微型化無線溫濕度傳感器節(jié)點研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療監(jiān)控、食品儲藏等過程中，溫濕度監(jiān)控已經(jīng)成為一個很重要的部分，它不僅關系到農(nóng)作物的正常生長，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的順利進行，還關系到人類日常生活的健康出行。因此，對各類環(huán)境的溫濕度進行現(xiàn)代化實時監(jiān)控，就顯得越來越重要。而隨著MEMS技術的發(fā)展和三維異質(zhì)集成技術的提出及發(fā)展，與TSV相兼容的溫濕度傳感器具有很大的研究價值。由于傳統(tǒng)的有線溫濕度監(jiān)控存在著受環(huán)境限制、維護困難、功耗較高、布線復雜等諸多缺點，在很多場合

2、都難以符合實際的需求。這就需要一種分布自由、易于維護、能耗低、可監(jiān)控范圍廣，而且能對溫濕度進行實時監(jiān)控的無線解決方案。并且隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無線產(chǎn)品在市場中越來越受到人們的青睞，正在逐漸地取代有線產(chǎn)品。而基于ZigBee協(xié)議的無線溫濕度傳感器系統(tǒng)正因為其自組織性、能耗低、可靠性高等特點，有效地彌補了傳統(tǒng)有線監(jiān)控方式的不足，成為當前首選的無線溫濕度監(jiān)控解決方案。本文主要對TSV兼容的集成溫濕度傳感器，以及無線溫濕度傳感器系統(tǒng)進行了研究，主

3、要研究內(nèi)容和創(chuàng)新包括:
　　(1)對溫濕度傳感器進行了基礎理論分析，分別介紹了電阻式溫度傳感器和電容式濕度傳感器的工作原理。然后對幾種主要的無線通信技術進行介紹并對比了它們的優(yōu)缺點。此外還介紹了無線通信技術中ZigBee技術的基礎理論。最后分析了Z-Stack協(xié)議棧的體系架構及其相應的功能。
　　(2)對集成溫濕度傳感器的結(jié)構設計進行研究分析，確定了溫濕度傳感器的結(jié)構以及濕度敏感介質(zhì)的材料選擇。然后，對TSV兼容的集成溫濕度

4、傳感器版圖進行設計，并且根據(jù)TSV工藝流程設計相應的集成溫濕度傳感器工藝流程。最后，利用溫濕度傳感器測試系統(tǒng)和溫濕度試驗箱對傳感器的靈敏度、回滯特性和重復性進行測試，并對得到的測試結(jié)果進行分析。測試結(jié)果表明溫濕度傳感器都具有較高的靈敏度，溫度傳感器具備較好的線性度和重復性，而濕度傳感器的線性度隨濕度增大而變差，其回滯特性的偏差較大，重復性一般。
　　(3)對無線溫濕度傳感器系統(tǒng)的總體結(jié)構進行分析和設計，確定了系統(tǒng)的主要框架，以及無

5、線MCU芯片、溫濕度傳感器芯片和電源電池的選型。然后分別對無線溫濕度傳感器系統(tǒng)進行硬件設計和軟件設計。完成了ZigBee無線傳感模塊和溫濕度傳感器、電源模塊的硬件設計。還完成了協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點的軟件開發(fā)和設計。最后，利用溫濕度試驗箱對無線溫濕度傳感器系統(tǒng)進行性能測試，測試結(jié)果表明設計的系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)制定的任務要求，可以完成溫濕度數(shù)據(jù)采集和無線傳輸?shù)墓δ?，并且測量值的精度比較高，溫度誤差不超過±0.5℃，濕度誤差不超過±2％RH。