无线传感器网络是国际上备受关注涉及多学科的前沿热点研究领域。传统的工业监控主要使用有线网络布线不灵活,受环境影响严重,电缆维护费用高等缺陷。因此,替代传统有线网络,基于无线传感器网络的工业监控网络具有强大的优势,引起了国内外广泛的研究和关注。工业监控网络对实时性和可靠性有较为严格的规定,其中主要为时间延时、丢包率和吞吐量。要在工厂内恶劣电磁干扰环境下,实现现场数据采集和远程监控的实时性和可靠性,这对于低配置、自组织的多跳WSN带来了严峻的挑战。无线传感器网络性能优化的研究是一个热点领域,无线传感器网络跨层优化就是一个重要的方法。在传统无线网络分层设计时,每层独立地进行设计和操作,各层独立设计导致了层与层之间没有信息的交流,没有充分利用网络资源以实现最优的性能。无线传感器网络中MAC协议决定信道资源的分配方式,在通信节点之间分配有限的通信资源,是保证网络高效通信的关键。无线传感器网络中的另一重要协议层路由层决定了数据传输的路径选择,此协议的选取也是提高无线传感器网络性能的重要环节。基于此,针对实际应用需求,本文提出"MAC层+路由层”的工业传感网跨层优化方案,通过MAC层理论模型进行链路质量评估,并以此为路由选择提供依据,从而实现MAC层和路由层的跨层优化。首先,本文就无线传感器网络跨层优化体系结构、分类和具体方法进行了深入的研究。针对工业监控网络提出了基于MAC层与路由层结合的无线传感网络跨层优化方法,为接下来的具体分层设计提供了框架结构基础。其次,针对MAC层的网络吞吐量、网络延时、结点个数、丢包率等重点参数进行了数学描述和分析,并在此基础上建立IEEE 802.15.4 Markov链模型就MAC层进行优化。再次,针对工业监控网络以及无线传感器网络的特性,在进行了不同种类路由协议分析,引入汇聚树路由协议,结合基于IEEE 802.15.4 Markov链模型对路由算法进行设计,实现了收敛快：速,拓扑稳定,路由更新灵活,路由维护开支小的基于MAC层和路由层的跨层优化路由协议MM-CTP.然后,着重根据工业监控网络及实际硬件节点的特点和需求,模拟工业监控网络环境采用TinyOS无线传感器网络操作系统以及NesC语言进行编程,通过TinyOS自带的TOSSIM仿真系统进行MM-CTP路由算法仿真并与CTP路由算法进行比较,以考察MM-CTP路由算法的性能。最后,本文在基于CC2430处理芯片和TinyOS操作系统的实际传感器节点上采用MM-CTP路由算法进行组网,以实现实际网络的运行、采集及监控。论文的工作和研究成果为无线传感器网络跨层优化和实际工业监控的无线传感器网络的部署和设计打下了一定的基础。