融合了微传感器、无线通信和嵌入式计算三种技术的无线传感器网络（WSNs）在军事系统、环境监测、生物医疗、家庭生活等方面已经得到广泛的应用，成为物联网和工业智能化领域研究的热点。WSNs在提高生产效率、加快社会发展的同时，其本身具有的节点资源受限、需求复杂多变、与应用关系紧密等局限，也造成了难以满足不同场景与应用需求、难以保证稳定可靠的信息传输等问题。路由算法及密钥管理的研究是解决上述问题的重要方法。路由算法设计旨在减少网络能耗和延长网络生命周期，多层路由就具备良好的扩展性和低功耗；密钥管理是保障网络传输安全可靠的重要手段，同时需要在路由算法的基础上实现密钥的分配和更新。本文通过研究自适应场景应用需求的路由算法与基于改进加密算法的密钥管理方案构建一种行之有效的方法解决所面临的挑战。基于以上思路，本文主要工作如下：　　（i）通过研究WSNs在无人区域的部署中存在节点位置难以按需排列、节点传输距离长短不一等问题，为了满足高效传输的需求，提出了一种基于分区的混合多跳多层次分簇路由算法（HMPBMC）。算法中将网络进行分区管理来应对特殊的环境，满足兴趣需求；设计了簇内单链式通信结构和簇间区域最小生成树通信结构，从而降低能耗；设计了使用剩余能量作为簇头选择阈值的方法来均衡网络负载；通过在数据传输的过程中进行簇头选择来减少转发次数。通过将HMPBMC算法与LEACH、LEACH-MLOR和EEHMCS三种算法的论证和仿真评估表明，本文提出的基于分区的混合多跳多层次路由算法在能耗、扩展性、稳定性等方面具有较好的优势。　　（ii）通过研究WSNs的密钥管理方案中密钥生成算法功耗大、主密钥易泄露等问题，为了满足可靠传输的需求，设计了一种基于LEAP协议的多密钥机制密钥管理方案（KMSMM）。方案阐述了个体密钥、会话密钥、簇密钥和组密钥在网络运行过程中担当的安全保障的角色，以及在应对网络扩展、更新、兴趣需求等特殊要求时的密钥管理机制。另外，在KMSMM方案中设计了一种基于线性方程组解的会话密钥（PSKBSLE）研究方案和一种基于留数定理的个体密钥（INKBRT）研究方案，通过对方案的连通性、安全性、有效性等相关内容进行对比和评估，表明这些方案具有更好的安全性保障，可接受的计算和通信开销，以及更低的存储开销。