基于微信公眾平臺的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)

摘? 要： 為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)成本高、效率低等問題，本文將微信公眾平臺與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合設(shè)計了基于微信公眾平臺的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送環(huán)境信息的無線、實時、動態(tài)采集，并以新浪云服務(wù)器為媒介，通過移動4 G網(wǎng)絡(luò)與微信服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的實時交互，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)冷鏈配送環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測。測試結(jié)果表明：（1）通過微信公眾平臺使用戶通過微信公眾號實現(xiàn)了環(huán)境溫度、濕度、氣體濃度、光照度的監(jiān)測，以及繼電器的控制;（2）環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)在30 s后便可傳至用戶微信公眾號，傳輸雖有時延但不影響系統(tǒng)的正常使用;（3）系統(tǒng)通過采用休眠、喚醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的鋰電池系統(tǒng)至少可以使用半年以上。該系統(tǒng)具有功耗低、組網(wǎng)靈活、使用方便等的優(yōu)點，能夠較好的滿足農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);微信公眾平臺;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);新浪云服務(wù)器;環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號： TP273? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.010

本文著錄格式：王鈞. 基于微信公眾平臺的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)[J]. 軟件，2019，40（10）：4145

Measurement and Control System of Cold-chain Logistic of

Agricultural Products Based on WeChat Public Number Control

WANG Jun

（College of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

【Abstract】： In order to solve the problems of high cost and low efficiency of traditional agricultural environmental monitoring system， this paper combined the Wechat public platform with the Agricultural Internet of Things technology to design the measurement and control System of cold-chain logistic of agricultural products based on the Wechat public platform. The system realized wireless， real-time and dynamic acquisition of cold-chain logistic of agricultural products environment information by the wireless sensor network， and Sina cloud server as the medium， Real-time interaction of data information between mobile 4G network and Wechat server can realize remote monitoring of environmental information of cold-chain logistic of agricultural products. The test results showed that （1） users could monitor the environmental temperature， humidity， gas concentration， illumination and control the relay through the Wechat public number of the Wechat public platform; （2） The environmental monitoring data could be transmitted to the user's Wechat public number after 30 seconds. Although the transmission time was delayed， it did not affect the normal use of the system; （3） By adopting low-power measures such as dormancy and wake-up， the lithium battery system with 1500 mAh capacity can be used for at least half a year. The system had the advantages of low power consumption， flexible networking and convenient use， it could better meet the application needs of cold-chain logistic of agricultural products.

【Key words】： Agricultural internet of things; Wechat public platform; Arduino; Sina cloud server; Environmental monitoring

0? 引言

近些年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國部分農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)省份已經(jīng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中環(huán)境溫度、濕度、光照度等數(shù)據(jù)信息的采集，部分實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的數(shù)字化，并取得一定的成效[1-3]。但與國外相比，我國的農(nóng)業(yè)的自動化程度仍處于較落后的水平，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的普及率仍很低，大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集仍處于人工監(jiān)測階段，對農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)掌握的很少，沒能充分發(fā)揮其潛在價值，很大程度的制約和影響了我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程[4-7]。同時，由于我國地域遼闊，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)、科技水平相對較為落后，通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋差，很難實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的遠(yuǎn)距離傳輸。

邵斌[8]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);張江南[9]等通過將大數(shù)據(jù)技術(shù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計了基于數(shù)據(jù)中心的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提高了物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)管理分析的能力;朱建雷[10]將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)上傳到云平臺，通過云平臺可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，但如何方便快捷的實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和管理仍存在許多的問題。

為此，本文通過4 G移動通信網(wǎng)絡(luò)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至微信公眾平臺，利用新浪云服務(wù)器，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲管理，用戶通過微信軟件方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢和設(shè)備的控制功能，從而實現(xiàn)冷鏈配送環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測，更好的實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的共享。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)是對農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和相關(guān)設(shè)備控制的系統(tǒng)，核心部分是嵌入式網(wǎng)關(guān)，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行連接，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過新浪云服務(wù)器實時反饋到手機(jī)微信公眾平臺的公眾號端，實現(xiàn)對冷鏈環(huán)境的整體監(jiān)測和設(shè)備的控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 硬件設(shè)計

基于微信公眾平臺的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)硬件設(shè)計內(nèi)容包括：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計以及嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點通過SPI接口與各種傳感器和繼電器連接，實現(xiàn)環(huán)境信息的采集，并通過無線信號發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點;嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計主要完成核心板的設(shè)計，以及通過I/O接口和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點、4G模塊、GPS模塊、CMOS攝像頭模塊進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.1? 傳感器模塊的設(shè)計

