嵌入式太陽能閘門控制設(shè)備設(shè)計(jì)

王智聞 ，關(guān) 星 ，張曉飛

（1. 湖北楚禹水務(wù)科技有限公司，湖北 荊門 448156；

2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所測控技術(shù)事業(yè)部，湖北 武漢 430079）

0 引言

嵌入式太陽能閘門控制系統(tǒng)（以下簡稱閘控系統(tǒng)）屬于灌區(qū)信息管理平臺的一部分，以“互聯(lián)網(wǎng) + ”的思維，將傳統(tǒng)的閘站改造成為智能、互聯(lián)的新型閘站，使管理者可以隨時(shí)隨地了解閘站的狀態(tài)，精準(zhǔn)控制閘站的閘位。

設(shè)計(jì)的閘控系統(tǒng)定位為精確計(jì)量和精準(zhǔn)控制的農(nóng)田灌溉設(shè)備，被控閘門可以是鑄鐵平板門、弧形門，提升方式可以是液壓式和螺桿式。實(shí)用的閘門寬度為 0.3～1.5 m，適用于地處偏僻且無交流電供電的小型閘門，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，節(jié)能環(huán)保。通過實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，使遠(yuǎn)程控制操作人員對閘門狀態(tài)了如指掌，為遠(yuǎn)程安全精準(zhǔn)控制閘門提供了保障。太陽能閘門控制設(shè)備經(jīng) GPRS 接收控制命令，可通過電腦或被授權(quán)的移動(dòng)設(shè)備（如手機(jī)）隨時(shí)遠(yuǎn)程控制閘門開度，通過太陽能對蓄電池浮充驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)啟閉閘門，控制閘門運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保留手動(dòng)啟閉閘門功能。管理平臺根據(jù)收集到的各種水文數(shù)據(jù)，確定水資源優(yōu)化配置、調(diào)度、控制的不同方案，為水庫、灌區(qū)、河道、渠道供水管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。閘控系統(tǒng)能確保閘門的遠(yuǎn)程合理控制，對防汛抗旱和農(nóng)業(yè)水利自動(dòng)化灌溉有著重要的意義。

1 閘控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閘控系統(tǒng)由以下4個(gè)部分組成：

1）太陽能閘控站。由控制箱、電池箱、電控閘門、串口攝像頭、拉繩式閘位計(jì)、太陽能電池板等設(shè)備組成，可根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境需要接入電磁式、超聲波式流量計(jì)，浮子式、壓力式、超聲波水位計(jì)等傳感器?？刂葡鋬?nèi)包含控制電路、遠(yuǎn)程控制閘門和通訊設(shè)備等。

2）中心站采集監(jiān)控軟件。安裝在管理平臺的前置機(jī)服務(wù)器上，太陽能閘控站通過互聯(lián)網(wǎng)接入到該軟件。

3）Web 管理平臺。安裝在管理中心的 Web 服務(wù)器上，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)使用電腦、手機(jī)或平板訪問 Web 管理平臺，通過該平臺軟件遠(yuǎn)程操控各太陽能閘控站。

4）平臺數(shù)據(jù)庫。安裝在管理平臺的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上（和前置機(jī)服務(wù)器可合二為一），用來存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

閘控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 太陽能閘控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 閘控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

閘控設(shè)備硬件組成如圖2所示，包括主控、電源、無線通信和液晶顯示器（LCD）等模塊，以及傳感器數(shù)據(jù)和圖像采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、限位開關(guān)等接口[1]。

圖2 閘控設(shè)備硬件組成

2.1 閘門控制器的任務(wù)

閘門控制器的任務(wù)如下：

1）采集閘門信息和前后水位及現(xiàn)場情況，可通過閘位、水位等傳感器和攝像頭模塊完成，然后將這些數(shù)據(jù)和圖片在用戶設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送到中心站監(jiān)控軟件。通過閘后水位和堰槽的形狀，可計(jì)算出流量，實(shí)現(xiàn)測流功能。

2）接收中心站采集監(jiān)控軟件遠(yuǎn)程發(fā)來的各種命令，按照預(yù)期目標(biāo)對各個(gè)控制設(shè)備發(fā)出控制信號。

