随着无线传感器网络研究的深入，无线传感器网络在各种行业的应用已普遍展开，但在工业应用中，网络可靠性问题制约着工业无线传感器网络的广泛布署。因此，本文主要研究工业无线传感器网络链路层的高可靠协议的设计问题，为工业无线传感器网络的协议和应用提供设计依据。　　 本文首先从无线传感器网络常用频段的链路模型入手，分析复杂环境下链路的变化特征，然后基于不同频段的链路特征研究链路层协议技术。(1)针对2.4Ghz的IEEE802.15.4链路进行建模，以此为基础，在跳频方法、重传方法上对IEEE802.15.4MAC进行了可靠性扩展；(2)针对433Mhz链路的工业环境变化特征，对基于簇状树形网络拓扑的工业无线传感网MAC协议进行了研究。本文主要研究内容和贡献如下：　　 1)通过对典型工厂环境IEEE802.15.4链路特征的测试和分析，提出了一种链路层可靠性的统计方法和模型。该模型用丢包率描述链路可靠性随时间和频率的变化，指出信道丢包率的组成、丢包间隔、链路可靠性的变化具有统计特征，服从lognormal、logistic以及log-logistic分布，且不同频道对同一干扰的影响具有相关性。该模型能准确的描述准静态网络的工业环境链路特征，为协议的仿真提供了基础，并对协议设计提出了新的要求。　　 2)在链路特征分析的基础上，对IEEE802.15.4MAC进行可靠性扩展。首先，提出了一种自适应跳频算法，该算法根据工业环境链路可靠性的实时变化选择最佳频道进行通信，相比在ISA SP100以及WirelessHART中使用的时隙跳频算法，提高了15％～35％的可靠性，且降低了网络对时钟同步的要求和实现复杂度。其次，提出了一种基于邀请重传的混合重传方案，在TDMAMAC中，采用固定重传分配、邀请重传以及竞争重传相结合的方法，可以灵活对重传方式进行配置，在满足网络可靠性的前提下减少节点的重传次数，提高时隙利用率。仿真表明，采用邀请重传在满足同样可靠性的前提下可以降低约40％～70％的时隙浪费和约40％的节点能耗。　　 3)针对433Mhz工业环境链路变化较稳定的特征以及普遍使用的簇状树形拓扑网络，设计一种适合于工业无线传感器网络的TDMA、CSMA、FDMA混合MAC协议，并建立了TDMA/FDMA混合协议(TDM-FDM)的系统级可靠性、功耗、时延模型。理论分析和工厂测试结果表明，该协议适用于周期性数据和突发数据传输，便于网络规模的扩展，端到端传输可靠性可达99.3％以上。相比传统TDMA协议，功耗可节省约10％，在2节AA电池供电的情况下使用寿命达到了20个月以上，满足工业领域低速率信号采集的需求。　　 基于上述的研究成果，在鞍山冷轧3号线连煺炉区布署了406测点的轴承温度检测系统，系统迄今已稳定运行24个月，有效预警了轴承的潜在故障，减轻了工作人员点检工作量，取得了良好的经济效益，被ISA SP100和WIA-PA评为典型工业无线传感网应用示范系统。同时，本文的自适应跳频和邀请重传设计草案提交到IEEE802.15.4e标准和工业无线标准WIA-PA，部分成果已融合到IEEE802.15.4e的EGTS提案中，且同时被WIA-PA规范所采纳。