CN100594525C - 工业无线传感网络中的数据处理系统的数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线传感网络中的数据处理系统，包括：数据汇聚器；数据转发器和数据采集器；本发明还涉及数据处理方法，包括数据汇聚器发送抄表命令帧到数据转发器，数据转发器发送抄表命令帧到数据采集器，数据采集器接收到抄表命令帧后，发送固定时间请求帧，申请自己的固定时间；数据转发器收到固定时间请求帧，通过设置同步时间参数和活跃时间参数确定超帧时间，广播时间同步帧，调整超帧每个时隙大小，返回确认帧；数据采集器在重新设置同步时间参数和活跃时间参数的时间同步帧中，确定固定时间，在固定的时间内发送采集到的数据形成的数据帧；数据转发器将数据帧发送给数据汇聚器。因此，本发明数据处理系统及处理方法，成本低，处理精确。

Description

工业无线传感网络中的数据处理系统的数据处理方法

技术领域

本发明涉及电子领域，工业领域，尤其是一种工业无线传感网络信息表时间同步的数据处理系统及处理方法。

背景技术

随着时代的发展，工业自动化也越来越普遍，同时在工业环境当中的各种水、电、气等各类公共供给表的用量也越来越大。因此统计这些表具信息的抄表方法也越来越多，现有的比较传统的也是最普遍的抄表方式主要是人工抄表，工作人员到每个工厂车间，到厂房设备上，按照表具上的数字去统计数据，因此这种人工抄表方法灵活性差，会产生抄表的不准确，而且效率非常低，时间成本和经济成本高，数据汇总工作量大。

已经出现的智能化工厂车间对各种表具也提出了很多要求，不仅要在计量上要很精确，而且表具的统计都有了脉冲或数字输出。例如电表的表盘上都有一个脉冲计数，若干个脉冲数等于一度电。而且表具有传感探头，会把机械的转数转变成电脉冲，相当于一个数字信号，这样使得表具有了数字输出。把表具输出的数字脉冲通过电路接口做适当转换，存储在数字芯片上，然后从数字芯片上读取数值。

现有的一些比较智能的适合生活使用的抄表方法当中，有的是利用电力线方法抄表，这种方法需要基于电力线，因此电力线载波有很大的要求，而且需要特殊的装置来传输数据，成本高。有的是基于电信网络和英特网通过电话线、CDMA网络、GSM网络、GPRS、蓝牙、ADSL等，所以需要和电信运营商的合作，构架成本高，时间长，这些方法不仅在运营上需要很多的考虑，同时，这些技术也很难满足苛刻的工业环境的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种工业无线传感网络中的数据处理系统的数据处理方法，以克服现有的抄表方式的缺陷，成本低，处理精确。

本发明的一种工业无线传感网络中的数据处理系统，包括：

数据汇聚器，用于发送命令帧和接收数据帧。

数据转发器，与所述数据汇聚器以有线或无线的方式相连接，用于接收所述数据汇聚器的命令帧和转发接收到的所述数据帧；

数据采集器，与所需要测量的数据处理端以有线或无线方式相连接，用于采集所述数据处理端的数据，并形成数据帧，并且接收数据转发器的命令帧。

本发明提供了一种工业无线传感网络中的数据处理处理方法，包括：

步骤1，数据采集器接收到抄表命令帧后，返回确认帧给数据转发器进行确认，随后发送固定时间请求帧到数据转发器，申请自己的固定时间；

步骤2，数据转发器收到固定时间请求帧，调整超帧每个时隙大小，然后返回确认帧，通过设置同步时间参数和活跃时间参数确定超帧时间，广播时间同步帧；

步骤3，数据采集器跟踪时间同步帧，在重新设置了同步时间参数和活跃时间参数的时间同步帧中，确定固定时间，在固定的时间内发送采集到的数据形成的数据帧；

步骤4，数据转发器针对数据帧返回确认帧到数据采集器，将所述数据帧发送给数据汇聚器，数据汇聚器针对数据帧发送确认帧到数据转发器进行确认。

所述步骤1中，所述数据采集器发送固定时间请求帧的次数超过请求门限值时，停止发送固定时间请求帧。

所述步骤3中，所述数据采集器如果在固定的时间没有发送数据帧，则在下一次时间同步帧同步的时候，继续发送数据帧；如果发送次数超过传输门限值，则数据转发器记录该数据采集器地址，在下次时间同步帧之后，数据转发器对所述没有发送数据帧的数据采集器发送数据请求帧，当请求超过一个门限值时停止请求。

所述步骤4之后，如果数据汇聚器没有收到数据转发器发送的数据帧，数据汇聚器对所述数据转发器的地址进行记录，在下次时间同步帧之后，对该数据转发器发送请求帧进行数据请求，如果请求超过门限值，停止请求。

