第一篇：四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计论文
四旋翼飞行器的研究解决了众多的军用与民用上的问题。下面由学术堂为大家整理出一篇题目为“四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计”的航天工程论文，供大家参考。
原标题：四旋翼控制系统的设计
摘要：在充分考虑四旋翼飞行器功能及性能的基础上，给出了微型四旋翼飞行器的实现方案，采用RL78G13为核心处理器，采用MPU6050实现飞行姿态数据的采集，利用nRF24L01无线模块实现参数的无线传输，并进行了驱动电路、电源稳压电路、电池电压检测电路的设计。针对四旋翼飞行器在工作过程中供电电压不断降低导致控制不稳的问题，采用电池电压反馈的控制策略有效解决了该问题。在搭建的硬件平台上，编写了相应的控制程序，经过测试，实现了四旋翼飞行器的稳定控制。
关键词：四旋翼飞行器；姿态数据；无线传输
四旋翼飞行器的研究解决了众多的军用与民用上的问题。军方利用四旋翼飞行器进行侦查、监视、诱饵与通信中继，解决了人为操作困难的问题，甚至减免了人员的伤亡；而在民用上，四旋翼飞行器能够实现大气监测、交通监控、森林防火等功能，有效预防了危机的产生，而促使四旋翼飞行器得到广泛应用的前提，是实现其平稳飞行及自主运行[1].本设计以实现四旋翼飞行器的稳定悬停与按照预定轨道自主飞行为目标，旨在探索四旋翼飞行器的硬件结构与飞行原理，并通过实际调试，理解四旋翼飞行器的相关控制理论，并解决四旋翼飞行器在工作过程中由于供电电压不断降低导致控制不稳的问题。
1设计原理方案
四旋翼飞行器的核心是利用MPU6050对其飞行过程中的三轴加速度与三轴角速度值进行采集，主控制器采用四元数方法及PID算法对姿态数据进行解算，并将计算后的PWM控制信号施加到电机上，进而实现对四旋翼飞行器的控制。
通过调研及综合目前四旋翼飞行器系统的特点及要求，确定了设计的性能及指标如下。
（1）通信功能：具有无线接口，实现飞行功能的无线设定。
（2）飞行功能：①自主空中悬停于60cm处；②垂直升起至30cm处，水平飞行60cm后稳定降落；③垂直升起至60cm处，水平飞行1m后稳定降落；④由无线设定高度及飞行距离，完成起飞及降落功能。
基于对需要实现功能的理解，确定该设计的核心控制器为16位MCU芯片RL78G13,主要完成飞行数据的处理、PID运算及PWM的输出。系统由RL78G13最小系统、无线收发模块、飞行数据采集模块、电池电压检测模块、高度检测模块、电源电路模块、电机驱动模块等构成，总体结构框图如图1所示。
各模块的功能如下：RL78G13最小系统作为四旋翼飞行器的主控；飞行数据采集模块，用于对四旋翼飞行器飞行姿态的相关数据进行采集；高度检测模块，实现定位追踪四旋翼飞行器实际高度信息的功能；无线收发模块，实现数据的无线收发；电池电压检测模块，用于消除由于电池电量消耗对四旋翼飞行器造成的影响；电源电路模块，为整个四旋翼飞行器提供电能；电机驱动模块，用于提高I/O口的驱动带载能力。
2硬件设计
2.1电机驱动电路设计
RL78G13单片机I/O口输出电流为10mA,3.7V空心杯电机的空载电流为80mA,显然采用RL78G13单片机I/O口作输出，无法驱动起四路空心杯电机，因此设计了驱动电路以提高I/O口的驱动带载能力。设计中采用SI2302N沟道CMOS管进行电流的驱动放大，单路电机驱动电路如图2所示。测试表明，经过SI2302驱动电路放大后，RL78G13能够稳定驱动四路空心杯电机，且长时间工作时，驱动电路元件自身发热不明显。
图2中稳压二极管D1起到续流及保护SI2302的作用，电机停转过程中，电机内部线圈产生的反电动势经D1形成放电通路，避免因无放电通路而击穿驱动电路中SI2302的问题。
2.2无线收发电路设计
当采用功能开关对四旋翼飞行器飞行方式进行设定时，随着其飞行功能越来越多，对功能开关的使用也将增多，使得四旋翼飞行器的硬件设计复杂，而且会增加其自身的重量，同时在实际调试中，通过功能开关切换飞行方式，又使得调试较为繁琐，工作量较大。故在设计中引入无线参数给定的思想，设计了无线收发电路，采用nRF24L01无线模块实现数据的无线收发。nRF24L01在使用时所需的外部元件较少，仅需1个16MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，相比于其他无线收发电路而言，该电路设计简单且成本较低。nRF24L01无线收发电路如图3所示。
2.3TPS63001稳压电路设计
四旋翼飞行器在飞行过程中，随着电机转速的增加，会造成控制电路电压大幅波动，进而导致各功能模块无法工作，为了避免此类情况发生，设计了TPS63001稳压电路，TPS63001在1.8~5.5V输入时，均稳压输出3.3V,保证系统各控制电路电压处于稳定状态。TPS63001稳压电路如图4所示。
2.4电池电压检测电路设计
四旋翼飞行器运行时，电池处于持续耗电状态，实验中发现电量的持续消耗成为影响四旋翼飞行器飞行稳定性的重要因素。为了消除其对四旋翼飞行器的影响，因此设计了电池电压检测电路，利用RL78G13自带的AD实时检测电池电压，并通过适时调整PWM输出信号的方式对飞行姿态进行补偿，以确保四旋翼飞行器始终处于稳定状态。
2.5其他功能模块电路设计
其他功能模块包括RL78G13最小系统、MPU6050数据采集电路、高度检测模块、功能开关电路。RL78G13最小系统包括复位电路及晶振电路；MPU6050用来采集飞行过程中的三轴加速度与三轴角速度信息；高度检测则由GP2Y0A02YK0F模块实现，其工作原理是发射的红外线经过地面反射回来，并由模块输出电压信号，输出的电压值会对应相应的探测距离，RL78G13通过测量电压值就可以得出所探测的距离。设计的硬件实物图如图5所示。
3软件设计
