基于Modbus總線的馬鈴薯貯藏庫溫濕度采集

胡兵+熊新榮+袁勇+孫天龍+王小娟

摘要：為滿足馬鈴薯貯藏庫對(duì)溫度、濕度采集的要求，設(shè)計(jì)了一種基于Modbus總線的馬鈴薯貯藏庫溫濕度采集方案。該系統(tǒng)以MCGS組態(tài)為上位機(jī)監(jiān)控，S7-200PLC CPU224為控制核心，以LM410溫濕度采集模塊為現(xiàn)場智能儀表，通過Modbus總線協(xié)議與遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯貯藏庫溫度、濕度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集。結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，滿足了實(shí)際應(yīng)用要求，為馬鈴薯貯藏庫溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：Modbus總線;溫度采集;濕度采集;PLC;智能儀表;馬鈴薯貯藏

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2014）20-4969-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.054

Collecting Temperature and Humidity of Potato Storage Based on Modbus Bus

HU Bing，XIONG Xing-rong，YUAN Yong，SUN Tian-long，WANG Xiao-juan

（Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi ?830011，China）

Abstract： To meet the requirements of storage temperature and humidity of potato， a scheme based on Modbus bus in collecting temperature and humidity of potato storage was put forward. Using MCGS configuration as the system of PC monitoring， CPU224 S7-200 PLC as the control core， acquisition module for intelligent instrument with LM410 temperature and humidity， through the Modbus fieldbus protocol and remote collection system communication， the real-time and accurate collection of temperature and humidity of potato storehouse was realized. The results showed that the system was stable and reliable. The data was accurate and satisfied the requirements of practical application. It will provide reference for designing the system of collecting temperature and humidity of potato storage.

Key words： Modbus bus; temperature acquisition; humidity acquisition; PLC; intelligent instrument; potato storage

馬鈴薯是糧菜兼用的高產(chǎn)作物，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值。對(duì)馬鈴薯種植、加工企業(yè)或個(gè)人而言，馬鈴薯貯藏技術(shù)相當(dāng)重要。貯藏不當(dāng)，則薯塊會(huì)因?yàn)檎舭l(fā)、呼吸、發(fā)芽及貯藏期病蟲害等造成種薯營養(yǎng)成分的流失，更重要的是降低了馬鈴薯種植后對(duì)病蟲害的抵御能力，從而對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及質(zhì)量產(chǎn)生極大的負(fù)面影響，而馬鈴薯的貯藏技術(shù)中，溫度和濕度是兩項(xiàng)重要的因素。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，馬鈴薯處在溫度為1～4 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度在80%～90%時(shí)病菌不繁殖，塊莖不發(fā)芽且水分保持良好[1]。然而，目前對(duì)馬鈴薯貯藏庫溫濕度數(shù)據(jù)的讀取，主要以定時(shí)人工記錄的方式進(jìn)行，存在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性較差等問題，為了實(shí)時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高溫濕度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)采集方法非常重要。本研究設(shè)計(jì)了一種基于Modbus總線的溫濕度采集方法，借助于上位機(jī)的組態(tài)軟件，能夠?qū)崟r(shí)顯示溫濕度的變化。

1 ?Modbus通信

Modbus是一種國際的、開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。最早是美國Modicon公司為其PLC制定的資料交換通信接口標(biāo)準(zhǔn)，由于Modbus協(xié)議是公開的通信協(xié)議，被很多的PLC、變頻器及RTU生產(chǎn)廠家支持，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。根據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)類型的不同分為串行鏈路上的Modbus和基于TCP/IP協(xié)議的Modbus，本研究為串行鏈路上的Modbus應(yīng)用。

1.1 ?通信原理

串行鏈路上的Modbus是一個(gè)主-從協(xié)議，該協(xié)議位于OSI模型的第二層，采用請(qǐng)求-響應(yīng)的方式，通信過程中遵循以下流程：①主站向從站發(fā)送請(qǐng)求;②從站分析并處理主站端請(qǐng)求并發(fā)送結(jié)果;③如果出現(xiàn)差錯(cuò)，從站返回異常碼。

主站向從站設(shè)備發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)域中包括附加信息，從站使用這個(gè)信息執(zhí)行功能碼定義的操作。如果在一個(gè)正確接收的Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元中，不出現(xiàn)與請(qǐng)求Modbus功能相關(guān)的差錯(cuò)，從站發(fā)送給主站的響應(yīng)數(shù)據(jù)中包括請(qǐng)求數(shù)據(jù);如果出現(xiàn)請(qǐng)求Modbus功能有關(guān)的差錯(cuò)，那么域包括一個(gè)異常碼，從站應(yīng)用能夠使用這個(gè)域確定下一個(gè)執(zhí)行的操作。Modbus事物處理如圖1、圖2所示。