所述发送时间同步帧具体为：侦听信道，如果信道空闲则发送时间同步帧，如果信道繁忙，则不发送，等待下一个周期发送时间同步帧；在数据转发器/数据采集器维护一个丢失时间同步帧的门限值，如果失效同步次数超过了这个门限，则认为失去同步，请求重新连接。

所述数据转发器/数据采集器失去同步后还包括：

步骤11，所述数据转发器/数据采集器向数据汇聚器/数据转发器发送连接请求；

步骤12，所述数据汇聚器/数据转发器确定该请求为隶属于自身的数据转发器/数据采集器时，确认连接请求；

步骤13，请求连接成功的数据转发器/数据采集器跟踪同步时间帧。

所述发送时间同步帧之前还包括如下步骤：

步骤20，数据汇聚器/数据转发器内部维护一个参数TSN，该参数表示收到的时间同步帧的个数，当数据转发器要发送时间同步帧的时候，设置退避时间，判断TSN是否为0，如果不为0则执行步骤21；如果为0则执行步骤22；

步骤21，数据汇聚器/数据转发器等待一个随机时间，进行退避，然后TSN减1，然后执行步骤20；

步骤22，数据汇聚器/数据转发器发送时间同步帧，TSN加1。

还包括地址分配方法，具体包括，数据转发器跟踪带有数据汇聚器地址的时间同步帧，数据转发器保存该数据汇聚器地址；数据转发器请求接入数据汇聚器时，数据转发器发送带有自身地址的请求帧请求同步；所述数据汇聚器收到带有该数据汇聚器地址的请求帧，保存该请求帧中的地址；和

数据采集器跟踪数据转发器的带有数据转发器地址时间同步帧，并保存该数据转发器地址；数据采集器请求与数据转发器同步，发送带有数据采集器地址的请求帧到数据转发器请求同步，该数据转发器保存带有该数据采集器地址的请求帧的采集器地址。

当所述数据转发器/数据采集器为没有加入到网络的节点时，该数据转发器/数据采集器接收任一时间同步帧，进行时间同步帧跟踪，当跟踪到时间同步帧的时候，记录时间同步帧中的网络标识和地址，然后发送请求帧请求接入。

因此，本发明数据处理系统及处理方法，成本低，处理精确。

附图说明

图1为本发明数据处理系统的结构示意图；

图2为本发明数据处理系统中的帧的结构示意图；

图3为本发明数据处理系统的数据转发器中维护固定时隙分配码和数据采集器地址对应关系图；

图4为本发明数据处理系统的数据转发器中维护的数据采集器地址和数据转发器地址对应关系图；

图5为本发明数据处理系统数据汇聚器中维护的数据转发器地址和数据汇聚器地址对应关系图；

图6为本发明数据处理方法的数据传递流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明数据处理系统的结构示意图，该数据处理系统包括：数据汇聚器1，与数据转发器以有线或无线方式相连接，用于发送命令帧到数据转发器和接收数据帧；数据转发器2，与所述数据采集器以有线或无线的方式相连接，用于发送命令帧到数据采集器和转发接收到的所述数据帧；数据采集器3，与所需要测量的数据处理端以有线或无线方式相连接，用于采集所述数据处理端的数据，并形成数据帧，并且能够接受数据转发器的命令帧。

数据汇聚器、数据转发器和数据采集器都有具有数据无线发送、无线接受功能。数据采集器传输距离100米以内，数据汇聚器和数据转发器传输距离在600米～700米。

数据汇聚器和数据转发器都维护一个时间时间同步帧，数据采集器则没有时间同步帧。数据汇聚器、数据转发器和数据采集器都维护一个超帧、数据帧、命令帧、请求帧和确认帧。时间同步帧分别用来数据汇聚器和数据转发器，以及数据转发器器和数据采集器的时间同步，维护整个时间同步系统的连接。而超帧用来维护系统数据帧命令帧的活跃时间。

如图2所示，为本发明数据处理系统中的帧的结构示意图，该帧包含三部分：帧头、有效载荷和帧尾。其中帧头包括三部分：1字节大小的帧类型、1字节大小的网络标识、4字节大小的地址域。帧类型用来说明帧的类型(帧类型有：时间同步帧、命令帧、数据帧、请求帧、确认帧)，网络标识用来说明该帧传输的网络层次(网络层次为：数据汇聚器——数据转发器层次，数据转发器——数据采集器层次)。地址域包含两部分：2字节大小的源地址和2字节大小的目的地址，源地址用来说明发出该帧的节点(节点包括：数据汇聚器、数据转发器、数据采集器)，目的地址用来说明接受该帧的节点。有效载荷包括两部分：2字节大小的同步描述域和3字节大小的固定时间描述域。同步描述域包括两部分：1字节大小的同步时间参数和1字节大小的活跃时间参数。同步时间参数用来说明时间同步帧的发送周期。活跃时间参数用来说明时间同步帧的一个周期内，节点(数据汇聚器、数据转发器、数据采集器)总的活动时间，该周期的其他时间为节点休眠时间。固定时间描述域由三部分组成：1字节大小的固定时间分配码、1字节大小的起始时间、1字节大小的时间长度。固定时间分配码用来说明隶属于数据转发器的哪个数据采集器拥有固定时间，起始时间用来说明隶属于数据转发器的拥有固定时间的数据采集器的固定时间的起始位置，时间长度用来说明所述起始位置到固定时间结束的持续长度。帧尾包括一部分；2字节的校验码。校验码通过对帧头、帧有效载荷的数据进行校验获得。

