3D打印機分布式遠程管理系統

2023年12月13日發(作者：機械傷害預防措施)

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3D打印機分布式遠程管理系統

摘要：目前3D打印技術逐漸普及，但實現工廠化的分布式打印在國內還尚未成熟，再加上當前的可控制范圍僅限于局域網，讓異地辦公也不方便。于此，本項目旨在設計出一款能對3D打印機進行分布式遠程控制的管理系統平臺。

關鍵詞：樹莓派 內網穿透 分布式控制

1.研究背景

3D打印技術隨著互聯網技術的不斷更新迭代，但發展仍存在一些市場痛點，如控制訪問限局域網，分布式控制不成熟等，如今面臨著數字化時代的到來，3D打印全數字化設計和制造的屬性、3D打印機的高度智能化的特征、3D打印天然具有的柔性制造和個性化生產的特險，決定了3D打印是工業互聯網的一個典型應用領域，將促進制造業的生產模式從批量化、標準化制造轉變為大規模小批量的個性化定制。[1]于此，3D打印機的分布式遠程控制需大力發展。

2.研究意義

本項目的3D打印機分布式遠程管理系統，用戶可通過登錄設定好的網址進行對多臺3D打印機的分布式遠程控制即集中管理和分散控制，同時具有實時的視頻監控，并能通過數據庫存儲工作日志數據，能打破空間限制，同時可獲取原生3D打印機數據便于進行后續分析利用，具有良好的應用前景。

（一）研究內容：

本項目以樹莓派為控制單元，結合開源軟件Octoprint和OctoFarm，對多臺3D打印設備在網頁上進行管理，實現多臺打印設備同時工作，提高生產效率；利用內網穿透技術對打印設備進行遠程控制，加上攝像頭監控，實現一對多的異地遠程控制；實時記錄設備工作情況，并生成工作日志，并可通過數據本地化上傳到MongoDB數據庫，便于后續分析利用。 本項目介紹分為兩大模塊，第一模塊為通過開源軟件Octoprint和Octofarm實現分布式控制和數據存儲，第二模塊為內網穿透實現遠程控制和監控攝像頭遠程訪問。

（二）系統設計：

2.1 樹莓派：

樹莓派（Raspberry Pi）是基于Linux的單片機計算機，其系統基于linux[2]，功能強大，開源通過給它燒錄Octoprint鏡像文件，從而啟用Octoprint系統來對3D打印機進行網頁控制。

樹莓派主板有專屬的400萬像素攝像頭，可以把它插上主板攝像頭插口，并能通過指定網址來訪問到攝像頭的視頻流，結合了Octoprint的樹莓派會把其攝像頭的視頻流整合到Octoprint的控制網頁，便于操作者在操作的同時還能通過攝像頭來實時監控到3D打印機的工作狀況以及打印的成果。

2.2 Octoprint和Octofarm開源軟件：

Octoprint是一個開源套件鏡像文件，可通過燒錄工具Raspberyy Pi

Imager將Octoprint系統下載到SD卡上并插到樹莓派上安裝，之后復制出多個Octorpint實例，再通過樹莓派USB端口配置不同的Octoprint訪問網址的ip端口，從而實現每個Octorpint實例控制一臺連接USB端口的3D打印機。

OctoFarm 是一個單一管理平臺，可將多個 OctoPrint 實例組合到一個界面中。它利用 OctoPrint API 和 websocket 系統來監控和管理您的 3d 打印機農場。我們可以在本地電腦上安裝Octorfarm軟件即可，當軟件運行后，把各個Octoprint實例的訪問網址都添加到Octofarm的管理界面中即可實現集中管理和分散控制的分布式控制，但當前未進行內網穿透，控制范圍也還僅限與局域網。

2.2. 數據庫實時存儲工作日志

我們本項目中采用的MongoDB數據庫來存儲數據，因為它是非關系型數據庫，非常適用于數據量大的快速讀取和不斷記錄數據。 在本地電腦直接安裝MongoDB數據庫即可，Octofarm運行的同時會自動與本地的MongoDB數據庫進行連接，它會把3D打印機的工作日志數據分類存儲到不同的集合中。

與此同時，我們還能通過下載MongoDB數據庫的可視化查看工具MongoDBCompass來直觀的查看我們所收集到的數據。

2.3. frp內網穿透，實現遠程控制

2.3.1 公網ip與私網ip的關系

在互聯網上只有公網才能相互之間進行訪問，ip就好比是地址，公網ip(30.1.1.1)可以類比為某小區在地球上的具體地址，私網(內網)ip(192.168.1.23)可理解為小區內住戶的詳細地址；當私網向互聯網發送請求時，互聯網首先將數據包發送到歸屬該請求的公網，再由公網發送給需要的私網，就好似A小區甲住戶網購商品，商家(互聯網)將其發送到A小區快遞點(公網ip)，再根據甲住戶的小區詳細地址(私網ip)，自行前往快遞點領取或者再由快遞點派送。

2.3.2 ip+端口

在公網ip與私網ip的關系中，闡述了ip就好比是地址，那么端口就好比是門口，如：公網的30.1.1.1：7001這一串字符可表示為某小區在地球上的具體地址的南門或者北門；私網的192.168.1.23：8081，這一串字符可表示為甲住戶的小區詳細地址的前面或者后面。

2.3.3 Frp端口映射實現內網穿透

內網穿透，即內網映射，內網端口映射，可以將內網(私網)地址轉化變為公網地址，可以將內網服務器和網站和應用映射外網公網訪問連接，可以將局域網變公網，解決只能局域網訪問的局限性。

Frp 是 基 于 Go 語 言 開 發 的， 支 持 Windows、Linux、MacOS、ARM

等多平臺部署的一種針對內網穿透的高性能快速反向代理，可將防火墻或 NAT 后面的本地服務以安全便捷的方式通過具有公網 IP 節點的中轉暴露到

Internet。Frp支持 TCP、UDP、HTTP 以及 HTTPS 協議，在這些協議中，請求可以通過域名轉發到內部服務。此外，Frp 同時具有 P2P連接模式。[3]

Frp端口映射實現內網穿透原理

利用frp內網穿透工具結合具有公網ip的服務器，進行frp配置，把樹莓派的ip穿透出去，使其能在任何地點都能訪問，從而可以在任何地方終端的Octofarm中添加樹莓派Octoprint實例，進行分布式控制。

主要參考文獻（不超過10個）

[1]陳曉紆. 禪月工業:3D打印分布式制造工業云平臺[C]. //2018中國增材制造大會論文集. 2018:79-80.

[2]樹莓派官網.樹莓派官網[引用日期2016-10-03]

[3]管煜. 基于Frp內網穿透與Flask框架的物聯網通信實驗[J]. 信息技術與信息化,2021(8):197-199. DOI:10.3969/.1672-9528.2021.08.060.

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