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随着无线通信、嵌入式系统以及微机电系统等学科的成熟与发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)逐渐进入人们的视线。无线传感器网络通过随机部署的传感器节点以多跳的方式形成自组织网，完成对环境数据的监测、采集和传输。由于无线传感器网络系统需要长时间工作且大多由电池供电，因此能耗问题一直是其发展的主要瓶颈之一。而无线传感器网络的能量开销主要来自于通信部分，因此对这一部分的能耗控制成为了关键。 而介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议协调网络中节点对通信媒介的共享。因此MAC协议的性能与通信能量开销密切相关。同时考虑到无线传感器网络的应用相关性，本文针对在数据采集场景中的MAC协议展开研究。主要研究成果主要包括以下三个方面: 第一，针对数据采集网络提出了一种基于时分多址(Time Division MultipleAccess， TDMA)调度的MAC协议——Collection TDMA(CTDMA)。CTDMA利用控制包夹带的机制减少调度信息的冗余开销，并通过空闲侦听保护与选择性接收等机制在降低协议能量开销的同时，提高协议的鲁棒性。通过对比试验，验证了CTDMA在网络调度方面的通信能量效率。另外，CTDMA通过动态时隙分配算法（Dynamic Slot Allocation，DSA）防止节点的通信碰撞、隐终端以及暴露终端问题，大幅提高信道利用率与通信可靠性。 第二，针对CTDMA的同步需求提出了一种低开销的全网同步方案——LTGS（Lightweight Tree based Global Synchronization）。LTGS以数据采集场景的树形拓扑结构为基础，利用父子节点间的同步实现全网同步。本文为LTGS提出了同步包传输时延的线性补偿算法，并在其基础上进行了分析与优化。理论分析及实验结果表明，该方案配合CTDMA的控制包夹带机制能够实现微秒级的同步。 第三，通过对基于休眠/唤醒机制的低能耗MAC协议的研究，提出了一种针对微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的能耗优化机制——跨越计数。跨越计数能够在协议运行过程中动态地调整地操作系统在不同运行状态下的时间分辨率，降低MCU在非通信时段的能量开销。对CTDMA的优化实验表明，跨越计数能够降低网络中终端节点45.5％的平均能量开销。 综合以上技术，在星形网络对比多跳网络对比测试中，相较于其他两种对比协议，CTDMA能够完美地适应网络密度与网络拓扑结构的变化，并以极低的能量开销保证了网络的通信质量。在40个节点的中规模的多跳网络测试中，CTDMA体现出了良好的长时间稳定性，网络平均丢包率仅为0.025％，平均射频占空比达到0.59％。最后，通过84个节点的多跳网络测试，验证了CTDMA在大规模网络中性能稳定性。