无线传感器网络(WSNs)是物联网的重要组成部分,近年来一直备受国内外关注。组成WSNs的传感节点由于受能量、计算处理、通信能力等资源限制,严重阻碍了WSNs的进一步发展和实际应用。拓扑控制和路由作为WSNs网络层的核心议题,用于构建精简网络拓扑和数据传送路径。研究有效的拓扑构建机制和可信的拓扑维护策略,以及高效的分布式动态层次型路由协议,在保障网络连通性和覆盖度的同时有助于减少节点和流通信息的冗余度,降低通信频繁度和通信干扰,促进全网的负载均衡,以减缓能耗速率,从而提高网络的生命周期。本文围绕WSNs中拓扑控制和层次型路由两个方面进行研究,先从单纯的拓扑构建方法入手,进而结合拓扑维护策略以完整的拓扑控制过程阐述如何构建并保持精简网络拓扑。同时针对同构和异构WSNs环境,研究动态分布式层次路由构建高效数据传输路径。进一步,在理论研究的基础上,考虑将拓扑控制与层次路由方法应用于智能交通系统,以缓解当前严峻的城市交通状况。本文的主要工作和成果详述如下：1.将全连通网络环境下寻找最优虚拟主干网问题抽象转化成最小连通支配集求解问题(MCDS)。针对MCDS这个NP hard(?)司题,建立了基于混合整数规划的数学模型(NMIP-MCDS)。在分析MCDS解的基础上,确定以令牌分发数与节点能耗的乘积作为目标优化函数,通过令牌分发同时辅以全网能量负载均衡的方式,构建最优MCDS。2.针对网络拓扑复杂,能耗巨大问题,提出一种基于生成树的拓扑构建算法(RTCST)和可信拓扑维护策略,共同构成完整的拓扑控制机制。RTCST算法以Sink节点为起始点,通过循环执行邻居侦测、子节点选择和自我救赎三个子过程逐渐向四周发散,最终形成以Sink为核心的生成树拓扑结构。而可信拓扑维护策略则结合动静态技术,同时辅以时间和能耗为共同触发机制,在当前网络已非最优拓扑或满足节点失败的条件下,静态切换已有拓扑或动态调用拓扑构建算法。3.针对同构WSNs环境的路由,提出一种自适应分布式聚簇路由协议(ADCR)。ADCR办议基于N阶近邻理论,在传感节点部署及网络拓扑动态变化时,通过对节点分布离散度及曲率变化的分析自动确定当前最优的聚簇数量,进而根据最优簇数计算最佳簇头占有比率并结合节点剩余能量选取簇头集；同时引入Hausdorff距离调整初始快速形成的簇结构。4.针对多级异构WSNs路由问题,提出一种高效动态分布式聚簇策略(EDDCS)。 EDDCS在给定多级异构网络环境下,结合考虑理想状态的平均能量预测和历史能耗参考值估计下轮平均网络剩余能量,以此决定节点当选为簇头的概率,指导整个簇头选举过程。同时在簇形成过程中引入类万有引力思想,依据引力大小确定非簇头节点加盟哪个簇。仿真实验结果均证明上述研究结果的有效性,与同类协议或者算法相比,更能节省节点能量消耗,有效提高网络的负载均衡,从而延长网络的生存时间。以理论研究为依据,提出将拓扑控制和层次型路由策略应用于智能交通的设想,并设计了基于三网融合的城市交通监控和智能诱导应用框架。在讨论软硬件实现平台的基础上,还融入无线多媒体传感网络、超带宽通信、网内协作数据处理等较新技术。结合特殊的拓扑控制和混合路由机制,最后实现了该框架的部分原型系统。