无线传感器网络,作为全球未来十大技术之一,正越来越受到人们的重视。近几年来,随着数字电路、无线通信、微机电系统(Micro-Electro-Mechanism-System,MEMS)等技术的迅速发展,基于这些技术发展起来的无线传感器网络也成了研究的热门领域。它在军事、医疗、家庭等多个领域都有广阔的应用市场。本文首先对无线传感器网络的特点作了介绍,同时将无线传感器网络同传统的无线网络进行了对比,对无线传感器网络从网络结构、节点构成和协议栈结构等多个方面进行了介绍。衡量无线传感器网络优劣的最重要的指标是网络的能耗特性。我们分析了无线传感器网络的能耗源,并对能耗源模块进行了建模分析。针对能耗源,我们从单节点和网络整体进行了低功耗分析与设计。并重点讨论了适用于无线传感器网络的MAC协议和路由协议,最后还从休眠机制、功率控制机制、数据融合机制、跨层设计机制以及动态能量管理和动态电压调整等方面对低能耗设计进行了分析与讨论。在分析了几种目前比较常见的无线传感器网络路由协议,并指出了这几种协议的不足之处后,我们提出了一种基于簇的多跳结构的无线传感器网络路由算法THRL协议。THRL协议是一种分层结构的无线传感器网络路由协议算法,它通过在簇头选举时考虑节点剩余能量,簇头间多跳通信,簇分裂和数据融合等技术来实现全网能量消耗的均衡性,进而延长网络的生命周期。THRL协议的运行是以轮(round)为单位,每轮中又分为成簇阶段、路径建立阶段和数据传输阶段等三个阶段。在成簇阶段,无线传感器网络中的节点根据一定的算法将自己选为簇头节点,然后这些簇头节点就向网络声明这一消息。通过分析接收信号的强度,节点选择所要加入的簇并通知该簇头节点,簇头节点进而利用基于时分复用的方式给节点分配发送数据的时间片。在路径建立阶段,汇聚节点(Sink Node)周期地发送路径建立消息,建立从源节点到汇聚节点的路径,并且路径建立消息中还包含有当前网络任务等信息。通过在簇头节点间广播路径建立消息,各个簇头节点到汇聚节点的路径依据梯度关系得到建立。在数据传输阶段,节点根据路径建立消息中包含的监测任务,当目标区域发生符合任务要求的事件时,节点就开始感知数据并发送数据。簇头节点处进行数据融合后,选择梯度最大的一条路径转发数据。为了避免距离汇聚节点较近的簇头节点出现“热点问题”,可以采用簇分裂或者动态缩小簇的覆盖范围等措施。最后,我们还对制定的路由协议在OMNeT++平台上进行了仿真。同时也对其他几种传统的无线传感器网络路由协议进行了仿真,并对结果进行了比较与分析。从仿真结果中可以看出,相较于其他几种传统的无线传感器网络路由协议,采用THRL协议结构的无线传感器网络所消耗的能量更小,网络的能量有效性也更优些。