摘要:無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在原有嵌入式產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前蓬勃發(fā)展的無線通信技術(shù)而形成的新型監(jiān)測控制系統(tǒng)。本文比較系統(tǒng)地討論無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始采用的一些核心技術(shù),包括硬件電路的設(shè)計(jì),芯片選擇、嵌入式操作系統(tǒng)的選擇,實(shí)時(shí)軟件的設(shè)計(jì),無線通信網(wǎng)的組建,控制中心應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)等。
無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前無線通信技術(shù)和信息處理技術(shù)而發(fā)展起來的新型測控系統(tǒng)。
一般而言,現(xiàn)有的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),大都符合“控制中心—監(jiān)測站”的構(gòu)建模式。控制中心是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的核心,負(fù)責(zé)收集各監(jiān)測站上傳的監(jiān)測信息,發(fā)送各種操作命令以控制監(jiān)測站的行業(yè)。監(jiān)測站被布放于遠(yuǎn)離控制中心的各監(jiān)測點(diǎn)處,負(fù)責(zé)完成信息的采集和響應(yīng)控制中心發(fā)出的控制命令??刂浦行目捎闷胀?a target="_blank">微機(jī)、工作站或工控機(jī)實(shí)現(xiàn),軟件開發(fā)可靠基于現(xiàn)有的Windows或Unix操作系統(tǒng)。監(jiān)測站的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境,采用特定的技術(shù)形式,比如單片機(jī)、DSP或者Intel X86系列的微處理器等。無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式也很靈活,可利用現(xiàn)有的無線通信網(wǎng),如GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò),CDMA移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等,也可單獨(dú)搭建專門的無線局域網(wǎng)。下面系統(tǒng)地討論無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)涉及到的一些核心技術(shù),主要包括三個(gè)方面:監(jiān)測站的設(shè)計(jì)開發(fā)、無線網(wǎng)絡(luò)的組建和控制中心的軟件設(shè)計(jì)。
1 監(jiān)測站的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
監(jiān)測站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是整個(gè)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研制開發(fā)的重點(diǎn),監(jiān)測站對信息數(shù)據(jù)處理的能力和精度將影響整個(gè)系統(tǒng)的最終性能。在整個(gè)開發(fā)過程中,監(jiān)測站的設(shè)計(jì)是工作量最大、所需時(shí)間最長的一部分。監(jiān)測站處于工作現(xiàn)場,只完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制,任務(wù)相對單一、固定,無須用詙大的臺(tái)式機(jī)來完成;考慮到節(jié)能和布放方便,監(jiān)測站多為嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)整個(gè)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能,和對數(shù)據(jù)處理與對傳感器控制能力的要求,監(jiān)測站設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和采用的具體技術(shù)是不一樣的。
1.1 基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
采用單片機(jī)是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的首選方案。由于在片上集成有豐富的外設(shè),具有良好的控制能力,單片機(jī)天生就是為嵌放式系統(tǒng)度身定做的,在嵌入式市場上占據(jù)了最大的份額。
基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案一般適用于對數(shù)據(jù)處理要求不高,運(yùn)算量不大的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要,單片機(jī)可以選用較為低端的4位機(jī)或8位機(jī),如8051等,也可選用功能較強(qiáng)的專用芯片,如MSP430FE42X系列。單片機(jī)主要用于監(jiān)測站端的系統(tǒng)控制。片外存儲(chǔ)器一般為RAM、EEPROM和Flash等存儲(chǔ)器;I/O設(shè)備一般為鍵盤、LCD等供設(shè)計(jì)調(diào)試用的人機(jī)交互接口;傳感器一般為話筒、攝像頭、揚(yáng)聲器和伺服馬達(dá)一類的設(shè)備。無線通信接口實(shí)現(xiàn)相對較為復(fù)雜。編解碼器是可取舍的,對于低速率數(shù)據(jù)一般沒有必要。根據(jù)系統(tǒng)的處理任務(wù)和信息的類別,編解碼器可選用不同的芯生, 如CMX639(用于音頻)或LD9320等,也可用編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測站軟件可直接通過C或匯編語言實(shí)現(xiàn),也可在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用軟件。對于低檔的4位或8位單片機(jī),控制能力較低,系統(tǒng)簡單,一般采用直接編寫控制程序的方法。對于功能較強(qiáng)大,各設(shè)備間交互復(fù)雜的系統(tǒng)而言,大多數(shù)是利用操作系統(tǒng)來進(jìn)行任務(wù)管理、設(shè)備交互,應(yīng)用軟件只是完成上層的數(shù)據(jù)處理等工作。
1.2 基于DSP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
