作为21世纪重要的信息采集技术之一,无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）技术为人类获取物理世界中各种目标信息提供了基础支撑。传统WSN受制于电池供电节点的续航能力,难以长期有效运行,限制了WSN的广泛应用。近年来,国内外研究学者相继提出了能量收集型无线传感器网络（Energy Harvesting Wirlesss Sensor Network,EHWSN）技术,以解决传统WSN中因节点能量受限引起的若干问题。EHWSN中传感节点能够收集其周围空间存在的无线、热、光等各种能量,实现自我供能长时间工作,消除了电池供电的局限性。相较于传统WSN,EHWSN具有网络寿命长、维护成本低、环境污染小等优点,已被应用于环境状态监测、工业自动化控制、智能家居等领域,展示出了广阔的应用前景。然EHWSN技术诞生时间较短,目前尚未成熟,存在诸多关键技术亟待深入研究与突破,特别是现有通信协议在应用于EHWSN时存在部署成本高、综合性能差以及无法兼容新型低功耗通信技术等问题,阻碍了EHWSN的应用与普及。因此,探索研究高质量EHWSN通信协议的设计机制及实现方法具有重要的科学意义和工程应用需求。本文在深入研究随机中继策略、元启发算法、模糊逻辑、反向散射通信以及概率轮询等机制与技术的基础上,提出了一种基于随机中继策略的低成本EHWSN固定分簇协议、两种分别基于元启发算法和模糊逻辑的高性能EHWSN动态分簇协议和一种应用于反向散射通信EHWSN（EHWSN via Backscattering,BEHWSN）的基于多速率概率轮询的高性能MAC协议。理论分析和仿真结果均表明这些通信协议能有效解决现有协议存在的缺陷,具有重要的应用价值。本文的主要研究内容和创新贡献如下:1.在研究随机中继策略和最优化簇间通信机制的基础上,针对现有固定分簇协议存在簇间通信效率低下、簇首节点能耗较大、部署成本较高等问题,提出了一种基于随机中继策略的EHWSN固定分簇协议RRCEH（Random Relay based Clustering Protocol for Energy Harvesting Wireless Sensor Networks）。RRCEH采用随机中继矩阵控制簇首节点上传数据;针对不同的簇首配置场景,在对簇首节点能量消耗精准建模的基础上,通过优化随机中继矩阵,协议可以降低网络对簇首节点的能量收集能力需求,有效地节省了网络部署成本。性能验证结果表明,当网络分区个数较多、数据压缩率较大时,在不同的簇首配置场景下,相较于现有协议,RRCEH均能将网络对簇首节点的能量收集能力需求降低30%以上。2.在研究元启发算法和模糊逻辑技术的基础上,针对现有动态分簇协议存在的数据送达率低、节点性能差异大、簇首休眠率高等问题,分别提出了基于元启发算法的EHWSN集中式动态分簇协议MACEH（Meta-Heuristic Approach based Clustering Protocol for Eenrgy Harvesting Wirless Sensor Networks）和基于模糊逻辑的EHWSN分布式动态分簇协议FLCEH（Fuzzy Logic based Clustering Protocol for Energy Harvesting Wireless Sensor Networks）。为了充分利用网络中各节点收集的能量,并平衡不同能量收集能力节点之间的性能差异,MACEH和FLCEH在动态分簇时,均将节点剩余能量和能量收集能力作为重要参考因素,分别使用和声搜索算法和模糊逻辑技术进行基于全局信息和局部信息的分簇决策;为了保障簇间路由的合理性,MACEH和FLCEH分别使用Max-Min蚁群算法和基于位置-能量状态的贪婪算法进行路径规划,其路径评判标准均同时考虑了路径整体能耗以及路径中各簇首的能量状态,以在提高簇间通信整体能量效率的基础上,令高能量状态簇首承担更多的中继任务,从而充分利用相关簇首的剩余能量和能量收集能力;MACEH和FLCEH分别使用轮内路由更新策略和簇首中继策略来应对因簇首能量耗尽而导致的簇休眠现象,并维持簇间通信的质量。仿真结果表明,在高负载场景下,相较于各自的参考协议,MACEH和FLCEH均能提高30%以上的数据送达率,两协议中不同能量收集能力节点对应的吞吐量差异系数仅为0.0236和0.0565。不仅如此,两协议均能有效地避免簇休眠,提升了EHWSN的监测效能。3.在研究反向散射通信机制和多速率概率轮询技术的基础上,针对现有MAC协议无法兼容反向散射通信技术的问题,提出了一种应用于BEHWSN的多速率概率轮询协议Multi-rate Polling。Multi-rate Polling以概率轮询为基础,通过发送Polling命令主导节点上传数据,解决了反向散射节点无法支持载波侦听、空闲信号检测等复杂功能的问题。根据节点与数据中心的信道特性,Multi-rate Polling为节点分配不同的上行数据速率,在保证数据中心接收成功率的基础上,充分利用反向散射信道能力,提高网络吞吐量;Multi-rate Polling可以通过参数调节来控制不同数据速率节点接入信道的优先级,因此可以根据不同应用的QoS需求,实现不同程度的网络整体吞吐量与公平性的合理折中。仿真结果表明Multi-rate Polling能有效获取网络中所有传感节点的数据,并具有高拓展性。在特定场景下,相比于参考协议,Multi-rate Polling可以在公平性相同的情况下提升104.8%的吞吐量,在吞吐量相同的情况下提升118%的公平性,展示出了良好的综合性能。