大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，

(1.華南理工大學(xué) 公共管理學(xué)院，廣州 510640; 2.華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510631)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，噪聲遠(yuǎn)程控制技術(shù)在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)、管理、教學(xué)和科研等各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，也越來越受到人們的重視[1-2]。特別是大型設(shè)備的噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還存在一些問題，導(dǎo)致設(shè)備利用率較低[3-5]。為解決上述問題，本文提出了一種大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方。該方法通過相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的噪聲遠(yuǎn)程控制。

為了使設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)更好的應(yīng)用，需要對設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析和研究[6-7]。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于電力線載波的設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的主機(jī)上設(shè)有控制界面，該控制界面可以對從站點(diǎn)的電源進(jìn)行控制，系統(tǒng)的主站點(diǎn)采用的是STC12C5A08S3單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了從站點(diǎn)和監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室主機(jī)之間的信息傳送。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備電源的通斷，該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定，但實(shí)際操作較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于NCSLab 3D的設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將NCSLab 3D技術(shù)與噪聲遠(yuǎn)程控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室的噪聲遠(yuǎn)程控制，該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的共享，但存在系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于ASP.NET技術(shù)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法通過無線通信技術(shù)將設(shè)備的信息傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息傳送到實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)，該方法基于B/S模式并利用ASPNET技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的傳輸，用戶可以通過系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但該系統(tǒng)的成本較高。

根據(jù)設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中存在的操作過程復(fù)雜、系統(tǒng)不穩(wěn)定和成本較高等問題，提出了一種大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由RFID模塊、MFRC522信息采集模塊、開關(guān)量采集模塊和動作執(zhí)行模塊構(gòu)成，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的噪聲遠(yuǎn)程控制平臺以數(shù)據(jù)庫為核心，系統(tǒng)RFID模塊對設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，收集設(shè)備的信息，并將信息按類別分類，MFRC522信息采集模塊中發(fā)送器可以通過讀寫器發(fā)送的電磁波信號與Mifare卡進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳遞，接收器的功能是接受Mifare卡信號并對信號進(jìn)行處理，開關(guān)量采集模塊對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，動作執(zhí)行模塊采用HK4100F繼電器根據(jù)監(jiān)控終端設(shè)置決策控制裝備，保護(hù)了大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備系統(tǒng)RFID模塊設(shè)計(jì)

RFID模塊由數(shù)據(jù)管理模塊、電子標(biāo)簽?zāi)K和讀寫器模塊3個(gè)部分組成。讀寫器在RFID模塊中占有重要地位，讀寫器在系統(tǒng)中的發(fā)射功率和工作頻率決定了電子標(biāo)簽的識別范圍和工作頻率。讀寫器是RFID模塊中數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，收集實(shí)驗(yàn)室噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理模塊通過讀寫器將設(shè)備的信息數(shù)據(jù)傳送到電子標(biāo)簽?zāi)K，設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過天線發(fā)送電磁波信號，周圍的電子標(biāo)簽接收電磁波信息并為系統(tǒng)提供能量，向讀寫器傳送數(shù)據(jù)或接收讀寫器傳達(dá)的命令。讀寫器具有防沖撞功能，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)識別設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)天線覆蓋內(nèi)所有電子標(biāo)簽的功能，而且電子標(biāo)簽在傳出數(shù)據(jù)時(shí)比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)碰撞的問題。讀寫器可以實(shí)現(xiàn)與電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通訊，通過網(wǎng)關(guān)將采集到的信息傳動到數(shù)據(jù)管理模塊。電子標(biāo)簽由儲存模塊、控制模塊、射頻收發(fā)模塊和天線模塊構(gòu)成，電子標(biāo)簽的內(nèi)部儲存了需要識別物體的數(shù)據(jù)信息，并以電磁波的傳輸形式將數(shù)據(jù)傳送到讀寫器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換功能。RFID模塊中的電子標(biāo)簽可以根據(jù)不同情況分為無源型標(biāo)簽、高頻型標(biāo)簽、被動型標(biāo)簽和可讀寫型標(biāo)簽等。這些標(biāo)簽的內(nèi)部都沒有電源，是通過讀寫器天線中電磁波提供的能量進(jìn)行工作的。數(shù)據(jù)管理模塊的功能是對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的查詢、顯示和儲存等工作，數(shù)據(jù)管理模塊將RFID模塊中的數(shù)據(jù)傳送到終點(diǎn)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中電子標(biāo)簽信息的管理，并具有標(biāo)簽安全功能和讀寫控制功能。大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的RFID模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)RFID模塊設(shè)計(jì)圖

2.2 噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)MFRC522信息采集模塊設(shè)計(jì)

