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    新型內(nèi)嵌低功耗藍(lán)牙汽車鑰匙遠(yuǎn)程控制應(yīng)用

    2016-04-12 00:00:00周雅
    現(xiàn)代電子技術(shù) 2016年12期

    摘 要: 針對(duì)傳統(tǒng)汽車鑰匙多按鍵操作模式以及控制對(duì)象單一等特點(diǎn),在汽車智能主控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出并設(shè)計(jì)一種低功耗藍(lán)牙通信技術(shù)的汽車智能鑰匙控制系統(tǒng)。采用16位飛思卡爾MC9S12XS128作為主控制器,在汽車被動(dòng)式進(jìn)入與啟動(dòng)(CAPE)模塊中添加低功耗藍(lán)牙通信模塊,與智能手機(jī)和汽車鑰匙進(jìn)行無(wú)線通信,并完成了由CC2541芯片作為控制器的汽車鑰匙系統(tǒng),通過(guò)重力加速度傳感器CMA3000識(shí)別手勢(shì),控制汽車門(mén)鎖開(kāi)關(guān)、車窗升降等功能。最后,搭建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)系統(tǒng)主要性能和功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)具有安全性高、性能穩(wěn)定、智能化、使用方便等特點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞: 無(wú)線通信; 智能化系統(tǒng); 低功耗藍(lán)牙; 汽車鑰匙

    中圖分類號(hào): TN915?34; TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004?373X(2016)12?0154?05

    Abstract: In view of the characteristics of multi?button and single object control of the traditional cars key, a car intelligent key control system with low?power consumption bluetooth communication technology was designed based on car intelligent master control system. 16?bit Freescale MC9S12XS128 is adopted as host controller. The low?power bluetooth communication module is added into CAPE module to achieve wireless communication between smart phone and key, and complete the car key system taking CC2541 chip as controller. The gravitational acceleration sensor is adopted to identify gestures and control door switch, windows lift, etc. A simulation experiment platform was established to the main performances and functions. The experiment results show that the system has the characteristics of high safety, stable performance, intelligence, convenient use, etc.

    Keywords: wireless communication; intelligence system; low?power consumption bluetooth; car key

    0 引 言

    近年來(lái),藍(lán)牙技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常樂(lè)觀。車載電子系統(tǒng)正向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化方向發(fā)展,汽車市場(chǎng)已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)重要的增長(zhǎng)點(diǎn),無(wú)線通信技術(shù)在汽車等移動(dòng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。但在這方面的研究與應(yīng)用進(jìn)展相對(duì)緩慢,這就給藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用提供了較為廣闊的空間[1]。車鑰匙和智能手機(jī)可以利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)車門(mén)、遠(yuǎn)程啟動(dòng),與車內(nèi)車輛檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)線交換數(shù)據(jù)等功能。具有智能化、集成化程度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn),便于今后汽車控制的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

    傳統(tǒng)汽車鑰匙系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)車門(mén)、發(fā)動(dòng)汽車等最基本功能,顯然目前傳統(tǒng)鑰匙的功能已經(jīng)無(wú)法滿足用戶對(duì)汽車的控制需求。文中設(shè)計(jì)的低功耗藍(lán)牙汽車鑰匙是整個(gè)汽車電氣智能控制平臺(tái)設(shè)計(jì)的一部分,其主要特點(diǎn)是采用了低功耗藍(lán)牙通信,單按鈕操作,以及三軸加速度傳感器技術(shù)。該汽車鑰匙可作為手機(jī)應(yīng)用軟件啟動(dòng)的認(rèn)證工具以及可通過(guò)低功耗藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車開(kāi)關(guān)車門(mén)、升降窗等功能[2]。

    1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

    1.1 藍(lán)牙汽車智能控制平臺(tái)方案闡述

    文章設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于低功耗藍(lán)牙汽車鑰匙,屬于汽車智能控制系統(tǒng)的一部分。首先,在此簡(jiǎn)單闡述整體汽車智能控制系統(tǒng)方案。如圖1所示,低功耗藍(lán)牙的汽車智能控制平臺(tái)架構(gòu),主要由模擬試驗(yàn)臺(tái)、汽車鑰匙、智能手機(jī)三部分組成,其三者通過(guò)藍(lán)牙4.0技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。車身主控制芯片采用飛思卡爾16位MC9S12XS128芯片,車身主控部分由電源、檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成,通過(guò)CAN總線與CAPE(汽車被動(dòng)式進(jìn)入與啟動(dòng)模塊)進(jìn)行通信。