每个数据汇聚器维护一个隶属于该汇聚器的转发器的地址表，每个数据转发器维护一个隶属于该数据转发器的采集器的地址表和汇聚器的地址。

如图3所示，是本发明数据处理系统的数据转发器中维护固定时隙分配码和数据采集器地址对应关系图。该关系图包括两部分：固定时间分配码和数据采集器地址。固定时间分配码唯一的标识了数据采集器的地址。1字节的固定时间分配码可以与8个不同的数据采集器地址对应。在数据转发器中维护固定时隙分配码和数据采集器地址对应关系是为了实现多个数据采集器和单个数据转发器的在同一时间内的一对一访问。

如图4所示，是本发明数据处理系统的数据转发器中维护的数据采集器地址和数据转发器地址对应关系图，如图5所示是本发明数据处理系统数据汇聚器中维护的数据转发器地址和数据汇聚器地址对应关系图。这两个图说明了维护的地址对应关系。其中，数据采集器的地址掩码为0x00FF，该地址掩码使得生成的数据采集器地址在0x0000～0x00FF之间，如图4中所示：0x00F1、0x00EC、0x0001、0x0047、0x008A、0x0053。数据转发器的地址掩码为0x01FF，该地址掩码使得生成的数据转发器地址在0x0100～0x001FF之间，如图4所示：0x01EC，如图5所示：0x01F9、0x010F、0x01E4、0x0179、0x0115、0x01FE，其中，0x1FF为广播地址。数据汇聚器的地址掩码为0x2FF，该地址掩码使得生成的数据汇聚器地址在0x0200～0x03FF之间，如图5所示：0x02C7，其中，0x3FF为广播地址。

如图6所述为本发明数据处理方法的数据传递流程图，具体包括如下步骤：

步骤101，数据采集器接收到抄表命令帧后，返回确认帧进行确认，随后发送固定时间请求帧，申请自己的固定时间；在步骤101之前当然还包括数据汇聚器发送抄表命令帧到数据转发器，数据转发器返回确认帧对命令确认之后，转发命令帧到数据采集器；

数据采集器发送固定时间请求帧的次数超过请求门限值时，停止发送固定时间请求帧；

步骤102，数据转发器收到固定时间请求帧，调整超帧每个时隙大小，然后返回确认帧，通过设置同步时间参数和活跃时间参数确定超帧时间，发送时间同步帧；

步骤103，数据采集器跟踪时间同步帧，在重新设置了同步时间参数和活跃时间参数的时间同步帧中，确定固定时间，在固定的时间内发送采集到的数据形成的数据帧；

数据采集器如果在固定的时间没有发送数据帧，则在下一次时间同步帧同步的时候，继续发送数据帧；如果发送次数超过传输门限值，则数据转发器记录该数据采集器地址，在下次时间同步帧之后，数据转发器对所述没有发送数据帧的数据采集器发送数据请求帧，当请求超过一个门限值时停止请求；

步骤104，数据转发器返回确认帧，将所述数据帧发送给数据汇聚器，数据汇聚器发送确认帧到数据转发器进行数据帧的确认。

在同步正常的情况下，数据汇聚器发送抄表命令帧到数据转发器，每个数据转发器通过信道扫描，确认信道空闲的时，发送抄表命令确认帧到数据汇聚器，经过一定时间之后，每个数据转发器通过信道扫描，确认信道空闲，广播抄表命令帧到数据采集器。数据采集器收到抄表命令帧之后，扫描信道，在信道空闲的时候，发送抄表命令确认帧到转发器。然后，进行信道扫描，在信道空闲的时候发送固定时间请求帧到数据转发器，当转发器收到固定时间请求帧时候，进行信道扫描，在信道空闲的时候发送固定时间请求确认帧到数据采集器。经过一段时间，数据采集器接收数据转发器的时间同步帧，数据采集器进行信道扫描，在信道空闲时，发送数据请求帧到数据转发器，数据转发器收到数据请求帧后进行信道扫描，在信道空闲的时候发送数据请求确认帧到数据采集器。数据采集器随后在固定的时间内发送数据帧到数据转发器，数据转发器收到数据后，发送数据确认帧到数据采集器。

