3D打印机分布式远程管理系统

2023年12月13日发(作者：机械伤害预防措施)

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3D打印机分布式远程管理系统

摘要：目前3D打印技术逐渐普及，但实现工厂化的分布式打印在国内还尚未成熟，再加上当前的可控制范围仅限于局域网，让异地办公也不方便。于此，本项目旨在设计出一款能对3D打印机进行分布式远程控制的管理系统平台。

关键词：树莓派 内网穿透 分布式控制

1.研究背景

3D打印技术随着互联网技术的不断更新迭代，但发展仍存在一些市场痛点，如控制访问限局域网，分布式控制不成熟等，如今面临着数字化时代的到来，3D打印全数字化设计和制造的属性、3D打印机的高度智能化的特征、3D打印天然具有的柔性制造和个性化生产的特险，决定了3D打印是工业互联网的一个典型应用领域，将促进制造业的生产模式从批量化、标准化制造转变为大规模小批量的个性化定制。[1]于此，3D打印机的分布式远程控制需大力发展。

2.研究意义

本项目的3D打印机分布式远程管理系统，用户可通过登录设定好的网址进行对多台3D打印机的分布式远程控制即集中管理和分散控制，同时具有实时的视频监控，并能通过数据库存储工作日志数据，能打破空间限制，同时可获取原生3D打印机数据便于进行后续分析利用，具有良好的应用前景。

（一）研究内容：

本项目以树莓派为控制单元，结合开源软件Octoprint和OctoFarm，对多台3D打印设备在网页上进行管理，实现多台打印设备同时工作，提高生产效率；利用内网穿透技术对打印设备进行远程控制，加上摄像头监控，实现一对多的异地远程控制；实时记录设备工作情况，并生成工作日志，并可通过数据本地化上传到MongoDB数据库，便于后续分析利用。 本项目介绍分为两大模块，第一模块为通过开源软件Octoprint和Octofarm实现分布式控制和数据存储，第二模块为内网穿透实现远程控制和监控摄像头远程访问。

（二）系统设计：

2.1 树莓派：

树莓派（Raspberry Pi）是基于Linux的单片机计算机，其系统基于linux[2]，功能强大，开源通过给它烧录Octoprint镜像文件，从而启用Octoprint系统来对3D打印机进行网页控制。

树莓派主板有专属的400万像素摄像头，可以把它插上主板摄像头插口，并能通过指定网址来访问到摄像头的视频流，结合了Octoprint的树莓派会把其摄像头的视频流整合到Octoprint的控制网页，便于操作者在操作的同时还能通过摄像头来实时监控到3D打印机的工作状况以及打印的成果。

2.2 Octoprint和Octofarm开源软件：

Octoprint是一个开源套件镜像文件，可通过烧录工具Raspberyy Pi

Imager将Octoprint系统下载到SD卡上并插到树莓派上安装，之后复制出多个Octorpint实例，再通过树莓派USB端口配置不同的Octoprint访问网址的ip端口，从而实现每个Octorpint实例控制一台连接USB端口的3D打印机。

OctoFarm 是一个单一管理平台，可将多个 OctoPrint 实例组合到一个界面中。它利用 OctoPrint API 和 websocket 系统来监控和管理您的 3d 打印机农场。我们可以在本地电脑上安装Octorfarm软件即可，当软件运行后，把各个Octoprint实例的访问网址都添加到Octofarm的管理界面中即可实现集中管理和分散控制的分布式控制，但当前未进行内网穿透，控制范围也还仅限与局域网。

2.2. 数据库实时存储工作日志

我们本项目中采用的MongoDB数据库来存储数据，因为它是非关系型数据库，非常适用于数据量大的快速读取和不断记录数据。 在本地电脑直接安装MongoDB数据库即可，Octofarm运行的同时会自动与本地的MongoDB数据库进行连接，它会把3D打印机的工作日志数据分类存储到不同的集合中。

与此同时，我们还能通过下载MongoDB数据库的可视化查看工具MongoDBCompass来直观的查看我们所收集到的数据。

2.3. frp内网穿透，实现远程控制

2.3.1 公网ip与私网ip的关系

在互联网上只有公网才能相互之间进行访问，ip就好比是地址，公网ip(30.1.1.1)可以类比为某小区在地球上的具体地址，私网(内网)ip(192.168.1.23)可理解为小区内住户的详细地址；当私网向互联网发送请求时，互联网首先将数据包发送到归属该请求的公网，再由公网发送给需要的私网，就好似A小区甲住户网购商品，商家(互联网)将其发送到A小区快递点(公网ip)，再根据甲住户的小区详细地址(私网ip)，自行前往快递点领取或者再由快递点派送。

2.3.2 ip+端口

在公网ip与私网ip的关系中，阐述了ip就好比是地址，那么端口就好比是门口，如：公网的30.1.1.1：7001这一串字符可表示为某小区在地球上的具体地址的南门或者北门；私网的192.168.1.23：8081，这一串字符可表示为甲住户的小区详细地址的前面或者后面。

2.3.3 Frp端口映射实现内网穿透

内网穿透，即内网映射，内网端口映射，可以将内网(私网)地址转化变为公网地址，可以将内网服务器和网站和应用映射外网公网访问连接，可以将局域网变公网，解决只能局域网访问的局限性。

Frp 是 基 于 Go 语 言 开 发 的， 支 持 Windows、Linux、MacOS、ARM

等多平台部署的一种针对内网穿透的高性能快速反向代理，可将防火墙或 NAT 后面的本地服务以安全便捷的方式通过具有公网 IP 节点的中转暴露到

Internet。Frp支持 TCP、UDP、HTTP 以及 HTTPS 协议，在这些协议中，请求可以通过域名转发到内部服务。此外，Frp 同时具有 P2P连接模式。[3]

Frp端口映射实现内网穿透原理

利用frp内网穿透工具结合具有公网ip的服务器，进行frp配置，把树莓派的ip穿透出去，使其能在任何地点都能访问，从而可以在任何地方终端的Octofarm中添加树莓派Octoprint实例，进行分布式控制。

主要参考文献（不超过10个）

[1]陈晓纡. 禅月工业:3D打印分布式制造工业云平台[C]. //2018中国增材制造大会论文集. 2018:79-80.

[2]树莓派官网.树莓派官网[引用日期2016-10-03]

[3]管煜. 基于Frp内网穿透与Flask框架的物联网通信实验[J]. 信息技术与信息化,2021(8):197-199. DOI:10.3969/.1672-9528.2021.08.060.

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