3）通過與工控 LCD 的現(xiàn)場熱插拔連接，可以隨時(shí)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，操作人員在現(xiàn)場控制模式下可以手動(dòng)輸入閘門高度對閘門進(jìn)行控制。

4）數(shù)據(jù)傳輸功能由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?GPRS DTU完成，主要實(shí)現(xiàn)閘門控制器與中心站監(jiān)控軟件之間的對話。為達(dá)到更好的傳輸效果，在網(wǎng)絡(luò)條件好的地區(qū)可以采用 3G/4G DTU。在本設(shè)計(jì)中，GPRS DTU 將閘門控制器采集到的水情、閘位等數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖片發(fā)送到中心站監(jiān)控軟件，同時(shí)要求傳送中心站監(jiān)控軟件給閘門控制器下達(dá)控制指令，使閘門控制和監(jiān)測能形成閉環(huán)。

2.2 閘控設(shè)備的選型

閘門控制器是閘門控制系統(tǒng)中廣泛使用的核心設(shè)備，一般采用 PLC 或 RTU 作為控制器。

PLC 可編程序控制器是為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程[2]。

RTU 一般由行業(yè)專業(yè)公司開發(fā)，針對具體系統(tǒng)的接口能力較強(qiáng)。該裝置具有功耗低，睡眠功能強(qiáng)，集成度高，可靠性高，使用維護(hù)方便，對工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是其他設(shè)備無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。RTU 完成對測量參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、存儲（顯示）和傳輸控制，并通過通信設(shè)備和信道完成數(shù)據(jù)傳輸。

PLC 在閘控系統(tǒng)中最大的問題在于功耗較高，必須引入市電才能較好地實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的運(yùn)行。而在國內(nèi)有很多小渠道并沒有引入市電，如果要加入市電，改造成本會升高。目前低功耗的 RTU 由于ARM 芯片性能的不斷改進(jìn)，運(yùn)算性能和實(shí)時(shí)性都可以得到保障，所以在本設(shè)計(jì)采用 RTU 作為閘控設(shè)備。

2. 3 主控芯片的選用

遠(yuǎn)程控制閘門設(shè)備的主控芯片采用基于 ARM Cortex-M4 內(nèi)核的 32 位微控制器 MK60DN512[3]。ARM Cortex-M4 處理器內(nèi)核是在 Cortex-M3 內(nèi)核基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，性能比 Cortex-M3 提高了 20%，新增加了浮點(diǎn)、DSP（數(shù)字信號處理）、并行計(jì)算等功能，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號處理功能混合的數(shù)字信號控制市場，其高效的信號處理功能可與 Cortex-M 處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。Cortex-M4 的 DSP 性能比 16 位 DSP 芯片好，但不及 32 位 DSP 芯片。Cortex-M4 微控制器的目標(biāo)應(yīng)用包括電機(jī)控制、汽車電子、電源管理、嵌入式音頻及工業(yè)自動(dòng)化，基于該架構(gòu)的 MK60DN512 操作頻率可達(dá) 100 MHz，1.25 DMIPS/ MHz 的 DSP 指令，具有3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線，以及用于外設(shè)的第3條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25 MIPS/MHz，并包含1個(gè)支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指令單元。此外提供豐富的外設(shè)和 10 種低功耗操作模式，通過優(yōu)化外部設(shè)備執(zhí)行和喚醒時(shí)間延長電池壽命，使其非常適用于要求高度集成和低功耗的嵌入式場合。

2.4 傳感器信號接口的設(shè)計(jì)

1）0～5 V 差分信號輸入接口。信號經(jīng)電子開關(guān)，控制每一路的導(dǎo)通，從而將該路模擬信號接入后端的高精度運(yùn)算放大器，進(jìn)行差分放大運(yùn)算，然后由 CPU 的 AD 部分進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，得出該路傳感器的狀態(tài)，輸出相應(yīng)的結(jié)果，可接入閘門開度傳感器[4]。

2）4～20 mA 電流信號接口。電流信號處理電路，內(nèi)部放置高精密度電阻，該電流信號流經(jīng)此高精密度電阻時(shí)，將產(chǎn)生一定的壓降，此時(shí)，放大高精密度電阻兩端的電壓差，由分式可運(yùn)算得出流經(jīng)該高精密度電阻的電流，從而測得外部電流信號的值。可作為采集傳感器數(shù)據(jù)的接口使用。