四旋翼飞行器在空间上具有6个自由度，分别为载体坐标系X、Y、Z轴上的加速度与角速度。核心控制器RL78G13利用MPU6050采集这些参数，然后进行姿态解算，最终以PWM控制信号的方式施加到4路空心杯电机上，通过调整各路PWM信号完成相应的飞行控制功能。
3.1控制算法
（1）飞行姿态数据：RL78G13通过MPU6050采集载体坐标系下的三轴加速度与三轴角速度，分别用axB、ayB、azB、ωxB、ωyB、ωzB表示。
（2）数据更新：由于设计中采用四元数进行欧拉角的计算，而欧拉角将随着四元数的变化而变化，设计中采用四元数的自补偿算法进行数据的更新，如式（1）~（4）所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元数，Δt为MPU6050的采样时间。
（3）姿态角的计算：令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X欧拉角（分别称为偏航角、俯仰角和横滚角）。ψ、θ和φ的计算如式（5）~（7）所示。
（4）补偿零点漂移：由于存在陀螺零点漂移和离散采样产生的累积误差，由载体坐标系下的三轴角速度计算得到的四元数只能保证短期的精度，需要使用集成在MPU6050芯片内部的加速度计对其进行矫正。式（8）~（10）为axB、ayB、azB的数据归一化。
式（11）~（13）中的vx、vy、vz分别为利用四元数方法估计的四旋翼飞行器载体质心的速度在载体坐标系三轴上的分量。然后利用式（14）~（16）求出陀螺零点漂移和离散采样产生的累积误差ex、ey、ez.再对所得到的误差进行比例与积分，式（17）~（19）中的gx、gy、gz即为对零点漂移的补偿。
（5）PID计算：式（20）~（22）中θd、φd、ψd分别表示下一次解算出来的俯仰角、横滚角及偏航角的值，eθ、eφ、eψ分别用来表示两次解算的俯仰角、横滚角、偏航角的误差。
kp、ki、kd为PID的控制参数，利用PID算法通过式（23）~（25），分别求出施加在4个电机上的可调变量uψ、uθ、uφ。
（6）输出整合：令motor1、motor2、motor3、motor4为控制4个电机的PWM输出参数，Moto_PwmMin为PWM基础量（根据不同情况设定，一般为0）。根据理论计算，施加在4个电机上的PWM输出信号如式（26）~（29）所示。
3.2参数整定与调试
设计中采用PID控制算法进行四旋翼飞行器的控制，I是积分项，积分项会随着时间的增加而增大，能够消除系统进入稳态后存在的稳态误差，但是在实际调试过程中，通过增大P值可以抑制稳态误差[2],因此主要是采用PD的控制方式。调试过程中，对P、D值的同时调整会产生的两种控制效果的叠加，以致无法进行每一控制参数的影响分析，故先使D值为零，P值由0增加，初次调试时，四旋翼飞行器自身不存在调节，当P值增加时，根据式（23）~（25）计算所得的uψ、uθ、uφ值均增加，再经式（26）~（29）后，施加在4个空心杯电机上的PWM控制信号均有所变化。调试中，为了防止四旋翼飞行器控制出错而损坏硬件，故将四旋翼飞行器以X字型倒挂固定在一根活动的长杆上，当P值由0增加到4时，四旋翼飞行器出现了翻滚的飞行状态，表明P开始对整体系统起作用，逐渐增大P值，四旋翼飞行器开始产生大幅度的等幅振荡，当P值增大到14时，振荡幅度减至最低，四旋翼飞行器几乎稳定，再增加P值，四旋翼飞行器又开始进行等幅振荡，说明P值为14时为系统自稳的一个分界点。根据查阅的大量资料了解到D值是通过预测系统误差的变化来减少系统的响应时间，提高系统的稳定性[3].调试过程中，逐渐增加D值，当D值增加至0.8时，四旋翼飞行器的自身调节更快，稳定性更高。同时D值的增加会对P值有一定的影响，最终确定P值为13.8、D值为0.8时，系统稳定飞行于长杆上方。当去掉长杆时，四旋翼飞行器能够稳定飞行，但随着飞行时间增加，飞行稳定性越来越差，因此考虑了姿态补偿问题。
3.3姿态补偿
在实际调试过程中发现，电池处于满电状态与大幅度消耗状态下，四旋翼飞行器的飞行姿态存在较大差异：满电状态下，各部分电路工作稳定，电机转速正常，当电池的电量持续消耗时，电机的转速不断降低，因此四旋翼飞行器的整体性能处于下降趋势，为了消除这一影响，利用RL78G13实时检测电池电压，并适时调整PWM输出信号来实现四旋翼飞行器的飞行姿态补偿。由式（26）~（29）知，通过增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路电机上的PWM信号，进而增大电机转速，可以实现对飞行姿态进行补偿[4].经调试知，当RL78G13检测到3.7V的电压降到3.5V时，将Moto_PwmMin增至100对飞行姿态的补偿最佳，随后电压值的下降与Moto_PwmMin值的增加基本呈非线性的关系，经大量实验验证，补偿系数符合式（30）的规律，式中u1代表电池当前的电压值。
当检测到的电压值低于2.6V时，飞行姿态将无法得到补偿，必须停止飞行。将式（30）分别代入式（26）~（29），得到（31）~（34），此4式则为最终施加到4路电机的PWM控制信号。
4结论
实验结果表明，本文所设计的四旋翼飞行器结构简易、飞行姿态灵活，实现了空中稳定悬停及按预设路线飞行等两种飞行功能，并实现了无线参数的给定，满足了设计的技术指标与功能要求，解决了因供电电压不断降低而导致的控制不稳的问题。为推动四旋翼飞行器技术的发展提供了很好的参考设计方案。
参考文献：
[1]胡从坤，余泽宇，陈曦晨。四旋翼飞行器控制系统研究[J].科技广场，2014（6）：50-56.[2]宿敬亚，樊鹏辉，蔡开元。四旋翼飞行器的非线性PID姿态控制[J].北京航空航天大学学报，2011,37（9）：1054-1058.[3]阮旭日，王史春。新型四旋翼飞行器设计与制作[J].科技视界，2015（3）：21.[4]易先军，周敏，谢亚奇。四旋翼飞行器控制系统的设计与实现[J].武汉工程大学学报，2014,36（11）：59-62.
