精准农业通过变量施肥、灌溉决策、病虫防控等技术手段对作物生长进行有效调控,以达到减施、增效、高产、优质等目的。以无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术为代表的物联网技术可实现精准农业生产过程中环境、土壤、作物生理等的实时监测和科学调控,达到合理使用农业资源、降低生产成本、改善生态环境、提高农业作物产量和品质的目的,是实现精准农业的重要手段。无线传感器网络因其多功能自组织、节点部署灵活、能耗成本开销小、无需后期维护等特点,十分适用于环境条件复杂、基础设施薄弱的应用场景。大规模农田WSN存在覆盖区域广、种植周期长、能量供给不便、环境复杂多变等问题与特点,如何实现长时间稳定数据传输是研究应用中的难点。本文重点围绕着农田环境下WSN路由算法的能耗优化问题,从均衡网络节点能耗与延长网络生命周期两方面开展相关研究。主要内容与创新如下。(1)针对传统分簇算法在小规模农田WSN中簇首与普通节点间、簇首与簇首间能耗差异较大、网络生命周期较短的问题,提出了一种拓扑关联的高能效农田WSN簇首轮换方法。通过剩余能量、节点度、数据传输距离多因素计算权值并进行簇首选取,解决了农田复杂环境动态拓扑网络的高效组织汇集问题,创新采用了多轮间隔的簇首轮换方式,有效的降低了频繁簇首轮换中过多的算法开销,实现了网络节点能耗的降低与均衡。(2)针对大规模农田WSN中“簇首-汇聚节点”单跳传输通信能耗大、簇首间存在能耗梯度等难题提出了一种上下分层的混合型网络结构,通过筛选少部分优势节点进行局部数据融合与短距离数据转发的方式,减少网络的总体能量消耗水平与数据冗余。提出簇首间多跳数据传输方法,降低远端簇首的高额外能耗,有效解决了大规模农田WSN中由于通信距离不一导致节点间能耗差异较大的问题。(3)提出了一种基于模拟退火和粒子群算法协同优化的簇间多跳数据传输链路筛选方法,通过传输距离、传输跳数、转发节点能量构建适应度函数的方式,筛选簇首与汇聚节点间的优质数据传输链路,并使用模拟退火算法加速粒子群算法在求解上层多跳链路中的全局收敛速度,减少算法的计算时间与能量开销,最终通过簇首与中继转发节点双重轮换的方式达到大规模农田网络节点能耗降低与均衡的设计目的。结果表明较传统路由算法降低了每轮节点的能量消耗水平,减少了上层多跳数据转发次数,均衡了网络中不同节点间的能量消耗速度,实现了大规模农田WSN可靠监测周期的延长。