【WSN覆盖】基于集群的无线传感器 CoCMA中实现节能覆盖控制附matlab代码

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🔥 内容介绍

无线传感器网络（WSN）是一种由大量分布在监测区域的无线传感器节点组成的网络。这些节点可以感知环境中的各种物理和化学参数，并将数据传输到中央控制节点。WSN在许多领域中发挥着重要作用，包括环境监测、农业、安防等。然而，WSN的能源限制是一个主要的挑战，因为传感器节点通常由有限的电池供电。

鉴于传感器节点的能量有限，通过能效设计实现无线传感器网络至关重要 。另一方面，在 WSN 激活后，网络中的传感覆盖范围可能会随着时间的推移而逐渐下降。因此，对于关键任务应用，应考虑节能覆盖控制以支持WSN 的服务质量 (QoS)。通常，覆盖控制策略会带来一些具有挑战性的问题：（1）解决冲突，同时确定应该关闭哪些节点以节省能源；(2)设计最优唤醒方案避免唤醒不必要的节点。在本文中，我们使用基于模因算法（MA）的方法（名为 CoCMA）在基于集群的 WSN 中实现节能覆盖控制，以解决具有挑战性的问题。CoCMA 包含两种优化策略：基于 MA 的传感器节点调度和唤醒方案，它们负责延长网络生命周期，同时保持覆盖范围保留。基于MA的调度应用于给定的WSN以避免冗余节点造成不必要的能量消耗。在网络运行期间，唤醒方案唤醒休眠的传感器节点以恢复因死亡而造成的覆盖盲区。

以下是在CoCMA中实现节能覆盖控制算法的步骤：

1. 集群形成：首先，WSN中的传感器节点被划分为不同的集群。这可以通过使用分簇算法，如LEACH（低能量自适应分簇层次）来实现。LEACH算法根据节点的能量水平选择集群头节点，并将其他节点分配给这些头节点。

2. 节点选择：在每个集群中，选择一个或多个节点作为覆盖节点。覆盖节点负责收集传感器数据并将其传输到中央控制节点。为了选择覆盖节点，可以使用一些指标，如节点的能量水平、位置和距离等。

3. 覆盖控制：覆盖控制是确保整个监测区域都被传感器节点覆盖的过程。在CoCMA中，覆盖控制算法被设计为节能的，以减少节点的能量消耗。一种常见的覆盖控制算法是基于覆盖半径的调整。通过调整节点的传输功率和接收功率，可以控制节点的覆盖范围，从而减少能量消耗。

4. 能量平衡：在CoCMA中，能量平衡是一个重要的考虑因素。传感器节点之间的能量消耗应该尽可能均衡，以避免某些节点过早耗尽能量。为了实现能量平衡，可以使用一些算法，如能量分配算法和能量传输算法。

5. 网络优化：最后，对CoCMA进行网络优化是很重要的。通过对网络拓扑进行优化，可以减少能量消耗并提高覆盖率。一种常见的网络优化方法是使用遗传算法或模拟退火算法来寻找最佳解决方案。

通过实施上述步骤，可以在CoCMA中实现节能覆盖控制算法。这将有助于延长WSN的寿命并提高网络的性能。然而，需要注意的是，每个应用场景都可能需要不同的算法和参数设置。因此，在实施算法之前，应该根据具体的应用需求进行适当的调整和优化。

总的来说，基于集群的无线传感器网络（CoCMA）是一种有效的节能覆盖控制算法，可以应用于各种WSN应用中。通过合理选择集群头节点、覆盖节点和优化网络拓扑，可以实现节能、高效的WSN覆盖。这将为环境监测、农业和安防等领域带来更大的便利和效益。

📣 部分代码

        subplot(1,2,1),plot(target_x(i,:),target_y(i,:),'*'); end​for k=1:sense_node    for i=1:grid_range_y*span        for j=1:grid_range_x*span            distance(i,j,k)=sqrt((node_x(k)-node_y(k))^2+(target_x(i,j)-target_y(i,j))^2);        end    endend​    target_coveraged=zeros(length(target_x(:,1)),length(target_x(1,:)),pop_size,generation_size+1); % coverage array​[best_fit,best_idx]=algorithm();  ​init_node_x=[]; % plot the nodesinit_node_y=[];for i=1:sense_node    init_node_x(length(init_node_x)+1)=node_x(i);    init_node_y(length(init_node_y)+1)=node_y(i);    subplot(1,2,1),text(node_x(i),node_y(i),int2str(i));endaxis image;hold on;          subplot(1,2,1),circle(sense_range,init_node_x,init_node_y,'b');​        init_targe_coveraged=zeros(length(target_x(:,1)),length(target_x(1,:)));   % determine the covered targets in the initial plot for k=1:sense_node           for i=1:length(target_x(:,1))               for j=1:length(target_x(1,:))                        if distance(i,j,k)<=sense_range                               init_target_coveraged(i,j)=1;                        end               end           end end​​init_coveraged_target_count=0;      % count the number of covered targetsinit_target_covered_x=[];init_target_covered_y=[];for i=1:length(target_x(:,1))      for j=1:length(target_x(1,:))          if(init_target_coveraged(i,j)==1)                init_coveraged_target_count=init_coveraged_target_count+1;                init_target_covered_x(length(init_target_covered_x)+1)=target_x(i,j);                init_target_covered_y(length(init_target_covered_y)+1)=target_y(i,j);          end      endendaxis image;   % plot the red circle (coverage)hold on;subplot(1,2,1),plot(init_target_covered_x,init_target_covered_y,'y.');  ​fprintf('\n initial coveraged target ratio=%d/%d active_node_num=%d',init_coveraged_target_count,length(target_x(1,:))*length(target_y(:,1)),sense_node); % list the original data​best_node_x=[]; % plot the best result of node arrangement​

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