（1）和SD卡槽（4）之间通过SPI接口通讯，ESP8266模块（1）通过两个GPIO口连接检测接口（3），所述的两个GPIO口分别为断电信号口（9）和断科信号口（10），SD卡槽（4）中插入储存卡。

2.根据权利要求1所述的一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统，其特征在于：所述的终端包括PC机（7）以及移动终端（8）。

3.根据权利要求1所述的一种内置Web服务的3D打印WIFI控制系统，其特征在于：所述的3D打印主板（5）上设置有Marlin、Repetier、Smoothieware接口。

4.一种内置Web服务的3D打印WIFI控制方法，其特征在于，它包含以下步骤：

S1、系统上电启动完成初始化并定义事件：所述的事件包括断电事件、断科事件、文件传输事件以及打印机控制事件；

S2、程序读取上次的网络参数配置，并尝试网络连接：如果连接失败，启动配置Web服务，程序进入等待用户输入网络参数状态，当获取用户输出参数后，程序重新尝试连接网络，连接成功后，进入ESP8266监听设置步骤；

S3、ESP8266监听设置，配置好Web服务不同事件的响应，准备进入web服务；

S4、web服务：终端进行输入事件，ESP8266模块（1）持续监听输入事件；

如果输入事件为非定义事件，则向终端返回错误信息；如果输入事件为断电信号，则返回步骤S2；如果输入事件为断料信号，则返回步骤S2；如果输入事件为文件传输信号，则进行文件传输步骤；如果输入事件为打印机控制信号，则进行3D打印步骤；

所述的文件传输步骤包括以下步骤：a、ESP8266模块（1）得到终端输入的文件传输信号；b、ESP8266模块（1）获取传送文件的分片号并进行判断；c、如果分片号为0，则记录文件信息，创建文件，在SD卡槽（4）中插入的储存卡中做好接收数据准备；如果分片号不为0，判断分片号是否为预期分片号，如果不是预期分片号，则返回要求重传的预期分片号，如果是预期分片号，则拷贝分片数据到储存卡中的缓存区，判断是否是最后一个分片；如果不是最后一个分片，则返回要求传送下一个分片，如果是最后一个分片，则保存文件；

所述的3D打印步骤包括以下步骤：a、进行命令类型检查，如果检查不通过，则返回步骤S2；b、参数检查：ESP8266模块（1）根据连接到3D打印主板（5）上的接口类型进行判断，ESP8266模块（1）像对应接口的打印机发送打印指令；c、打印机进行打印并将结果反馈终端。