ZigBee傳輸技術(shù)發(fā)展和建立教室照明燈智能控制系統(tǒng)

劉博達(dá)

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ZigBee傳輸技術(shù)發(fā)展和建立教室照明燈智能控制系統(tǒng)

劉博達(dá)

電費(fèi)是學(xué)校必不可少的費(fèi)用支出，各個(gè)學(xué)校都存在電能浪費(fèi)現(xiàn)象，教室內(nèi)照明燈電能浪費(fèi)尤其嚴(yán)重，高等學(xué)校教室內(nèi)出現(xiàn)“燈比人多”的現(xiàn)象比比皆是；節(jié)約能源，減少支出，實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)照明燈人性化管理必須納入學(xué)?！肮?jié)源開(kāi)流”日程之內(nèi)，建立zigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸教室照明燈智能控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。為了有效節(jié)約學(xué)校教室照明燈用電浪費(fèi)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的121（ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)控制的教室照明燈智能系統(tǒng)，通過(guò)人數(shù)采集器統(tǒng)計(jì)教室內(nèi)區(qū)域的人數(shù)，利用光敏傳感器模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室光照亮度的檢測(cè)調(diào)節(jié)，滿足了教室內(nèi)照明燈需求的前提下成功地避免了不必要的照明燈電能的損耗。

ZigBee無(wú)線傳感器 人數(shù)采集器 光敏傳感器 照明燈智能控制系統(tǒng)

1　引言

電費(fèi)是高等院校必不可少的費(fèi)用支出，各個(gè)學(xué)校都存在電能浪費(fèi)現(xiàn)象，教室內(nèi)照明燈電能浪費(fèi)尤其嚴(yán)重，即使教室無(wú)人或人數(shù)稀少時(shí)室內(nèi)照明燈也全 部打開(kāi)，高等學(xué)校教室內(nèi)出現(xiàn)“燈比人多”的現(xiàn)象比比皆是；大多數(shù)大學(xué)生習(xí)慣于一進(jìn)教室就開(kāi)燈、走時(shí)也不隨時(shí)關(guān)燈，教室內(nèi)電費(fèi)支出不在學(xué)生考慮范圍內(nèi)，學(xué)生們沒(méi)有節(jié)約能源的意識(shí)，在陽(yáng)光明媚的白天照亮不無(wú)：節(jié)約能源，減少支出，實(shí)現(xiàn)教室照明燈人性化管理必須納入學(xué)?！肮?jié)源開(kāi)流”日程之內(nèi)，基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展建立一套教室內(nèi)照明燈智能控制系統(tǒng)也勢(shì)在必然。

2　ZigBee 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與其他無(wú)線傳輸技術(shù)比較優(yōu)勢(shì)

2.1ZigBee 無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)展

ZigBee聯(lián)盟于2001年8月成立。2004年， ZigBee聯(lián)盟推出了ZigBee Speci f ication規(guī)范。為工業(yè)界統(tǒng)一了基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的網(wǎng)絡(luò)層和 應(yīng)用層規(guī)范。 ZigBee是一種低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)（Low Rate Wireless Personal Network）具有近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 ZigBee具備的優(yōu)點(diǎn)：超大的網(wǎng)絡(luò)容量.靈活的工作頻段，安全的數(shù)據(jù)傳輸，較低的系統(tǒng)成本，靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和極低的系統(tǒng)功耗。ZigBee傳輸技術(shù)的缺點(diǎn)：低速率，傳輸速率上限僅為250Kbps。 目前在標(biāo)準(zhǔn)眾多的短距離無(wú)線傳輸領(lǐng)域，ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展速度已經(jīng)超越了藍(lán)牙、紅外線傳輸?shù)葻o(wú)線技術(shù)，ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事，環(huán)境，醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域都具有極高的應(yīng)用價(jià)值，未來(lái)其應(yīng)用更將擴(kuò)展到人類(lèi)日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的很多領(lǐng)域：因此在ZigBee技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展形勢(shì)下，建立ZigBee照明燈節(jié)能智能 控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2ZigBee 與其他無(wú)線傳輸技術(shù)比較優(yōu)勢(shì)