3）RS-485 通訊接口。由于 RS-485 信號為差分信號，閘控系統(tǒng)使用 MAX3485 芯片與外部信號進(jìn)行通訊，可直接與使用 RS-485 串口輸出的傳感器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，也可作為采集傳感器數(shù)據(jù)的接口使用。

4）RS-232 接口。閘控系統(tǒng)采用 MAX232 芯片完成接口電平的轉(zhuǎn)換，通過 MAX232 芯片可直接與電腦 232 串口或使用 RS-232 串口輸出的傳感器相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3 閘控設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能和工作流程

3.1.1 軟件功能

太陽能閘門監(jiān)控站主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）采集閘門開度、狀態(tài)及上下游水位等各類實(shí)時(shí)參數(shù)與狀態(tài)信號。

2）本地和遠(yuǎn)程控制功能?？蓪⒃O(shè)備設(shè)置為本地和遠(yuǎn)程控制模式。在現(xiàn)場控制模式下，太陽能閘門控制設(shè)備根據(jù)現(xiàn)場顯示屏的設(shè)定值，控制閘門運(yùn)動(dòng)至指定的高度。在遠(yuǎn)程控制模式下，太陽能閘門控制設(shè)備收到中心站軟件下發(fā)的命令，控制閘門運(yùn)動(dòng)至指定的高度。

3）閘門超限保護(hù)功能。當(dāng)閘門到達(dá)上下限位時(shí)，檢測到電流過大時(shí)，閘門運(yùn)行時(shí)間超過設(shè)定限制時(shí)，可自動(dòng)停機(jī)。

4）現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)控功能?？呻S時(shí)召測圖片作為現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)的參考。

3.1.2 工作流程

閘門控制設(shè)備的工作模式分為遠(yuǎn)程控制和本地控制2種互斥的狀態(tài)，只能在現(xiàn)場設(shè)置控制狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備處于現(xiàn)場控制狀態(tài)時(shí)，遠(yuǎn)程對閘門的控制失效，只有遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)的功能；當(dāng)現(xiàn)場將設(shè)備設(shè)置成遠(yuǎn)程控制時(shí)，現(xiàn)場控制上升，下降失效，但可在現(xiàn)場停止閘門。

1）遠(yuǎn)程控制模式狀態(tài)。工作流程如下：

a. 在中心站沒有下發(fā)閘位控制命令，并且閘門無動(dòng)作時(shí)，按照設(shè)定時(shí)間定時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)。如果用戶下發(fā)召測命令，實(shí)時(shí)上報(bào)召測數(shù)據(jù)。

b. 在中心站下發(fā)閘位控制命令后，閘門控制設(shè)備采集當(dāng)前閘位，根據(jù)當(dāng)前閘位與中心站下發(fā)的閘位值進(jìn)行比較控制閘門動(dòng)作。在閘門運(yùn)動(dòng)過程中不執(zhí)行拍照和其他召測指令，每隔 5 s 采集1次閘位、水位和狀態(tài)并上報(bào)中心站，根據(jù)采集到的閘位、上下限判斷閘門是否停止。閘門停止后恢復(fù)定時(shí)上報(bào)功能；如果閘門控制設(shè)備收到停止指令，則立即控制閘門停止。

c. 在工作、閘門、超限等狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，要實(shí)時(shí)上報(bào)1次狀態(tài)、水位、閘位數(shù)據(jù)。

d. 當(dāng)閘門控制設(shè)備檢測到上下限時(shí)，控制閘門停止動(dòng)作。

2）現(xiàn)場控制模式狀態(tài)。工作流程如下：a. 閘門無動(dòng)作時(shí)，與遠(yuǎn)程控制模式相同。

b. 當(dāng)用戶操作閘門動(dòng)作時(shí)，每隔 5 s 采集1次閘位、水位和狀態(tài)數(shù)據(jù)，刷新串口屏幕，不用上報(bào)中心站。閘門動(dòng)作時(shí)不進(jìn)行拍照處理，按照設(shè)置定時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)，此時(shí)遠(yuǎn)程控制狀態(tài)失效。