    1.2 低功耗藍(lán)牙汽車鑰匙方案

    文中設(shè)計(jì)的低功耗藍(lán)牙汽車智能鑰匙系統(tǒng)采用藍(lán)牙4.0模塊,系統(tǒng)主要由電池、三軸加速度傳感器(CMA3000)、32 MHz晶振電路、藍(lán)牙主控芯片(CC2541)、藍(lán)牙發(fā)射接收天線(PCB天線)組成,其中藍(lán)牙天線是和藍(lán)牙主控芯片CC2541相連接的。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案框圖,如圖2所示。

    該汽車鑰匙系統(tǒng)采用單按鈕設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的開(kāi)關(guān)門(mén)、升降窗及遠(yuǎn)程啟動(dòng)等控制功能,通過(guò)按鈕的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)判斷使用者的兩個(gè)控制意圖:第一,手勢(shì)控制,即通過(guò)鑰匙的擺動(dòng)方式來(lái)控制車身狀態(tài),例如開(kāi)關(guān)車門(mén)鎖,升降車窗等;第二,遠(yuǎn)程啟動(dòng),即用戶長(zhǎng)按按鈕超過(guò)3 s就可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的遠(yuǎn)程啟動(dòng)控制。藍(lán)牙主控芯片CC2541根據(jù)按鍵信息和三軸加速度傳感器CMA3000采樣值判斷輸出的控制意圖,發(fā)射相應(yīng)的射頻信號(hào)。當(dāng)汽車電氣智能控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)收到該射頻信號(hào)后,做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)。

    2 汽車鑰匙各硬件模塊設(shè)計(jì)

    2.1 藍(lán)牙主控模塊

    為滿足本系統(tǒng)汽車鑰匙設(shè)計(jì)功能的要求, 選用TI低功耗藍(lán)牙規(guī)范的CC2541芯片,其最低功耗模式的耗電量?jī)H為0.5 μA,且芯片工作的電壓范圍較寬,為2~3.6 V,且工作穩(wěn)定。與之前的CC2540相比,CC2541提供更低的RF損耗,并在TX模式中提供較低的最大輸出功率[3]。更重要的是其安全性,文中所選擇的CC2541使用AES?128 CCM加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包加密和認(rèn)證。

    如圖3中①所示,設(shè)計(jì)了兩個(gè)時(shí)鐘電路:接在芯片的22管腳和23管腳兩端的一個(gè)時(shí)鐘電路由200 MHz的石英晶振(Q200)和C214,C215兩個(gè)電容構(gòu)成;接在芯片的32管腳和33管腳兩端的另一個(gè)時(shí)鐘電路由32.768 kHz的石英晶振(Q201)和C216,C217兩個(gè)電容構(gòu)成。模擬電源和芯片的數(shù)字電源與地之間就近接入濾波電容。此外,芯片有內(nèi)置的1.8 V穩(wěn)壓模塊,為整個(gè)系統(tǒng)電路提供穩(wěn)定的工作電壓。

    2.2 射頻匹配模塊

    圖3中②為射頻匹配電路模塊,射頻網(wǎng)絡(luò)工作的基本原理為:射頻信號(hào)從管腳25(RF_P)和管腳26(RF_N)引出,為一對(duì)等幅反相的差分信號(hào)。兩路差分信號(hào)經(jīng)過(guò)電容值均為18 pF的隔直電容C209,C210后濾掉直流分量且相位被調(diào)整至同相。設(shè)計(jì)中采用PCB天線作為藍(lán)牙發(fā)射接收天線,由于PCB天線是單極子天線演化而來(lái),故須使用匹配電路進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和阻抗匹配,采用分立的電容以及電感組成的匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了匹配電路的設(shè)計(jì)。匹配電路由C212,L200,L201構(gòu)成,將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩倍的單端信號(hào)輸出,以達(dá)到與PCB天線的匹配。信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配電路后雖然已經(jīng)變成單極性,但其輸出阻抗還不是標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω,還需通過(guò)L203,L202以及C213組成的網(wǎng)絡(luò)后才能轉(zhuǎn)接至天線[4]。實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)需要接入高頻器件以進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。