隨著無(wú)線技術(shù)的日益發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) （wireless sensor network，WSN）已經(jīng)成為重要的研究領(lǐng)域，無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越被各行各業(yè)所接受；國(guó)際上開(kāi)展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果，其中短距離無(wú)線通信技術(shù)各具特色，無(wú)線通信短距離傳輸技術(shù)比較成熟完善、普遍接受的有Bluetooth、Wi—Fi、Inf ra-red Data（IrDA）、ZigBee等。

2.2.1Bluetooth

Bluetooth是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，傳輸距離為10米之內(nèi)，可以用在移動(dòng)電話、無(wú)線耳機(jī)、PDA以及電腦等多種設(shè)備之間的無(wú)線信息之間的交換。Bluetooth Technology技術(shù)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是全球可免費(fèi)使用，規(guī)格相同。Bluetooth Technology使用的2.4GHz的波段運(yùn)行，頻道采用23.79個(gè)頻道間隔為1MHz的時(shí)分雙工方式： 使用Bluetooth Technology不需要支付任何費(fèi)用，只需要向手機(jī)供應(yīng)商注冊(cè)使用的CDMA或GSM。

二是Bluetooth Technology是低功耗、低成本及小體積的無(wú)線傳輸設(shè)備，可以應(yīng)用到極微小的設(shè)備中。

三是Bluetooth Technology易于安裝和使用。 Bluetooth Technology是一項(xiàng)即時(shí)技術(shù)，不要求固定設(shè)施，可以隨身攜帶個(gè)人局域網(wǎng)，也可以連接其他網(wǎng)絡(luò)。

四是藍(lán)牙設(shè)備組網(wǎng)靈活，提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線連接基于TDMA原理組網(wǎng)，它的數(shù)據(jù)速率可達(dá)1Mbps。

五是Bluetooth Technology系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力。由于Bluetooth Technology采用跳頻速率為1 600/秒，使得藍(lán)牙系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力。

2.2.2Wj-Fi

Wi—Fi（Wireless—Fidel i ty）是一個(gè)高頻無(wú)線電信號(hào)，具有無(wú)線保真技術(shù)的功能，可以將個(gè)人電腦、手機(jī)、PAD等終端以無(wú)線方式互相連接，其目的改善基于 IEEE802.1l標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。

Wi—Fi的主要功能是使用IEEE 802.1lb或802.1la 無(wú)線電技術(shù)提供安全、可靠、快速的無(wú)線連通性。 wi—Fi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率可達(dá)1 1Mbps一300Mbps，信號(hào)發(fā)射功率低于1 00mw，低于手機(jī)發(fā)射功率，信號(hào)傳輸范圍100m。

Wi—Fi最主要優(yōu)勢(shì)：不受有線線路的制約，使用范圍廣泛。廠商只要在公共場(chǎng)所人員比較密集的場(chǎng) 所設(shè)置“熱點(diǎn)”就可以，用戶只要把支持無(wú)線保真的 電腦、PDA、手機(jī)等帶到“熱點(diǎn)”區(qū)域，即可上網(wǎng)。

看客這一生態(tài)共同體只有圍觀起哄的“精神”，此外絕無(wú)任何價(jià)值可言。它創(chuàng)建出的集體人格，扭曲變形、丑陋不堪。而“文化”之所以能稱(chēng)其為“文化”，亦必是“人類(lèi)之間進(jìn)行交流的普遍認(rèn)可的一種能夠傳承的意識(shí)形態(tài)”?！翱纯臀幕辈豢赡芤膊粦?yīng)該成為傳承下去的意識(shí)形態(tài)，因?yàn)?，我們想消滅還唯恐不及（雖然這種意識(shí)形態(tài)延續(xù)了千年，一直沒(méi)有消滅）！

wi—Fi的弊端：Wi—Fi無(wú)線電波易受干擾，資料包被截取的可能性高。

2.2.3Inf ra—red Data（IrDA）

IrDA是1993年由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（Inf ra—red Data Association，IrDA）研究的利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)通信的短距離的無(wú)線傳輸技術(shù)，屬于無(wú)線局域網(wǎng)傳輸方式之一。

