随着微机电系统与低功耗嵌入式技术的发展,无线监测网络越来越多地应用于环境监测、灾害预防、军事监控等众多领域。然而众多监测节点的持续性供能问题是制约无线监测网络发展的关键技术。野外环境下广泛存在的风能是一种潜力巨大的可再生资源,收集风能为无线监测节点供电是解决节点持续供能问题的有效途径。本文针对自然环境中环境状态监测节点的自供能需求,设计了高效的垂直轴阻力型电磁式风能收集器。该风能收集器采用垂直轴阻力型涡轮结构设置,通过优化设计风腔流道结构与涡轮叶片参数,提高了风能收集器的输出功率与风能转化效率。固定风向风能收集器通过定子线圈侧置,转子磁铁附着于涡轮叶片尖端,有效提高了风能收集器的输出性能。自适应风向风能收集器通过将转子磁铁下移至涡轮底部,定子线圈转移至基底,降低了涡轮的启动转矩与风腔的转动惯量,可以在尾舵的帮助下收集任意风向的风动能量。同时,本文针对风能收集器的输出特性设计了开关控制电路与低功耗无线监测节点。并分别以上位机接收端为核心组成星形结构的自供电无线监测网络,在上位机端显示各监测区域的角度、温湿度等环境状态数值。本文的主要研究内容如下:(1)针对自然环境中的风能分布特性,分别设计了风向固定与风向可调的垂直轴阻力型电磁式高性能风能收集器。针对固定风向风能收集器,通过有限元仿真与实验测试对比,确定了风腔流道结构与电磁模块参数。针对自适应风向风能收集器,通过流体仿真与实验测试相结合,对涡轮的形状参数与电磁发电模块进行了优化设计。经测试,固定风向与自适应风向风能收集器在15 m/s的风速下的输出功率与功率密度分别可以达到468.4 mW、3.9 mW/cm3和183.3 mW、1.73 mW/cm3。另外针对自适应风向风能收集器进行了实验室演示实验与户外环境下的输出性能验证测试。(2)针对垂直轴阻力型风能收集器的输出特性设计了匹配的储能电路与开关控制电路,对风能收集器转化的电能进行存储并间歇性地为无线监测节点供能。同时分别设计了低功耗无线角度监测节点与无线温湿度监测节点,并根据无线数据结构编写了上位机显示界面。经测试,两种无线监测节点分别可实现与上位机在50米与120米视距范围内对环境状态数据的测量、无线收发与显示。(3)本文将固定风向风能收集器与无线角度监测节点相匹配,自适应风向风能收集器与无线温湿度监测节点相搭配,并且与各自适用的开关控制电路相集成,以上位机接收端为中心搭建了星形结构的自供电无线监测网络。分别针对这两套监测系统进行了实验测试与分析。经测试,自供电角度监测系统在15m/s的风速下能实现每5分钟左右间隔的角度监测与报警;自供电温湿度监测系统在10 m/s的风速下能实现每3-4分钟间隔的温湿度监测与显示。