第二篇：关于四旋翼飞行器的心得
关于四旋翼飞行器的心得
对于飞行器或者航模之类的映像，是在高中时期，学校有航模小组，经常可以看到拿着航模的学生在进行试飞，当时心中感觉“航模”是非常有意思并且“高科技”。如今已经历高考进入大学，在学校的为我们安排的导师制计划中，非常幸运的加入无人机航拍飞行器小组，关于四旋翼飞行器，在查阅了相关资料后，有了一定的了解。
四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。Seraphi 是一款可用于空中拍摄的一体化多旋翼飞行器，它外观时尚精美，做工精湛，还拥有集成了自身研发的飞行动力系统，并配置专业的无线电遥控系统。Seraphi集成易作、易维护的稳定设计，在出厂前已经设置并调试所有的飞行参数及功能，具有免安装、免调试的快速飞行模式。Seraphi 携带方便，可以搭配GoPro或者其它微型相机录制空中视频。
记得在TED的讲座中，有一期叫做“TED-红遍全球的的炫酷飞行器”，这个讲座说明了四旋翼飞行器的一些特点。1.时尚精美、做工精湛。Seraphi外观时尚精美，做工精湛，还拥集成了自身研发的飞行动力系统，并配置专业的无线电遥控系统。2.集成易作、易维护的稳定设计。Seraphi集成易作、易维护的稳定设计。Seraphi 携带方便，可以搭配GoPro或者其它微型相机录制空中视频。3.自由切换多种飞行模式。Seraphi内置自身研发的飞行控制系统，具备多种飞行模式，可以根据不同的飞行需要以及不同的飞行环境进行实时的智能切换以达到不一样的飞行体验。4.方向控制灵活。Seraphi具备自身研发飞控系统，方向控制灵活。在通常飞行过程中，可以根据需要，进行灵活纵。
制作航拍飞行器能够让培养我们的团队合作意识，拓宽我们的知识领域，同时让我们动手实践的能力得到提升，相信这次经历肯定能成为我的大学生活中最值得回忆的事情之一。
第三篇：动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告
动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）
实验报告
院（系）名称
大飞机班
学号
学生姓名
任课教师
2011年
X月
四旋翼飞行器的建模与仿真
一、实验原理
I．四旋翼飞行器简介
四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前、后、左、右四端，如图1-1所示。旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。
在图1-1中，前端旋翼1
和后端旋翼3
逆时针旋转，而左端旋翼2
和右端的旋翼4
顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。
图1-1
四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图
从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（三个角位移量，三个线位移量），而其控制量只有四个（4
个旋翼的转速），这就意味着被控量之间存在耦合关系。因此，控制算法应能够对这种欠驱动（under-actuated）系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。本实验针对四旋翼飞行器的悬浮飞行状态进行建模。
II．飞行器受力分析及运动模型
（1）整体分析
如图1-2所示，四旋翼飞行器所受外力和力矩为：
Ø
重力mg，机体受到重力沿-Zw方向
Ø
四个旋翼旋转所产生的升力Fi(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿ZB方向
Ø
旋翼旋转会产生扭转力矩Mi
(i=1,2,3,4)，Mi垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。
图1-2
四旋翼飞行器受力分析
（2）电机模型
Ø
力模型
（1.1）
旋翼通过螺旋桨产生升力。是电机转动力系数，可取，为电机转速。
Ø
力矩模型
旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i=1,2,3,4)，力矩Mi的旋向依据右手定则确定。
（1.2）
是电机转动力系数，可取为电机转速。
Ø
转速模型
当给定期望转速后，电机的实际转速需要经过一段时间才能达到。实际转速与期望转速之间的关系为一阶延迟：
（1.3）
响应延迟时间可取0.05s(即)。期望转速则需要限制在电机的最小转速和最大转速之间，范围可分取[1200rpm，7800rpm]。
（3）运动方程
飞行器受到外界力和力矩的作用，形成线运动和角运动。线运动由合外力引起，符合牛顿第二定律，如公式(1.4)所示：
（1.4）
r为飞机的位置矢量。注意：公式（1.4）是在地平面坐标系中进行描述的。
角运动由合力矩引起。四旋翼飞行器所受力矩来源于两个方面：1）旋翼升力作用于质心产生的力矩；2）旋翼旋转产生的扭转力矩。角运动方程如公式（1.5）所示。其中，L
为旋翼中心建立飞行器质心的距离，I
为惯量矩阵。
（1.5）
III．控制回路设计
控制回路包括内外两层。外回路由Position
Control
模块实现。输入为位置误差，输出为期望的滚转、俯仰和偏航角。内回路由Attitude
Control
模块实现，输入为期望姿态角，输出为期望转速。Motor
Dynamics
模块模拟电机特性，输入为期望转速，输出为力和力矩。Rigid
Body
Dynamics
是被控对象，模拟四旋翼飞行器的运动特性。如图1-3
图1-3
包含内外两个控制回路的控制结构
（1）内回路：姿态控制回路
对四旋翼飞行器，我们唯一可用的控制手段就是四个旋翼的转速。因此，这里首先对转速产生的作用进行分析。假设我们希望旋翼1的转速达到，那么它的效果可分解成以下几个分量：
：使飞行器保持悬停的转速分量；
：除悬停所需之外，产生沿ZB轴的净力；
：使飞行器负向偏转的转速分量；
：使飞行器正向偏航的转速分量；
因此，可以将期望转速写成几个分量的线性组合：
（1.6）
其它几个旋翼也可进行类似分析，最终得到：
（1.7）
在悬浮状态下，四个旋翼共同的升力应抵消重力，因此：
（1.8）
此时，可以把旋翼角速度分成几个部分分别控制，通过“比例-微分”控制律建立如下公式：
（1.9）
综合式（1.7）、（1.8）、（1.9）可得到期望姿态角-期望转速之间的关系，即内回路。
（2）外回路：位置控制回路
外回路采用以下控制方式：
Ø
通过位置偏差计算控制信号（加速度）；
Ø
建立控制信号与姿态角之间的几何关系；
Ø
得到期望姿态角，作为内回路的输入。
期望位置记为。可通过PID
控制器计算控制信号：
（1.10）
是目标悬停位置是我们的目标悬停位置(i=1,2,3)，是期望加速度，即控制信号。注意：悬停状态下线速度和加速度均为0，即。
通过俯仰角和滚转角控制飞行器在XW和YW平面上的运动，通过控制偏航角，通过控制飞行器在ZB轴上的运动。对（1.4）进行展开，可得到：
（1.11）
根据上式可按照以下原则进行线性化：
（1）将俯仰角、滚转角的变化作为小扰动分量，有，，（2）偏航角不变，有，其中初始偏航角，为期望偏航角（3）在悬停的稳态附近，有
根据以上原则线性化后，可得到控制信号（期望加速度）与期望姿态角之间的关系：
（1.12）
根据式(1.10)已经通过PID
控制器得到了作为控制信号的期望加速度，因此，将（1.12）式反转，由期望加速度计算期望姿态角，作为内回路的输入：
（1.13）
二、实验步骤
I．搭建Simulink仿真控制回路
根据实验原理中运动方程及控制回路设计，搭建Simulink控制回路，如图2-1所示。主要分为五个部分：Position
Control（由期望的位置误差通过控制律设计计算出期望的姿态角），Attitude
Control（由姿态角信息和各轴角速度信息通过控制律计算出给电机的控制信号），Motor
Dynamics（通过给电机的控制信号由电机模型计算出每个电机的输出力和力矩），Rigid
Body
Dynamics为四旋翼飞行器的仿真模型，由产生的力和力矩计算出仿真模型的姿态和位置信息，VR
Sink为四旋翼飞行器的虚拟显示模型。
图2-1
仿真Simulink模型
下面给出每个子系统的仿真结构图及控制律设计部分。
图2-2
Position
Control子系统
图2-3
位置PID控制器结构
图2-4
Attitude
Control子系统
图2-5
姿态角和三轴角速度之间的转换关系
图2-6
Motor
Dynamics子系统输出力及力矩模型
图2-7
Rigid
Body
Dynamics子系统
II．利用V-Realm
Builder建立四旋翼飞行器的虚拟模型
利用V-Realm
Builder建立四旋翼飞行器的大致虚拟模型，并建立四个父类分别为Simulink输入提供质心位移信息和机体姿态信息，如图2-8所示。
