“Oasis 是一個(gè)完全開(kāi)源的智能玻璃容器，主要由 3D 打印而成。它為苔蘚、蕨類植物、蘭花等喜濕植物提供了理想的生長(zhǎng)環(huán)境。”

?項(xiàng)目概覽倉(cāng)庫(kù)地址：

https://github.com/justbuchanan/oasis

項(xiàng)目主頁(yè)：

https://oasis-terrarium.com/

Oasis 是一款完全開(kāi)源、主要采用 3D 打印技術(shù)的智能生態(tài)瓶。它為喜濕植物如苔蘚、蕨類、蘭花等提供了理想的生長(zhǎng)環(huán)境。先來(lái)看下仙氣飄飄的景象：

Oasis 主要功能如下：

• 高功率 LED 照明

• 噴霧器，用于為植物提供水分并維持高濕度

• 風(fēng)扇，用于空氣流通

• 溫度/濕度傳感器，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境條件

• Wi-Fi連接，可通過(guò)手機(jī)或電腦進(jìn)行控制和配置（見(jiàn)網(wǎng)頁(yè)界面）

• 外形尺寸：約8英寸直徑，約13英寸高

BOM 表

Oasis 由以下組件構(gòu)成：

項(xiàng)目	數(shù)量	來(lái)源 1	來(lái)源 2	備注
Carclo 10140 LED 光學(xué)透鏡	5	亞馬遜 ($8.50/6個(gè))	LED ($1.60/個(gè))	其他 Carclo 20mm 光學(xué)元件也適用。不同選項(xiàng)包括磨砂/非磨砂以及不同的照明模式/角度。
O 型圈 (外徑18mm, 內(nèi)徑12mm, 寬度3mm)	2	亞馬遜 ($9/20個(gè))
亞克力板 - 12" x 24" x 1/32" 厚	1	亞馬遜 ($10)
亞克力膠水	少許	亞馬遜 ($18/5盎司管)
24V 渦輪風(fēng)扇 30x30x10mm	2	亞馬遜 ($10/2個(gè))	亞馬遜 ($12/6個(gè))
溫濕度傳感器模塊	1	亞馬遜 ($13/3個(gè))		該模塊需要焊接一根電纜。詳情請(qǐng)參見(jiàn)電子元件頁(yè)面。
18V 1A+ 電源適配器	1	亞馬遜 ($10)	digikey ($5.87)
超聲波霧化片	1	亞馬遜 ($9/3個(gè))		這些霧化片自帶電路板，但我們不需要，因?yàn)?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)電路已內(nèi)置于 Oasis 主板中。
環(huán)氧樹(shù)脂	約 80 克	亞馬遜 ($21/960克/34盎司)
潤(rùn)滑脂	少許	亞馬遜 ($6/8盎司)
M3x20mm 內(nèi)六角螺絲	2
M3x8mm 內(nèi)六角螺絲	4

3D 打印部件包括：

頂蓋、底座、底板、霧化器蓋、頂部堵頭、傳感器籃。

總共是以下部件：

電子部分

電子部分主要由主板和 LED 板兩部分組成。有幾個(gè)主要任務(wù)：

• 為燈光供電并實(shí)現(xiàn)亮度控制（“調(diào)光”）

• 打開(kāi)/關(guān)閉風(fēng)扇

• 驅(qū)動(dòng)霧化器（這是一個(gè)有些復(fù)雜的諧振電路）

• 與溫濕度傳感器通信

• WiFi 功能

• 用于編程/調(diào)試的 USB 端口

微控制器

要求：

• 用于傳感器 (sht30) 的 I2C 接口

• 1 個(gè)用于 LED 驅(qū)動(dòng)的 PWM 輸出

• 1 個(gè)用于霧化器的 PWM 輸出

• 1 個(gè)用于風(fēng)扇的 GPIO

• WiFi 功能

雖然有不少微控制器能滿足這些要求，但它們的尺寸和成本差異很大。我選擇了 ESP32，因?yàn)樗叽缧。ū揉]票還小）、采用 SMD 封裝（可以直接焊接到電路板上），而且成本低（約 3 美元）。

LED 及驅(qū)動(dòng)器

我選擇了Cree XT-E LED，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒搴蜕鷳B(tài)缸愛(ài)好者中常用于構(gòu)建大功率照明系統(tǒng)，而且我之前也有使用經(jīng)驗(yàn)。

