随着微电子技术和无线通信技术的不断进步,作为物联网核心技术的无线传感器网络(WSN)技术在最近几年中得到了蓬勃的发展。由于在无线传感器网络中传感器节点一般为电池供电,如何节省传感器节点的能耗和延长无线网络的生存时间是WSN必须面对的难题。国内外学者已对该问题做了大量的研究工作,通过研究表明无线传感器网络的拓扑结构和路由算法优化对延长无线网络的生存时间具有重要意义。WSN采用平面路由算法时,传感器网络的所有节点在网络拓扑中的地位和功能的重要性是相似的,每个节点都要存储路由表,节点通过路由表进行数据传输,因此平面路由算法较为适用于网络规模小、无线传感器节点较少的传感器网络。相对于平面路由算法,分簇路由算法更符合无线传感器网络基于数据的路由需求,算法通过选取簇头并形成簇群进行数据传输,这种路由算法可以对网络中的节点和数据进行更有效的管理,可以使无线传感器网络具有更好的健壮性和可扩展性,适用于节点较多、规模较大的无线传感器网络。本文主要对无线传感器网络的单层分簇路由算法、多层分簇路由算法和WSN中能量空洞避免的方法等问题进行了研究,论文研究的内容和创新点如下：(1)针对经典单层分簇路由算法LEACH和其他LEACH-type路由算法所存在着簇头选取过程中簇头数目不确定、选取过程随机以及簇头选取不合理等缺陷,本文提出了基于改进差分进化的单层分簇路由算法MD-IDE。该路由算法首先基于对网络能耗的理论分析确定WSN的最佳簇头数目,然后在差分进化算法中引入模拟退火的思想,该改进差分进化算法可以使簇头的选取过程更加严谨和科学,簇头节点的分布更加合理,能选出最佳的节点作为簇头。本文通过仿真实验对MD-IDE、MD-DE、LEACH、LEACH-C四种路由算法进行了性能比较,仿真结果表明MD-IDE算法在延长网络生存时间和减少整个网络的通信距离等方面,均优于其他三种路由算法。(2)采用多层分簇路由算法可以很好地克服单层分簇路由算法对无线传感器节点间通信距离要求过高的缺点。本文在前述单层分簇路由算法研究的基础上,结合对其他多层分簇路由算法的优缺点的分析,提出了一种基于改进差分进化的多层分簇路由算法MHCR-IDE。该算法首先对WSN进行合理分层并确定各层的簇头数量,然后利用改进差分进化算法进行簇头选取并形成簇群。之后,在网络的数据传输过程中,在簇群内部,节点可以通过单跳或多跳的方式将数据传输到簇头上,随后在网络的不同层次间,外层簇头将该簇群产生的数据发送到内层簇头上,再逐层转发到Sink节点。该算法采用的这种“层间多跳簇内多跳”的数据传输方式可以极大地降低网络对节点传输距离的要求,使算法的实用性大大加强。本文通过仿真实验对MHCR-IDE与Multihop-LEACH算法进行了性能比较,仿真结果表明基于改进差分进化算法的MHCR-IDE算法在减少整个网络的通信距离、减少节点能量消耗和延长网络生存时间方面均优于Multihop-LEACH算法。(3)针对多层分簇路由算法和多跳路由算法中可能出现的“能量空洞”问题,本文首先对能量空洞的成因进行了理论分析,并通过无线传感器节点能量消耗等相关理论验证了在一定条件下非均匀分簇和节点休眠机制相结合可以避免“能量空洞”的产生。在此基础上,本文提出了基于非均匀分层和节点休眠机制相结合的能量空洞避免算法EHAA-NSUL。该算法首先按照靠近Sink节点的内层总能量大于外层总能量的原则对整个WSN进行非均匀分层,并根据各层节点剩余能量将节点分为休眠节点和工作节点。在此基础上采用改进差分进化算法在各层工作节点中进行簇头选取并形成簇群,进而完成多层无线网络拓扑结构的建立。最后通过仿真实验验证EHAA-NSUL算法的性能,实验表明该算法可以有效地缓解无线传感器网络中“能量空洞”现象的产生。(4)随着无线传感器网络技术的不断成熟,在实际当中无线传感器网络技术可以较为容易的与其他技术如语音识别、图像采集等相结合,这样可以极大地扩展无线传感器网络的应用范围。本文自主研发了基于ZigBee协议的JPEG图像传输系统和语音辨识远程控制系统两个无线传感器网络系统,以这两个系统为例分析了实际应用中无线传感器网络系统的开发过程和设计方法。本文所提出的几种无线传感器网络分簇路由算法以及所介绍的无线传感器网络系统的开发过程、设计方法为今后开发更为复杂的中型或大型规模的WSN系统提供了坚实的基础。