本設(shè)計根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)的需要，選擇的傳感器主要包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣體濃度傳感器等[11]。其中，溫濕度傳感器采用SHT75數(shù)字型溫濕度傳感器，該傳感器功耗較低，其中工作電流為550 μA，而待機(jī)時電流僅為0.3 μA，測量精度可以達(dá)到±0.3℃和小于等于1.8%[12]。光照度傳感器選用HA2003，該傳感器可以在DC5V的電壓進(jìn)行工作，待機(jī)電流為1 μA，測量誤差為±5%，測量范圍為0-20萬Lux[13]。氣體濃度傳感器選用H550型氣體濃度傳感器，該傳感器的工作電流15 mA，精度可達(dá)±30 ppm[14]。

2.2? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

本設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點[15-16]。終端節(jié)點由CC2530模塊、無線收發(fā)模塊以及傳感器模塊組成。其中，傳感器模塊包括溫濕度、光照度、氣體濃度等傳感器，終端節(jié)點通過SPI接口將傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2530模塊，CC2530模塊再將采集的數(shù)據(jù)傳送至無線收發(fā)模塊，由該模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點由CC2530模塊和無線收發(fā)模塊組成，該節(jié)點主要負(fù)責(zé)組建整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并與各個終端節(jié)點進(jìn)行通信。同時，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS-485串口電路與嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3? 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)作為整個農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)的核心，要求其具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的對外輸入、輸出接口。嵌入式網(wǎng)關(guān)由嵌入式微處理器、4 G移動通信模塊、GPS模塊、CMOS攝像頭，電源模塊，以及各種對外輸入、輸出接口等組成，嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）嵌入式微處理器采用三星公司生產(chǎn)的Exynos 4412 ARM微處理器，該處理器擁有四枚主頻達(dá)到1.6GHz的Cortex-A9通用處理核心，并且通過動態(tài)電壓頻率調(diào)整技術(shù)，降低了處理器的功耗。同時，該處理器還提供了豐富的外圍I/O接口，非常適合作為本設(shè)計嵌入式網(wǎng)關(guān)的處理器。

（2）4G移動模塊采用華為公司生產(chǎn)的ME909s-? 821模塊，該模塊同時支持移動、電信、聯(lián)通4G網(wǎng)絡(luò)，下行速率最高可達(dá)150 Mbit/s，上行速率最高可達(dá)50 Mbit/s，完全能夠滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的實時傳送。

（3）GPS模塊采用ATK 1218-BD可以實現(xiàn)GPS和北斗的雙模定位，定位精度更高。

（4）CMOS攝像頭模塊采用RS-HD10BW-V03? 模塊可以實現(xiàn)600線高清低照度攝像。

（5）電源模塊該模塊可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點以及嵌入式網(wǎng)關(guān)提供3.3、4.2和5.0 V的直流電源。

（6）此外，嵌入式網(wǎng)關(guān)還具有2個UART接口，3個USB接口，以及數(shù)據(jù)線和液晶顯示屏接口等。

3? 系統(tǒng)軟件

3.1? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)完成整個無線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，協(xié)調(diào)器節(jié)點首先對2.4 GHz的無線信道進(jìn)行掃描，并將沒有被占用的空閑信道作為本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的信道;同時，協(xié)調(diào)器節(jié)點還負(fù)責(zé)制定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)指標(biāo)，并且為網(wǎng)絡(luò)的各個終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，當(dāng)終端節(jié)點獲得網(wǎng)絡(luò)地址后便成功加入該網(wǎng)絡(luò)，可以與協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行通信;組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點等待各個終端節(jié)點定時向其發(fā)送終端節(jié)點所采集的車廂內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點在接受到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過RS-485串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至與其相連的嵌入式網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖如4所示[17]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點會接收到協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的創(chuàng)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息，并根據(jù)需要申請加入該網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)終端節(jié)點獲得協(xié)調(diào)器發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)地址后便加入該網(wǎng)絡(luò)。此時，終端節(jié)點可以定時以無線的通信方式向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送采集的車廂內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

為了解決系統(tǒng)功耗的問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計采用了動態(tài)配置傳感器環(huán)境數(shù)據(jù)的采樣間隔以及終端節(jié)點休眠時間和喚醒機(jī)制，從而有效的降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗。終端節(jié)點程序流程圖如5所示。

3.2? 嵌入式網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動4 G網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的冷鏈配送車廂內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)傳入了互聯(lián)網(wǎng)。通過嵌入式網(wǎng)關(guān)，讓用戶在通過微信軟件遠(yuǎn)程訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的各種車廂內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的同時，也可以向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送控制命令，從而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測。

為了現(xiàn)實物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能，嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)主要分為人機(jī)交互界面開發(fā)、數(shù)據(jù)通信開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)三部分。嵌入式網(wǎng)關(guān)采用源代碼開放的Linux操作系統(tǒng)，人機(jī)交互界面采用QT軟件進(jìn)行開發(fā)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序架構(gòu)如圖6所示。

