无线传感器网络节点的能量通常十分有限，因此如何最大限度地延长网络生命周期是无线传感器网络路由协议设计的首要目标。分簇结构是一种能量高效的网络结构，因此基于分簇的路由协议是目前无线传感器网络的一个重要研究方向，主要包括分簇算法和路由算法两个方面。由于传感器节点的无线通信能力同样十分有限，无线传感器网络通常采用多跳的数据传输方式。但是，多跳传输方式会造成节点能量消耗不均衡，引起“热区”问题。虽然簇头轮换机制可以均衡节点负载，但并不能解决“热区”问题。此外，频繁的簇头重选也会带来大量不必要的能量消耗。针对以上的问题，本文首先提出了一种基于层次的非均匀分簇算法，按照到达汇聚节点所需的跳数，网络中的节点被划分至不同的网络层次。依据各层节点的平均剩余能量，汇聚节点在每个网络层次中选取剩余能量较高的节点作为候选簇头，并按照一个“探索”方法选取一定数量的剩余能量较低的节点作为额外的候选簇头。在每个层次中通过竞选的方式，由候选簇头产生最终的簇头。通过控制簇头与簇成员的通信范围，形成规模不同的簇，越靠近汇聚节点的层次内的簇的规模越小。其次，不同于传统的分簇算法只以轮为单位在整个网络中进行周期性的簇头重选，本文提出了在每一轮的数据传输阶段，各个网络层次以不同频率在本层内部进行局部的簇重构，越靠近汇聚节点的层次重新选择簇头的频率就越快。仿真实验表明，本文提出的分簇算法能够有效地平衡节点间的能量消耗和延长网络生命周期。最后，在生成的簇群的基础上，本文提出了一种基于代价权值的簇间路由协议。在保证网络覆盖率的前提下，通过不断更新的代价值选择最优路由，并通过仿真实验对协议中的参数的设定对于网络性能的影响进行了分析讨论。