LED 燈串最好由恒流驅(qū)動(dòng)器供電。這方面有很多選擇，但我選擇了明緯 (Meanwell) LDD-700LS，因?yàn)樗捎眯〕叽绲?SMD 封裝，可通過(guò) PWM 進(jìn)行調(diào)光控制，并且易于使用（無(wú)需外部元件）。該驅(qū)動(dòng)器最多可提供 700mA 的電流（因此型號(hào)中有 700），但也有其他型號(hào)可以提供更高或更低的電流。

我選擇在生態(tài)缸頂部以圓形布局安裝五個(gè) LED。與將一個(gè) LED 放在中心或?qū)讉€(gè) LED 緊密聚集在一起相比，圓形間距能為缸體提供更均勻的照明。選擇五個(gè) LED 的數(shù)量在某種程度上是隨意的。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)（第 21 頁(yè)），當(dāng)電流為 700mA 時(shí)，Cree XT-E LED 的正向電壓略低于 3V。五個(gè) LED 串聯(lián)，意味著我們需要在 LED 兩端提供約 15V 的總電壓。驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓必須比其輸出電壓高出約 2V，因此我們至少需要約 17V 的電壓來(lái)為驅(qū)動(dòng)器供電。

霧化器

我使用一個(gè)超聲波霧化器來(lái)為生態(tài)缸提供水分。這是一種由金屬和壓電材料夾層制成的小圓盤，中心有非常微小（約 4μM）的孔。通過(guò)在圓盤的端子間施加交流電壓，可以使其振動(dòng)，將水“粉碎”成微小顆粒，然后降落到缸內(nèi)。我們驅(qū)動(dòng)圓盤的頻率越接近其自然諧振頻率（通常約為 110kHz），驅(qū)動(dòng)的效率和速度就越高。

在設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)霧化器的諧振電路時(shí)，我主要參考了以下這些文章：

• https://www.edn.com/ultrasonic-mist-maker/

• https://www.instructables.com/Make-Your-Own-Super-Simple-Ultrasonic-Mist-Maker/

其原理本質(zhì)上是通過(guò)一個(gè) MOSFET 以極高頻率（約 110kHz）快速開(kāi)關(guān)，使其在“為電感充電”和“將電荷傾倒至霧化盤”之間交替。該 MOSFET 連接到一個(gè) MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器從微控制器的 PWM 輸出接收 110kHz 的信號(hào)。

一些霧化器驅(qū)動(dòng)電路使用專門的方波生成 IC（如 555 定時(shí)器）來(lái)提供 110kHz 信號(hào)，但本設(shè)計(jì)使用微控制器的 PWM 輸出。這樣做有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

• 元件更少

• 可以在軟件中更改信號(hào)頻率，以適應(yīng)不同的霧化盤

同時(shí)也有一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)：固件可能會(huì)被錯(cuò)誤地編寫，輸出一個(gè)“始終開(kāi)啟”的信號(hào)，而不是預(yù)期的 110kHz 方波，這將導(dǎo)致霧化電路冒出“魔法青煙”（即燒毀）。

電壓要求

• LED 驅(qū)動(dòng)器： >17V

• 傳感器： 2.2V - 5.5V

• ESP32： 3.3V

• 風(fēng)扇： 標(biāo)稱 24V，但在 18V 下也能運(yùn)行

• 霧化器： >12V

我選擇使用 18V 的輸入電源電壓以滿足高電壓設(shè)備的要求，然后增加一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器為低電壓設(shè)備提供 3.3V。我選擇了一款來(lái)自德州儀器 (TI) 的降壓轉(zhuǎn)換器，并使用他們的 WeBench 工具設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路。

散熱考慮

事實(shí)證明，LED，即使是我們這里使用的這種相當(dāng)高效的 LED，也會(huì)產(chǎn)生大量熱量。

最初的電子設(shè)計(jì)將所有元件，包括 LED 和溫濕度傳感器，都放在一塊板上。我預(yù)料到這可能會(huì)有散熱問(wèn)題，但將所有東西都集成在一塊板上的優(yōu)雅設(shè)計(jì)實(shí)在難以抗拒，所以我固執(zhí)地推進(jìn)了下去。以下是初始設(shè)計(jì)的渲染圖：

