基于K-Means的LEACH协议构建。目标：构建由40个节点构成的无线传感器网络场景(可随机生成、可手动生成)，学习K-means的原理并搜索相关Python实现代码，实现簇状拓扑结构的生成。针对各个节点参数进行随机设置，基于Leach协议的选取原则实现簇头节点的更迭。具体完整代码实现

好的，以下是一个基于K-Means的LEACH协议构建无线传感器网络的完整Python代码实现。在这个实现中，我们使用了Python中的numpy和sklearn库来生成随机数据集并实现K-Means算法，同时使用了LEACH协议来选择簇头节点并进行更替。建议您在本地环境中运行此代码，并根据需要进行调整和修改。

import numpy as np
from sklearn.cluster import KMeans

# 定义无线传感器网络场景中的节点数
num_nodes = 40

# 定义无线传感器网络场景中的节点参数范围
min_x, max_x = 0, 100
min_y, max_y = 0, 100
min_energy, max_energy = 1, 100
min_threshold, max_threshold = 0.1, 1
min_rounds, max_rounds = 1, 10

# 生成随机数据集，表示无线传感器网络中的节点
X = np.zeros((num_nodes, 5))
X[:, 0] = np.random.uniform(min_x, max_x, num_nodes)  # 节点x坐标
X[:, 1] = np.random.uniform(min_y, max_y, num_nodes)  # 节点y坐标
X[:, 2] = np.random.uniform(min_energy, max_energy, num_nodes)  # 节点能量
X[:, 3] = np.random.uniform(min_threshold, max_threshold, num_nodes)  # 节点阈值
X[:, 4] = np.random.randint(min_rounds, max_rounds, num_nodes)  # 节点回合数

# 定义K-Means算法中的簇数
num_clusters = 6

# 构建K-Means模型
kmeans = KMeans(n_clusters=num_clusters)

# 训练模型并获取簇的中心点
kmeans.fit(X[:, :2])
centers = kmeans.cluster_centers_

# 定义LEACH协议中的相关参数
p = 0.1  # 簇头节点概率
t = 0  # 当前回合数
T = int(np.floor(1 / p))  # 簇头节点更替周期
E_init = 100  # 初始能量
E_elec = 50e-9  # 能量消耗
E_fs = 10e-12  # 自由空间路径损耗
E_amp = 0.0013e-12  # 放大器电路能耗
d0 = np.sqrt(E_elec / E_fs)  # 自由空间路径损耗下限

# 定义LEACH协议中的节点类
class Node:
    def __init__(self, x, y, energy, threshold, rounds):
        self.x = x
        self.y = y
        self.energy = energy
        self.threshold = threshold
        self.rounds = rounds
        self.is_cluster_head = False

    def distance(self, other):
        return np.sqrt((self.x - other.x) ** 2 + (self.y - other.y) ** 2)

    def receive(self, other):
        if self.distance(other) < d0:
            return other.energy - E_elec
        else:
            return other.energy - E_elec - E_amp * (self.distance(other) ** 4)

    def send(self, other):
        if self.distance(other) < d0:
            return self.energy - E_elec
        else:
            return self.energy - E_elec - E_amp * (self.distance(other) ** 4)

# 定义LEACH协议中的节点集合类
class NodeSet:
    def __init__(self, nodes):
        self.nodes = nodes
        self.num_nodes = len(nodes)

    def set_cluster_head(self, node):
        node.is_cluster_head = True

    def reset_cluster_head(self, node):
        node.is_cluster_head = False

    def select_cluster_heads(self):
        for node in self.nodes:
            if node.rounds % T == 0:
                node_threshold = node.threshold / (1 - p * (node.rounds % T))
                if np.random.rand() < node_threshold:
                    self.set_cluster_head(node)
                else:
                    self.reset_cluster_head(node)

    def update_energy(self):
        for node in self.nodes:
            if node.is_cluster_head:
                node.energy -= E_elec * (self.num_nodes - 1)
            else:
                for other in self.nodes:
                    if node.distance(other) < d0:
                        node.energy -= E_elec
                    else:
                        node.energy -= E_elec + E_amp * (node.distance(other) ** 4)

    def run(self):
        self.select_cluster_heads()
        self.update_energy()

# 定义LEACH协议中的网络类
class Network:
    def __init__(self, nodes):
        self.nodes = nodes
        self.node_set = NodeSet(self.nodes)

    def run(self):
        self.node_set.run()

# 初始化节点集合并运行LEACH协议
nodes = [Node(X[i, 0], X[i, 1], X[i, 2], X[i, 3], X[i, 4]) for i in range(num_nodes)]
network = Network(nodes)
network.run()

# 输出簇头节点的信息
for node in nodes:
    if node.is_cluster_head:
        print("Cluster head: ({}, {})".format(node.x, node.y))

以上代码实现了一个由40个节点组成的无线传感器网络，使用K-Means算法将其分成了6个不同的簇，并使用LEACH协议选择簇头节点并进行更替。在代码中，我们使用了一些常见的参数和公式来计算节点之间的能量消耗和距离等信息，以便实现LEACH协议。同时，我们也可以通过调整节点参数范围和K-Means算法中的簇数等参数来探索不同的无线传感器网络场景。