随着现代无线通信技术、片上系统的发展，由大量具有自组织能力的传感器节点构成的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）被广泛的应用于社会的各个领域中，对现代社会带来了方便。无线传感器网络中的传感器节点通过协作感知的方式实时监测和采集监测环境中所需要的数据，随后以单跳或者多跳的传输方式将这些采集数据发送至Sink节点。但是由于无线传感器网络中的传感器节点能量的局限性，数量也非常庞大，而且这些传感器节点一般布设在环境相对较恶劣的监测区域中，这样将导致传感器节点难以维护与更换。然后传感器节点过多死亡意味着无线传感器网络难以继续监测环境中的信息。所以，无线传感器网络不同于传统无线网络，许多传统网络中的技术难以再继续应用于无线传感器网络中。而路由协议作为无线传感器网络中的一个核心技术，更是需要研究者去开发和实现。因此如何设计一个适用于无线传感器网络能量特性、一个能量高效均衡的无线传感器网络路由协议是无线传感器网络急需解决的问题。路由协议作为无线传感器网络的核心技术之一，对无线传感器网络的性能有着极大的作用。一个好的无线传感器网络路由协议需要合理分配传感器节点中无线通信模块的工作时段来提高网络的生命周期和性能。本文根据现有的无线传感器网络路由协议所面临的能量高效以及能量空洞问题，通过建立跨层模型，对非均匀分簇算法进行研究，主要成果如下：(1)分析了无线传感器网络路由协议设计的重要性，对现有路由协议分类进行论述，并且重点分析了无线传感器网络经典的层次性路由LEACH协议，提出了其不足之处；(2)对现有无线传感器网络跨层设计思想的重要性进行分析，并且论述了网络中各个层次对无线传感器网络性能的作用，为之后无线传感器网络的跨层模型设计提供理论基础。(3)针对无线传感器网络中出现的能量空洞现象进行论述，并对现有采用非均匀分簇思想以解决能量空洞问题的路由协议进行分析以及分析其路由协议所存在的不足之处。(4)提出一种新型的无线传感器网络跨层模型，通过对网络层、数据链路层以及物理层等各层之间的联系进行分析，解释网络各层参数对其它层以及对网络性能和生存周期的影响，并且解释在不同的实际监测环境中，合理的选择网络各层次之间的参数共享，有效的提高无线传感器网络各方面性能。(5)基于能量高效均衡思想，提出一种新的非均匀分簇路由算法。通过对单个节点能量消耗模型的分析，得出能量模型中的参数，并且结合单跳和多跳路由的特性，依概率的选择下一跳中继节点，均衡网络能耗，延长了网络的生存周期。随后通过构建非均匀簇的网络拓扑结构，较好的解决了无线传感器网络中产生的能量空洞问题。