无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是沟通物理世界与信息世界的一个重要桥梁。它的出现显著改变了人类与自然界的交互方式，也相应带来了大量全新的应用体验，拥有广阔的产业前景。当前，WSN正在从实验室研究过渡到规模性的商业应用。这一阶段中，需要解决关键问题是如何提高WSN的可用性和易用性，保证服务质量以及改善工程实施方法这样的工程相关问题。工程问题关注的是系统如何构成以及如何实施。本文在对WSN体系结构和协议工程学的研究现状和未来发展趋势进行了系统、全面地分析和总结的基础上，提出了面向服务的WSN体系结构，并对实现这一体系结构的工程学方法进行了深入研究，取得了若干创新成果。本文的主要贡献包括：1)提出了一种面向服务的WSN体系结构(Service-oriented WSN，SoWSN)。当前，传统层次结构难以适应WSN的发展趋势。而SoWSN体系结构采用了以更加灵活的协议堆作为协议组织的基本形式，有两大优势使其更加适合构建WSN。通过扁平化通信方式生成与解析网络数据帧，可实现能量高效的通信；通过标准的消息总线机制实现协议组件的消息交换，能简化跨层设计中消息共享和分发关键技术的实现。同时，以我们自主设计名为‘WSM’的WSN仿真模块为基础，对SoWSN的核心组件实现了仿真模型和代码的编写，完成了跨层优化的仿真实验。2)提出一种以服务为中心的通信模式。对WSN的网络活动从面向服务的角度重新进行了解释，得出一种与应用无关的网络活动的通用模型。并分别在有基础设施WSN和无基础设施WSN的环境中讨论了服务发现的实现方法。采用层次着色Petri网对以服务为中心的路由进行了建模仿真，利用颜色集和参数化方法控制多跳路由的模型规模，通过对状态空间的分析发现了因节点休眠会引发路由失败的潜在风险。最后分析了以服务为中心的通信模式同数据为中心通信模式的相似和不同之处，并在异构WSN的环境中进行了对比仿真实验。3)提出一种着色解释Petri网，解决协议工程中协议形式化验证和协议仿真断裂的问题。首先给出了CIPN的定义、运行机制与可观测性分析。然后借助观察者模式，依据CIPN的特点，提出了一种与协议仿真工具协同工作的通用性方法。最后完成了CIPN同OPNET的协同仿真的示例。基于CIPN的协同仿真第一次紧密连接了Petri网和通用协议仿真工具，能在同一模型的基础上同时完成协议正确性的验证以及性能指标的测试，提高协议工程质量。4)提出一种命名为协议再工程的协议工程过程，用于规范化WSN协议的修改定制行为。首先阐明了协议再工程的定义，生命周期和工作流程，同时提出了一种集成统一建模语言和着色Petri网的U-CPN方法，该方法将用于协议再工程中的形式化描述模型的建立与验证。最后对U-CPN和UML模型的等价性作出了基于网射的证明。在U-CPN方法基础之上使用协议再工程指导协议修改，在可控性，描述力上具备优势，尤其加强了协议再工程中的形式化分析能力，可以很好的保证协议的修改质量。5)将上述思路应用到实际工程中，选用JN5121模块和BoS操作系统作为实现平台，以SoWSN思想实现了Zigbee的一个原型，并在此基础上构建了WSN与EPCglobal系统的集成应用。以SoWSN思想实现的Zigbee协议较原有Zigbee协议在网络负载与响应时间上具有优势。