1. 研究目的与意义（文献综述）

制造业在物联网、大数据等新一代技术浪潮的推动下，智能化已经成为制造业未来的发展重点方向，其中基于新技术和新材料的3d打印技术已被“中国制造 2025”列为重点。与传统加工手段相比，3d打印作为一种增量制造技术，具有提高生产效率、易于加工复杂结构、满足大量个性化需求、应用领域广等优点，与智能机器人、人工智能并列为当前推动数字化制造进步的三大关键技术之一。将3d打印机接入互联网可以方便操作人员通过网络控制3d打印机，进而借助移动终端设备完成对3d打印机的的操作和维护，大大提高工作效率，还可以加速其研发周期以及实现云端化平台下的3d打印、任务管理、远程监控等功能。通过采集3d打印资源状态数据，利用物联网、大数据分析、人工智能等技术，实现智能协同的个性化定制3d自助打印，为构建全球范围的分布式3d打印云工厂提供基础。

互联网 3d打印，云创时代的到来，云创时代的到来可谓是人类所有科技创新的集成，它将所有的加工制造工艺简化在一台打印机上，并以傻瓜式操作实现生产制造。3d打印技术与internet的结合具有个性化和网络定制的特点，符合现代制造业的发展趋势。物联网促进3d打印技术的发展，而3d打印则能制造出更多更高效连接设备。将3d打印机接入到物联网后，便能实现远程控制。通过云技术、传感器技术，能够更高效地控制打印过程，提升打印品质。不仅如此，3d打印技术的不断进步，也使得硬件研发速度加快。然而，3d打印仍然在打印周期、打印材料和打印精度方面存在不足，这阻碍了一些应用的进一步发展，例如批量生产，金属加工等。专家指出，结合大数据技术实现分布式制造是3d打印有效发展的趋势，提升到更高水平，以适应更多应用的需求。学术界对3d打印物联系统也做了大量研究，但是目前的研究往往局限于小范围内的物联，大数据来源于较少的节点，对其进行统计分析缺乏普遍性。对于3d打印，其监控过程十分重要，设备运行需要通过监控系统发现并处理打印过程中由于各项工艺参数波动产生的突发状况以提高整体打印质量。

因此，本文为了满足运营模式下大规模3d打印机的互联网接入和远程管理监控的要求，开发了基于物联网技术的3d打印物联监控平台。有助于打印机和3d打印知识挖掘状态分析的数据。数据从打印机收集，然后使用设计的硬件模块以定义和统一的形式传输到开发平台。平台基于mqtt协议和分布式存储构建，支持大数据分析和统计。通过模拟设备访问实验，证明该平台满足性能要求。

2. 研究的基本内容与方案

研究（设计）的基本内容：

（1）3D打印设备物联平台的性能和功能的需求分析。对3D打印设备多节点物联接入以及分布式存储和处理两个关键技术进行研究。明确和划分3D打印物联监控平台的功能需求。

（2）3D打印物联监控平台功能设计和开发。构建基于MQTT的3D打印设备物联监控平台架构。设计平台功能的业务流程，主要包括设备监控、设备定位、认证和管理以及用户权限等。

（3）3D打印设备物联监控平台的数据库建模。对3D打印设备的数据进行分类和整理，基于平台功能业务，设计数据库的存储结构，对设备的数据进行存储，为平台功能业务实现提供支持。

（4）3D打印设备物联监控平台的性能测试和验证。设计平台测试方案，利用Jmeter测试软件模拟实施测试方案，模拟大规模数据的3D打印设备的平台接入，对平台的数据接入和业务处理的并发性能进行测试，结果显示平台能够满足性能需求。

要求完成的主要任务：

（1）查阅近五年内与设计内容相关的中文文献不少于15篇，英文文献不少于5篇，翻译一篇5000汉字的相关英文期刊文献，给出翻译的中英文对照稿。

（2）制定3D打印机网络化接入方案，给出3D打印网络化接入硬件系统实现图。

（3）设计、集成并测试3D打印物联监控平台

（4）撰写不少于1.2万字的毕业设计说明书。

研究的目标：

3D打印云端物联旨在实现云端化平台支持下的3D打印、远程监控等功能。结合智能硬件、物联网等技术，提供3D打印设备的远程监控和管理，为构建全球范围内的分布式3D打印云工厂提供基础。

拟采用的技术方案及措施：

多节点物联接入

（1）3D打印设备通信硬件

3D打印设备通过一组设计的硬件系统连接到监控平台，而硬件接入设备主要由STM32芯片和IOT WIFI模块组成。无线通信模块作为终端设备接入物联网的最重要部分，它是各类智能终端能够得以接入物联网的信息入口，也是连接物联网感知层和网络层的关键环节，所有物联网感知层终端产生的设备数据需要通过无线通信模块汇聚到网络层，进而通过云端管理平台对设备进行远程管控。3D打印网络化接入硬件系统实现图如下图所示：