IrDA使用也不受?chē)?guó)家無(wú)線管理委員會(huì)的限制，其硬件和軟件技術(shù)比較成熟?，F(xiàn)在的紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)為IRDA 1.0，簡(jiǎn)稱(chēng)SIR（Serial Inf rared）t81，它是基于HP.SIR開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種異步的、半雙工的紅外通信方式，它同其它無(wú)線傳輸技術(shù)一樣省去了線路連接，主要用于手提電腦、無(wú)線遙控器、無(wú)線游戲終端、移動(dòng)電話、計(jì)算器、無(wú)線工業(yè)儀表、無(wú)線數(shù)碼播放器以及打印機(jī)之類(lèi)的辦公設(shè)備等等。

Inf ra—red Data技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)有三個(gè)方面： 一是利用Inf ra—red Data傳輸不需要申請(qǐng)?zhí)囟l率使用執(zhí)照。二是體積小、功率低、耗電量低。三是紅外數(shù)據(jù)傳輸所受干擾較少，適合于家庭和辦公室使用，傳輸速率較高，速率可以達(dá)到16mb/s。

Inf ra.red Data傳輸弊端：傳輸距離很短，傳輸?shù)木€路必須為直線，中間不能有阻擋物。

2.2.4ZigBee，Bluetooth，Wi—Fi，IrDA無(wú)線傳輸技術(shù)性能比較

綜上分析可知，無(wú)論是ZigBee、Bluethooth、Wi.Fi以及IrDA技術(shù)，它們都具有各自的特點(diǎn)，適用在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，它們之間存在著相互競(jìng)爭(zhēng)、相互補(bǔ)充的關(guān)系，誰(shuí)也不能完全替代另外一種。為了更加直觀的表述和比較短距離無(wú)線通信技術(shù)的性能，作者整理了藍(lán)牙、wi—Fi、IrDA和ZigBee四種無(wú)線傳輸技術(shù)性能。

Bluetooth的工作頻段最小（820rim），其次是IrDA（980nm）。zigBee傳輸速率高于 Bluetooth平HIrDA兩種短距離傳輸速率，次于wi-Fi的 傳輸速率。ZigBee的通信距離最長(zhǎng)（10m一300m），IrDA通信距離最短（0.2m.10m）。功率消耗最小的是IrDA（低于10mw），其次是ZigBee（最大功率消耗30mW）。連接設(shè)備數(shù)ZigBee最多，節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以高 達(dá)65536個(gè)，IrDA連接設(shè)備數(shù)只有2個(gè)，即點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)接。設(shè)備安裝成本IrDA最小，安裝成本低于55；其次是ZigBee的安裝成本低于105：wi—Fi的安裝成本最高，要求較高的安裝成本可達(dá)600$。ZigBee、 Wi-Fi和IrDA短距離無(wú)線局域網(wǎng)都屬于數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型，Bluetooth技術(shù)傳輸屬于語(yǔ)音型。

綜上分析可知，ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)在傳輸速率、通信距離和連接設(shè)備數(shù)量上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，功率耗能和使用成本低于藍(lán)牙fHwi—Fi設(shè)備，是建立學(xué)校教室和自習(xí)室照明燈節(jié)能智能控制系統(tǒng)理想的設(shè)備。

基于zigBee無(wú)線傳輸技術(shù)建立教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)

可以看到，ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、適宜安裝使用場(chǎng)合的特性，建立學(xué)校教室照明燈智能控制系統(tǒng)，實(shí)施節(jié)能型校園是可行的。

