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基于IEEE 802.15.4标准的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)具有低能耗、低成本、易扩展等优点,在物联网、智能医疗等领域有重要的应用前景。该标准定义超帧结构,实现低占空比技术与混合CSMA/TDMA技术的有效结合;定义簇树拓扑结构,易于扩展网络规模。在无线传感器网络路由算法和MAC协议设计方面,现有的研究成果大多关于实现全网任意节点间的路由构建和数据传输,而新科技的发展对其提出新的要求,许多应用场景需要汇聚节点从网络各节点收集数据来集中处理。为满足这种需求,本文为可移动无线传感器网络提出基于邻居表的簇树路由算法,即NT-CTR路由算法,以及基于共享时隙的MAC协议,即SS-MAC。NT-CTR算法借鉴ZBR(ZigBee Routing)、Cluster-Tree两种典型簇树路由算法优点,并对其进行较大地改进和创新:将节点分为汇聚节点、簇头节点和成员节点三类,以执行不同的路由功能;考虑节点间的距离和移动性,且对汇聚节点的子节点数进行特殊设置,以减小网络最大深度和数据帧端到端时延;采用分步式构建网络拓扑,以减小控制开销。算法重点设计网络地址分配策略、消息帧格式、邻居表格式及算法具体流程。SS-MAC协议用于从NT-CTR算法构建的网络中收集数据,协议改进了IEEE802.15.4标准定义的混合CSMA/TDMA技术和跳频机制,以降低节点间干扰;提出共享时隙分配算法,以异步唤醒网络节点;定期调整占空比和共享时隙长度,以适应动态流量负载。本文详细设计SS-MAC协议的网络运行周期、共享时隙算法及数据收集过程。然后,推导共享时隙参数及网络能耗的数学表达式,并利用排队理论分析成员节点的分组平均等待时间及其影响因素。通过MATLAB仿真分析和对比NT-CTR、Cluster-Tree、ZBR三种算法的分组投递率、路由控制开销等性能。结果表明,在节点数量较多或者通信半径较大的情况下NT-CTR算法的分组投递率和分组平均跳数性能表现最佳,而路由控制开销居于另外两种算法之间。同样地,与IEEE 802.15.4标准的对比仿真结果表明,本文提出的SS-MAC协议能较好地适应大规模簇树无线传感器网络,且在相同条件下分组时延和吞吐量性能表现更佳。