在遠(yuǎn)程和現(xiàn)場控制2種模式下工作時(shí)，要采取以下保護(hù)措施；在閘門上升、下降操作時(shí)，如閘位在 5 s 內(nèi)沒有變動(dòng)，報(bào)警停機(jī)；如電流過大，報(bào)警停機(jī)；如閘門動(dòng)作超過設(shè)定的時(shí)間，報(bào)警停機(jī)。如果紅外檢測設(shè)備檢測到有人進(jìn)入閘房，閘門控制設(shè)備啟動(dòng)拍照功能，啟動(dòng)閘房內(nèi)攝像頭進(jìn)行拍照。

3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)備軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，軟件功能模塊如圖3所示。嵌入式控制軟件有數(shù)據(jù)采集、閘門控制、拍照流程和人機(jī)交互等功能，這些功能需要用到系統(tǒng)底層的各種硬件驅(qū)動(dòng)程序。

圖3 遠(yuǎn)程閘門控制設(shè)備軟件功能模塊圖

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

本部分實(shí)現(xiàn)對閘門開度，上下游水位、設(shè)備工作電壓、電流等要素的采集。數(shù)據(jù)采集任務(wù)開始時(shí)會對傳感器的電信號接口進(jìn)行初始化，如果閘門控制系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)且沒有動(dòng)作，則按照設(shè)定的采集周期采集傳感器產(chǎn)生的電信號，按照各采集通道配置的公式對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)工程量到要素量的轉(zhuǎn)換[4]。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效就添加時(shí)間標(biāo)簽并存儲，如果達(dá)到上報(bào)條件就將數(shù)據(jù)上報(bào)給中心站，此次數(shù)據(jù)采集結(jié)束。在一次采集完成后，CPU 回到空閑狀態(tài)，如果閘門正在動(dòng)作（上升或下降），或者閘控系統(tǒng)處于現(xiàn)場控制狀態(tài)，則數(shù)據(jù)采集任務(wù)會循環(huán)采集發(fā)送數(shù)據(jù)，直到閘門恢復(fù)遠(yuǎn)程控制狀態(tài)且沒有動(dòng)作。對于閘門開度、上下游水位、設(shè)備工作電壓、電流要素的采集，程序是通過時(shí)間定時(shí)器的方式實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)采集時(shí)間定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到，開始采集的動(dòng)作。對于閘門的狀態(tài)，如上升、下降、停止等信號量是通過中斷的方式檢測的。如果這些狀態(tài)信號量發(fā)生了高低電平的變化被主控芯片檢測到，程序就會記錄這些狀態(tài)。

3.2.2 閘門控制

本部分可實(shí)現(xiàn)對閘門開度的遠(yuǎn)程控制。在閘門控制系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制的狀態(tài)下，中心站下發(fā)設(shè)定的閘門開度（es），此時(shí)閘門控制設(shè)備會檢測當(dāng)前閘門的開度（e）與其比較。如果e＜es，閘控設(shè)備會控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，將閘門拉高，并將循環(huán)檢測e，和es進(jìn)行比較，此時(shí)，如果檢測到e≥es，閘控設(shè)備會控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；如果e＞es，閘控設(shè)備會控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，將閘門拉低，并將循環(huán)檢測e，和es進(jìn)行比較，此時(shí)，如果檢測到e≤e，閘控設(shè)備會控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)es和e的差值在 0.5 mm 的范圍內(nèi)，認(rèn)為無需控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。閘門控制設(shè)備在閘門運(yùn)動(dòng)的過程中需要檢測限位開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)檢測到限位開關(guān)信號發(fā)生變化時(shí)，表明閘門開度已經(jīng)到閘門的限位值，此時(shí)閘門控制設(shè)備會控制電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2.3 拍照流程

在拍照流程的設(shè)計(jì)上有以下2種方案：

1）方案 1。中心站查詢圖片數(shù)據(jù)時(shí)，在設(shè)備收到查詢請求后，連續(xù)發(fā)出多包報(bào)文，中心站如果正確接收全部數(shù)據(jù)包，僅應(yīng)回答1次確認(rèn)報(bào)文；若有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，中心站應(yīng)發(fā)送包括錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包序列號（每包單獨(dú)重發(fā)）的響應(yīng)包，設(shè)備重發(fā)相應(yīng)序列號數(shù)據(jù)包，最多重發(fā)2次。