MFRC522信息采集模塊是由高度集成的非接觸式讀寫芯片構(gòu)成的，具有體積小、低電壓和低成本的特點(diǎn)。MFRC522信息采集模塊主要由接收器和發(fā)送器組成，發(fā)送器可以通過讀寫器發(fā)出的電磁波信號與Mifare卡進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳遞。接收器的功能是接收Mifare卡信號并對信號進(jìn)行處理，為系統(tǒng)提供了一個(gè)具有譯碼和解調(diào)的電路。大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)MFRC522信息采集模塊的電路如圖3所示。

圖3 噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)MFRC522信息采集模塊電路圖

2.3 設(shè)備系統(tǒng)開關(guān)量采集模塊設(shè)計(jì)

大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開關(guān)量采集模塊是使用電流互感器采集系統(tǒng)運(yùn)行或關(guān)閉時(shí)流過系統(tǒng)電源線的電流信號，并對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷的。開關(guān)采集模塊中采用的是HCT502-A電流互感器，具有過載能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間快、頻帶寬、低溫漂、體積小和精度高等特點(diǎn)。大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)開關(guān)量采集模塊原理如圖4所示。

圖4 設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)開關(guān)量采集模塊原理圖

2.4 系統(tǒng)動作執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的動作執(zhí)行模塊不僅需要采集各個(gè)模塊中的相關(guān)信息，而且要根據(jù)監(jiān)控終端設(shè)置決策控制裝備。動作執(zhí)行模塊采用HK4100F繼電器，HK4100F繼電器中的觸電負(fù)載定額參數(shù)為2A240VAC，繼電器的線圈與觸點(diǎn)之間的耐壓為4 500 VAC/分鐘、繼電器的觸點(diǎn)與觸點(diǎn)之間的耐壓為750 VAC/分鐘，大型設(shè)備遠(yuǎn)程系統(tǒng)動作執(zhí)行模塊中的HK4100F繼電器電路如圖5所示。

圖5 動作執(zhí)行模塊中HK4100F繼電器電路圖

動作執(zhí)行模塊中HK4100F繼電器是一種動合型的繼電器，當(dāng)繼電器線圈兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，繼電器的常開觸點(diǎn)為閉合狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的電源為接通狀態(tài)。當(dāng)繼電器的常開觸點(diǎn)為開啟狀態(tài)時(shí)，將設(shè)備的電源斷開，起到設(shè)備中電路轉(zhuǎn)換的作用。將系統(tǒng)的采集終端與240V交流電隔離時(shí)，能對大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)起到保護(hù)作用。大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的繼電器線圈串聯(lián)在電源的回路中，系統(tǒng)的輸入端與P0.1接口相連。

吸附材料上還存在著3點(diǎn)不足：（1）重金屬的吸附有限制條件，比如溫度、pH值的不同，對重金屬的吸附都有影響，中藥材的水煎液大都為中性，會對材料的官能團(tuán)有限制。（2）中藥材里重金屬的種類較多，且都是微量存在，但脫除材料對于金屬的吸附有選擇性，現(xiàn)有的天然材料已不能滿足吸附效果，應(yīng)針對不同的重金屬加以結(jié)構(gòu)修飾改造，以便提高重金屬的吸附率。（3）中藥材里的基質(zhì)成分復(fù)雜，需要注意脫除過程中吸附材料對有效成分的影響，可以根據(jù)不同藥物的性質(zhì)及主要含量選用不同的材料。同時(shí)也可以將幾種方法與吸附材料結(jié)合使用，相互補(bǔ)足。

3 大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸算法能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備的噪聲遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主機(jī)和設(shè)備信息的數(shù)據(jù)共享，達(dá)到最佳控制性能，并有效的應(yīng)用于大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中。

噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在接收信息和發(fā)送信息的過程中存在射頻信號對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信號覆蓋，設(shè)設(shè)備中簇頭節(jié)點(diǎn)在接收大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)，大小為L的設(shè)備數(shù)據(jù)分組成功匯聚的概率為μ，其中大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸CH節(jié)點(diǎn)為k個(gè)，設(shè)備中CH節(jié)點(diǎn)覆蓋數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的概率為α，計(jì)算公式如下所示：

μ=αk(1-α)1-K

(1)

當(dāng)設(shè)備中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)較多時(shí)，該節(jié)點(diǎn)存在多條數(shù)據(jù)流，大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分組都具有一定的延時(shí)t，在該設(shè)備的數(shù)據(jù)分組內(nèi)的生命周期為T，根據(jù)公式(1)可得到t的計(jì)算公式：

t=μT=Tαk(1-α)1-K

(2)

在大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中不同時(shí)間的數(shù)據(jù)分組的長度都是不同的。設(shè)設(shè)備中數(shù)據(jù)分組長度為L時(shí)傳輸成功率為Li，設(shè)備的簇頭節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組的長度平均為η，計(jì)算公式如下：

(3)

在大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的每次數(shù)據(jù)傳輸周期內(nèi)，設(shè)備的節(jié)點(diǎn)寬帶為C，系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)需要分配的數(shù)據(jù)要滿足Lmin，Lmin的計(jì)算公式如下：

(4)