頂視圖

底視圖

不出所料，LED 很快導(dǎo)致電路板升溫，這不僅影響了溫度傳感器的讀數(shù)，還使 ESP32 接近其工作溫度上限。我試圖通過(guò)在 3D 打印的頂蓋上鉆許多通風(fēng)孔，并在電路板頂部粘貼十幾個(gè)小型散熱片來(lái)緩解過(guò)熱問(wèn)題。這有一點(diǎn)幫助，但還不夠。要讓這個(gè)設(shè)計(jì)行得通，唯一的辦法是在固件中大幅限制 LED 的最大亮度，但這將使照明水平遠(yuǎn)低于我對(duì)生態(tài)缸的期望。

于是，重新設(shè)計(jì) PCB！最終設(shè)計(jì)選擇將 LED 放在一塊單獨(dú)的鋁基板上，利用鋁板作為散熱器。幾乎所有其他元件都放在另一塊獨(dú)立的主板上。溫濕度傳感器則在它自己的小板上，位于缸體內(nèi)部，從而將其與 LED 的熱量隔離開(kāi)來(lái)。

主板

主板包含：

• 一個(gè)帶內(nèi)置 WiFi 的微控制器 (ESP32-C3)

• LED 驅(qū)動(dòng)器

• 18V 轉(zhuǎn) 3.3V 電壓轉(zhuǎn)換器

• 超聲波霧化器驅(qū)動(dòng)器

• 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器

• 用于更新固件的 USB 連接器

KiCad 設(shè)計(jì)文件請(qǐng)見(jiàn)：

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

原理圖

3D 渲染圖頂視圖底視圖

LED 板

LED 板非常簡(jiǎn)單——它由 5 個(gè)串聯(lián)的 LED 組成，安裝在一塊鋁基板上以充當(dāng)散熱器。

KiCad 設(shè)計(jì)文件請(qǐng)見(jiàn)：

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

為了連接到主板，LED 板需要焊接一個(gè) 2-pin 的 JST PH 連接器。

原理圖

3D 渲染圖

SHT30 傳感器板接線

SHT30 傳感器板出廠時(shí)不帶電纜。您需要焊接一根標(biāo)準(zhǔn)的 4-pin 連接器電纜，以便將其插入主板。

功耗

電子元件的功耗是使用設(shè)置為 18V 的臺(tái)式電源測(cè)量的。結(jié)果如下：

配置	電流消耗 (安培)
微控制器已插入，所有設(shè)備（霧化器、風(fēng)扇、燈光）關(guān)閉	0.01-0.03
LED 100% 亮度開(kāi)啟	0.61
風(fēng)扇開(kāi)啟	0.09
霧化器開(kāi)啟，有水	0.05
霧化器開(kāi)啟，無(wú)水	0.03
所有設(shè)備開(kāi)啟（霧化器、風(fēng)扇、LED 100% 亮度），有水	0.72

裝配

安裝 LED 光學(xué)透鏡

將五個(gè) LED 光學(xué)透鏡插入 3D 打印的“底板”上的插槽中。每個(gè)透鏡的一側(cè)都有一個(gè)小的矩形凸舌。請(qǐng)確保此凸舌與 3D 打印件上相應(yīng)的插槽對(duì)齊。

安裝 LED 板

對(duì)齊 LED 板，使 LED 朝下，電源線大致朝向底板上切出的三個(gè)槽口方向。將 LED 與其光學(xué)透鏡對(duì)齊，然后將板按入到位。每個(gè)透鏡旁邊都有一個(gè) 3D 打印的卡扣，可以卡住 LED 板。

安裝溫濕度傳感器

SHT30 溫濕度傳感器板安裝在傳感器籃的一個(gè)矩形插槽中。

警告：傳感器籃頂部的卡舌非常脆弱。

將傳感器籃連接到底板

首先將傳感器電纜穿過(guò)底板上的插槽。

接著，將傳感器籃上的卡舌插入底板上的插槽中，從而將傳感器籃連接到底板。旋轉(zhuǎn)傳感器籃以嚙合卡舌。

安裝主板

使用一顆 M3x8mm 螺絲將主板固定到 3D 打印的頂蓋上。

安裝風(fēng)扇

頂蓋兩側(cè)各有一個(gè)插槽，可將風(fēng)扇滑入。電纜應(yīng)朝向頂蓋中心，并穿過(guò)打印件上的小開(kāi)口。

連接風(fēng)扇

將風(fēng)扇電源線連接到主板上帶有相應(yīng)標(biāo)簽的連接器。請(qǐng)注意，風(fēng)扇1和風(fēng)扇2可以互換——哪個(gè)風(fēng)扇插入哪個(gè)連接器都無(wú)關(guān)緊要。