图2-8
四旋翼飞行器虚拟模型
III．利用MATLAB
GUI建立四旋翼飞行器仿真的控制界面
利用MATLAB
GUI建立仿真控制界面，所建立的控制界面如图2-9所示。
图2-9
MATLAB
GUI仿真控制界面
界面主要分为四个部分，Struct
Parameters
Panel设置飞行器的结构参数和外部变量，Desired
Position
Panel设置期望控制飞行器所到达的位置，Control
Parameters
Panel设置PID控制律所需的增益参数和仿真时间，Plot
Panel显示仿真结果图形并对图形效果进行简单的控制。
三、仿真结果
运行GUI，输入所需参数或者采用默认参数，点击load
data按钮分别将三组参数载入，点击Start按钮，仿真开始运行。跳出VR显示，并在仿真结束后绘制飞行器三方向的坐标信息曲线和飞行器位置曲线。VR显示过程中某一时刻如图3-1所示，仿真结束后控制界面显示的曲线如图3-2所示。期望达到的目标点设置为（10,15,20）。
图3-1
VR显示四旋翼飞行器运动状态
图3-2
四旋翼飞行器控制平台
四、总结与体会
由仿真结果可以看出，四旋翼飞行器最终位置达到了期望给定的位置，三个方向的响应曲线最终平稳，对应飞行器悬停在期望位置，达到了控制要求。本次试验收获很多，学习到了很多知识，熟悉了SIMULINK由简至繁搭建系统的过程，学习了利用V-Realm
Builder建立虚拟模型，并在SIMULINK中连接，也熟悉了MATLAB
GUI界面的编写和搭建过程。
第四篇：校园网的规划与设计论文
郑州工业应用技术学院
课程设计
指导教师： 职称： 无 学生姓名： 学号： 专 业： 院（系）：
题 目： 某校园网规划与设计
2017年5月9日
郑州工业应用技术学院课程设计
校园网规划与设计
摘要
自上世纪90年代以来，互联网在我国取得了飞速发展联网的计算机、上网用户和网站的数目逐年倍增。各大专院校相继建立了自己的校园网。Internet技术和现代教育的快速发展以及越来越紧密的结合使得校园网成为学校教育、教学和科研的重要平台。
校园网已成为各学校必备的重要信息基础设施，其规模和应用水平已成为衡量学校教学与科研综合实力的一个重要标志。在某学院校园网目前的实际情况在充分调研的基础上，结合目前技术的发展方向和用户的实际需求，制订了学院校园校园网建设的整体设计方案。通过校园网的设计与建设，实现真正意义上的宽带多媒体网络，为师生提供教学、科研和综合信
息服务
目前,全球已进入信息化时代,实现校园信息化对一所学校的成功发展有着重要作用。校园网建设是将各种不同应用的信息资源通过高性能的网络设备相互连接起来,形成校园区内部的Intranet系统,对外通过路由设备接入广域网。关键词：校园网；协议；设备；无限局域网
I 郑州工业应用技术学院课程设计
校园网规划与设计
目录
摘要...........................................................................................................................I 第一章 校园网络需求分析....................................................................................1 1.1用户需求.................................................................................................1 1.2通信量需求分析.....................................................................................1 1.3网络功能需求分析.................................................................................1 1.4技术需求分析.........................................................................................2 1.5网络设计原则.........................................................................................2 第二章 网络拓扑结构设计..................................................................................4 2.1主干网设计.............................................................................................4 2.2.拓扑结构设计........................................................................................4 2.3分层化设计.............................................................................................4 第三章 无线局域网................................................................................................6 3.1无限局域网的优点.................................................................................6 3.2无限局域网的不足.................................................................................6 3.3无限局域网的技术介绍.........................................................................7 3.3.1扩频技术.....................................................................................7 3.3.2蓝牙技术.....................................................................................7 3.3.3红外技术.....................................................................................8 3.4无限局域网设计.....................................................................................8 3.4.1无限网卡.....................................................................................8 3.4.2无限网络控制器.........................................................................8 3.4.3无线局域网基本模型.................................................................8 第四章 服务器的配置............................................................................................9 4.1WLAN AP配置命令.............................................................................10 4.2WEB服务器..........................................................................................10
II 郑州工业应用技术学院课程设计
校园网规划与设计
4.3FTP服务器............................................................................................12 4.4安装DHCP服务器..............................................................................13 4.5创建作用域...........................................................................................13 第五章
