无线传感器网络已在多个领域发挥了重要的作用,但在煤矿井下的应用并不顺利,很多研究仍然停留在实验室阶段,其主要原因是能源供给问题,主要表现在以下两个方面：(1)无线传感器供电方式：无线传感器利用电池供电,然而电池却有寿命周期,而使用传统的有线供电方式则失去了无线传感器的灵活性,且大大增加了成本；(2)无线传感器网络节点对能量的需求大：由于节点担负着数据采集和发送的任务,自身的功耗过大,所需能量也大,此时传感器节点有限的能源变得至关重要,当能量的需求脱离有线供电的时候,这一问题尤为突出。所以,需要研究井下自供能系统,将井下的自然资源转化成微能量为优化后的低功耗无线传感器节点供电,保证其正常工作。目前,国内外还没有关于井下无线传感器网络(WSN)自供能功耗优化关键问题的相关研究报道,本文针对井下复杂环境内无线传感器的供电问题、井下电磁环境中的节点设计匹配问题、节点的能耗管理与优化问题,从开源和节流两个方面分别进行较为系统的研究,具体的研究工作如下：首先,对井下能量资源进行了具体分析,找到了适合为井下WSN节点供电的振动能和风能。本文通过实验对各种环境能量的特点、功率大小进行测试,测试结果显示,井下可以利用的环境能量主要有温差能、噪声能、电磁能、振动能和风能。但是,由于井下温度基本恒定,最大温差为4摄氏度左右,温差过小,所以利用温差发电不适合井下；由于井下设备在生产过程中的机械摩擦振动等会产生大于90分贝的噪声,且该能量在生产过程中持续存在,符合噪声发电的要求,但是由于噪声是伴随生产所产生的,当生产停止时,噪声就无法产生,并且噪声能量的转化技术不成熟,且输出稳定性差,因此不符合能量转化要求；煤矿井下的电磁场从电磁辐射角度来看符合发电的需求,但由于目前技术成熟的煤矿井下很多电缆都是金属铠装的,这样大部分电磁能量被屏蔽了,因此不符合发电的要求；井下机电设备运行时均会有振动产生,且在工作面和井下硐室中振动相当普遍,经分析发现,该能量可以满足井下硐室及开采面的能量采集；同时井下本身有强制通风的需求,风速稳定,方向性单一,且风力发电结构简单,所以可以为井下大部分无线传感器设备提供电源。其次,在上述实验测量的基础上,对井下风能自供电WSN节点的能量供给单元进行了深入研究,重点解决了两个问题：在减少发电机自身功耗的基础上进行最大功率点追踪和匹配后端的WSN节点负载。具体的,对于运行在低风速且空间有限的微型风力发电系统,风力发电机产生的电压峰值为1-3V,传统的二极管此时不能满足这种环境,本文提出用MOSFET替换传统的二极管,以实现在非常低的电压中提高DC-AC的转换效率；为了提高发电机的发电效率,本文采用一种新的MPPT方法,其原理是控制有效的负载阻抗,计算风力发电机内部的源阻抗,以实现源和负载之间良好的阻抗匹配,使收集的电能总处于其运行风速的最大值；在此基础上,采用改进型自适应滑模控制理论提高MPPT的响应速度及质量,测试结果显示,当系统采用滑模控制算法时,可以对最大功率点进行有效追踪,就算风速有所变化,系统依旧能够对最大功率点进行迅速追踪。这种算法与其他情况相比,最主要的特点是稳定后的系统在追踪到最大功率点时波动非常小；最后,将自适应电压调节技术的超低功率管理策略应用于井下WSN节点,利用闭环控制的方法灵活调整内核处理器的电压,使其对整个电路进行监控管理。实验结果显示在模拟矿井的风速下,风力发电机收集的转化效率从2.5%提高到9.6%,自适应电压调节技术能降低节点64%的能耗,其产生的能量能够满足驱动无线传感器的需要,并且附加的能量保障模块(电池或超级电容)充电系统工作正常,满足了项目中对能量来源的设计需求。