    2.3 三軸加速度傳感器模塊

    汽車鑰匙可以通過(guò)三軸加速度傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制汽車車門(mén)的開(kāi)關(guān)、車窗的升降等功能,文中選用VTI公司的三軸加速度傳感器模塊CMA3000芯片,原理圖如圖4所示。CMA3000芯片采用信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù),提供±2 g/±8 g四個(gè)量程,可在這4個(gè)靈敏度中選擇。該器件帶有低通濾波并已做0 g補(bǔ)償,提供休眠模式,其在100 Hz/400 Hz樣本頻率時(shí),電流工作小于70 μA,在40 Hz/10 Hz樣本頻率時(shí),電流小于10 μA,因而是汽車用低功耗產(chǎn)品的理想選擇。

    3 汽車鑰匙軟件設(shè)計(jì)

    汽車鑰匙端是本文所設(shè)計(jì)的基于低功耗藍(lán)牙汽車電氣智能控制平臺(tái)中的一個(gè)重要客戶端,用戶可以通過(guò)這把藍(lán)牙智能鑰匙實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的遠(yuǎn)程啟動(dòng)、開(kāi)關(guān)門(mén)鎖、升降車窗、及作為實(shí)現(xiàn)無(wú)鑰匙進(jìn)入與啟動(dòng)功能的認(rèn)證。所以,要實(shí)現(xiàn)這些功能除了有核心硬件設(shè)計(jì),還要有精準(zhǔn)的軟件設(shè)計(jì)的相輔相成。如圖5所示,鑰匙端軟件設(shè)計(jì)主要流程。

    整個(gè)軟件系統(tǒng)是在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn),首先系統(tǒng)初始化,設(shè)置鑰匙藍(lán)牙設(shè)備的角色為從站,鑰匙開(kāi)始發(fā)送廣播數(shù)據(jù)作為手機(jī)能夠直接控制汽車的認(rèn)證信息,然后進(jìn)入系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行查詢,判斷是否有任務(wù)產(chǎn)生,如果有任務(wù)產(chǎn)生,繼續(xù)判斷是否是鑰匙按鈕按下,按鈕按下的情況根據(jù)按下時(shí)間的不同分為長(zhǎng)按和短按兩種;如果是短按按鈕,還需結(jié)合讀取到的三軸加速度傳感器信息分析對(duì)應(yīng)的手勢(shì)動(dòng)作,從而最終確定發(fā)出的是開(kāi)/關(guān)門(mén)鎖,還是升/降窗控制命令;如果是長(zhǎng)按按鈕,則發(fā)送遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停止命令。

    3.1 鑰匙與汽車通信

    設(shè)計(jì)的鑰匙通信主要包括:

    (1) 汽車鑰匙通過(guò)低功耗藍(lán)牙發(fā)送控制命令給汽車電氣智能控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái);

    (2) 通過(guò)射頻實(shí)現(xiàn)汽車被動(dòng)式進(jìn)入與啟動(dòng)(Passive Entry and Pssive Start,PEPS)的功能[5?6]。如圖6所示為汽車鑰匙與智能控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的通信示意圖。當(dāng)其接收到外部觸發(fā)信號(hào)(啟動(dòng)/停止按鈕或門(mén)把手觸摸信號(hào))時(shí),啟動(dòng)低頻天線,將125 kHz低頻信號(hào)發(fā)出,喚醒用戶身上攜帶的遙控鑰匙;遙控鑰匙被喚醒后,通過(guò)315 MHz 或433 MHz 高頻信號(hào)對(duì)CAPE 控制器進(jìn)行應(yīng)答確認(rèn)其在有效范圍內(nèi);CAPE 控制器獲得到合法的高頻信息反饋后,判斷當(dāng)前汽車狀況,執(zhí)行啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或打開(kāi)車門(mén)等相應(yīng)的動(dòng)作。