校园网络工程性能测试与评估............................................................14 5.1测试与评估主要渠道...........................................................................14 5.1.1提供基本的网络数据传输，达到资源共享的目的...............14 5.1.2通过无线网络建立校园内的安全监控网络...........................14 5.1.3利用无线网络进行远程教育的开展.......................................14 5.1.4利用无线网络技术为学校管理和校务管理供了电子人力资源..................................................................................................................14 5.2网络测试实验步骤...............................................................................14 5.2.1网络环境分析...........................................................................14 5.2.2现场效果测试，定位网络设备的性能...................................14 5.2.3网络建设的实施.......................................................................15 5.2.4网络工程项目评估和测评.......................................................15 参考文献................................................................................................................16 III 郑州工业应用技术学院课程设计
校园网规划与设计
第一章 校园网络需求分析
1.1用户需求
按需求，实现校园内部资源共享。通过建立学校主页、电子邮箱、FTP资源、办公系统以及视频点播等服务器，发布有关新闻、教学信息、建立学校、教师和学生之间的交流平台
（1）教室：每个教室需要计算机接入网络，有利于教室上课的需要。主要用于2#（教学楼）
（2）学生：实现学生在寝室内上网的需求，上网下载，查看网页等的服务。主要有男生5#，6#，7#，8#，9#女生2#，3#，4#。
（3）图书馆：电子图书数据库及其查阅，管理系统，图书馆信息管理系统，电子阅览室，提供全校学生通过局域网进行图书的查阅。
（4）办公：提供个院系办公的需求。各院系办公室。供学校管理校内的财务、人事和学生教师的信息等，行政楼。
（5）其他：体育馆等。
1.2通信量需求分析
（1）宽带：从网络中心到各个楼宇均铺设了多模光纤，带宽可以达到千兆每秒，各楼层到桌面采用的是超五类双绞线，带宽在百兆左右.（2）吞吐量：在网络高峰期，比如中午12：00左右和晚上9：00左右，上网人数比较多，发生冲突的可能性达到10%，这样吞吐量=90%*G(网络负载)，其它时间的吞吐量几乎等于G（3）主干网的流量负载
由电力学院教学楼2#到各宿舍为主，流量的统计分析：学生寝室的网络流量比较大，由于学生大部分时间在寝室内上网，因此网络在11点之前的流量是比较大的，由于，学生在11点休息之后，由于只有部分学生的笔记本能提供上网服务，因此网络流量骤降。而教室的流量只有当上课的有流量，可是流量远远小于寝室的流量。
1.3网络功能需求分析
（1）校园主干采用具有第三层交换功能的千兆位以太网，（2）以满足广大用户的各种要求；支持IP多播（Multicast）与服务质量（QoS）或服务类型(CoS)，（3）满足远程教育的需求；支持虚拟网络（VLAN）。
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校园网规划与设计
1.4技术需求分析
(1)Vlan技术： 即虚拟局域网（Virtual LAN，VLAN），VLAN将广播域限制在单个VLAN内部，减小了各VLAN间主机的广播通信对其他VLAN的影响。在VLAN间需要通信的时候，可以利用VLAN间路由技术来实现。当网络管理人员需要管理的交换机数量众多时，可以使用VLAN中继协议（Vlan Trunking Protocol，VTP）简化管理，它只需在单独一台交换机上定义所有VLAN。然后通过VTP协议将VLAN定义传播到本管理域中的所有交换机上。这样，大大减轻了网络管理人员的工作负担和工作强度
(2)远程访问技术：远程访问也是校园网络必须提供的服务之一。它可以为教学办公用户和学生远程访问学校网站获取信息服务。远程访问有三种可选的服务类型：专线连接、电路交换和包交换。在本工程案例设计中，采用专线连接（到因特网）和电路交换（到校园网）两种方式实现远程访问需求。
3防火墙技术与DMZ ：学生基本信息档案和重要的工作文件要求对数据存储、传输的安全性的性能较高，如图书管理、档案管理、学生管理、教学管理、财务管理、物资管理等可以通过分布式、集中式相集合的方法进行管理。。防火墙作为网络的第一道防线，应放置在外网和需要保护的校园内网之间。这样，所有流入校园网络的数据流量都将通过防火墙，使校园内的所有客户机及服务器都处于防火墙的保护
1.5网络设计原则
（1）先进性：以先进、成熟的网络通信技术进行组网，支持数据、语音、视频等多媒体应用，用基于交换的技术替代传统的基于路由的技术。
（2）标准化和开放性：网络协议符合ISO或IEEE、ITUT、ANSI 等制定的标准，并采用符合国际和国家标准的网络设备。
（3）可靠性和可用性：选用高可靠的产品和技术，充分考虑系统运行时的应变能力和容错能力，确保整个系统的安全与可靠。
（4）灵活性和兼容性：选用符合国际发展潮流的标准软件技术，保证系统具备较强的可靠性、可扩展性和可升级性，确保系统能够与现有各厂商的网络设备、小型机、工作站、服务器和微机等设备的互连。
（5）实用性和经济性：兼顾网络的实用性和经济性，着眼于学校的近期目标和长远发展规划，利用有限的投资构造性能价格比最高的网络系统。
（6）安全性和保密性：接入 Internet时，保证网上信息和各种应用系统的安全。（7）扩展性和升级能力：支持多种网络协议、多种高层协议和多媒体应用。网络的构造设计应具有良好的可扩展性和升级能力，以备将来进行网络升级和扩展时，能保护现有的投资。郑州工业应用技术学院课程设计
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（8）网络的灵活性：配合交换机与路由器支持的最先进的虚拟网络技术，整个网络可以通过系统配置，快速简便地将用户或用户组从一个网络转移到另一个网络，而无需任何硬件的改变，从而适应学校机构的变化。同时能够通过平衡网络流量，提高网络的性能。
（9）可管理性：网络管理基于SNMP，支持RMON和RMON2以及标准的 MIB。能够利用图形化的管理界面和简洁的操作方式，合理地进行网络规划，并提供强大的网络管理功能。一体化的网络管理功能将使网络的日常维护和操作变得直观、便捷和高效。
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第二章 网络拓扑结构设计
正阳职业技术学院现有网络采用ATM主干，其传输速率为155Mbps。随着校园网用户数目与新的应用需求不断增加，特别是网上多媒体及远程教育应用的展开，对校园网主干带宽提出了新的更高的要求。
2.1主干网设计
(1)校园主干采用具有第三层交换功能的千兆位以太网（Gigabit Ethernet）以满足广大用户的各种要求。
(2)主干建设应能保护校园网的已有投资，要求与原有ATM校园网实施最佳连接，并提供新校园网的管理方案与管理策略
(3)支持IP多目广播（Multicast）与服务质量（Qos）或服务类型(CoS)，满足远程教育的需要
(4)支持虚拟网络（VLAN）。
(5)网管软件应具备对接入层交换设备进行远程可操作的能力。
2.2.拓扑结构设计
在局域网中明确一点讲就是文件服务器、工作站和电缆等的连接形式。现在最主要的拓扑结构有总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑以及它们的混合型。