再者,为了弥补井下风能的不足,根据井下设备的振动特点,本文构建了适合井下使用的压电陶瓷换能器机电模型。根据现有研究推导出了压电陶瓷片在压力载荷作用下获得的可用电能公式,以及在具体边界条件、压电覆盖条件和电极条件下电流和电压的表达式；同时,为了提高压电能量转换器的转换效率,本文对电阻阻抗匹配的方法进行了研究,通过改变传感器输出阻抗的方法来控制电流并进行仿真,仿真结果表明,如果多层换能器的最佳阻抗下移40倍,则输出功率是生成功率的两倍。利用这一结果,对采集电路进行了优化设计,使其可以调节换能器的负载阻抗,增大输出功率及输出电流。同时,通过振动发电点亮LED灯阵,以及给超级电容充电实验。实验结果显示,当阻抗不完全匹配时,能量损失几乎达到50%。在此基础上,提出在理想负载条件下实现无能量损失最大功率压电换能器电路,该电路假设输出阻抗为50Ω,利用这一参数,通过对压电换能器输入和输出的信号进行测量,结果显示,其转化效率峰值为95%。通过上述的仿真和实验可以充分显示,该种能量收集方法完全满足井下无线传感器供电要求。同时,鉴于井下环境能量比较微弱。本文对通信的频段、天线参数和通信效率进行了改进和优化,降低自供电模块的负载,实现节流的目的。通过对WSN节点功耗进行优化,仿真结果发现,发射天线的能耗在WSN节点整体能耗中占据相当大的比例,选择合适的频段及天线可以降低其能耗。煤矿井下机电设备众多,电磁波在井下的传输也跟地面不同,本文首先采用时域和频域联合测量的方法,对井下煤矿进行电磁干扰实验研究。结果显示,井下电磁辐射无论是低频、高频还是瞬态干扰,干扰主要集中在500MHz以下；同时,利用矿井巷道中频率资源的优势,建立了矿井巷道宽带电磁波传播统计模型,研究了不同频点的宽带电磁波沿矿井巷道传输时的衰落、时延扩展特性以及巷道的截面、弯曲等对这种特性的影响：研究了使用有限元方法求解有损介质理论所需要解决的问题,提出巷道的表面阻抗概念,并根据巷道的实际条件计算出巷道有损介质波导的边界条件；利用有损波导理论的数值解修正经典理论的解析解近似误差,提出修正公式,建立矿井巷道宽带电磁传播统计信道模型。为了验证矿井巷道的信道特性以及调制技术对无线通信性能的影响,在非煤矿进行了井下实际测试。具体测试在802.11b/g WLAN通信标准下,2.4G载频数据包的通信性能,根据测试结果及理论得出了井下低功耗WSN节点的最佳工作特性及天线参数。最后,在天线能耗优化的基础上,为了进一步降低无线传感器节点的功耗,本文提出了一种传感器节点数据压缩算法。对无线传感器节点采集到的数据进行压缩处理,在保证数据特征不变的前提下,减少了传输的字节长度。同时,根据压缩感知理论本文又提出一种新的基于CS的优化解码方案,将编码端的DCT视为对原始信号的观测,利用全变分(TV)将信号稀疏化,将量化噪声看作观测噪声,从而将信号解码转化为CS优化重建问题,从而利用CS精确重建代替反DCT变换。在此基础上,提出基于块合并的CS优化解码进一步提升解码质量。实验结果显示,该方案在解码信号的主客观质量上相对传统解码有显著提升。同时,根据矿井巷道环境参数监测的要求,并结合设计的无线传感器网络的特点和结构,本文提出了基于环境能量的无线传感器网络矿井环境监测系统,并根据矿井巷道的不同情况给出了相应的解决方案。本研究在煤矿井下的推广应用,将真正实现矿井环境下传感器网络的无线化和智能化,为矿井安全生产和精确管理提供技术保障,具有重要的经济效益和社会效益。同时,本文研究综合了绿色能源技术、信息技术和煤矿安全生产及自动化技术,均是国家重点支持和大力倡导的技术领域,符合国家产业政策。