3　ZigBee 無(wú)線傳輸教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于IEEE802.15.4協(xié)議而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能。它支持三種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型：星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。ZigBee簇狀結(jié)構(gòu)則綜合了以上兩種網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的特點(diǎn)，這種組網(wǎng)通常會(huì)使Zigbee網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效、可靠。而學(xué)校教室和自習(xí)室的照明燈設(shè)備的節(jié)能智能控制系統(tǒng)只能建立在ZigBee星型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。

基于ZigBee設(shè)備多節(jié)點(diǎn)和星狀結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，設(shè)想在每棟教學(xué)樓安裝一臺(tái)電腦控制中心，控制中心安裝有協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的指揮中樞，每層樓設(shè)定幾個(gè)路由器作為數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)站，每個(gè)教室作為一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee模塊從協(xié)調(diào)器自動(dòng)獲得16位的地址信息，自行初始化并加入網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò)中的成員。

4　zigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸教室照明智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)教室照明節(jié)能智能控制可以從兩個(gè)方面考慮：一是在不影響正常使用的前提下減少教室燈具的損耗；二是降低節(jié)能系統(tǒng)本身的功耗。zigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)正好滿足以上兩個(gè)條件，具有低功耗和傳輸及時(shí)的功能。本系統(tǒng)選用超低功耗的單片機(jī)，電源電路使用LM2596開(kāi)關(guān)電源模塊，燈光驅(qū)動(dòng)器使用無(wú)線圈觸點(diǎn)的固態(tài)繼電器，激光傳感器使教室照明燈實(shí)現(xiàn)智能化控制，使教室照明燈開(kāi)啟的數(shù)量隨著人數(shù)的變化而變化。教室照明燈安裝激光傳感器的功能主要有三個(gè)方面：（1）當(dāng)沒(méi)有人在教室時(shí)，燈具全部關(guān)閉；（2）當(dāng)教室有人時(shí)開(kāi)啟適當(dāng)?shù)臒?數(shù)；（3）白天光照較強(qiáng)，無(wú)需亮燈，光敏傳感器可以 檢測(cè)教室內(nèi)的光亮強(qiáng)度，當(dāng)光照充足時(shí)自動(dòng)關(guān)閉教室內(nèi)的照明燈具?；谏鲜龇治觯瑉igBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸教室照明 節(jié)能智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由結(jié)點(diǎn)和教室終端節(jié)點(diǎn)組成；ZigBee協(xié)調(diào)器自動(dòng)獲得 16位的地址信息，自行初始化并加入網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò) 中的成員。通過(guò)光電傳感器判斷教室內(nèi)是否有人，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)度的檢測(cè)判斷教室內(nèi)的缺光程度，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將這些信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)依據(jù)設(shè)定算法采取適當(dāng)?shù)臎Q策控制教室內(nèi)的燈具，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)燈具的智能控制。

教室照明節(jié)能智能控制硬件主要由 LPC2103微處理器、LCD液晶顯示器、可中斷鍵盤(pán)、 ZigBee無(wú)線傳輸模塊、MSP430單片機(jī)、人數(shù)采集器、光敏傳感器和燈光驅(qū)動(dòng)器八個(gè)部分組成。其中，由于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作量較大，可以選擇嵌入式LPC2103微處理器作為主控制器。LPC2103是NXP公司基于 ARM7TDMI—S的微處理器推出的新產(chǎn)品，特別適用于低功耗控制場(chǎng)合。其工作程序是：終端結(jié)點(diǎn)、路由結(jié)點(diǎn)通過(guò)人數(shù)采集器檢測(cè)教室內(nèi)是否有人以及人數(shù)，光電傳感器判斷檢測(cè)教室內(nèi)的光線強(qiáng)弱，通過(guò) ZigBee將這些信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)依據(jù)設(shè)定好的算法采取適當(dāng)?shù)臎Q策控制教室內(nèi)照明燈開(kāi)啟盞數(shù)，實(shí)現(xiàn)了教室內(nèi)照明燈的智能控制。

