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由于具有易安装、易维护和支持移动通信等诸多优点，无线传感器网络已经在诸如工业自动化、分布式系统、自动控制系统、国防军事、环境监测等许多领域得到了应用。同时，随着物联网和信息物理系统等源自于无线传感器网络的概念的兴起，无线传感器网络技术已经被视为21世纪最为重要的技术之一。 信道接入层协议在维护和保障无线传感器网络性能和正常运作等诸多方面起着极为关键的作用。本文考虑在无线传感器网络资源受限的背景下，针对网络负载多变的特点，研究具有负载自适应能力的无线传感器网络信道接入层协议，并通过大量的硬件实验验证了所提出的协议和优化方法的有效性。本文的主要贡献有如下几个方面: 1.针对无线传感器网络采用低占空比式运作方式而引入的低吞吐量问题，提出了利用节点队长信息来减少数据包在MAC层发送队列中积压的方法来提高网络的带宽，以应对网络负载的动态变化。簇头节点在接收数据包的同时能够得知节点的负载状况，并在下一超帧周期内分配相应数目的传输时隙给节点。节点首先在CSAM时段内将自己的负载信息告知路由节点，然后再由簇头节点在下一个周期的TDMA时段内分配动态时隙给子节点用以传输积压的数据。所提出的负载自适应MAC协议被成功地在STM32W108节点上进行了实现。大量实验结果验证了所提出的协议的有效性。 2.针对多跳mesh型无线传感器网络中带宽受限的问题，提出了iQueue-MAC负载自适应MAC协议。该MAC协议采用低占比的CSMA模式来应对网络中的低负载，并采用动态TDMA时隙分配来应对网络中的突发负载和高负载。由于iQueue-MAC能够在数据积压一出现时就分配传输时隙，因此它具有非常低的数据传输时延和极短的MAC队长。另外，本文还证明了iQueue-MAC能够适用于使用单信道的无线传感器网络。所设计的多跳负载自适应MAC协议被成功地在STM32W108节点上进行了实现。大量实验结果验证了，相比于其它协议，iQueue-MAC协议具有突出的性能并能够提供很高的带宽。 3.针对认知无线传感器网络中信道资源利用率较低的问题，提出了一种轻量级的拥塞控制协议来提升频段资源的利用率。当网络的主信道的拥塞度较高时，该协议能够引导次设备节点退出主信道来降低拥塞度，并保障主设备的性能。当主信道的拥塞度较低时，该协议能够在主信道上重新安插次设备节点用以提高主信道的利用率。所设计的拥塞控制协议被成功地在STM32W108节点上进行了实现。大量实验结果验证了该拥塞控制协议能够极大地提升信道带宽的有效利用率。 4.针对认知无线传感器网络中信道资源利用率最优化的问题，提出了一种具有低复杂度的拥塞控制协议来优化频段资源的利用率。该协议能够根据网络的当前状态，寻找最优的拥塞控制阈值参数来维持系统处于最优的运作状态，以实现最大的频段资源利用率。所设计的最优化拥塞控制协议被成功地在STM32W108节点上进行了实现。大量实验结果验证了，相比于现有的标准协议，该最优化拥塞控制协议能够极大地提升系统的可利用带宽，并实现了最低的额外能耗。