眾所周知,DSP的數(shù)字處理方面能力較強(qiáng),技術(shù)已經(jīng)很成熟,能處理各種運(yùn)算的通用、專用芯片也很多。以DSP為核心設(shè)計(jì)開發(fā)的監(jiān)測站,可以完成高速率數(shù)據(jù)處理,保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面的要求。
這類設(shè)計(jì)方案一般適用于數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量比較大,實(shí)時(shí)性要求高而對控制能力要求相對較低的監(jiān)控系統(tǒng)。與以單片機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)不同的是,DSP除了作控制器以外,還可兼作數(shù)據(jù)計(jì)算、編/解碼之用。對于較復(fù)雜的編/解碼以及壓縮解壓運(yùn)算(比如對圖像視頻數(shù)據(jù)的處理等)是否仍由DSP完成,須綜合考慮。若DSP在系統(tǒng)控制和實(shí)現(xiàn)傳輸協(xié)議方面負(fù)擔(dān)太重,則這部分運(yùn)算需要由專門的處理芯片完成;若系統(tǒng)控制和傳輸協(xié)議較簡單,或根本沒有到上層協(xié)議棧,則這部分復(fù)雜的運(yùn)算可由DSP完成。
1.3 基于MCU+DSP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
顯然,這種設(shè)計(jì)方式吸取了單片機(jī)和DSP各自的優(yōu)點(diǎn):單片機(jī)的特點(diǎn)決定其擅長于控制,DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。兩者的組合可實(shí)現(xiàn)一些相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)功能,但由于系統(tǒng)中采用了兩個(gè)處理器,其間的信息交互是設(shè)計(jì)這類監(jiān)測站時(shí)須著重考慮的問題。只有單片機(jī)和DSP之間較好地協(xié)同工作,才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn);否則,由于兩者間的協(xié)調(diào)而耗費(fèi)了大量資源,整體性能未必高于采用單一處理器的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和DSP間通信協(xié)調(diào)的常用方法是采用雙口RAM。
目前,有些DSP或單片機(jī)廠家為了擴(kuò)大芯片的適用范圍,在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,相互間容入了對方的特點(diǎn),使同一芯片在數(shù)據(jù)處理和控制方面同時(shí)具有較好的性能。比如Microchip公司推出的dsPIC,使客戶能方便地將單片機(jī)的功能轉(zhuǎn)移到DSP上,目前推出的產(chǎn)品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU兩個(gè)功能模塊在同一芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn),提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了監(jiān)測站的設(shè)計(jì)難度并節(jié)省印制板空間。這類芯片得到廣大用戶的青睞。
1.4 基于MPU的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
設(shè)計(jì)嵌入式產(chǎn)品的另一可選方案是采用基于微處理器的設(shè)計(jì)方式。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比,嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn);同時(shí),在該領(lǐng)域技術(shù)成熟、產(chǎn)品類型多、選擇空間大,滿足各種性能需求的處理器比較容易獲得。隨著采用RISC體系的高性能MPU(比如采用ARM構(gòu)架的處理器芯片等)的出現(xiàn),MPU在嵌入式領(lǐng)域中的地位經(jīng)久不衰;但是,由于在設(shè)計(jì)監(jiān)測站時(shí),電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、總線接口和各種外設(shè)等器件,系統(tǒng)的可靠性將有所下降,技術(shù)保密性差,實(shí)現(xiàn)難度也較大。
1.5 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)選擇和嵌入式實(shí)時(shí)軟件開發(fā)
目前已有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)種類繁多,軟件結(jié)構(gòu)各異,可適用于復(fù)雜程度不同的各種環(huán)境,包括循環(huán)查詢系統(tǒng)、前后臺(tái)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)和多處理機(jī)系統(tǒng)等。具體實(shí)例有VxWorks、pSOS、QNX、Palm OS、Windows CE、lynx OS和嵌入式Linux等。選擇適合監(jiān)測站乃至整個(gè)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的RTOS的重要性是不言而喻的,它可能關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)研制的成敗。選擇過程雜而又需要耐心:要了解各RTOS的特點(diǎn)和適用范圍,比較其間的區(qū)別,才能找到最為合適的一種。選擇比較時(shí),需要考慮的因素主要有:
①RTOS能否支持在項(xiàng)目中使用的語言和微處理器;
②RTOS能否與ICE、編譯器、匯編器、連接器及源代碼調(diào)制器共同工作;
③RTOS是否支持設(shè)計(jì)中要用到的服務(wù),如消息隊(duì)列、定時(shí)和信號量等;
④RTOS能否達(dá)到應(yīng)用產(chǎn)品的性能需求,比如實(shí)時(shí)性需求;
⑤能否獲得產(chǎn)品開發(fā)時(shí)必要的組件,比如協(xié)議棧、能信服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)等;
⑥RTOS是否能為公開出售的硬件提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;
⑦使用RTOS是否免費(fèi);
⑧能否獲得目標(biāo)代碼;
⑨獲得的技術(shù)支持有多少;
⑩對于需要授權(quán)的RTOS,授權(quán)方式是怎樣的。
嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開發(fā)與傳統(tǒng)軟件的開發(fā)有許多相似之處,繼承了許多傳統(tǒng)軟件的開發(fā)習(xí)慣;但由于嵌入式實(shí)時(shí)軟件的功能和運(yùn)行環(huán)境特殊,決定其與傳統(tǒng)軟件的開發(fā)有所區(qū)別。嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開發(fā)使用交叉開發(fā)方式。所謂交叉開發(fā)是指,程序代碼的實(shí)現(xiàn)、編譯和連接的環(huán)境與對其進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行的環(huán)境不同。前者基于普通微機(jī)平臺(tái),后者則基于嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。調(diào)試過程多是在有通信連接的宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)的配合下進(jìn)行的,開發(fā)完成后需要進(jìn)行固化和固化測試。另外,開發(fā)過程還需要相應(yīng)的開發(fā)工具,包括交叉編譯器、交叉調(diào)試器和一些仿真軟件。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)以任務(wù)為基本執(zhí)行單元,用多個(gè)并發(fā)的任務(wù)代替通用軟件的多個(gè)模塊,并定義了應(yīng)用軟件任務(wù)間的接口。由于整個(gè)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能受RTOS和應(yīng)用軟件的影響,所以,在軟件的需求分析階段就充分考慮其實(shí)時(shí)性要求。再加之嵌入式應(yīng)用軟件對穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾等性能的要求都比較嚴(yán)格,所以嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開發(fā)難度較大。
2 無線通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
無線通信的設(shè)計(jì)相對于監(jiān)測站而言較簡單,有許多現(xiàn)有的產(chǎn)品和通信系統(tǒng)可以利用,重點(diǎn)只是在于從多種實(shí)現(xiàn)方式中作出最優(yōu)的選擇。
常用的實(shí)現(xiàn)方式有:利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)(GSM/GPRS、CDMA移動(dòng)網(wǎng)等)和相應(yīng)的無線通信產(chǎn)品;通過無線收發(fā)設(shè)備,如無線Modem,無線網(wǎng)橋等專門的無線局域網(wǎng);利用收發(fā)集成芯片在監(jiān)測站端實(shí)現(xiàn)電路板級與監(jiān)控中心的無線通信。
2.1 利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站與監(jiān)控中心的無線通信
現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)較多,按業(yè)務(wù)建網(wǎng)是3G以前通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),無線網(wǎng)絡(luò)也不例外。設(shè)計(jì)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以借用的無線網(wǎng)絡(luò)主要有:全球數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)(GSM)、通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)、采用碼分多址(CDMA)技術(shù)的移動(dòng)網(wǎng)、蜂窩式數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)系統(tǒng)。
GSM(Globem System for Mobile)是全球最主要的2G標(biāo)準(zhǔn),能夠在低服務(wù)成本、低終端成本條件下提供較高的通信質(zhì)量。就其業(yè)務(wù)而言,GSM是一個(gè)能夠提供多種業(yè)務(wù)的移動(dòng)ISDN(Integrated Services Digital Network,綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò))。
GPRS(General Packet Packet Radio Service)在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級,形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體。它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ),采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,提高了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率,最高可達(dá)170kb/s。GPRS把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有GSM系統(tǒng),使得移動(dòng)通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合二為一,具有“極速傳送”、“永遠(yuǎn)在線”、“價(jià)格實(shí)惠”等特點(diǎn)。
CDMA(Code Division Multiple Access)網(wǎng)絡(luò)采用擴(kuò)展頻譜技術(shù),使用多種分集接收方式,使其具有容量大、通信質(zhì)量好、保密性高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
CDPD(Cellular Digital Data)無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信基于數(shù)字分組數(shù)據(jù)通信技術(shù),以蜂窩移動(dòng)通信為組網(wǎng)形式,是數(shù)據(jù)朎與移動(dòng)通信的結(jié)合物。這種通信方式基于TCP/IP,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為開放式,提供同層網(wǎng)絡(luò)無縫連接和多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。CDPD網(wǎng)絡(luò)具有速度快、數(shù)據(jù)安全性高等特點(diǎn),可與公用有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通,非常適合傳輸實(shí)時(shí)、突發(fā)性和在線數(shù)據(jù)。