总线型其实就是将文件服务器和工作站都连在称为总线的一条公共电缆上，且总线两端必须有终结器；星型拓扑则是以一台设备作为中央连接点，各工作站都与它直接相连形成星型；而环型拓扑就是将所有站点彼此串行连接，像链子一样构成一个环形回路；把这三种最基本的拓扑结构混合起来运用自然就是混合型了
2.3分层化设计
为了简化交换网络设计、提高交换网络的可扩展性，在校园网内部数据交换的部署是分层进行的。校园网数据交换设备可以划分为三个层次：接入层、汇集层、核心层。在本工程案例设计中，也将采用这三层进行分开设计、配置。
考虑到地理位置和服务点等因素考虑到地理位置和服务点等因素考虑到地理位置和服务点等因素考虑到地理位置和服务点等因素，将网络中心设在综合实训楼楼，以实验楼为中心，用光纤连接到其它建
筑物，构成长沙电力职业技术学院网光纤主干。
网络结构分成三层：核心层、汇聚层、接入层。 郑州工业应用技术学院课程设计
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考虑传输高速率和扩展的需求考虑传输高速率和扩展的需求考虑传输高速率和扩展的需求考虑传输高速率和扩展的需求，校园网整体采用光线传输。网络主干采用6芯多模光纤。网络中心到主建筑物结点采用六芯多模光纤连接，在全双工条件下传输距离可达两公里。光纤布线采用星形拓扑结构，这样当过渡到ATM时，不需要重新布线可使整个网络保持原有的拓扑结构
本校园网网络系统的设计采用层次化的设计方法，即核心层、汇聚层和接入层。
核心层：将各分布层交换机互连起来进行穿越校园网骨干的高速数据交换。实现数据包高速交换。
汇集层：汇集层主要功能是汇聚网络流量，链路聚合、路由聚合，信号中继，负责将访问层交换机进行汇集，还为整个交换网络提供VLAN间的路由选择功能
接入层：接入层利用VLAN划分等技术隔离网络广播风暴，提高网络效率，为所有的终端用户提供一个接入点
图2.3：网络设计层次图
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第三章 无线局域网
3.1无限局域网的优点
（1）灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。
（2）安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。
（3）易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。
（4）故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。
（5）易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间“漫游”等有线网络无法实现的特性。
3.2无限局域网的不足
无线局域网虽然解决了有线局域网无法克服的困难，拥有很多优势，但与有线局域网相比，仍然有不足之处。无线局域网速率较慢，一般容易受到干扰，功率受限。现在用户最好只能是11mbps的速度发送和接受信息，移动能力较强的完全分布型无线局域网更是结构复杂、成本高并存在多路径干扰。而且，由于无线网络的传输介质脆弱和WEP存在不足，导致了它除了具有有线网络的不安全因素外，还容易遭受窃听和干扰、冒充、欺骗等形式的攻击，安全性问题一直是无线局域网迫切需要解决的问题。
目前无线网络还不能完全脱离有线网络，无线网络与有线网络只是互补的关系。尽管如此，我们也应该看到，无线局域网发展十分迅速，已经能够通过与广域网相结合的形式提供移动互联网的多媒体业务，在医院、商店、工厂和学校等场合都得到广泛应用。相信在未来，无线局域网将以它方便传输和灵活使用等优点取代有线局域网，成为网络技术中的“新领主”
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3.3无限局域网的技术介绍
3.3.1扩频技术
扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication）简称扩频通信，其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信，这一过程使其具有诸多优良特性：
抗干扰性能好：它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗。如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波，可以使多径干扰消除，这对军用和民用移动通信是很有利的。
隐蔽性强、干扰小：因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中，别人难于发现信号的存在，再加之不知扩频编码，就更难拾取有用信号。而极低的功率谱密度，也很少对其它电讯设备构成干扰。扩频通信技术把被传送的信号带宽展宽，从而降低了系统在单位频带内的电波“通量密度”，这对空间通信大有好处。国际无线电咨询委员会及国际电信联盟规定了空间通信系统在地面上产生“通量密度”的国际标准，以防止对地面通信的干扰。例如规定在S波段内每4KHz频带内“通量密度”为-154dB/m2。
易于实现码分多址：扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频谱资源呢？其实正相反，是提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分的利用。
4、数模兼容：可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。常规的无线电通信是在频率上分配（称为频分）或从时间上分配（称为时分）给通信用户，使之在频段上或时间上互不相同，以使彼此互不干扰共用频谱资源。扩频通信是以各用户使用不同的扩频编码来共用同一频率。采用扩频通信多址方式的频谱利用率高于采用频分多址方式的频谱利用率。而且扩频码分多址还易于解决增加新用户的问题
3.3.2蓝牙技术
蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点 郑州工业应用技术学院课程设计
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通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输
3.3.3红外技术
研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。通常人们将其划分为近、点击此处添加图片说明中、远红外三部分。近红外指波长为0.75～3.0微米；中红外指波长为3.0～20微米；远红外则指波长为20～1000微米。在光谱学中，波段的划分方法尚不统一，也有人将0.75～3.0微米、3.0～40微米和40～1000微米作为近红外、中红外和远红外波段。另外，由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的“窗口”区，即1～3微米、3～5微米和8～13微米可让红外辐射通过，因而在军事应用上，又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。红外技术的内容包含四个主要部分： 红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。
3.4无限局域网设计
3.4.1无限网卡
在WLAN中，无线网卡在功能上相当于有线局域网设备中的网卡，用来创建网络连，对于客户端，无线网卡作为无线网络的接口实现与无线网络的连接。无线网卡根据接口类型的不同，主要有三种类型：PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡和USB无线网卡
3.4.2无限网络控制器
无线接入点AP是面向用户的，所以WNC是面向网络中的无线接入点AP,它们之间的关系可以表达为“用户——无线AP——WNC——校园网”。当用户连上AP后，由WNC为用户自动的分配IP地址。因此，要求WNC具有自动探测、监控、管理无线AP的能力。同时，出于网络安全，WNC还应该具有端口隔离、带宽控制以及访问控制立标ACL过滤等功能
3.4.3无线局域网基本模型
IEEE 802.1工作组定义的WLAN基本模型的最小组成单元是BSS，它包括使用相同协议的无线站点。一个BSS可以是独立的，也可以通过一个AP连接到主干网上。扩展服务区（ESS）有多个BSS单元以及连接他们的分布式系统（DS）组成。所有ESS中的AP共享同一个ESSID（扩展服务区标准码），DS在IEEE 802.11标准中没 郑州工业应用技术学院课程设计
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有定义，DS可以是LAN，也可以是WLAN，DS起到连接骨干网络的作用。扩展服务区只包含物理层和数据链路层，不包含网络层及其以上各层，因此，对于高层协议（如IP）来说，一个ESS就是一个IP子网。
