随着无线通信、电子与传感技术的发展，无线传感器网络引起了人们的广泛关注，它在国家安全、环境监测、交通管理、空间探索、灾难预防等领域具有重大的应用价值。传感器网络是由大量具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络。传感器节点大多数采用电池供电，相应地其生存时间非常有限。因此能量问题是传感器网络的首要问题。无线传感器网络系统各项技术研究都必须围绕如何在满足系统功能的条件下实现能量优化，延长网络生存时间。在面向实际应用的研究工作中，路由技术由于能够全面地反映传感器网络资源受限、有向数据流汇聚、无线链路质量不稳定以及感知数据较大冗余等应用特点而成为研究传感器网络能量高效技术最适宜的切入点。　　 目前，传感器网络路由技术的研究面临如下技术问题：(1)无线传感器网络的一个显著特点是它的节点间链路质量较差并且不稳定，原因可能是节点能量耗尽、物理损坏或者外界干扰。通信链路频繁失效可能会导致传感器网络中路径失效、数据包大量丢失及重传，这将严重影响路由协议的可靠执行；(2)传感器网络的网络负载不均衡分布使得汇聚节点附近区域的节点能量消耗和信道拥塞程度远大于远离汇聚节点的区域，而且这种不均衡分布现象随着网络规模的增大而加剧。现有路由协议缺乏对网络关键区域节点的有效保护措施，在实际应用中往往会出现部分节点能量过早耗尽、数据接收率下降和重要事件误检及漏检等问题；(3)由于传感器网络的固有特性，其路径建立和数据传输过程极易受到安全威胁，尤其对于重要的应用系统，因此在这些应用中必须考虑设计具有能量高效安全机制的路由协议。　　 本文的研究目标是充分利用传感器网络的无线信道广播特性、数据流量及能量消耗分布特征、实际应用监测需求及网络感知数据相关情况、网络拓扑结构特征等传感器网络属性，针对大规模传感器网络系统数据传输的实际需求，形成一套适用于各种传感器网络系统的路由协议。它可以通过跨层联合优化设计有效地减少网络中冗余数据包，避免信道拥塞从而实现数据包在网络中能量高效地可靠、低时延、安全传输，并且缓解大规模网络中区域范围内和全网范围内的能量不均衡消耗问题，大幅提高传感器节点的生命周期和系统的有效工作时间。　　 基于以上研究目标，本文分别从数据传输的可靠性、可扩展性和安全性三个方面对路由技术进行研究：(1)网络局部区域内的可靠路径选择及数据包转发机制；(2)全网范围内的分簇组网与路由技术；(3)依赖于路由协议的密钥管理机制及数据传输过程中不同层次的安全路由研究。其中路径选择设计环节是对网络局部区域内链路选择进行优化，以提高数据转发公平性和路径修复能力、减少重传次数，从而提高局部的能耗效率；网络分簇路由策略设计环节则是从全网角度对传感器网络逻辑拓扑结构进行规划，充分利用网络负载及能量消耗的不均衡分布特点减少冗余通信量、保持全网负载平衡，从而提高网络的生存时间；密钥管理机制设计则是充分利用上述两个环节设计的路由协议，并结合传感器网络特性和现有节点设计技术，以尽可能小的存储、通信和计算开销实现安全数据传输。　　 本文的创新性工作主要包括如下三个方面：　　 (1)通过结合传感器网络无线信道广播特性、数据汇聚特性以及数据转发公平性等特点，提出了跨层设计的路径选择机制EasiLink和机会主义数据转发理论分析模型，并从理论上分析了基于该模型的网络合计吞吐率问题的计算复杂度为NP完全问题。随后设计了求解网络合计吞吐率界限值的集中式方法，并提出了基于数据包的机会主义数据转发机制POR。EasiLink和POR属于面向中小规模环境监控应用系统的实用性强、数据接收率高、系统生存时间长的数据传输路由技术解决方案。其中EasiLink已经应用在煤矿瓦斯监测原型系统中，POR中的部分技术也成功地应用在故宫文物展厅监控系统中。实验数据表明，与TinyOS传统技术相比，EasiLink在保持应用监测精度的条件下将数据接收率提高了近30％，将网络生存时间提高了近4倍；网络重负载情况下POR将网络合计吞吐率提高了近55％。　　 (2)通过对网络拓扑稳定性和网络负载/能量消耗均衡性的分析，提出了适用于移动/静态大规模传感器网络的分簇路由协议HOCR/UCOR，以减少网络冗余通信量，从而具有较高的报文接收率和较低的网络延时，更均衡、更低的能量消耗。实验数据表明，与HEED、EEUC等相关研究成果相比，UCOR协议将网络生存时间延长了约20.3％，可以支持更大规模的网络。　　 (3)针对防篡改传感器节点上存在的安全指纹，提出了轻量级的密钥管理协议FKM及相应安全路由协议。安全路由协议中各类通信可以根据各自安全需求级别采取FKM中相应的密钥建立和维护机制，保证网络以最小的能量开销进行安全传输。仿真实验表明，与现有安全机制相比，FKM及相应安全路由协议能够更有效地抵御各种攻击。