    3.2 模擬鑰匙應(yīng)用軟件控制界面設(shè)計(jì)

    由于iOS手機(jī)系統(tǒng)很好地解決了兼容性問(wèn)題并簡(jiǎn)化藍(lán)牙4.0程序開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性,對(duì)藍(lán)牙4.0的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用大有裨益。針對(duì)這一發(fā)展趨勢(shì),文中將智能終端與車載應(yīng)用相結(jié)合,設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙4.0的汽車電氣智能控制系統(tǒng)手機(jī)應(yīng)用軟件,用戶可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)擁有低功耗藍(lán)牙模塊的汽車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)等功能。

    軟件控制分為兩個(gè)控制界面:主控制界面和其他控制界面,主控制界面如圖7(a)所示,其模擬用戶所熟悉的汽車鑰匙控制功能設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車的遠(yuǎn)程啟動(dòng)控制、車門(mén)鎖的一鍵開(kāi)關(guān)、車窗升降以及后備箱的開(kāi)啟功能等,定義MainControlView為主控制界面的類;此外,為了凸顯所設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件的控制功能的全面覆蓋性,軟件又設(shè)計(jì)了具有其他控制功能的界面如圖7(b)所示,定義MoreControlView為其他功能控制界面的類,主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車的四個(gè)車門(mén)鎖開(kāi)關(guān)、所有的車窗升降、所有的燈光控制功能[7?9]。

    4 實(shí)驗(yàn)研究

    根據(jù)文中所述設(shè)計(jì)方案搭建系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái),對(duì)系統(tǒng)的功能和運(yùn)行方式進(jìn)行驗(yàn)證,主要分析和驗(yàn)證通信性能、手機(jī)端應(yīng)用軟件和鑰匙端功能以及汽車電氣智能控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能、整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性等。

    4.1 藍(lán)牙汽車控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

    圖8為系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖,圖8中標(biāo)識(shí)1為模擬汽車上開(kāi)關(guān)量測(cè)試平臺(tái),標(biāo)識(shí)2為汽車電氣智能控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控板,標(biāo)識(shí)3為汽車鑰匙,標(biāo)識(shí)4為應(yīng)用軟件平臺(tái):iphone手機(jī),標(biāo)識(shí)5所示為開(kāi)發(fā)編程用PC機(jī)。在搭建好的測(cè)試平臺(tái)中,手機(jī)遠(yuǎn)程控制端、鑰匙控制端及汽車電氣智能控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控板實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車開(kāi)關(guān)量控制的測(cè)試,驗(yàn)證各個(gè)模塊功能的可實(shí)現(xiàn)性。

    4.2 鑰匙系統(tǒng)手機(jī)應(yīng)用軟件功能測(cè)試

    圖9為所設(shè)計(jì)的手機(jī)應(yīng)用軟件在Iphone模擬器和Iphone真機(jī)上的測(cè)試與驗(yàn)證圖。該應(yīng)用軟件是兼容iOS6和iOS7的,在iOS6系統(tǒng)中,可以采用Iphone模擬器結(jié)合市場(chǎng)上用的藍(lán)牙USB,實(shí)現(xiàn)汽車電氣智能控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能控制與信息檢測(cè)。

    根據(jù)手機(jī)應(yīng)用端對(duì)應(yīng)汽車電氣智能控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能需求,通過(guò)在圖9所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行實(shí)際操作,對(duì)應(yīng)用軟件的控制界面、信息顯示界面進(jìn)行測(cè)試,其每個(gè)控制功能都能成功實(shí)現(xiàn),模擬平臺(tái)上的開(kāi)關(guān)變量指示燈也能對(duì)應(yīng)的響應(yīng)執(zhí)行。與此同時(shí),由于Xcode開(kāi)發(fā)軟件內(nèi)部已集成了相關(guān)的日志輸出,也可以在PC機(jī)上查看對(duì)應(yīng)控制信息狀態(tài),可以在日志中打印出相應(yīng)的控制信息與狀態(tài)信息數(shù)據(jù),從而驗(yàn)證通信協(xié)議是否實(shí)現(xiàn)。

