安全和功耗是制约无线传感器网络技术走向实际应用的重要因素。如何在提供必要的安全保护的同时减少网络的能量开销,成为迫切需要解决的难题之一。本文对适用于低功耗无线传感器网络的安全机制进行了系统的研究,提出了一个兼顾安全和功耗两方面需求的整体安全框架,以及一系列服务于该安全框架的预测模型与支撑协议。本文提出了一种基于连续参数功耗状态机的传感器节点功耗模型,并针对实际需要建立了MicaZ节点使用的微处理器的功耗模型,这一模型可以为传感器节点的能量开销提供更准确的预测结果。本文提出了一种可以根据实际应用要求进行配置的安全框架,该框架使用三种不同的密码算法来提供底层的安全服务,因此能够更好地满足传感器网络应用的多样性需求。为了对安全机制的计算开销进行预测,本文还提出了一种灵活、精确的开销预测模型。该模型以密码算法中频繁使用的基本操作的开销为基础,避免了现有预测模型需要实现一定数量的密码算法的缺点,同时提供更为准确的预测结果。本文提出了一种轻量级的链路密钥建立协议,通过取消不必要的信息交换和直接引入退避机制,有效地降低了密钥建立时间和能量开销。同时,在同类协议中第一次引入了针对未连接节点的补偿机制,提高了网络的连通概率。为了解决同类协议中普遍存在的恶意节点在捕获初始密钥的情况下伪装成新节点加入网络的问题,本文还提出了一种基于安全布隆过滤器的新节点加入机制。利用该机制,没有经过基站认证的节点即使捕获了初始密钥也无法加入网络。本文将数据压缩机制直接引入到安全框架中,以降低传输数据的冗余度,提高系统抗密码分析的能力。为了增强压缩模块的自适应性,提高系统对不同安全和能量要求的可配置性,本文还提出了一种降低能量开销的压缩判决机制。该机制能够与任何用于单个节点的压缩算法进行集成,作为提高压缩算法自适应性的辅助措施。