2）方案 2。中心站發(fā)出查詢請求報(bào)文后，遙測站接收請求報(bào)文正確，應(yīng)發(fā)送響應(yīng)幀；如遙測站接收請求報(bào)文無效，則不響應(yīng)。中心站最多重發(fā)2次，如果還沒有收到設(shè)備的響應(yīng)幀，則這次傳輸失敗[5]。

這2種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案1傳輸速度比較快，但在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不是很好的情況下，容易出現(xiàn)掉包的情況，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳；方案2傳輸比較可靠，每一幀都有應(yīng)答，但傳輸速率比較低，影響客戶體驗(yàn)。對大小為 56 kbyte 的同一張圖片采用2種方案進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測試結(jié)果如表1所示。經(jīng)過對比實(shí)驗(yàn)后，選擇方案 1。

表1 圖像傳輸對比測試數(shù)據(jù)

3.2.4 人機(jī)交互

通過人機(jī)交互功能，操作人員在現(xiàn)場可直接通過現(xiàn)場的工控屏對閘控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的觀察和控制，可觀察到實(shí)時(shí)水位、閘位、流量、各種報(bào)警狀態(tài)，以及控制閘門的升降停動(dòng)作。

工控 LCD 通過 232 串口和 CPU 連接，通過Modbus 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。通過工控 LCD 控制閘門的停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，為保證停止的及時(shí)性，CPU 通過串口中斷及時(shí)采集到工控 LCD 發(fā)出的停止指令，使響應(yīng)時(shí)間控制在1s 以內(nèi)。

3.2.5 功耗控制

由于是太陽能供電，要求在無日照情況下，閘門從全閉到全開再到全閉時(shí)間控制在 30 min 內(nèi)，每天工作2次，可正常運(yùn)行 15 d。按照這個(gè)要求，從閘門尺寸、電機(jī)效率、易維護(hù)和穩(wěn)定可靠角度出發(fā)，配備不同功率的太陽能板和不同數(shù)量的蓄電池，同時(shí)軟件也對設(shè)備本身工作模式、傳感器和攝像頭的供電進(jìn)行優(yōu)化，降低控制設(shè)備的功耗。當(dāng)控制設(shè)備沒有任何外部中斷和操作時(shí)，5 min 后控制設(shè)備進(jìn)入掉電模式，同時(shí)關(guān)閉所有傳感器和攝像頭的電源。如果收到外部的中斷，則激活設(shè)備，恢復(fù)到正常工作模式，并按照收到中斷的類型完成相應(yīng)的流程。如果采集定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到，也激活設(shè)備，并打開傳感器電源，對傳感器信息進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集完成后，關(guān)閉外部供電電源。如果攝像頭定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到，則激活設(shè)備，打開攝像頭電源，進(jìn)行拍照，拍照結(jié)束后，關(guān)閉攝像頭供電電源。

按照設(shè)計(jì)內(nèi)容，測量出的閘門控制設(shè)備靜態(tài)工作電流為 15 mA ，工作電流為 70 mA，工作電壓為12 V；電動(dòng)機(jī)功率為 DC 24 V/300 W。在實(shí)際使用中典型閘門尺寸約為 500 mm ×500 mm。采用2塊DC 12 V 容量為 65 ?h 的蓄電池以串聯(lián)方式作為電源，配備 24 V/100 W 太陽能充電板可在系統(tǒng)要求條件下工作。

4 結(jié)語

基于 MK60DN512 開發(fā)的太陽能閘門控制設(shè)備，可在現(xiàn)場或遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制閘門開度，估算過閘流量，目前已在湖北省多個(gè)灌區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果顯示：該設(shè)備可快速響應(yīng)用水戶需求，大大縮短管水員開閘放水響應(yīng)時(shí)間，減少管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控水。與傳統(tǒng)的 PLC 控制設(shè)備相比，特別適用于閘門數(shù)量多，路途遠(yuǎn)，無市電的環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。如果該設(shè)備采用 3G/4G 的通訊方式，可進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程操作的響應(yīng)速度，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

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