无线传感器网络由大量低成本、低功耗的微型传感器节点通过自组织方式连接而成,能够实时感知、监测和采集覆盖区域内的各种环境信息,并进行处理后报告给感兴趣的用户。其具有部署灵活、可靠性强、扩展方便、经济性好等特点,在军事安全、工业控制、医疗卫生及环境监测等领域具有广泛的应用前景,受到学术界和工业界的高度重视。无线传感器网络往往应用在恶劣的外部环境或无人区域,能量通常是由干电池或纽扣电池来供电,很难进行补充,所以进行节能设计并进而提高整体网络的最大生命周期将是一个重要的研究课题。本文将对此进行研究,主要围绕多基站最大生命周期模型、路由节能算法以及节点故障诊断等关键技术展开,最后在对无线传感器网络软硬件平台研究的基础上设计了一个节能高效原型系统。论文的主要贡献包括以下四个方面：(1)基于多基站环境下的无线传感器网络最大生命期通信模型的研究。无线传感器网络没有一个固定的最优路由算法,通常针对不同应用设计出不同的最佳路由,但是,如何提高数据传递的能量效率从而提高网络的生命期是所有路由算法面临的最重要关键问题之一。本文针对无线传感器网络多基站路由问题,提出一种基于最优化理论的无线传感器网络通信模型(MLCM),研究了无线传感器网络中多源多基站的最大生命期问题。根据无线传感器网络能量限制和数据流量守恒原则建立整数非线形规划模型,以网络最大生命期为最优目标,以能量和带宽等为限制的多约束条件,依靠最优化技术的分布式算法解决该模型。本文通过仿真实验验证了MLCM模型在多基站环境中的性能,并表明所提出的模型在延长网络生命期方面优于WSTP和MD-MLR。(2)基于多路径无线传感器网络路由协议的研究。无线传感器网络是通过很多能量受限的传感器节点从监测区域来获取有用信息的,如何将获取的数据以较少的能量从源节点传送到目的节点,则对提升网络的生命周期有着重要的意义。本文针对能量控制在无线传感器网络路由上的特殊要求,为了促使网络节点能量消耗相对均衡,将蚁群优化算法应用于无线传感器网络路由并进行改进,提出一种基于能量均衡的多路径无线传感器网络路由算法(MEACO)。本算法采用前向蚂蚁寻找从源节点到目的节点的路径,采用后向蚂蚁对路径上的信息素进行更新；在进行路由选择时,将相邻节点的能量作为启发函数的参数,同时也构造了适应度函数并将路径长度和节点剩余能量作为其参数。仿真实验结果表明,该算法不仅可以避免基本ACO等算法容易停滞而陷入局部最优解的问题,而且由于其较好地平衡了路径长度和节点能量消耗两者关系,使得其在网络的总能耗和节点的平均能耗方面明显优于泛洪模型、基本ACO算法、PACO及EEABR等算法,从而有效地延长了网络的生命周期。(3)基于多核小波相关向量机的无线传感器网络故障诊断的研究。一旦无线传感器网络的节点发生故障后,节点往往会产生并传输错误的数据,这不仅消耗节点的能量和网络的带宽,而且还会形成错误的决策,甚至造成网络的瘫痪。本文第一次将多核小波相关向量机算法应用到无线传感器节点的故障检测方法中,并提出一种新的无线传感器节点的故障诊断方法(MKWRVM)。该算法使用4个分类器用于区别正常节点和四类故障节点,同时结合实验与其他诊断算法进行了比较。仿真实验表明,本算法诊断正确率高达98.18%,而支持向量机、RBF高斯核函数的相关向量机算法则分别为86.36%和92.73%,从而本算法可较好地延长网络的生存周期,(4)在对无线传感器网络软硬件研究的基础上,提出了一种节能的原型设计框架。硬件平台采用TI公司主控芯片MSP4301611单片机和射频CC1101芯片,软件上对数据链路层MAC协议和网络层路由协议等方面进行优化和节能设计。实验结果表明,该原型设计能较好地降低无线传感器网络和传感器节点的能耗,延长网络生存周期。