Modbus網(wǎng)絡(luò)上只能有一個(gè)主站存在，主站在網(wǎng)絡(luò)上沒有地址，從站的地址范圍為0～247，其中0為廣播地址，從站的實(shí)際地址范圍為1～247，在同一時(shí)間，只能將一個(gè)主站連接到總線，將一個(gè)或多個(gè)從站連接到相同的串行總線，Modbus通信只能由主站發(fā)起，從站沒有收到來自主站的請(qǐng)求時(shí)，不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，從站之間不能相互通信，Modbus串行鏈路系統(tǒng)在物理層可以使用不同的物理接口，最常用的是兩線制RS485接口[2]。

1.2 ?傳輸模式

Modbus協(xié)議有2種傳輸模式即：Modbus ASCII模式和Modbus RTU模式，當(dāng)控制器設(shè)定為ASCII傳輸模式時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸中1 byte（8 bits）拆分為兩個(gè)對(duì)應(yīng)的ASCII字符，這種傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可到達(dá)1 s，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邷?zhǔn)確率，一般通信數(shù)據(jù)量少且主要是文本的通信采用這種傳輸方式，當(dāng)控制器設(shè)定為RTU通信模式時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸中1 byte（8 bits）代表2個(gè)十六進(jìn)制字符（4 bits），這種傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是在相同的傳輸速度下，可以傳輸更多的數(shù)據(jù)量，滿足更大的系統(tǒng)組網(wǎng)要求，本系統(tǒng)選用RTU的傳輸模式。

1.3 ?報(bào)文格式

當(dāng)傳輸模式選擇為Modbus RTU模式時(shí)，報(bào)文格式如表1所示，一幀報(bào)文主要由地址域、功能碼域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗(yàn)組成，最大的Modbus/RTU 幀是256個(gè)字節(jié)。報(bào)文幀中幀間字符間隔和幀內(nèi)字符間隔必須分別遵守大于等于3.5 個(gè)字符時(shí)間和小于等于1.5 個(gè)字符時(shí)間的規(guī)定，所以起始和結(jié)束標(biāo)志均大于等于3.5個(gè)字符，作為發(fā)送報(bào)文的字流符規(guī)定必須是連續(xù)的，如果兩個(gè)字符之間的空閑間隔大于1.5個(gè)字符時(shí)間，認(rèn)為該報(bào)文幀不完整，接收站需要將其丟棄;地址域?yàn)閺恼镜刂?，其范圍?～247;功能碼指示主站要執(zhí)行的動(dòng)作，緊隨其后的是請(qǐng)求或響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)域;差錯(cuò)校驗(yàn)域是對(duì)報(bào)文內(nèi)容執(zhí)行冗余校驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)不同的傳輸方式使用不同的計(jì)算方法，RTU使用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC校驗(yàn)）[3]。

2 ?應(yīng)用系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由link-max LM410溫濕度遠(yuǎn)程采集模塊、西門子S7-200 CPU224PLC、研華工控機(jī)和MCGS組態(tài)軟件構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)中上位機(jī)裝有MCGS組態(tài)軟件，PLC與上位機(jī)采用S7-200PPI通信，用PPI電纜將PLC的port1口與上位機(jī)連接，實(shí)時(shí)讀取并顯示S7200采集的溫度、濕度值，PLC與溫度采集模塊采用ModbusRTU通信，采用RS485電纜將PLC的port0口與溫濕度采集模塊的通信網(wǎng)絡(luò)連接，將現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到S7-200中。

3 ?應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 ?LM410 Modbus數(shù)據(jù)通信

LM410是一款工作于-40～85 ℃工業(yè)級(jí)溫濕度采集模塊，該模塊可通過隔離的485 通訊接口與Modbus現(xiàn)場總線連接，最多允許32個(gè)溫濕度采集模塊掛在同一總線上，但如采用中繼器，則可將多達(dá)256個(gè)溫濕度采集模塊連到同一網(wǎng)絡(luò)，且最大通信距離為1 200 m。采集溫度范圍為-40～+85 ℃，精度0.1 ℃;相對(duì)濕度范圍0%～100%，精度0.5%。模塊的標(biāo)準(zhǔn)Modbus輸入寄存器說明如表2所示。

3.2 ?S7-200 Modbus RTU編程

S7-200PLC由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、指令集功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，使得其成為各種小型任務(wù)理想的解決方案，S7-200PLC支持PPI通信、MPI通信、自由口通信等多種通信方式，用戶完全可以使用Modbus通訊協(xié)議把S7-200和其他智能設(shè)備連接在一起。本研究以S7-200PLC為Modbus主站，智能儀表LM410為Modbus從站，讀取現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)。