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第四章 服务器的配置
4.1WLAN AP配置命令
Ap> enable
进入使能模式
Ap# config t
进入配置模式
Ap# show run
显示配置
Ap(config)# hostname myap
设置系统名
Ap(config)# enable secret xxx
Ap(config)# enable password xxx
Ap(config)# interface bvi1
进入BVI接口配置模式
Ap(config-if)# ip address 192.168.0.58 255.255.252.0
Ap(config)# int dot11radio 0
Ap(config-if)# ssid myAP
Ap(config-if-ssid)# authentication open
设置认证类型
4.2WEB服务器
开始→设置→控制面板→添加/删除Windows组件→出现“Windows组件向导”→选择“Internet信息服务（IIS）”组件→详细信息→出现“Internet信息服务（IIS）”对话框，勾选“World Wide Web服务器” 如图4.2.1→确定→下一步→完成Web服务器的安装。
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图4.1.1：World Wide Web服务器的安装
服务器的虚拟目录
开始→程序→管理工具→Internet服务管理器→右击“默认的Web网站”，在弹出的菜单中选择“新建”→“虚拟目录”，如图4.17所示→下一步→输入虚拟目录别名，在这里我输入“jsj”，如图4.1.2所示→选择Web站点内容目录→设置权限→完成虚拟目录的配置。
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图4.1.2：服务器的虚拟目录
4.3FTP服务器
开始→设置→控制面板→添加/删除Windows组件→出现“Windows组件向导”→选择“Internet信息服务（IIS）”组件→详细信息→出现“Internet信息服务（IIS）”对话框，勾选“文件传输协议（FTP）服务器” 如图4.3→确定→下一步→完成
FTP服务器的安装
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图4.3：FTP服务器的安装
4.4安装DHCP服务器
开始→程序→管理工具→“DHCP”命令→打开“ DHCP控制台”窗口→右击“ DHCP控制台”窗口左窗格中的“ DHCP ”图标→选择“添加服务器”命令→出现“欢迎使用‘添加DHCP服务器向导’”对话框→将本机作为DHCP服务器，可输入与前面配置TCP/IP协议和安装活动目录时一致的DNS名称或IP地址。
4.5创建作用域
在“ DHCP控制台”窗口中的左窗格中右击新建的DHCP服务器“pzhu.edu.cn（192.168.1.1）”→新建作用域→打开“欢迎使用‘创建作用域向导’”对话框→下一步→打开“作用域名”对话框，这里我们输入分别是“ pzhu.edu.cn”和“edu”。如图24所示→下一步，如图25所示→确认输入的排除范围数值正确后，单击“下一步”按钮→配置最常用的DHCP选项，选定“是”单选按钮→下一步→打开“网关”对话框→下一步，如图26所示→完成域名和DNS服务器地址的设置后，单击“下一步”按钮→下一步，打开“激活作用域”对话框→是，我想激活此作用域。→下一步→完成 郑州工业应用技术学院课程设计
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第五章
校园网络工程性能测试与评估
网络建设完成后，在各种环境中进行测试，以确定无线网络的流量、稳定性、不同区域的带宽、桥接性能等要素，对项目进行评估、检测
5.1测试与评估主要渠道
5.1.1提供基本的网络数据传输，达到资源共享的目的可以将室外的教学楼、图书馆、学生宿舍等建筑物通过无线网桥（bridge）加以桥接，并且对室内的内的体育场、会议室、草坪等应用场合使用无线局域网方式（WLAN）加以无线覆盖。无线信号覆盖到校园的任何角落，整个校园变成了一个巨大的教学空间。
5.1.2通过无线网络建立校园内的安全监控网络
现在很多学校都在安防上投入巨资，但往往效果不尽人意。维护和管理要花大量时间和人力。安全监控网络要求网络稳定性高、视频信号传输清晰、网络安全性好。利用无线传输的优势可以完全避免有线方式带来的种种限制，隐蔽性好、见效快，而且监控点的位置可以根据需要随时做出调整，设备可以重复使用。为师生提供良好的工作、研究和学习的环境。
5.1.3利用无线网络进行远程教育的开展
可利用网络的共享特性，在网络中心建立相关的资源网站，开展课程远程点播和实时教学点播。采用网络认证的方法可以进行学校的学分制课程网络选修。从而节约资源、减轻教师的压力，从而提高学校的教学管理能力。
5.1.4利用无线网络技术为学校管理和校务管理供了电子人力资源
很多学校利用无线网络技术都建立了“一卡通”设备擦卡，方便了师生各方面的消费和管理，如图书管理、收费处理、考勤管理等应用。
5.2网络测试实验步骤
确定测试目标——设计测试方案——建立负载模式——配置测试环境 展示测试结果——分析解析数据——采集整理数据——配置测试环境 5.2.1网络环境分析
根据需要建设的校园网实际场地情况和项目需求，了解现有网络情况、设备配置、网络管理、应用类型等，建立无线覆盖或者无线网桥构建方案。
5.2.2现场效果测试，定位网络设备的性能
根据环境分析得出的结论，进行现场效果测试。通过特定的辅助工具，检测无线覆盖范围、信号强度、网络通讯质量以确定AP的最佳安装位置，还可以调整天线的高度和角度，达到最优的无线网络性能。郑州工业应用技术学院课程设计
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5.2.3网络建设的实施
在通过效果测试以后，进行设备选型，根据实际情况选择相应的AP、放大器、天线以及其他的辅助设备进行无线校园网络的构建。
5.2.4网络工程项目评估和测评
网络建设完成后，在各种环境中进行测试，以确定无线网络的流量、稳定性、不同区域的带宽、桥接性能等要素，对项目进行评估、检测。
网络设备测试包括性能测试、功能测试、一致性测试、互操作性测试、可靠性和稳定性测试，根据厂商说明书验证网络设备是否具有设计要求的没一样功能；分析网络设备在各个不同的配置和负载下的容量对负载的处理能力；验证网络设备的各项设备功能是否符合国内国际行业标准；考察一台网络设备是否能在一个不同厂家的多种网络产品互连的网络环境中很好的工作；加重负载的方法来分析、评估系统的可靠性和稳定性。郑州工业应用技术学院课程设计
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参考文献
[1]林瑞初, 王宝智, 陈建宇.计算机网络工程基础[M].清华大学出版社, 2005.[2]刘晓辉.Windows Server 2003服务器搭建、配置与管理-第2版[M].中国水利水电出版社, 2007.[3]吴怡.计算机网络配置、管理与应用:Windows Server 2003[M].高等教育出版社, 2004.[4]佟震亚.现代计算机网络教程(上册)--基础应用篇[M].电子工业出版社, 1998.[5]刘四清, 徐祥征.计算机网络技术基础教程(第2版)[M].清华大学出版社, 2008.
第五篇：论文管理系统的设计与实现
论文管理系统的设计与实现
1绪论
1.1引言
1.1引言
随着时代的进步，网络已经成为人们生活中不可缺少的一部分。人们对网络经历了由陌生到熟悉的过程，网络为人们的生活、学习、工作提供了极大的方便。高等学校可以通过网络了解教育动态，发布教育信息，进行网络化管理。教师可以通过网络获得教学资源，进行教学经验交流，开展网络教学。借助于网络环境下的管理软件完成复杂的管理工作是目前软件开发的一个重要课题。学校、企业、事业单位的管理系统、信息系统几乎无处不在，这些软件不但具有对相应的事务进行管理的功能，而且使用起来简单、方便，简化了工作流程，提高了工作效率。
在Internet普及的今天，绝大多数高等学校建立了自己的校园网站。学校通过网站可以展示教育成果，发布教育信息，与学生和家长进行交流和沟通，与其它院校建立联系，了解全球教育动态，开展网络教学活动等。基于网络环境的管理系统是构成学校数字化校园的一个重要组成部分。校园网担负着双重作用，一方面可以用来动态发布教育和科研信息，对学校事务进行管理；另一方面又可以及时向学生、家长及社会征求意见，进行课堂外的互动，促进学校教育的发展。
1.2研究意义
本课题来源于高校对毕业论文管理系统的实际需要，目标是提高院系对毕业生毕业设计全程监控、对毕业设计前期、中期、后期工作情况进行检查等相关工作的效率，并围绕此管理目标对系统所需要的各毕业生基本信息、课题基本信息、学生毕业设计完成情况基本信息、指导教师指导情况基本信息、系统后台数据库等进行管理和维护。系统开发的总体任务是实现毕业论文整个进程管理工作的流程化、系统化和规范化。
