基于3D 打印的开源Oasis 绿洲智能生态箱：您的绿植伴侣-电子发烧友网

“Oasis 是一个完全开源的智能玻璃容器，主要由 3D 打印而成。它为苔藓、蕨类植物、兰花等喜湿植物提供了理想的生长环境。”

项目概览仓库地址：

https://github.com/justbuchanan/oasis

项目主页：

https://oasis-terrarium.com/

Oasis 是一款完全开源、主要采用 3D 打印技术的智能生态瓶。它为喜湿植物如苔藓、蕨类、兰花等提供了理想的生长环境。先来看下仙气飘飘的景象：

Oasis 主要功能如下：

高功率 LED 照明
喷雾器，用于为植物提供水分并维持高湿度
风扇，用于空气流通
温度/湿度传感器，用于监测环境条件
Wi-Fi连接，可通过手机或电脑进行控制和配置（见网页界面）
外形尺寸：约8英寸直径，约13英寸高

BOM 表

Oasis 由以下组件构成：

项目	数量	来源 1	来源 2	备注
Carclo 10140 LED 光学透镜	5	亚马逊 ($8.50/6个)	LED ($1.60/个)	其他 Carclo 20mm 光学元件也适用。不同选项包括磨砂/非磨砂以及不同的照明模式/角度。
O 型圈 (外径18mm, 内径12mm, 宽度3mm)	2	亚马逊 ($9/20个)
亚克力板 - 12" x 24" x 1/32" 厚	1	亚马逊 ($10)
亚克力胶水	少许	亚马逊 ($18/5盎司管)
24V 涡轮风扇 30x30x10mm	2	亚马逊 ($10/2个)	亚马逊 ($12/6个)
温湿度传感器模块	1	亚马逊 ($13/3个)		该模块需要焊接一根电缆。详情请参见电子元件页面。
18V 1A+ 电源适配器	1	亚马逊 ($10)	digikey ($5.87)
超声波雾化片	1	亚马逊 ($9/3个)		这些雾化片自带电路板，但我们不需要，因为驱动电路已内置于 Oasis 主板中。
环氧树脂	约 80 克	亚马逊 ($21/960克/34盎司)
润滑脂	少许	亚马逊 ($6/8盎司)
M3x20mm 内六角螺丝	2
M3x8mm 内六角螺丝	4

3D 打印部件包括：

顶盖、底座、底板、雾化器盖、顶部堵头、传感器篮。

总共是以下部件：

电子部分

电子部分主要由主板和 LED 板两部分组成。有几个主要任务：

为灯光供电并实现亮度控制（“调光”）
打开/关闭风扇
驱动雾化器（这是一个有些复杂的谐振电路）
与温湿度传感器通信
WiFi 功能
用于编程/调试的 USB 端口

微控制器

要求：

用于传感器 (sht30) 的 I2C 接口
1 个用于 LED 驱动的 PWM 输出
1 个用于雾化器的 PWM 输出
1 个用于风扇的 GPIO
WiFi 功能

虽然有不少微控制器能满足这些要求，但它们的尺寸和成本差异很大。我选择了 ESP32，因为它尺寸小（比邮票还小）、采用 SMD 封装（可以直接焊接到电路板上），而且成本低（约 3 美元）。

LED 及驱动器

我选择了Cree XT-E LED，因为它们在水族和生态缸爱好者中常用于构建大功率照明系统，而且我之前也有使用经验。

LED 灯串最好由恒流驱动器供电。这方面有很多选择，但我选择了明纬 (Meanwell) LDD-700LS，因为它采用小尺寸的 SMD 封装，可通过 PWM 进行调光控制，并且易于使用（无需外部元件）。该驱动器最多可提供 700mA 的电流（因此型号中有 700），但也有其他型号可以提供更高或更低的电流。

我选择在生态缸顶部以圆形布局安装五个 LED。与将一个 LED 放在中心或将几个 LED 紧密聚集在一起相比，圆形间距能为缸体提供更均匀的照明。选择五个 LED 的数量在某种程度上是随意的。

根据数据手册（第 21 页），当电流为 700mA 时，Cree XT-E LED 的正向电压略低于 3V。五个 LED 串联，意味着我们需要在 LED 两端提供约 15V 的总电压。驱动器的输入电压必须比其输出电压高出约 2V，因此我们至少需要约 17V 的电压来为驱动器供电。