3.2.1 ?Modbus Master 協(xié)議庫支持的功能 ? 根據(jù)Modbus通信協(xié)議，Modbus協(xié)議庫支持?jǐn)?shù)據(jù)的功能碼與地址對(duì)應(yīng)的關(guān)系如表3所示[4]。S7-200PLC Modbus通信時(shí)，可以通過發(fā)送指令（XMT）、接收指令（RCV）結(jié)合接收中斷、發(fā)送中斷、定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)ModbusRTU通信，也可以通過S7-200PLC附帶的Modbus指令庫實(shí)現(xiàn)ModbusRTU通信，本研究采用后者的通信方式，在使用S7-200的指令庫時(shí)，Modbus數(shù)據(jù)地址與S7-200的I、O和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)地址間有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。根據(jù)表4所對(duì)應(yīng)關(guān)系，S7-200PLC采集LM410中溫濕度的數(shù)據(jù)時(shí)采用的地址溫度為30001，濕度為30002。

3.2.2 ?S7-200PLC Modbus程序?qū)崿F(xiàn) ?在S7-200PLC中，通過調(diào)用的Modbus指令庫實(shí)現(xiàn)Modbus與LM410通信，以S7-200為主站，使用STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6的Modbus主站指令，讀寫LM410的輸入寄存器。

1）添加ModbusRTU主站指令庫。在初次使用S7-200的ModbusRTU指令庫時(shí)，需要添加ModbusRTU主站指令庫，添加成功后，會(huì)在STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6的指令樹中的“庫”文件下顯示“Modbus Master Port0”和其中的MBUS_CTRL、MBUS_MSG，ModbusRTU指令的變量要求284個(gè)字節(jié)的V存儲(chǔ)區(qū)[5，6]，用STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6的“文件”→“庫存儲(chǔ)區(qū)”指定，默認(rèn)情況下是從VB0開始，但因?yàn)榕cModbus的保持寄存區(qū)沖突，所以手動(dòng)改為VB2000。

2）調(diào)用Modbus RTU主站初始化和控制子程序。使用 SM0.0 調(diào)用 MBUS_CTRL 完成主站的初始化，并啟動(dòng)其功能控制。調(diào)用 Modbus RTU 主站初始化和控制子程序如圖4所示。通信過程中指定Port0端口作為Modbus通信，此時(shí)該端口就不能再作PPI通信協(xié)議使用，所以，在MBUS_CTRL指令中的Mode一直置1（為0是PPI通信），通信波特率Baud設(shè)為9600，校驗(yàn)方式根據(jù)需要設(shè)置奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)，設(shè)置0表示無校驗(yàn)，超時(shí)時(shí)間Timeout設(shè)為1 000 ms，Done為完成位，初始化完成，此位會(huì)自動(dòng)置1，Error為初始化錯(cuò)誤代碼[7]。

3）調(diào)用ModbusRTU主站讀寫子程序。ModbusRTU主站讀寫子程序?yàn)镸BUS_MSG，用于啟動(dòng)到Modbus從站請(qǐng)求、發(fā)送請(qǐng)求、等待響應(yīng)和處理響應(yīng)。調(diào)用ModbusRTU主站讀寫子程序如圖5所示。從圖5中可以看出，F(xiàn)irst為讀寫請(qǐng)求位，每一個(gè)新的讀寫請(qǐng)求必須使用脈沖觸發(fā)，Slave為從站地址，根據(jù)實(shí)際溫濕度地址設(shè)置（地址不能重復(fù)）;RW為讀寫操作，Addr讀寫從站的數(shù)據(jù)地址，Count通訊的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，應(yīng)用中需要采集溫度、濕度數(shù)據(jù)，所以RW設(shè)置為0，Addr設(shè)置為30001，Count設(shè)置為2;DataPtr為數(shù)據(jù)指針，PLC將讀回的數(shù)據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中，所以讀會(huì)的溫度放到VW0、濕度放到VW2中，Done和Error同上。

3.3 ?MCGS組態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

MCGS是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，能夠在基于Microsoft運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，應(yīng)用系統(tǒng)的上位機(jī)采用MCGS做監(jiān)控界面，顯示PLC中采集的溫度、濕度數(shù)據(jù)，并提供實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表數(shù)據(jù)。在用戶窗口完成溫度、濕度顯示界面和報(bào)表界面的制作，設(shè)置相應(yīng)的屬性，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)對(duì)象的定義，并連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象，部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)象如表5所示。在設(shè)備窗口添加“通用串口父設(shè)備”和“西門子-S7200PPI”，完成通信參數(shù)的設(shè)置，按表5完成數(shù)據(jù)對(duì)象與S7-200數(shù)據(jù)的連接，即可運(yùn)行調(diào)試。

4 ?小結(jié)

