摘 要

第三次工业革命以来，3D打印技术因其在增材制造、一体成型方面的加工优势，占据智能制造领域的重要地位。随着网络化服务型制造模式的发展与定制化制造需求的加剧，3D打印的规模化、智能化控制在嵌入式Web通信及物联网技术的支持下成为可能。3D打印装备的网络化管理与控制，是构建3D打印智能车间的前提，因此，需要研究3D打印嵌入式Web控制系统的设计与实现方法，为网络化智能3D打印提供支持。

本文基于LwIP协议研究3D打印机嵌入式Web通信技术，构建面向RepRap固件的服务器与客户机网络信息交互模型，实现了基于嵌入式Web服务器对3D打印机的B/S控制。主要工作如下：

1）针对B/S模式下嵌入式Web的通信问题，设计了嵌入式Web服务的交互式网络通信模型；

2）针对客户机网页前端的控制问题，进行了GM控制指令的分类及管理，设计了地址指向性操作指令与URL的结合方法，研究了前端网络通信机制与信息反馈的作用；

3）针对嵌入式Web服务器的响应问题，设计了Web服务器基本运行机制，包括LwIP静态协议的通信总成，TCP通信状态的监控与调节机制，统一协议解释器作用下的网络信息指令分类调用及存储机制；

4）实现3D打印机的网络控制功能，进行了系统测试与验证。

研究结果表明：嵌入式网络通信技术能够摆脱传统有线通信的诸多障碍，具有可移植性强，开发接口完善等特点，复杂的通信校验机制进一步提高信息传递的稳定性和可靠性。3D打印机等通用嵌入式设备能够有效兼容网络通信控制技术，提高信息的集成化处理能力，在未来的物联网工程领域具有良好的应用前景。

关键词：3D打印；嵌入式Web技术；客户机；服务器；LwIP协议

Abstract

Since the third industrial revolution, 3D printing technology has occupied an important position in the field of intelligent manufacturing due to its processing advantages in additive manufacturing and integrated molding. With the development of networked service-oriented manufacturing models and the intensification of demand for customized manufacturing, the scale and intelligent control of 3D printing becomes possible with the support of embedded Web communications and Internet of things technologies. The network management and control of 3D printing equipment is the prerequisite for building a 3D printing intelligent workshop. Therefore, it is necessary to study the design and implementation of the 3D printing embedded Web control system to provide support for networked intelligent 3D printing.

This paper studies the embedded Web communication technology of 3D printers based on the LwIP protocol, builds a server-client network information interaction model for RepRap firmware, and implements B / S based on embedded Web servers for 3D printer’s control. The main tasks as follows:

1) For the communication problem of embedded Web in B / S mode, an interactive network communication model of embedded Web service is designed;

2) For the control problem of the front-end of the client's webpage, the classification and management of GM control instructions are carried out, the combination method of address-oriented operation instructions and URL is designed, and the function of front-end network communication mechanism and information feedback is studied;

3) In response to the embedded Web server's response problem, the basic operation mechanism of the Web server is designed, including the communication assembly of the LwIP static protocol, the monitoring and adjustment mechanism of the TCP communication status, the network information instruction classification call and the unified protocol interpreter. Storage mechanism

4) Realize the network control function of the 3D printer, and carry out the system test and verification.

The research results show that the embedded network communication technology can get rid of many obstacles of traditional wired communication, and has the characteristics of strong portability and perfect development interface. The complex communication verification mechanism further improves the stability and reliability of information transmission. General embedded devices such as 3D printers can be effectively compatible with network communication control technology, improve the integrated processing capability of information, and have good application prospects in the future Internet of things engineering field.

Key Words：3D printing；embedded Web technology；client；server；LwIP protocol

目 录

第1章 绪论 1

1.1 3D打印机嵌入式Web控制系统研究目的及意义 1

1.2 相关领域国内外研究现状 1

1.2.1 嵌入式Web技术国内外研究现状 1

1.2.2 3D打印机网络交互国内外研究现状 3

1.3 研究的基本内容及目标 3

1.4 论文组织结构 4

第2章 3D打印嵌入式Web服务器网络通信框架模型 5

2.1 TCP/IP网络通信模型 5

2.1.1 TCP/IP协议层模型 5

2.1.2 3D打印Web服务器/客户机信息交互模型 6

2.2 LwIP网络通信协议 7

2.3 嵌入式Web通信过程 7

2.3.1 ARP地址映射 7

2.3.2 通信数据封装 8

2.3.3 数据收发模型 9

2.3.4 （数据）报文请求过程 10

2.4 3D打印机网络控制机制 11

第3章 3D打印机网络控制Web前端设计 13

3.1 3D打印控制前端功能模块设计 13

3.1.1 3D打印参数设置指令集设计 13

3.1.2 3D打印实时控制指令集设计 14

3.1.3 3D打印运行状态反馈指令集设计 16

3.2 3D打印前端控制关键技术 18

3.2.1 3D打印前端控制结构设计 18

3.2.2 前端控制元素选择器及回调机制设计 19

3.2.3 前端控制操作选择器与URL拼接方法设计 20

3.2.4 前端通信机制与反馈控制设计 22

第4章 3D打印机嵌入式Web服务器设计 24

4.1 3D打印嵌入式Web的通信机制 24

4.1.1 3D打印嵌入式Web服务器协议层工作机制 24

4.1.2 3D打印嵌入式Web服务器通信总成接口 25

4.1.3 3D打印嵌入式Web服务器工作过程 26

4.2 3D打印嵌入式Web服务器初始化处理 26

4.2.1 3D打印嵌入式Web服务器连接状态检测 27

4.2.2 3D打印嵌入式Web服务器内存预装载 27

4.2.3 3D打印嵌入式Web服务器网络数据操作与反馈 28

4.3 3D打印嵌入式Web服务器的信息处理方法 29

4.3.1 3D打印嵌入式Web服务器信息处理过程 29

4.3.2 3D打印机紧急GM指令处理 30

4.3.3 3D打印嵌入式Web服务器HTTP请求处理 30

4.3.4 3D打印嵌入式Web服务器资源管理请求处理 31

4.3.5 3D打印嵌入式Web服务器远程控制请求处理 32

第5章 3D打印Web控制系统开发过程与测试 33

第6章 结语 38

参考文献 39

致谢 41

第1章 绪论

第三次工业革命以来，新材料技术和电子控制技术蓬勃发展，为加工制造提供了新思路。基于计算机精密控制下机械装置路径规划式熔融堆积这一创新型加工方式，人们提出3D打印技术，即通过计算机切片技术，读取模型的横截面信息，再控制机械装置逐层堆积材料，实现模型的空间打印。3D打印作为成型加工中前沿而先导的新兴技术，打破了传统工艺和行业制造的限制，因其而发展起来的节约资源、低成本、高精度的新兴制造工艺具有传统工艺无可比拟的优势，具有十分广阔的前景^[1]。

1.1 3D打印机嵌入式Web控制系统研究目的及意义