基于无操作系统的智能预约系统

摘要

在我国“十二五”规划提出建设资源节约型社会，加强节能管理的背景下，具有远程信息处理功能的预约系统在教室、实验室、医院、出租车、公交车、火车、图书馆、家庭等场所得到了广泛的应用。通过计算机连接以太网远程设定参数，预约系统能够自主控制远程设备的电源通断。本文研究的基于无操作系统的智能预约系统，能够为学校实验室众多精密设备的电源管理提供有效的远程解决方案。
　　论文从系统的实际需求考虑，从硬件和软件两方面对系统整体的设计架构进行了研究、设计及实现。
　　首先,在硬件电路设计方面，综合考虑功耗、通讯速度、传输距离、可行性、成本等因素，确定对硬件各模块的芯片的选型。微控制器以ARM Cortex M3为内核并且支持以太网媒体访问控制层的STM32F107RCT6为核心，通过LAN8720Ai物理层芯片链接上位机和下位机，构成100Mbit/s以太网通信桥梁，为实现42天14小时内的8路预约输出控制端口信息的存储，选用EEPROM AT24C512作为片外存储器，以MIC5219线性电源和LM2595开关电源实现内部不同的电压转换。在确定主干芯片的基础上，对硬件电路各个模块的实现方案，包括微控制器模块、以太网物理层模块、片外存储器模块、电压转换模块、输出控制模块进行了设计制作。
　　其次，在硬件设计和实现的基础上，进行智能预约系统下位机软件方案的设计。从智能预约系统特定的功能和有无操作系统的情况，综合考虑利用率、速度、移植周期等因素，确定选择基于协议栈的无操作系统，并给出无操作系统的软件流程。
　　在基于协议栈的无操作系统上，首先对以太网轻量级协议栈做了改造，给出TCP/IP协议栈的裁剪和网络数据的驱动方案。为了提高系统抵御网络攻击的能力，重点研究了网络安全性。针对众多节点接入网络人工配置IP地址资源的瓶颈，研究DHCP客户端的实现与优化，对运输层UDP校验方案进行优化，采用内存静态分配优化DHCP运行效率和系统稳定性，提出抵御DHCP过程中ARP欺骗的优化算法，给出DHCP过程中根据DHCP ACK进行局域网内ARP缓存更新的方法，以提高DHCP客户端网络安全性和服务性能，从而为智能预约系统接入局域网奠定基础。在对TCP安全性研究的基础上，给出抵御TCP SYN洪流攻击的改进策略。
　　然后,给出预约信息的操作及管理方法。通过对I2C总线读写EEPROM的流程的理解，提出减少对片外存储器操作、提高其使用寿命的方案。对预约系统上位机的功能结构、数据库进行设计，给出在预约信息处理过程中，下位机HTTP服务器与上位机浏览器简单预约的交互过程以及基于TCP的下位机对上位机命令的处理过程。
　　最后，是对本文的智能预约系统的总结，并对下一步的研究进行展望。

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容和技术路线

1.4 难点以及存在问题

1.5 论文结构

2 智能预约系统方案确定及设计架构

2.1 智能预约系统的系统需求

2.2 智能预约系统平台的确立

2.3 智能预约系统组网的选择

2.4 智能预约系统硬件和软件架构设计

2.5 本章小结

3 智能预约系统的硬件电路设计与实现

3.1 芯片选择

3.2 单元电路的实现

3.3 本章小结

4 基于协议栈的无操作系统

4.1 无操作系统的分析与方案确定

4.2 基于协议栈的无操作系统软件流程

4.3 本章小结

5 智能预约系统的网络通信

5.1 以太网轻量级协议栈的改造

5.2 DHCP客户端的实现及安全性研究

5.3 关于TCP的安全性研究

5.4 本章小结

6 预约信息的操作及管理

6.1 预约信息管理的需求

6.2 预约信息存储的实现及优化

6.3 预约信息的处理

6.4 本章小结

7 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果目录

附录 硬件实物图

致谢