无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)随着无线通信技术、传感器与微机电技术和互联网等技术的发展产生,因其网络节点低功耗、体积小、工作寿命长、节点数目多、无线通信可灵活便捷部署等优势,在国防军事、地下采矿、精细农业、国家电网、地面交通、结构安全、管道监测、抢险救灾、智能家居以及医疗保健等众多领域引起高度关注。虽然无线传感器网络技术得到了广泛应用,但仍然有像网络节点能量受限、节点数量众多数据冗余、高可靠传输以及精确监测控制等挑战需要解决。作为多学科交叉形成的新兴前沿研究领域,更多学科的研究人员为克服这些难题不断探索着。本文结合教育厅科学基金项目的部分研究内容,主要围绕无线传感器网络能耗的降低和均衡主线,分别对无线传感器网络节点在障碍物环境的部署和无线传感器网络路由协议进行了理论研究。同时结合无线传感器网络应用优势,对其在深层矿井热害监测进行了系统设计研究。本论文的主要工作包括:(1)简要介绍无线传感器网络研究现状、有关的能耗方面的研究方法以及应用等基本理论知识为后续研究做准备。(2)能量限制是无线传感器网络技术中一个关键问题。针对无线传感器网络节点在有障碍物的二维地理环境中的静态位置优化问题,提出了一种通过无线信道能耗衰减模型利用Dijkstra算法和蚁群算法相结合的无线传感器网络节点静态优化部署策略。通过该策略,对两种不同的地理环境进行节点部署的仿真实验。实验表明,该策略能更好地优化无线传感器网络节点在复杂二维地理环境中的静态部署,并可有效地节约网络的能耗,提高无线传感器网络的使用寿命。(3)路由技术作为无线传感器网络的关键技术,对网络能耗和寿命影响明显。在分析多种路由技术特点的基础上,介绍了无线传感器网络路由技术中所存在的技术难题。为了解决好无线传感器网络节点在自由随机部署的情况下节点能耗均衡问题,分析了经典的LEACH协议的优缺点。然后提出了能量异构节点随机部署环境下的簇头选举算法。通过仿真实验,对比所提出的簇头选举算法和LEACH协议选举算法表明,该选举算法可以有效整体延缓节点死亡趋势,提高数据传输量。(4)针对金属矿井深层开采中的热害监测问题和现有有线监测系统存在的布线复杂、监测设备安装和维护成本高等缺点,基于ZigBee和WiFi两大通信技术,设计了一种无线传感器网络热害环境监测系统。该系统以CC2530 F256芯片为核心硬件,使用Altium Designer软件对各类节点进行电路设计,使用Eclipse软件对手持监测终端软件进行设计。通过实验验证表明,本系统达到了设计要求,实现对环境参数的监测。在本系统设计与实验基础之上,考虑到类似监测系统参数和异常数据的多样性,研究了两类多样性异常数据筛选方法。为保证监测稳定环境下采集的数据可靠性,提出了改进型拉依达异常数据剔除法则和使用置信水平的数据剔除方法。为了有效发现被监测区域变化的环境参数的异常情况,提出了皮尔森相关系数域异常状态判断法。经过数据分析验证,以上两类方法具有良好的效果。