雾化器

我使用一个超声波雾化器来为生态缸提供水分。这是一种由金属和压电材料夹层制成的小圆盘，中心有非常微小（约 4μM）的孔。通过在圆盘的端子间施加交流电压，可以使其振动，将水“粉碎”成微小颗粒，然后降落到缸内。我们驱动圆盘的频率越接近其自然谐振频率（通常约为 110kHz），驱动的效率和速度就越高。

在设计用于驱动雾化器的谐振电路时，我主要参考了以下这些文章：

https://www.edn.com/ultrasonic-mist-maker/
https://www.instructables.com/Make-Your-Own-Super-Simple-Ultrasonic-Mist-Maker/

其原理本质上是通过一个 MOSFET 以极高频率（约 110kHz）快速开关，使其在“为电感充电”和“将电荷倾倒至雾化盘”之间交替。该 MOSFET 连接到一个 MOSFET 栅极驱动器，该驱动器从微控制器的 PWM 输出接收 110kHz 的信号。

一些雾化器驱动电路使用专门的方波生成 IC（如 555 定时器）来提供 110kHz 信号，但本设计使用微控制器的 PWM 输出。这样做有几个优点：

元件更少
可以在软件中更改信号频率，以适应不同的雾化盘

同时也有一个关键缺点：固件可能会被错误地编写，输出一个“始终开启”的信号，而不是预期的 110kHz 方波，这将导致雾化电路冒出“魔法青烟”（即烧毁）。

电压要求

LED 驱动器： >17V
传感器： 2.2V - 5.5V
ESP32： 3.3V
风扇：标称 24V，但在 18V 下也能运行
雾化器： >12V

我选择使用 18V 的输入电源电压以满足高电压设备的要求，然后增加一个电压调节器为低电压设备提供 3.3V。我选择了一款来自德州仪器 (TI) 的降压转换器，并使用他们的 WeBench 工具设计了稳压电路。

散热考虑

事实证明，LED，即使是我们这里使用的这种相当高效的 LED，也会产生大量热量。

最初的电子设计将所有元件，包括 LED 和温湿度传感器，都放在一块板上。我预料到这可能会有散热问题，但将所有东西都集成在一块板上的优雅设计实在难以抗拒，所以我固执地推进了下去。以下是初始设计的渲染图：

顶视图

底视图

不出所料，LED 很快导致电路板升温，这不仅影响了温度传感器的读数，还使 ESP32 接近其工作温度上限。我试图通过在 3D 打印的顶盖上钻许多通风孔，并在电路板顶部粘贴十几个小型散热片来缓解过热问题。这有一点帮助，但还不够。要让这个设计行得通，唯一的办法是在固件中大幅限制 LED 的最大亮度，但这将使照明水平远低于我对生态缸的期望。

于是，重新设计 PCB！最终设计选择将 LED 放在一块单独的铝基板上，利用铝板作为散热器。几乎所有其他元件都放在另一块独立的主板上。温湿度传感器则在它自己的小板上，位于缸体内部，从而将其与 LED 的热量隔离开来。

主板

主板包含：

一个带内置 WiFi 的微控制器 (ESP32-C3)
LED 驱动器
18V 转 3.3V 电压转换器
超声波雾化器驱动器
风扇驱动器
用于更新固件的 USB 连接器

KiCad 设计文件请见：

https://github.com/justbuchanan/oasis/tree/main/pcb/main

原理图

3D 渲染图顶视图底视图

LED 板

LED 板非常简单——它由 5 个串联的 LED 组成，安装在一块铝基板上以充当散热器。

KiCad 设计文件请见：

https://github.com/justbuchanan/oasis/tree/main/pcb/ledboard

为了连接到主板，LED 板需要焊接一个 2-pin 的 JST PH 连接器。

原理图

3D 渲染图

SHT30 传感器板接线

SHT30 传感器板出厂时不带电缆。您需要焊接一根标准的 4-pin 连接器电缆，以便将其插入主板。

功耗

电子元件的功耗是使用设置为 18V 的台式电源测量的。结果如下：

配置	电流消耗 (安培)
微控制器已插入，所有设备（雾化器、风扇、灯光）关闭	0.01-0.03
LED 100% 亮度开启	0.61
风扇开启	0.09
雾化器开启，有水	0.05
雾化器开启，无水	0.03
所有设备开启（雾化器、风扇、LED 100% 亮度），有水	0.72

