物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。作为物联网的核心技术之一,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)近年来受到越来越多研究者的关注。无线传感器网络是大量的传感器通过无线通信的方式,相互联系、处理、传递信息的网络,可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境信息或监测对象的信息,并对这些信息进行处理、传送给所需用户。然而由于传感器节点有体积、成本等方面的限制,多数情况下传感器网络中的节点都是由电池供电,电池容量有限,且在很多应用中不可能更换电池,因此,如何节省能耗并延长网络寿命是无线传感器网络设计中的一个关键问题。为此,很多能量高效的新技术被提出用于节能和延长无线传感器网络寿命。特别地,传感器节点的无线通信传输能耗是传感器节点能耗的主要部分。因此,近年来一个新的研究趋势是在无线传感器网络的节能设计中引入一些先进的物理层传输技术,例如虚拟多输入多输出(Multiple Input Multiple Out, MIMO)技术。另外,移动无线传感器网络由于在网络中增加了移动性,能通过短距离无线通信来节省能量,利用移动性进行节能设计成为无线传感器网络中一个新的研究领域。本文针对面向监测的农业无线传感器网络覆盖范围广、信息简单且允许有一定时延的特点,从节省能耗的角度对基于虚拟MIMO的无线传感器网络节能技术和基于移动性的无线传感器网络节能技术进行了深入研究,主要阐述了新型高效的协作式节能传输方案设计和基于移动Sink的节能数据收集算法设计。论文首先从传感器节点与网络的特点出发,论述了基于虚拟MIMO技术的无线传感器网络和移动无线传感器网络(mobile Wireless Sensor Networks, mWSN)的技术背景,并对移动无线传感器网络的相关研究进行了分类总结。随后分别针对能量高效的虚拟V-BLAST传输方案、基于STBC空时编码的虚拟MIMO传输方案、基于移动Sink的数据收集节能算法设计等几方面进行了研究。本文的主要研究内容与贡献如下：第一,针对随机布设在农林间的大量传感器节点收集的数据具有很大冗余度,以及数据收集基站一般都布设在监测区域外且能量和体积不受限的特点,提出了一种用于能量受限无线传感器网络的基于簇的虚拟MIMO传输架构。在这个架构中,不使用簇成员,而是使用多个簇头形成虚拟天线阵以便使用MIMO传输技术。通过把基于V-BLAST的MIMO技术融合进簇头协作传输架构,提出了一种基于V-BLAST的簇头协作传输方案VCHCT (V-BLAST based Cluster Heads Cooperative Transmission)。该研究对V-BLAST系统的去相关决策反馈检测器的平均误比特率进行了分析,并建立了VCHCT方案的总能耗模型,并对VCHCT方案的总能耗与传统LEACH协议的总能耗进行了对比。最后通过仿真对理论分析的结果进行了验证,可以看出,由于使用了虚拟V-BLAST传输, VCHCT方案比传统LEACH (Low-energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议节省能耗并能有效地延长无线传感器网络的寿命。第二,在簇头协作传输架构基础上,把基于STBC空时编码的虚拟MIMO技术与簇头协作传输架构相结合,提出了一种适用于分簇无线传感器网络的基于STBC空时编码的虚拟MIMO节能传输方案SCHCT (STBC based Cluster Heads Cooperative Transmission)。通过对基于STBC空时编码的MIMO系统的误码率分析,在单位比特通信能耗模型基础上建立了SCHCT方案的整体能耗模型。通过与传统LEACH协议的能耗进行对比与仿真分析,可以看出,当基站距离传感器监测区域较近时,SCHCT方案的能量消耗比传统的LEACH要高；而当基站离传感器监测区域较远时,SCHCT方案相比LEACH能极大节省能量消耗,并延长无线传感器网络的寿命。第三,和LEACH相比,VCHCT方案和SCHCT方案都更加能量高效,但如果同时考虑两个方案中不同传输技术的节能特性和SCHCT方案的簇头节点间额外的通信能量开销,就不能确定哪一种方案更加节能。该研究在相同的误码率性能和相同的节点传输速率条件下对VCHCT方案和SCHCT方案的能耗特性进行了详细的比较分析。理论分析和仿真结果表明,当基站距离无线传感器网络监测区域较远时,即使考虑到SCHCT方案中额外的簇头间通信能量消耗,SCHCT方案仍然比VCHCT方案和LEACH方案都能极大地节省能量；当基站距离无线传感器网络监测区域相对较近时,VCHCT方案比SCHCT方案和LEACH方案都更加高效,是最佳的选择。第四,时延较大是移动无线传感器网络的关键问题之一,已有相关工作在减少移动无线传感器网络的数据时延方面取得了一定成效,但对于规模较大的无线传感器网络来说这些方法还是不能满足要求；另外,目前已有的研究把移动路径规划和普通节点到汇聚节点的路由分开考虑,而没有综合考虑汇聚节点选取、普通节点到汇聚节点路由以及移动路径之间的关系。针对此问题,并结合农业无线传感器网络规模较大、数据允许有一定时延的特性,该研究提出了一种基于移动Sink和汇聚节点的数据收集方案。在这个方案的基础上,设计了一种联合考虑节点到汇聚节点路由和移动Sink路径的启发式算法。该算法在保证数据时延性要求的条件下,减少了传感器节点到汇聚节点的数据传输,从而达到节省能耗并延长网络寿命的目的。