无线传感器网络涉及微处理器、无线通信、传感、嵌入式、分布式信息处理等技术。为适应物联网时代背景的发展,无线传感器网络实现了无线多跳或协作的信息传输方式,具有自控能力和自主决策能力,是构造智能物联系统和感知环境的关键技术之一。无线传感器网络的应用涉及军事战场、智能交通、环境监测、生物医疗、工业监控等领域。如何根据无线传感器网络的具体应用环境特点,制定相应的部署策略和覆盖算法,是无线传感器网络覆盖问题研究的关键,直接关系到网络在生存周期内的感知、监测、通信等服务质量。本文的研究从网络部署和维护两个方面展开:网络部署阶段,采取等腰梯形二重冗余部署方式提高覆盖效率;网络使用阶段,研究高效的三角空洞检测算法,维护和提高网络的静态覆盖质量;通过基于图论和虚拟力的覆盖算法,优化移动网络的覆盖质量。最后通过仿真和实验对比验证了算法的有效性。在巷道、公路等长带状区域环境下,综合考虑覆盖质量和部署成本,提出二重完全覆盖的等腰梯形部署模式(Iso-Tra C2),推导了该模式下的覆盖性能评价计算公式,并证明了节点密度是节点感知范围与带宽比值r/w的二次函数,对r>w情况下各部署模式的最佳r/w比值进行了求解。另外,在r/w=2/√3时,Iso-Tra C2部署的一个特例可构造二重全覆盖的蜂窝状网格部署。仿真结果表明:在保证对区域中每个点实现二重冗余覆盖的情况下,Iso-Tra C2部署方式实现了比等腰三角形(Iso-Tri C2)和等分部署方式(Equ-Strip C2),更高的覆盖效率和更低的节点密度。在初始化随机部署的静态网络中,为克服传统空洞检测算法对邻居节点数的依赖,提出并证明了基于三角形内心角和的三角空洞判定定理(SPI),设计了三角空洞检测算法。并针对检测出的不同类型的空洞,制定了相应的修复策略,设定了新添加节点的位置。实验和对比分析结果显示:相比传统的基于邻节点交点(ICP)和覆盖弧(ATN)的空洞检测算法,SPI算法在保证检测精确度的同时,具有更快的收敛速度和更低的能耗水平,且不受节点半径和邻居节点数的约束,执行时间几乎不随节点数和监测区域尺寸的变化而变化。针对节点半径异构的网络在初始化随机部署时产生覆盖盲区的问题,提出虚拟力改进优化算法。结合计算几何理论和图论,引入基于Voronoi形心的引力的概念,对节点扩散行为进行约束,提出基于Voronoi多边形形心的虚拟力覆盖优化算法(VCVFA),克服了传统算法对网络初始化节点密度的依赖。仿真表明:相同节点数目条件下的总移动距离,VCVFA算法大约是VFA算法的50%,具有更好的能效性;VCVFA算法的最终网络覆盖率比COSH算法高10%。针对异构网络中,固定节点对移动节点的虚拟力作用限制节点位置移动,导致覆盖盲区得不到全局修复的问题,提出了改进的基于Voronoi多边形形心引力的虚拟力覆盖优化算法(CAVFA),通过对虚拟力优先级和距离阈值的重新设定,改善固定节点对移动节点的约束。仿真表明:在5个步长以后,CAVFA算法的覆盖率最大,传统VFA算法的优化效果有随步长增长反而出现下降的趋势,CBA算法趋于平稳。由此可见CAVFA算法结合了VFA和CBA算法的优点,充分利用虚拟力算法的全局搜索特性,又将局部单元优化方法引入,克服了传统虚拟力算法优化过程中出现的局部节点聚焦的现象,从而实现了更均匀的覆盖优化效果和更高的覆盖率。