在大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，降低設(shè)備簇頭節(jié)點(diǎn)的緩存壓力，減少因數(shù)據(jù)緩存導(dǎo)致大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸無法正常運(yùn)行，保障了大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

1)分別采用本文方法與文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法進(jìn)行大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的性能測試，對3種方法進(jìn)行系統(tǒng)的階躍響應(yīng)對比。

2)分別在不同信號強(qiáng)度下進(jìn)行大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)傳輸大小不同數(shù)據(jù)的測試。

3)分別采用本文方法與文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[10]方法進(jìn)行大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的測試。

本實(shí)驗(yàn)在北京某大學(xué)完成，主控的操作系統(tǒng)為windows2003的主機(jī)，CPU為P42.9 GHz，硬盤容量為45 GB，物理內(nèi)存為2GB。以北京某大學(xué)的大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備控制系統(tǒng)為模型。分別采用本文方法和文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]方法進(jìn)行大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的性能測試，將3種不同的方法進(jìn)行大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(%)對比，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 3種不同方法的系統(tǒng)階躍響應(yīng)對比圖

分析圖6可知，本文方法的階躍響應(yīng)要優(yōu)于文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法，在相同的時(shí)間內(nèi)本文方法的輸出量比文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]的輸出量高。文獻(xiàn)[8]方法采用的是STC12C5A08S3單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)從站點(diǎn)和監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室主機(jī)之間的信息傳送，系統(tǒng)的從站點(diǎn)采用AT89S53單片機(jī)對設(shè)備的操作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備電源的通斷。文獻(xiàn)[9]方法采用NCSLab 3D技術(shù)與噪聲遠(yuǎn)程控制技術(shù)相結(jié)合，通過數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)集成和實(shí)驗(yàn)三維建模等步驟，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室的噪聲遠(yuǎn)程控制，文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法在一定時(shí)間內(nèi)設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的輸出量較低。本文方法采用MFRC522信息采集模塊，MFRC522信息采集模塊的發(fā)送器可以通過讀寫器發(fā)送的電磁波信號與Mifare卡進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳遞，接收器的功能是接收Mifare卡信號并對信號進(jìn)行處理，使系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)的輸出量增加，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)較好。

為了檢測大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的有效性和可靠性，分別在設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的不同信號強(qiáng)度下進(jìn)行傳輸大小不同數(shù)據(jù)的測試。測試結(jié)果如表2所示。表中最大強(qiáng)度的信號用6表示，其次是5，沒有信號時(shí)用0表示。

表2 不同信號強(qiáng)度下傳輸不同數(shù)據(jù)的測試結(jié)果

分析表2可知，當(dāng)大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量較好時(shí)，數(shù)據(jù)輸出速度較快，而且沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀傳的問題，設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的錯(cuò)誤率較低，數(shù)據(jù)傳輸所用的時(shí)間少、效率高。當(dāng)大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量較差時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣容^慢，而且設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)隨著信號強(qiáng)度減弱而增多。只有當(dāng)信號強(qiáng)度為2時(shí)，大型設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量很差出現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸失敗的現(xiàn)象。通過測試可知該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸較為可靠，可滿足用戶實(shí)際應(yīng)用中的需要。

分別采用本文方法和文獻(xiàn)[8]方法、文獻(xiàn)[10]方法進(jìn)行大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的性能能測試，將3種不同的方法進(jìn)行大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差(%)對比，穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)從一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)過度到一個(gè)嶄新的狀態(tài)，或系統(tǒng)受到干擾后回歸平衡后，系統(tǒng)出現(xiàn)的誤差。對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種方法的穩(wěn)態(tài)誤差對比

分析圖7可知，本文方法的穩(wěn)態(tài)誤差要低于文件[8]方法和文獻(xiàn)[10]方法，因?yàn)楸疚姆椒ㄖ械拈_關(guān)采集模塊中采用的是HCT502-A電流互感器，采集系統(tǒng)運(yùn)行或關(guān)閉時(shí)流過系統(tǒng)電源線的電流信號，降低了大型設(shè)備控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，保障了系統(tǒng)安全有效的運(yùn)行。

圖8 設(shè)備噪聲控制前后對比

由圖8可看出，在噪聲控制之前設(shè)備噪聲明顯高于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的噪聲標(biāo)準(zhǔn)值，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對其進(jìn)行噪聲遠(yuǎn)程控制，噪聲得到了高效治理。通過以上實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論，通過本文方法設(shè)計(jì)出的大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)實(shí)要求，具有很好的實(shí)用性，控制效果明顯。

5 結(jié)論

本文通過對國內(nèi)外大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)存在的一些問題，系統(tǒng)中存在的操作過程復(fù)雜、系統(tǒng)不穩(wěn)定和成本較高。為此提出了大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)驗(yàn)證明該方法的系統(tǒng)階躍響應(yīng)較好、數(shù)據(jù)傳輸較為穩(wěn)定、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較低，保障了大型設(shè)備噪聲遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

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