能源对于我国的民生、建设、发展和环境等因素具有重要影响。我国的能源结构以化石能源消耗为主,新型能源的开发和利用占比较低,开展可再生能源的开发对于解决我国的能源紧缺和碳排放问题具有重要意义。我国水域面积广阔,自然水域中蕴含着丰富的波浪机械能,这些能量既可以作为新型可再生能源发电,又可以为水上无线传感网等电子设备提供能量供给,实现能量的原位利用。传统的无线传感系统以电池为主要能源。对于体积、重量都十分受限的无线传感系统而言,其能够携带的电池容量有限,在能量耗尽时需要回收节点系统后补充能量。对于节点数量众多、分布范围广泛的无线水质传感网则需要耗费大量的人力资源进行维护,并且废弃的电池容易造成环境污染。水域环境中普遍存在水浪波动现象,将其中蕴含的机械能转换为无线传感系统所需的直流电能可以实现能量的实时补充,实现延长电池寿命,甚至完全替代电池的目的。但是,目前对于波浪能量的收集和利用仍然处于起步阶段,在输出功率密度、能量管理效率和负载应用等方面仍有不足,本文将针对发电器件、能量管理和负载系统等波浪能量收集和利用的关键组件中存在的问题,从理论分析、建模优化和系统设计等方面对各核心组件进行设计,最后构成全封装的小型波浪能自驱动无线传感系统。研究内容如下:在能源方面,分别针对能量收集器在水中工作位置的选择问题和能量收集器在波浪驱动下的换能效果评估问题,建立了“水质点运动-风浪”关系模型和“流-固-电磁”耦合能量收集器输出响应模型。分析了点吸收结构的等效水质点在不同深度条件下的运动特点,以及波浪作用下的浮子振动、能量收集器机械响应和输出性能等。根据其产生振动的特点设计了能够在低频振动下工作的偏心摆式换能结构和电磁发电结构,形成结构简单、紧凑的能量收集器基本架构。通过建立电磁场有限元分析模型对能量收集器的发电机理和低频振动环境下的输出响应进行了分析,验证了其在低频水浪波动环境下工作的可行性。针对目前波浪能量收集器中存在的结构复杂、体积重量大、功率密度低等问题,设计并实现了一种高功率密度、低工作频率、高振动灵敏度和紧凑化封装的波浪能量收集单元。利用多物理场耦合模型进一步对能量收集器的电磁场设计参数进行优化,研究其加工与装配方法,形成能量收集器样机,并搭建频率、振动强度可定量控制的测试平台,对能量收集器的输出性能进行详细测试。结果表明,所实现能量收集器的中心频率为1.8Hz,最大有效值输出功率和峰值输出功率分别为9.4m W和114.4m W,体积和重量功率密度分别为1.06m W/cm~3和0.61m W/g。在能量管理方面,针对能量收集器的高效整流与电荷存储问题,建立了基于“整流-储能”的能量管理系统模型,对在不同储能状态下,能量收集器的每个输出周期的储能电压特性进行了分析,得到了该体系下能量收集器的最优工作电压区间,并针对该结果设计了能量管理系统的能量控制策略。在硬件实现方面,针对能量管理系统的运行逻辑设计了电路级设计,并建立了系统级功耗分析模型,确定了能量管理系统在运行状态下的详细功耗和冷启动条件,并通过能量收集器输入和低阻抗负载输出验证其功能。所实现的能量管理系统AC-DC转换效率77.62%,最大负载电流180.6m A,平均功耗57μW,布局面积4.36cm~2。在负载系统和能源应用方面,针对能量收集器和能量管理电路所构成电源系统的输出特性设计了低功耗无线传感系统,通过软件和硬件方面的低功耗设计实现水浪能量自驱动条件下的水质和温度等参数的采集。在结构上,结合无线传感系统、能量管理系统和能量收集器的结构特点设计了自驱动系统的封装结构和锚引结构,通过在水槽中模拟水浪波动环境对能量收集器的输出性能以及自驱动无线传感功能进行了测试,验证了其在水浪能量驱动下实现无线水质、温度等参数采集的可行性。