    4.3 鑰匙與模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)藍(lán)牙模塊通信測(cè)試

    文中的汽車鑰匙主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的車門(mén)、車窗、遠(yuǎn)程啟動(dòng)的控制及PEPS功能的實(shí)現(xiàn),為了驗(yàn)證鑰匙端軟硬件設(shè)計(jì)功能是否實(shí)現(xiàn),與手機(jī)端功能驗(yàn)證相同,根據(jù)鑰匙端遠(yuǎn)程控制功能需求,通過(guò)結(jié)合單按鈕按鍵和手勢(shì)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)、前后轉(zhuǎn)動(dòng)以及按鍵按下時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車門(mén)、車窗、遠(yuǎn)程啟動(dòng)的控制功能。鑰匙端發(fā)出的控制命令是否正確執(zhí)行,可以在系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)上(見(jiàn)圖8)直觀地看到指示燈的亮滅來(lái)判斷。與此同時(shí),鑰匙端的控制信息數(shù)據(jù)也可以通過(guò)在IAR環(huán)境中直接比對(duì)數(shù)組數(shù)據(jù),從而驗(yàn)證通信協(xié)議是否實(shí)現(xiàn)。

    圖10為在調(diào)試過(guò)程中使用的藍(lán)牙通信信息數(shù)據(jù)捕捉工具Sniffer,通過(guò)Sniffer可以直接查看鑰匙端及手機(jī)端控制命令數(shù)據(jù)或者模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的藍(lán)牙模塊所發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)信息,從而有效驗(yàn)證了三方通信協(xié)議的一致性[10]。

    4.4 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試

    通過(guò)以上系統(tǒng)測(cè)試,將模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制板安裝在模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)和某品牌真車上進(jìn)行操作,結(jié)合手機(jī)應(yīng)用軟件及汽車鑰匙聯(lián)合調(diào)試,實(shí)驗(yàn)如圖11所示。運(yùn)行結(jié)果表明,文中設(shè)計(jì)的低功耗藍(lán)牙汽車鑰匙平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)三方通信功能,手機(jī)應(yīng)用軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車的遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)信息監(jiān)測(cè),手機(jī)端能夠搜索到鑰匙發(fā)送的廣播認(rèn)證信息并通過(guò)認(rèn)證,手機(jī)端可以作為主站模式,實(shí)現(xiàn)車門(mén)、車窗、車燈、遠(yuǎn)程啟動(dòng)等的控制功能,同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)汽車的狀態(tài)信息,信息顯示結(jié)果與實(shí)際操作內(nèi)容相同。

    經(jīng)實(shí)際真車測(cè)試,在空曠場(chǎng)地,手機(jī)、鑰匙與CC2541的最遠(yuǎn)通信距離為15 m,通過(guò)優(yōu)化天線和增加藍(lán)牙自省功耗設(shè)置,可以適當(dāng)增加通信距離,基本滿足了日常使用需求。

    在沒(méi)有汽車鑰匙的情況的下,僅僅通過(guò)手機(jī)就能完成控制汽車與獲取車輛信息的操作。同時(shí),系統(tǒng)使用了基于藍(lán)牙4.0的芯片CC2541,設(shè)備的功耗大大降低,很適合像車輛這樣不易更換,不經(jīng)常維修的設(shè)備。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,構(gòu)建的藍(lán)牙控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快,損耗和制造成本低,具有較為潛在的應(yīng)用價(jià)值。

    5 結(jié) 語(yǔ)

    本文在汽車智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出并設(shè)計(jì)了一種低功耗內(nèi)嵌藍(lán)牙4.0汽車鑰匙系統(tǒng),并完成了模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控板功能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證、手機(jī)應(yīng)用軟件測(cè)試、鑰匙與模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)藍(lán)牙模塊通信測(cè)試、汽車鑰匙平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試等一系列實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)際結(jié)果運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明,該設(shè)計(jì)方案測(cè)試效果較好,可行性強(qiáng)。

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