本课题涉及的知识有：面向对象程序设计，计算机网络基础，Web程序设计（熟悉ASP.NET），网页制作基础（熟悉网页制作工具软件），数据库原理，VisualStudio.NET集成开发环境，SQLServer数据库，信息管理系统等。1.3课题背景
社会的迅速发展，逐渐完善的计算机科学技术，改变了人们传统的思想观念和工作方式，在使用计算机技术的基础上，管理信息化已经成为一种必然趋势。高等学校的师生信息及日常工作的管理，由于庞大的信息量，需靠计算机来实现。众多管理系统中很重要的一部分是学生毕业论文管理系统。目前，许多高校的这部分信息还是人工管理。人工操作方式造成资料易丢失、工作量大、修改不方便、更新不方便，及师生间的沟通不能及时传达等缺陷。本次课题采用Internet网络技术和当前流行的B/S结构设计毕业论文管理系统，操作不仅简便，系统的可移植性也得到很大幅度的提高，并且避免了由于人工操作产生的缺陷。
2系统开发环境介绍
2.1引言
本章对系统设计所涉及的主要技术进行了初步的研究和介绍，.net技术相对于其它技术，微软.net技术资料比较丰富，有利于我们学习和获取相关知识，为系统的设计和实现提供指导和保证。.Net的明显优点在于其提高系统设计的效率，减少bug加快应用开发并简化使用，同时也应该看到该技术最大的弊病在于其跨平台部署能力较差，微软体系结构建立的COM/DCOM进程间通信二进制标准，成为其跨平台操作的瓶颈，但在本系统的设计过程中，由于部门的全部系统都是在微软体系框架内，.net的不足并不影响本系统的设计与实现,并且其优点可以在设计的过程中得到最大的发挥。
2.2相关技术
2.2.1.NET技术体系
随着网络经济时代的到来，网络用户希望在任何时候、任何地点，都可以从网络上获取应用、文件等，实现网络商务，网络娱乐等各类的应用，享受网络带来的便捷、高效。使用者无需知道文件的存放地点，只需接收发出请求后的相应的答复即可，无需了解过程及后台。这就是.net战略设立的目的。
在网络时代，用新一代互联网软件和服务战略的.net技术开发软件，不仅将能够满足呈快速增长的各种新设备的需要，例如平板电脑、智能手机等，还能满足传统的个人计算机的需要。微软公司对.NET的定义是程序开发框架，是微软的新一代技术平台，通过这个平台来支持下一代互联网可编程结构，也可以定义microsoft XML、web services和SOA。这项技术可以使编写的应用程序能够在任意时间任意地点和任意设备上安全的彼此连接和相互操作的系统变得可能，并且非常简单。XML web service是实现这一目标的核心技术，程序被允许应用，数据共享和通讯通过互联网进行，无需关心编程语言或系统设备操作，从开发人员的角度看，.net使用Microsoft Visual Service、.NET Framework 和XML web service使编写彼此相连接的系统变得非常简单。.NET平台提供了一个运行网络服务程序（Web Service）和其他各种应用程序的环境，包括公用语言运行环境（CLR，Common Language Runtime）和内置基类库，例如ASP.NET、ADO.NET 等。CLR 是.NET的核心部分，因为它提供了.NET 的公用语言运行环境，任何.NET 程序都必须要在此环境下才可以运行。[13]
3需求分析
3.1系统目标
1.有强大的、方便管理资料的能力，便于用户操作和浏览的人机界面。2.健壮的系统，良好的扩展性能。对数据有备份，以及记录日志功能。3.安全性良好，应具有通过权限的管理和密码使系统用户的数据不被侵害。4.动态信息交互功能强，根据不同的用户的权限，系统开放不同的处理权限；用户在留言板上进行信息沟通。
5.提供一个良好的操作环境给用户（萨师煊，王珊，2008）。
3.2可行性分析
可行性分析（待解决的问题和已成立的条件；预采取的实验方案、技术路线、研究方法等）
1）条件成熟：图书馆资料的查询以及电脑硬件方面的准备，以及已对以前的几个教育信息系统做过相应研究。
2）需解决的问题：设计实现静态页面、建立基础数据库、直接链接数据库之间的各表、文件的上传功能
3.3系统功能需求
系统按角色分为4个角色，系统管理员对整个系统的数据库信息进行控制，普通管理员实现对学生，教师，论文题目等信息进行管理，教师模块实现提交论文信息，查看审核信息，对学生的选题进行控制和管理，学生管理模块实现了对选题，提交自己的论文信息，查看自己的论文成绩和评审信息信息控制和管理的功能。
3.4系统架构
采用B/S结构的毕业论文管理系统，不仅传承了C/S结构的优点，还有其他的优势： 第一，很大程度上减少了维护的工作量，总体成本降低。安装和配置软件是C/S结构的客户端必备要求，软件哪怕只有及其细微的改动，都必须被系统维护员更新到最新版本；最为可怕的是，在安装软件新的版本时，若卸载客户端原有的软件，必须更新每个客户端，才能进行设置，当客户端数目巨大时，维护量更为庞大。
第二，可在多个不同的操作系统上运行该毕业论文管理系统，因为该系统对平台的依赖性很小。在服务器上只需安装B/S结构的应用软件，故服务器的操作系统有多种选择，不管哪种操作系统被选择，都不会影响大部分人使用的windows桌面操作系统的行为，由此程序的可移植性被很大程度的提高了。（DinoEsposito，2006）。
4详细设计
4.1用户登录实现
用户登录的功能是四种角色的登录入口，不同的用户输入自己的帐号密码选择自己的角色，如果正确，就进入自己的管理系统操作自己的功能（陈萱华，2003）。
登录模块：不同的身份对应不同的信息输入，student对应相应的学号、teacher对应相应的教工号，administrator对应相应的管理员编号。并且这些号码均是唯一的标识，分别都可以再进行密码验证，正确则可以进入系统。
用户登录的运行效果如图4-1。
图4-1用户登录
4.2学生信息管理
学生信息管理是对本系统中的学生信息进行管理的功能模块，学生信息由管理员进行管理，具体的功能包括添加学生信息，修改学生信息，删除学生信息等功能。
添加学生信息的运行效果如图4-2。
图4-2添加学生信息 系统测试
5.1测试方法
软件测试是软件开发过程中重要的一部分。由于软件项目的开发时间极 其漫长，在开发过程中也会出现极其复杂错综的问题，人们的主观认识不可能与客观现实完全符合，而与工程密切相关的各类人员之间的通信和配合也不可能完美无暇，因此，在每个阶段，软件生命周期可能会产生差错，我们力是求在每个阶段加速之前通过严格的技术审查尽可能的早发现并纠正错误。如果在软件投入运行前，没有发现并纠正软件中的大部分错误，则以后会发更大的代价改正这些错误，由于这些错误带来的后果也会更恶劣，因为在管理过程中，这些错误的暴露只是时间问题。测试的目的就是尽可能地多发现软件中的错误，在软件投入实际使用前。保证软件质量的关键步骤是软件测试，它是最后复查编码和软件规格的说明设计。
进行测试的原则:在测试过程中，发现程序已经存在的错误、发现隐藏的算法错误。
“为了发现程序中的错误而执行程序的过程”是对测试的正确定义。这和人们通常意识中的“测试只是验证程序的正确性”，“测试的成功就是不存在测试错误”等等是背道而驰的。对侧试进行正确的定位是十分必要的，测试方案设计是由测试的、目的决定。如果进行测试只是为了验证程序的正确性，设计出的测试方案则是不容易暴露错误的。
毕业信息管理系统选用黑盒测试法，也称为功能测试法。该系统有测试用户登录、测试个人资料修改、申请毕业课题测试、审批课题测试、学生选择课题测试和测试后台管理。其中课题管理测试包括教研室审批测试、院系审批测试。
6结论
经过试运行，高校论文管理系统系统基本达到应用的需求。各个子项运行稳定，达到验收标准。数据库服务器、应用服务器都运行稳定，达到验收标准。正式上线运行，经过一年多的运行，状况良好，基本满足日常办公需求，且反映良好。
高校论文管理系统建设项目的总体技术目标是在充分利用现有 网络、硬件、安全平台基础上，利用现代信息技术，根据
政务办公管理的实际需要和业务发展趋势，进行办公系统的综合建设，提升办公管理的信息化水平。确保系统操作简单易用、安全可靠、运行稳定高效。建立符合国家、政府的规定，满足各个区县及直属单位办公管理需要的信息化管理平台。通过系统的使用进一步促进与各个区县之间的政务信息资源共享、消除信息孤岛、促进与各个区县之间的协同办公，高校论文管理系统总体建设水平及应用应达到 部门办公自动化系统前列。
申报课题环节、审核课题环节、学生选择科题等环节是毕业信息管理系统主要管理的环节，teacher可以自主选择学生，student也可以自主选择课题，实现了双向选择，同时能够监控各个环节。该毕业信息管理系统对毕业设计进程进行了严格控制，保证了高质量的毕业设计完成。
该毕业信息管理系统同样存在不足，比如：嵌在页面上的代码，代码即繁琐，安全性低；注入式攻击；检测不是正常状态的字符；没有最大限度的优化数据表。上述问题都应改进加强。
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