在无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN)中,基于簇的网络拓扑结构不仅能减少长距离的通信,而且还能对传送到基站的数据进行融合,因此它是能量有效的。但是由于簇头承担了大量的工作,能量将会很快耗尽,从而影响网络的存活时间。所以,设计一种能量负载均衡的成簇协议尤为关键。本文正是基于此问题展开了研究。本文的主要内容包括以下几点:(1)研究了无线传感器网络的成簇协议,即传感器节点在布置到监测区域后,如何进行簇头的选举、簇规模的划分,何时启动簇头的轮转,以及如何选择一个合适的新簇头。并针对经典的自适应成簇协议LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)及其改进的方法进行了分析。(2)提出了基于虚拟能量的自适应成簇协议VEAC(Virtual Energy Based Adaptive Clustering Protocol)。本协议采用能量驱动的簇头轮转策略,簇头剩余能量下降到阈值时启动簇头轮转。当前簇头根据成员节点的地理位置和虚拟能量(通过本地计算得到)在本地簇中选择新的簇头,避免了频繁的网络能量状况查询。不同簇之间簇头轮转异步发生,不需要重组簇,簇结构的维护被局部化和简单化。仿真实验结果证明了无论是在同构或是异构网络,VEAC能很好地均衡网络能量负载,明显减少频繁能量查询带来的延时和能耗,并延长网络存活时间。(3)设计了一种最优能量阈值的搜索方法。因为簇头何时轮转由能量阈值决定,所以阈值的选取非常关键。本文通过对VEAC数据采集能耗和簇重组能耗进行详细分析,提出一种搜索最优能量阈值的方法,该方法简单且扩展性强,可应用于任何能量驱动的簇头轮转协议。仿真实验结果证明了求解出的最优能量阈值比其他阈值更能延长网络存活时间,把VEAC的性能发挥到最大。