我国是世界上自然灾害种类最多的国家,自然灾害的发生往往对社会以及人民生活造成不可逆转的损失与危害,是人类历史上面临的最严峻的挑战之一。野外自然灾害长期无人值守系统大多采用锂电池等传统电源供能,由于其存在定期充电问题,不能满足监测系统长期工作的需求。摩擦纳米发电机的问世彻底打开了微能源领域的大门,为实现自供电无线监测系统提供了可能,如何高效采集环境能并满足监测节点长期无人值守供能需求成为了一个挑战。本文面向野外自然灾害长期监测的需求,针对锂电池等传统电源不能持续为监测节点供电的问题,以收集自然界中泛在的、可用的环境能为目的,结合当前微能源采集理论基础与技术,提出并完成了基于多源能量采集的微能源采集器设计与研究。重点研究并验证了风能与太阳能协同发电的设计方案与可行性,旨在收集充足的能量供采集节点长期值守监测,满足“能量自主闭环”的实际需求。微能源采集器由基于力-电转换机制的风能采集器和基于光-电转换机制的太阳能采集器组成。针对风能采集器,为了拓宽能量采集频率,设计集成了具有不同频率响应特性的电磁发电机与摩擦纳米发电机;为提高风能采集器能量输出性能,重点开展了复合能量采集结构设计、摩擦层材料改性及表面修饰研究。为提升太阳能采集效率,结合现有太阳能电池自动追踪技术,通过比较分析追踪算法,提出了一种简洁、适用性强、追踪精度高的拟合追光算法,研制出一种适用于微能源领域的双轴追踪式太阳能采集器;优化系统运行逻辑,实现了双轴追踪式系统的整体功耗降低。搭建了微能源采集器电学测试平台,对风能采集器以及太阳能采集器在不同条件下的电学输出进行了测试与分析。试验结果表明,在9.6 m/s的风速下,风能采集器的最大输出功率为54.78 m W;在连续工作10小时后,风能采集器仍能表现出比较好的充电性能,体现出其优异的可靠性与稳定性;在80000 Lx的光照条件下,太阳能采集器最大输出功率为128.98 m W。设计的复合能量采集器在电学性能及环境适应性方面显著优于单一能量采集技术,为自供电监测节点长期值守提供了能量保障。设计了集成自供电模块及信息采集、无线传输、阈值报警功能为一体的低功耗自然灾害无线监测系统演示样机,并对系统的整体功能进行了实验验证。测试结果表明,全天候条件下,微能源采集器所产生的电能可满足采集节点实时监测需求,具备“能量自主闭环”能力;在50 m传输范围内,采集节点可实时、稳定将环境参数传输至上位机,具备实现监测功能。本设计为野外自然灾害长期无人值守系统能量闭环供给和数据传输提供了一种新的设计思路与实现方法,为推动微能源采集器与自供电无线监测系统应用提供了技术支撑。