所有3D打印设备通过设计的硬件系统连接到3D打印物联监控平台。1是3D打印机X轴电机，作用是控制3D打印机喷头X轴方向的运动；2是喷头1温度传感器，作用是实时测量喷头1的温度；3是3D打印机主板，是3D打印机的核心部件，打印机固件烧录在这里，并且通过统一的USB接口将3D打印机的数据和传感器数据发送给开发板4；4是开发板，作用是通过USBhost与打印机主板3相连，实现数据的解析封装和接收服务器传过来的指令；5是WiFi模块，它是整个3D打印机实现物联的核心，作用就是通过该WiFi模块实现3D打印机“上网”并与云平台之间双向通信。

（2）基于MQTT的3D打印物联通信协议

MQTT是轻量级基于代理的发布/订阅的消息传输协议，也可以说是一种即时通讯协议，可通过很少的带宽和代码接入远程设备。整个协议相对于复杂的TCP和HTTP协议更为简单，最小的头部只需2个字节，并且开源且容易实现，特别适合于嵌入式中。

MQTT协议实现方式

3D打印物联采用MQTT通信协议进行3D打印的互联网通信。其中，3D打印设备作为发布者在物联监控平台上发布主题，用户作为订阅者在平台上进行订阅设备主题，同时，用户可以做为发布者在平台上发布控制主题，提供给指定的设备进行订阅，从而实现3D打印设备和用户之间的交互，如图2.4所示。在此过程中选用Kafka作为消息中间件。将接入设备传递过来的数据发送给Kafka，存入原始数据Topic；并把原始数据Topic中的数据读取进行交互认证，认证成功过后将数据送入数据解析模块。原始数据解析出来的3D打印机各项参数发送至历史数据Topic。然后将解析后的数据发送至报警判断模块，报警判断模块根据3D打印机的温度、进度、位置信息进行判断是否发生故障并将产生的数据发送至Kafka的报警数据Topic，同时把解析后的数据发送至状态分析模块；状态分析模块对3D打印机当前状态进行分析，状态发生变化就更新Redis。实现关键代码如下图所示。

分布式存储和处理

分布式存储是一种借助多台服务器来减轻平衡存储负荷的数据存储技术，相对于传统的网络存储系统采用集中服务器存储所有数据而言，不但提高了系统的存储效率、可靠性，还易于扩展。在我们研究的课题中综合使用了多种存储引擎，主要包括HDFS和Hbase。HDFS适合非结构化数据的存储，用于存储原始数据、大量数据的存储场景；HBase适合存储半结构化数据，用于存储历史数据和状态等较大的数据，支持大表的快速查询，提供单行数据低延迟随机访问，HBase利用 Hadoop HDFS 作为其文件存储系统； Hadoop MapReduce 来处理 HBase 中的海量数据；Zookeeper 来做协同服务。要想运行Hbase,需要先搭建好Hadoop集群环境，我们使用Docker搭建Hadoop环境。Hadoop是一个容错性很好、高延时的分布式文件系统和高并发的批处理系统，不适用于提供实时计算；而Hbase的高并发和实时处理数据的特点可以提供实时计算的分布式数据库，数据被保存在HDFS分布式文件系统上，由HDFS保证期高容错性。

系统开发环境、工具以及涉及到的技术主要有：

IDEA 全称IntelliJ IDEA，是用于java语言开发的集成环境（也可用于其他语言），IntelliJ在业界被公认为最好的java开发工具之一，尤其在智能代码助手、代码自动提示、重构、J2EE支持、Ant、JUnit、CVS整合、代码审查、 创新的GUI设计等方面的功能可以说是超常的。JDK是 Java 语言的软件开发工具包，主要用于移动设备、嵌入式设备上的java应用程序。JDK是整个java开发的核心，它包含了JAVA的运行环境（JVM Java系统类库）和JAVA工具。Tomcat 服务器是一个免费的开放源代码的Web 应用服务器，在中小型系统和并发访问用户不是很多的场合下被普遍使用，是开发和调试JSP 程序的首选，因为Tomcat 技术先进、性能稳定，成为目前比较流行的Web 应用服务器。MySQL 是一个关系型数据库管理系统，关联数据库将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，增加了速度并提高了灵活性。在 WEB 应用方面MySQL是最好的 RDBMS (Relational Database Management System，关系数据库管理系统) 应用软件之一。Maven是基于项目对象模型(POM project object model)，可以通过一小段描述信息（配置）来管理项目的构建，报告和文档的软件项目管理工具，Maven的核心功能是合理叙述项目间的依赖关系，通过pom.xml文件的配置获取jar包，而不用手动去添加jar包。Git是目前世界上最先进的分布式版本控制系统，没有中央服务器的，每个人的电脑就是一个完整的版本库，工作的时候不需要联网。、

根据平台功能需求规划出不同的功能模块，包括设备定位模块、设备监控模块、设备管理和认证模块、用户管理模块以及数据库模块等，再根据各功能模块进行代码编写设计，最后就是进行内部测试以及后续优化，完成整个3D打印设备物联监控平台的设计。

3. 研究计划与安排

（1）1-4周：完成文献查阅和英文文献翻译，完成开题报告。

（2）5-14周：完成3d打印物联监控平台的设计、开发、调试任务。

（3）15-16周：完成设计资料整理和设计说明书（论文）撰写。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘永辉，尹作重，黄双喜，等．3d打印技术原理和市场发展[j]．明日风尚，2017．

[2]余江海，王阳，任佳乐，等．3d打印云制造服务平台结构设计[d]．内江科技，2018．