對使監(jiān)控中心與監(jiān)測站間的無線通信能利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò),對于特定的無線網(wǎng)需用相應(yīng)的接入設(shè)備。這類設(shè)備市面上有現(xiàn)成的產(chǎn)品可供選擇。接入GSM網(wǎng)絡(luò)的通信模塊有西門子的SIEMENS TC35i,接入GPRS可用西門子的MC35GPRS模塊,接入CDMA網(wǎng)絡(luò)的有華立H110 CDMA模塊和AnyDATA公司的CDMA Modem(DTS-800/1800),遵循CDPD方式的無線調(diào)制解調(diào)器(Modem)有OmniSky和NovatelMinstrel。
利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)組建無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)連接如圖1所示。其中無線接入模塊產(chǎn)品一般都提供有RS232作為外通信接口,有些天線是內(nèi)置的。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣和可漫游等特點(diǎn),使監(jiān)測站和控制中心的位置不受距離的限制;但由于利用公網(wǎng),安全性會(huì)有所降低。
2.2 通過專用無線收發(fā)設(shè)備建立無線局域網(wǎng)
這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)簡單,且無須向網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商付費(fèi);利用專網(wǎng),安全性高。無線傳輸以微波作傳輸媒體,根據(jù)調(diào)制方式的不同,可分為擴(kuò)展頻譜方式和窄帶調(diào)制方式兩種。擴(kuò)展頻譜方式系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性高,對其它電子設(shè)備的干擾小。窄帶調(diào)制方式占用頻帶少,頻帶利用率高;通常選擇專用頻段,需要申請;相鄰頻道間影響大,通信質(zhì)量、通信可靠性無法保障。
采用專用無線收發(fā)設(shè)備建立無線局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。無線收發(fā)設(shè)備包括無線Modem和無線網(wǎng)橋等。無線Modem與監(jiān)測站和控制中心之間采用RS232通信。若采用網(wǎng)橋?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)組建設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將更為靈活,如圖3所示。其中在無線網(wǎng)兩端的有線網(wǎng)絡(luò)是可取舍的,可以是以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)或點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)等本地局域網(wǎng)。也可以城域網(wǎng),甚至是因特網(wǎng),但使用公網(wǎng)時(shí)須考慮安全性和費(fèi)用問題。
2.3 利用收發(fā)集成芯片在監(jiān)測站端實(shí)現(xiàn)的無線通信
前兩種組網(wǎng)方式的一個(gè)特點(diǎn)是采用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和產(chǎn)品,無線通信部分不須專門開發(fā),實(shí)現(xiàn)較為容易。但由于所購買的產(chǎn)品均是獨(dú)立器件,使整個(gè)系統(tǒng)特別是監(jiān)測站一端結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大,往往在系統(tǒng)推廣時(shí)會(huì)帶來不利,且外購產(chǎn)品會(huì)增加系統(tǒng)的成本。若能將外購產(chǎn)品的功能與監(jiān)測站集成在一起,在電路板級實(shí)現(xiàn),將可以避免上述不利因素;但這會(huì)增加系統(tǒng)開發(fā)的難度,延長研制周期。須權(quán)衡利弊,根據(jù)項(xiàng)目組的開發(fā)實(shí)力和系統(tǒng)生命周期作最有利的選擇。
采用此方法設(shè)計(jì)監(jiān)測站需要實(shí)現(xiàn)的部分只是圖1、2和3中的無線通信接口(可參看本文的網(wǎng)絡(luò)版全文)。這部分的硬件實(shí)時(shí)框圖以及處理器、存儲(chǔ)器的關(guān)系大致如圖4所示。各個(gè)子模塊都有多種芯片可供選擇,比如射頻前端可用ML2751和RTF6900,實(shí)現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)的有ML2722,擴(kuò)頻、解擴(kuò)可用LD9002DX2和Stel-2000A等。
3 控制中心的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
控制中心的設(shè)計(jì)相對于監(jiān)測站的設(shè)計(jì)開發(fā)來講較為簡單,硬件設(shè)計(jì)少,除了普通微機(jī)(或工作站、工控機(jī))外,還需要網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備(若無線通信采用自行設(shè)計(jì)的模塊實(shí)現(xiàn),則須開發(fā)專用的無線網(wǎng)卡插入微機(jī)主板的預(yù)留總線插槽中)。控制中心的設(shè)計(jì)開發(fā)主要集中在應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)上,一般是基于Windows和Unix等常用操作系統(tǒng)的。當(dāng)前用于此類軟件開始、調(diào)試的工具較多,且功能強(qiáng)大,給控制中心軟件的設(shè)計(jì)帶來便利。
就軟件的實(shí)現(xiàn)形式而言,一般除了界面模塊外,其余各個(gè)功能模塊均可設(shè)計(jì)成動(dòng)態(tài)連接庫文件(.dll)。人機(jī)接口界面模塊可以為該無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行定制,以滿足用戶在界面美觀、操作方便等方面的特殊要求。
采用C/C++語言在VC++開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)軟件涉及到的技術(shù)較多,包括內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)通信、多線程管理和數(shù)據(jù)庫編程,甚至ActiveX等。
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