3.3? 微信公眾平臺程序設(shè)計

該系統(tǒng)的開發(fā)、測試以及環(huán)境部署都在是微信公眾平臺上完成的，其中編程語言為php，數(shù)據(jù)庫選擇的是共享型MySQL數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器是采用新浪云服務(wù)器。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送車廂內(nèi)的實時監(jiān)測，通過微信公眾平臺可以為用戶隨時提供安全可靠的實時信息，同時，系統(tǒng)環(huán)境的配置可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)，且開發(fā)成本較低。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)在微信公眾平臺上正常啟動后，用戶可以通過進(jìn)入公眾號，點擊測試號中菜單欄上的電器控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測按鈕對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和獲取冷鏈配送車廂內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，微信公眾平臺程序設(shè)計流程圖如圖7所示，微信公眾號界面如圖8所示。

（1）新浪云服務(wù)器搭建

新浪云是新浪公司自主開發(fā)的服務(wù)器，并在2009年正式試運行，其第一個版本是基于PHP、JAVA、

Python等大型語言的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序托管型的平臺，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的托管服務(wù)。

本設(shè)計利用新浪云服務(wù)器建立起農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與微信公眾平臺間的連接，新浪云支持用戶的二次開發(fā)。在完成農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)的軟、硬件開發(fā)后，新浪云與農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)間通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊建立TCP通信，從而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)與新浪云服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸。

為了實現(xiàn)微信公眾平臺與新浪云服務(wù)器的關(guān)聯(lián)，本設(shè)計通過php語言在新浪應(yīng)用引擎上編寫程序來檢測接收的環(huán)境信息并將該信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。通過將微信公眾平臺的訂閱號工作模式設(shè)置為開發(fā)者模式來實現(xiàn)用戶公眾號界面菜單的自定義設(shè)計，然后通過點擊創(chuàng)建新應(yīng)用按鈕來添加用戶自己需要的各種應(yīng)用，新浪應(yīng)用引擎允許每個用戶最多創(chuàng)建10個免費的應(yīng)用。在創(chuàng)建應(yīng)用完成后，選擇二級域名和應(yīng)用名稱，通過php語言在新浪應(yīng)用引擎上編寫應(yīng)用程序，創(chuàng)建的應(yīng)用即為服務(wù)器，同時為應(yīng)用程序創(chuàng)建自己的數(shù)據(jù)庫。

（2）數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建

當(dāng)用戶發(fā)送控制信號到微信公眾平臺后，通過新浪應(yīng)用引擎中建立的數(shù)據(jù)庫可以將控制量的狀態(tài)值保存下來，然后通過移動4G網(wǎng)絡(luò)將該控制信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的嵌入式網(wǎng)關(guān)中，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)庫中主要存儲著各種傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)信息和控制量的狀態(tài)值。

目前，常見數(shù)據(jù)庫主要分為兩類，一類是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（Oracle，DB2，MySQL，SQL Server），另外一類為非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（NoSql、MongeDB）。不同數(shù)據(jù)庫都有其各自的優(yōu)缺點。由于MySQL數(shù)據(jù)庫是免費的軟件，可以大大降低開發(fā)項目的總體擁有成本，同時該數(shù)據(jù)庫具有快速、健壯以及易用等優(yōu)點。因此，本設(shè)計選用MySQL數(shù)據(jù)庫。

4? 系統(tǒng)測試

4.1? 測試方案

基于微信公眾平臺的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送測控系統(tǒng)測試選擇在冷鏈配送車內(nèi)進(jìn)行，測試在車廂內(nèi)共布設(shè)3個環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點和1個控制節(jié)點，其中環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點用于采集車內(nèi)的環(huán)境溫度、濕度、氣體濃度和光照度。控制節(jié)點通過繼電器控制車廂內(nèi)燈的亮滅測試，結(jié)果如圖9所示。

4.2? 測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在10 s內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)建立，30s后用戶通過微信公眾號便可接收到車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，信號由于受到日車體的影響，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸時出現(xiàn)了一定程度的丟包和時延，但對整個系統(tǒng)的正常使用影響不大，丟包時延結(jié)果如圖10所示。系統(tǒng)在整個測試過程中可以將采集到的溫度、濕度以及氣體濃度信息發(fā)送到用戶手機(jī)中，與此同時繼電器設(shè)備也可以通

過微信軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本設(shè)計對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點采用了休眠、喚醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的鋰電池至少可以正常使用半年以上。

5? 結(jié)論

本設(shè)計以嵌入式網(wǎng)關(guān)為核心，通過微信公眾平臺實現(xiàn)冷鏈配送車內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)基于微信公眾平臺使用戶可以通過微信公眾號對農(nóng)產(chǎn)品配送環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測和利用繼電器對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸由于受到車體的影響出現(xiàn)了一定程度的丟包和時延，但對整個系統(tǒng)的正常使用影響不大，30 s后用戶通過微信公眾號便可接收到車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點通過采用休眠、喚醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的鋰電池至少可以正常使用半年以上。

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