装配

安装 LED 光学透镜

将五个 LED 光学透镜插入 3D 打印的“底板”上的插槽中。每个透镜的一侧都有一个小的矩形凸舌。请确保此凸舌与 3D 打印件上相应的插槽对齐。

安装 LED 板

对齐 LED 板，使 LED 朝下，电源线大致朝向底板上切出的三个槽口方向。将 LED 与其光学透镜对齐，然后将板按入到位。每个透镜旁边都有一个 3D 打印的卡扣，可以卡住 LED 板。

安装温湿度传感器

SHT30 温湿度传感器板安装在传感器篮的一个矩形插槽中。

警告：传感器篮顶部的卡舌非常脆弱。

将传感器篮连接到底板

首先将传感器电缆穿过底板上的插槽。

接着，将传感器篮上的卡舌插入底板上的插槽中，从而将传感器篮连接到底板。旋转传感器篮以啮合卡舌。

安装主板

使用一颗 M3x8mm 螺丝将主板固定到 3D 打印的顶盖上。

安装风扇

顶盖两侧各有一个插槽，可将风扇滑入。电缆应朝向顶盖中心，并穿过打印件上的小开口。

连接风扇

将风扇电源线连接到主板上带有相应标签的连接器。请注意，风扇1和风扇2可以互换——哪个风扇插入哪个连接器都无关紧要。

组装雾化器

警告：电线与雾化盘之间的连接点非常脆弱，容易断裂。处理时请小心，不要过度弯曲电线。

首先，在 O 型圈上涂抹少量润滑脂，然后将其放入水箱的 O 型圈凹槽中。

将雾化片放在 O 型圈上，电线朝向主板方向。

使用三颗 M3x8mm 螺丝固定雾化器盖，注意将盖上的槽口对准雾化器电缆。拧紧螺丝，只需让雾化器受到一些压力即可，但不要过紧。如果水从 O 型圈周围渗漏，您可能需要稍后将其拧得更紧；如果雾化片被压得太紧无法产生雾气，则需要将其拧松。如有需要，请参阅雾化器调整说明。

插入雾化片插头

将雾化器插头插入主板上带有相应标签的连接器中。

警告：雾化器和灯光使用相同的连接器，请务必将雾化器插入正确的接口。如果插错，请用一把尖嘴钳轻轻将其拔出，不要通过拉扯电缆来拔出。

安装底板

如下图所示对齐顶盖和底板，然后将 LED 板电源线和传感器电缆连接到主板。

将底板翻转盖在顶盖上，并将底板上的“定位柱”与顶盖上相应的插槽对齐。注意不要夹到任何电线，并将雾化片电缆穿过底板上的槽口。使用两颗 M3x20mm 螺丝将这两个部件固定在一起。

安装顶部堵头

将一个 O 型圈插入顶部的注水口。润滑脂在此处是可选的，但建议使用。

将顶部堵头插入注水口并旋转拧紧。

最终组装

快完成了！将亚克力生态缸壁插入底座，然后盖上顶盖。

未来改进的一些想法

生态箱在目前的状态下运行良好，但仍有改进的空间。以下是针对未来版本设计的一些想法：

生态箱应该能够检测到水箱何时为空。有几种方法可以实现这一点：
- 在水箱内部添加一个传感器。浮子传感器或电容式传感器会是不错的选择。
- 测量雾化器的电流消耗。有水时，雾化器电路的电流消耗几乎是无水时的两倍。
- 在运行雾化器前后测量湿度，看其是否增加。这应该可以通过现有硬件在软件中实现，但可能比较棘手。
增加风扇的气流。虽然风扇本身动力不是很强，但在当前设计中，它们受到 3D 打印部件中进气和出气通道尺寸的限制。而通道尺寸又受限于 LED 板的大小。如果未来版本的 LED 板做得更小，就有空间将进气口做得更大。
雾化器/支架/螺丝会从顶盖底部伸出。理想情况下，顶盖应该能够（面朝下）平放在桌面上，而没有任何部件接触桌面。
从后面垂下来的电线很难看。我没看到什么好的解决方法，但在底座上增加一个线夹可能至少能让它整洁一些。
将水箱做得更大。目前有一些“浪费”的空间可以被利用起来，让生态缸能装更多的水。