5　ZigBeJij 線網(wǎng)絡(luò)教室照明智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee無(wú)線傳輸教室照明燈智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要考慮的是教室人數(shù)統(tǒng)計(jì)、教室光線強(qiáng)度測(cè)量、節(jié)點(diǎn)之間傳輸和教室照明燈開(kāi)啟、關(guān)閉的數(shù)量智能控制。與傳統(tǒng)的教室照明設(shè)備相比較，ZigBee系統(tǒng)主要使用了低功耗單片機(jī)，控制系統(tǒng)自身的功耗可大幅降低；實(shí)現(xiàn)了CRC算法，提供了數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤檢查，并提高了系統(tǒng)的可靠性：同時(shí)還使用了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，CC2530內(nèi)嵌的協(xié)議棧使得路由數(shù)據(jù)包成為了可能，為學(xué)校教學(xué)樓群的統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造了條件。

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在完成硬件初始化后，進(jìn)入輪詢(xún)狀態(tài)，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)，先做CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)正確則解析相應(yīng)的命令：一是到了關(guān)燈時(shí)間系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)燈。二是不到關(guān)燈時(shí)間，光敏傳感器將通過(guò)智能控制器發(fā)送指令開(kāi)啟教室照明燈：如果人數(shù)采集器沒(méi)有采集到人數(shù)，時(shí)鐘控制器將延遲5分鐘關(guān)閉教室內(nèi)照明燈開(kāi)關(guān)：如果教室內(nèi)有人，人數(shù)采集器和光敏傳感器同時(shí)工作：光敏傳感器檢測(cè)教室內(nèi)光的強(qiáng)度、人數(shù)采集器采集教室內(nèi)的人數(shù)，通過(guò)單片機(jī) MSP430控制繼電器打開(kāi)教室照明燈設(shè)備，使電磁鐵工作，ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和教室終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào)，依據(jù)指令開(kāi)啟或關(guān)閉教室內(nèi)照明燈盞數(shù)。

6　教室照明燈智能控制系統(tǒng)安裝

一般學(xué)校標(biāo)準(zhǔn)教室80平方米左右，78—80個(gè)座位，21根40瓦的照明燈管（其中，講臺(tái)3根燈管，學(xué)生座位18根燈管：兩兩并聯(lián)，三三串聯(lián)）。講臺(tái)3 根燈管各自有獨(dú)自的開(kāi)關(guān)，教師根據(jù)上課需要開(kāi)啟講臺(tái)照明燈盞數(shù)。學(xué)生座位上的18根9組燈管開(kāi)啟采 NZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸智能控制系統(tǒng)：將教室分為9個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)都安裝人數(shù)采集器；一個(gè)教室安裝一個(gè)光敏傳感器，一個(gè)照明系統(tǒng)和一個(gè)單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)教室照明燈智能控制系統(tǒng)。

7　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的以ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)控制的教室照明燈智能系統(tǒng)，通過(guò)人數(shù)采集器統(tǒng)計(jì)教室內(nèi)區(qū)域的人數(shù)，利用光敏傳感器模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室光照亮度的檢測(cè)調(diào)節(jié)，滿足了教室內(nèi)照明燈需求的前提下成功地避免了不必要的照明燈電能的損耗。經(jīng)測(cè)試，ZigBee無(wú)線傳輸教室照明燈智能控制系統(tǒng)很大程度上節(jié)約電源，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能性，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校教室內(nèi)照明燈控制系統(tǒng)的信息化、 智能化。隨著學(xué)校招生人數(shù)的不斷擴(kuò)展，各個(gè)學(xué)校的教學(xué)樓、自習(xí)室、實(shí)驗(yàn)室、圖書(shū)館不斷增加，電費(fèi)支出逐年增長(zhǎng)，節(jié)約能源減少電費(fèi)支出已經(jīng)列上學(xué)校的議事日程；隨著ZigBee技術(shù)的廣泛應(yīng)用，建立以zigBee無(wú)線傳輸教室照明智能控制系統(tǒng)的成本也會(huì)因ZigBee技術(shù)的日趨成熟而不斷降低。

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