无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是传感器技术、嵌入式计算、分布式处理和网络通信等技术相互结合的无线通信系统,在军事、医疗、环境、生物和工业等方面有广泛的应用。传感器节点通常是由不可充电的电池供电,因此能量消耗是网络设计过程中最受关注的问题之一。网络路由算法和汇聚节点选址算法是直接影响网络能耗大小的两个重要因素,根据网络中的剩余能量分布设计适应性强的路由协议以及选择合适的汇聚节点位置,将有效地减少网络能耗和延长网络寿命。本文从WSNs的网络特性出发,提出了一个蚁群路由算法,并研究了节点随机分布的网络中汇聚节点的选址算法。论文的主要工作如下:(1)本文分析了WSNs中路由的能耗特点,然后提出一种基于路由代价的蚁群路由算法。该路由算法一方面保证了网络选择较短的路径传送数据,另一方面能使路由绕过剩余能量较低的节点或者区域,使网络的剩余能量分布得到均衡。通过仿真实验可以看到,与其它构建方式相比,使用路由代价构建的路由算法可以较好地适应节点均匀和非均匀随机分布的传感器网络,同时实现降低网络能耗和改善能量的均衡分布,有效延长网络寿命。(2)本文分别研究了单跳WSNs中面向能量的选址算法和面向寿命的选址算法,结合一阶无线模型(First Order Radio Model)可以分析得到,面向能量的选址算法中,汇聚节点的最佳位置就是使汇聚节点到传感器节点距离的二阶矩最小的位置,特别地,在凸监测区域中就是其重心位置;而面向寿命的选址算法中,汇聚节点的最佳位置是使网络中最长的通信距离最小化的位置。仿真数据验证了分析结果的准确性。(3)本文还进一步研究了凸区域多跳WSNs中面向能量的选址算法和面向寿命的选址算法。多跳网络中通过源节点到汇聚节点的距离估算路由中的能量消耗,在面向能量的选址算法中,汇聚节点的最佳选址是使所有传感器节点到汇聚节点总距离的数学期望最小的位置;面向寿命的选址算法中,优化过程中除了考虑到各节点到汇聚节点的距离以外,还考虑了汇聚节点附近的节点密度分布,以延长网络中能耗最快区域的节点寿命。通过仿真显示,面向寿命的选址算法对应的能耗略大于面向能量的选址算法,但前者对应的网络寿命也较长。(4)最后,本文还简单研究了非凸区域多跳WSNs的选址算法。首先,我们把非凸监测区域划分为网格图,然后提出以最短有效网格距离代替欧几里德距离对网络中的路由能耗进行估算,并使用迭代算法计算各格点到汇聚节点的总距离,最后把该迭代算法嵌入到选址算法中,得到汇聚节点的最佳位置。算法减少了求解最短距离过程的计算复杂度,与欧几里德距离相比,计算误差也得到减少。通过仿真实验分别对比了基于两种不同的距离计算方式的面向能量的选址算法和面向寿命的选址算法。仿真结果显示,使用最短有效网格距离的计算方法可以减少网络能耗和延长网络寿命。