組裝霧化器

警告：電線與霧化盤之間的連接點(diǎn)非常脆弱，容易斷裂。處理時(shí)請(qǐng)小心，不要過(guò)度彎曲電線。

首先，在 O 型圈上涂抹少量潤(rùn)滑脂，然后將其放入水箱的 O 型圈凹槽中。

將霧化片放在 O 型圈上，電線朝向主板方向。

使用三顆 M3x8mm 螺絲固定霧化器蓋，注意將蓋上的槽口對(duì)準(zhǔn)霧化器電纜。擰緊螺絲，只需讓霧化器受到一些壓力即可，但不要過(guò)緊。如果水從 O 型圈周圍滲漏，您可能需要稍后將其擰得更緊；如果霧化片被壓得太緊無(wú)法產(chǎn)生霧氣，則需要將其擰松。如有需要，請(qǐng)參閱霧化器調(diào)整說(shuō)明。

插入霧化片插頭

將霧化器插頭插入主板上帶有相應(yīng)標(biāo)簽的連接器中。

警告：霧化器和燈光使用相同的連接器，請(qǐng)務(wù)必將霧化器插入正確的接口。如果插錯(cuò)，請(qǐng)用一把尖嘴鉗輕輕將其拔出，不要通過(guò)拉扯電纜來(lái)拔出。

安裝底板

如下圖所示對(duì)齊頂蓋和底板，然后將 LED 板電源線和傳感器電纜連接到主板。

將底板翻轉(zhuǎn)蓋在頂蓋上，并將底板上的“定位柱”與頂蓋上相應(yīng)的插槽對(duì)齊。注意不要夾到任何電線，并將霧化片電纜穿過(guò)底板上的槽口。使用兩顆 M3x20mm 螺絲將這兩個(gè)部件固定在一起。

安裝頂部堵頭

將一個(gè) O 型圈插入頂部的注水口。潤(rùn)滑脂在此處是可選的，但建議使用。

將頂部堵頭插入注水口并旋轉(zhuǎn)擰緊。

最終組裝

快完成了！將亞克力生態(tài)缸壁插入底座，然后蓋上頂蓋。

未來(lái)改進(jìn)的一些想法

生態(tài)箱在目前的狀態(tài)下運(yùn)行良好，但仍有改進(jìn)的空間。以下是針對(duì)未來(lái)版本設(shè)計(jì)的一些想法：

• 生態(tài)箱應(yīng)該能夠檢測(cè)到水箱何時(shí)為空。有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

  • 在水箱內(nèi)部添加一個(gè)傳感器。浮子傳感器或電容式傳感器會(huì)是不錯(cuò)的選擇。

  • 測(cè)量霧化器的電流消耗。有水時(shí)，霧化器電路的電流消耗幾乎是無(wú)水時(shí)的兩倍。

  • 在運(yùn)行霧化器前后測(cè)量濕度，看其是否增加。這應(yīng)該可以通過(guò)現(xiàn)有硬件在軟件中實(shí)現(xiàn)，但可能比較棘手。

• 增加風(fēng)扇的氣流。雖然風(fēng)扇本身動(dòng)力不是很強(qiáng)，但在當(dāng)前設(shè)計(jì)中，它們受到 3D 打印部件中進(jìn)氣和出氣通道尺寸的限制。而通道尺寸又受限于 LED 板的大小。如果未來(lái)版本的 LED 板做得更小，就有空間將進(jìn)氣口做得更大。

• 霧化器/支架/螺絲會(huì)從頂蓋底部伸出。理想情況下，頂蓋應(yīng)該能夠（面朝下）平放在桌面上，而沒(méi)有任何部件接觸桌面。

• 從后面垂下來(lái)的電線很難看。我沒(méi)看到什么好的解決方法，但在底座上增加一個(gè)線夾可能至少能讓它整潔一些。

• 將水箱做得更大。目前有一些“浪費(fèi)”的空間可以被利用起來(lái)，讓生態(tài)缸能裝更多的水。