物联网概念的出现至今已有四十余年,“万物互联”的美好前景深得人心。时至今日,物联网在数个领域已具备较小规模的应用并产生盈利,但距离大规模的实际应用部署还有很长的路要走。究其缘由,物联网节点能量匮乏是其中的根本原因。物联网节点常使用电池或微型能量采集器作为供电模块,其供电能力极其有限。受能量约束,节点往往需要通过牺牲性能来缓解能耗问题,如降低无线接入的吞吐量和覆盖范围,甚至牺牲通信可靠性。能量匮乏不单单是一个关键问题,更作为一种约束使得物联网系统设计富有挑战性。解决物联网节点能量匮乏问题,仅依靠“开源”是远远不够的,更重要的是“节流”。“开源”主要依靠电池和能量采集技术发展,其中电池技术发展规律不遵循摩尔定律,难以满足节点对大规模长期部署的需求;能量采集由于环境能量密度不够,以及采集效率有限,导致微型能量采集器的功率只有微瓦级,而终端的功耗一般为毫瓦级。本文以“节流”为突破口进行研究,包含两层含义,分别是低功耗优化和能量效率提升。第一,区别于现有低功耗技术通常牺牲物联网节点性能的做法,本文研究低功耗赋能技术,针对高性能通信和计算因能耗约束难以在物联网节点上实现的问题,通过负载功耗优化使得这些功能以低功耗的形式得到使用,从而增补物联网节点缺失的重要功能。第二,针对节点能量利用效率低下的问题,本文研究高效能量管理方法,探索适合物联网节点的新型能量管理策略,优化能量分配和负载调控机制,使得更多的能量用在满足应用需求的刀刃上,以提升物联网系统整体性能。实现“节流”的主要难点在于,负载功耗是由多方面因素综合决定的,无法通过对单一技术进行优化改良来寻求对负载功耗的显著降低。因此,论文对现有物联网边端体系进行了跨层次的系统研究,针对能量约束下节点通信和计算受限的关键科学问题,提出负载转移的基本解决思路,将高功耗的通信和计算负载从节点转移到性能更强、资源更丰富的物联网网关进行处理,从而降低节点功耗。围绕该思路,本文开展了四个方面的研究内容。研究内容（一）探索将节点的通信信号生成转移到网关的可行性,利用网关强大的通信性能帮助节点产生通信所需要的信号。研究内容（二）探索将计算从节点转移到网关的可行性,在网关实现更高效的计算处理。此外,研究内容（三）和研究内容（四）分别对能量管理中任务保护机制进行了改进,以及对能量探测进行了优化,提升节点对能量的利用效率。四方面的研究内容介绍如下。（一）无线通信方面:以反向散射为代表的被动式无线通信拥有极低功耗、极低成本等优势,但是被动式通信系统的下行和上行链路是极其不对称的。不同于上行链路拥有网关等高性能接收机,性能较差的下行链路易受干扰且通信短距,导致通信上的“木桶效应”,限制了被动式通信系统的有效范围。本文提出被动式直接序列扩频技术来增强被动式通信系统的下行链路。不同于传统的直接序列扩频（DSSS）技术,被动式DSSS技术将接收端涉及高功耗的扩频码生成与同步操作转移到网关实现,从而以极低功耗的方式实现对通信性能的增强。（二）数字计算方面:能量匮乏限制了物联网节点的计算能力。低功耗数字电路技术的发展能一定程度缓解计算受限问题,但难以从根本上解决该问题。本文提出无处理器节点架构设计,利用被动式无线通信技术的低功耗特性将计算操作从物联网节点转移到网关进行处理。无处理器节点不是不要计算,而是将计算放到更适合计算的地方,实现更智能、更高效的计算处理。为了支持这种无处理器架构,本文介绍Radio-to-Bus（R2B）通信技术,赋能无线通信绕开处理器直接对节点上的传感器芯片实施远程控制和数据收集。本文通过真实环境实验验证了无处理器架构的可行性,并显著降低了物联网节点的整体负载功耗。（三）能量管理方面:能量采集节点易受环境能量波动的影响,能量管理机制需要根据动态的系统能量状态调节任务执行策略和实施任务掉电保护。然而,现有能量管理机制的开销较大使得即便许多应用任务简单,但设备的主要开销却集中在能量管理而非应用任务本身,导致设备的能量利用效率低下。为了降低能量管理开销,本文探索将能量管理从节点转移到网关的可行性,利用R2B通信技术,实现基于中心化计算的远程节点能量管理。本文构建出Deborah,一个为能量采集设备设计的中心化计算系统,支持将节点的能量管理、数据处理、传感器控制、数据存储等功能转移到网关实现中心化处理,实现能量采集设备最简化系统设计。（四）能量探测方面:物联网节点需要随时洞悉系统能量状态,如能量采集状态、电量等,以便能够根据当前的系统能量规划任务执行。然而,系统能量状态探测常常涉及频繁调用模数转换器、中断处理和系统状态切换,其功耗甚至高于计算任务的开销。本文提出Sentinel,一种低功耗能量探测方法用于探测节点的能量状态。Sentinel的基本思路在于将能量探测的功能完全委托给一个低功耗电路,这样系统就可以从高开销的能量探测过程中抽出身来专注于执行重要的任务（如操作传感器）。Sentinel电路当且仅当采集能量达到预期能量阈值时才会激活系统,使系统尽可能处于低功耗状态节省能量。