應(yīng)用系統(tǒng)采用S7-200為主站，LM410溫濕度遠(yuǎn)程采集模塊為從站，通過Modbus通信的方式實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯貯藏庫溫濕度數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，能夠在上位機(jī)的監(jiān)控畫面中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，達(dá)到了現(xiàn)場無人值守的目的，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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3）調(diào)用ModbusRTU主站讀寫子程序。ModbusRTU主站讀寫子程序?yàn)镸BUS_MSG，用于啟動(dòng)到Modbus從站請(qǐng)求、發(fā)送請(qǐng)求、等待響應(yīng)和處理響應(yīng)。調(diào)用ModbusRTU主站讀寫子程序如圖5所示。從圖5中可以看出，F(xiàn)irst為讀寫請(qǐng)求位，每一個(gè)新的讀寫請(qǐng)求必須使用脈沖觸發(fā)，Slave為從站地址，根據(jù)實(shí)際溫濕度地址設(shè)置（地址不能重復(fù)）;RW為讀寫操作，Addr讀寫從站的數(shù)據(jù)地址，Count通訊的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，應(yīng)用中需要采集溫度、濕度數(shù)據(jù)，所以RW設(shè)置為0，Addr設(shè)置為30001，Count設(shè)置為2;DataPtr為數(shù)據(jù)指針，PLC將讀回的數(shù)據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中，所以讀會(huì)的溫度放到VW0、濕度放到VW2中，Done和Error同上。

3.3 ?MCGS組態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

MCGS是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，能夠在基于Microsoft運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，應(yīng)用系統(tǒng)的上位機(jī)采用MCGS做監(jiān)控界面，顯示PLC中采集的溫度、濕度數(shù)據(jù)，并提供實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表數(shù)據(jù)。在用戶窗口完成溫度、濕度顯示界面和報(bào)表界面的制作，設(shè)置相應(yīng)的屬性，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)對(duì)象的定義，并連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象，部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)象如表5所示。在設(shè)備窗口添加“通用串口父設(shè)備”和“西門子-S7200PPI”，完成通信參數(shù)的設(shè)置，按表5完成數(shù)據(jù)對(duì)象與S7-200數(shù)據(jù)的連接，即可運(yùn)行調(diào)試。

4 ?小結(jié)

應(yīng)用系統(tǒng)采用S7-200為主站，LM410溫濕度遠(yuǎn)程采集模塊為從站，通過Modbus通信的方式實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯貯藏庫溫濕度數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，能夠在上位機(jī)的監(jiān)控畫面中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，達(dá)到了現(xiàn)場無人值守的目的，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

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3）調(diào)用ModbusRTU主站讀寫子程序。ModbusRTU主站讀寫子程序?yàn)镸BUS_MSG，用于啟動(dòng)到Modbus從站請(qǐng)求、發(fā)送請(qǐng)求、等待響應(yīng)和處理響應(yīng)。調(diào)用ModbusRTU主站讀寫子程序如圖5所示。從圖5中可以看出，F(xiàn)irst為讀寫請(qǐng)求位，每一個(gè)新的讀寫請(qǐng)求必須使用脈沖觸發(fā)，Slave為從站地址，根據(jù)實(shí)際溫濕度地址設(shè)置（地址不能重復(fù)）;RW為讀寫操作，Addr讀寫從站的數(shù)據(jù)地址，Count通訊的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，應(yīng)用中需要采集溫度、濕度數(shù)據(jù)，所以RW設(shè)置為0，Addr設(shè)置為30001，Count設(shè)置為2;DataPtr為數(shù)據(jù)指針，PLC將讀回的數(shù)據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中，所以讀會(huì)的溫度放到VW0、濕度放到VW2中，Done和Error同上。

3.3 ?MCGS組態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

MCGS是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，能夠在基于Microsoft運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，應(yīng)用系統(tǒng)的上位機(jī)采用MCGS做監(jiān)控界面，顯示PLC中采集的溫度、濕度數(shù)據(jù)，并提供實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表數(shù)據(jù)。在用戶窗口完成溫度、濕度顯示界面和報(bào)表界面的制作，設(shè)置相應(yīng)的屬性，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)對(duì)象的定義，并連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象，部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)象如表5所示。在設(shè)備窗口添加“通用串口父設(shè)備”和“西門子-S7200PPI”，完成通信參數(shù)的設(shè)置，按表5完成數(shù)據(jù)對(duì)象與S7-200數(shù)據(jù)的連接，即可運(yùn)行調(diào)試。

4 ?小結(jié)

應(yīng)用系統(tǒng)采用S7-200為主站，LM410溫濕度遠(yuǎn)程采集模塊為從站，通過Modbus通信的方式實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯貯藏庫溫濕度數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，能夠在上位機(jī)的監(jiān)控畫面中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，達(dá)到了現(xiàn)場無人值守的目的，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

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