数据转发器搜集完毕所有数据，或者搜集数据超时(有些采集器没有搜集到信息)以后，由于数据转发器的数目远远小于数据采集器，且每个数据转发器发送数据的时间基本上不会有太大冲突，所以采用带有时间同步帧的竞争接入方式传输数据。当转发器搜集完隶属于它的所有数据采集器数据时，在接受到数据汇聚器的时间同步帧之后，进行信道扫描，信道空闲的时，发送数据请求帧到数据汇聚器，数据汇聚器同样在信道空闲的时候发送数据请求确认帧到数据转发器，数据转发器在信道空闲的时候发送数据帧到数据汇聚器，数据汇聚器收到数据帧之后发送数据确认帧到数据转发器。

如果数据汇聚器没有收到数据转发器发送的数据帧，数据汇聚器对所述数据转发器的地址进行记录，在下次时间同步帧之后，对该数据转发器发送请求帧进行数据请求，如果请求超过门限值，停止请求。

本发明数据处理方法中发送时间同步帧的流程具体包括如下步骤：发送时间同步帧的节点数据汇聚器/数据转发器先设置退避时间，然后进行信道侦听，如果信道忙，则在下一个周期进行时间同步帧的发送；如果信道空闲，则发送时间同步帧，此时发送的时间同步帧，可能是在第一次发送就成功的，也可能是经过很多个周期才发送成功，这样在接收时间同步帧的节点数据转发器/数据采集器可能已经失去同步，所以，在发送完时间同步帧之后要判断是否有请求帧请求同步，如果没有，则进行其他处理，如果有请求帧请求同步，则进行同步处理。

本发明数据处理方法中接受时间同步帧的具体包括如下步骤：接收时间同步帧的数据转发器/数据采集器接收时间同步帧，如果接收时间同步帧超过了失效门限值，则表示和发送时间同步帧的节点数据汇聚器/数据转发器失去同步，则发送请求帧进行时间同步的请求。如果没有超过失效门限值，则表示与发送时间同步帧的节点数据汇聚器/数据转发器同步，然后做其他处理。

当数据转发器/数据采集器失去同步后如下处理：

步骤201，所述数据转发器/数据采集器向数据汇聚器/数据转发器发送连接请求；

步骤202，所述数据汇聚器/数据转发器确定该请求为隶属于自身的数据转发器/数据采集器时，确认连接请求；

步骤203，请求连接成功的数据转发器/数据采集器跟踪同步时间帧。

在系统构建初期，为了保持同步，数据汇聚器向数据转发器发送时间同步帧的时候，数据转发器也有可能向隶属于数据转发器的数据采集器发送时间同步帧，此时，数据汇聚器的时间同步帧有可能和某个数据转发器的时间同步帧冲突，导致，两种结果，一是，数据转发器和数据汇聚器失去同步；二是，隶属于数据转发器的数据采集器和数据转发器失去同步；解决办法是在启动每个数据汇聚器的数据汇聚器——数据转发器网络，和每个数据转发器的数据转发器——数据采集器网络的时候，合理安排时间同步帧的发送时间，即在本发明方法进行操作之前还包括具体方法如下：

步骤300，数据汇聚器/数据转发器内部维护一个参数TSN，该参数表示收到的时间同步帧的个数，当转发器要发送时间同步帧的时候，设置退避时间，判断TSN是否为0，如果不为0则执行步骤301；如果为0则执行步骤302；

步骤301，数据汇聚器/数据转发器等待一个随机时间，进行退避，然后TSN减1，然后执行步骤300；

步302，数据汇聚器/数据转发器发送时间同步帧，TSN加1。

构建系统时，在数据汇聚器和数据转发器之间，数据转发器跟踪带有汇聚器地址的时间同步帧，转发器把该地址做记录。数据转发器请求接入汇聚器网时，则数据转发器发送带有自身地址的请求帧请求同步。当数据汇聚器收到带有汇聚器地址的请求帧时，把请求帧中的地址做记录。在数据转发器和数据采集器之间，数据采集器跟踪数据转发器的带有数据转发器地址时间同步帧，并记录转发器地址。数据采集器请求与数据转发器同步，发送带有数据采集器地址的请求帧到数据转发器请求同步，数据转发器记录带有采集器地址的请求帧的采集器地址。在每个数据汇聚器中维持一个汇聚器——数据转发器地址表，在每个数据转发器中维持一个数据转发器——数据采集器地址表，在每个数据采集器中维持一个数据采集器——数据转发器地址表。

即地址分配方法具体包括，数据转发器跟踪带有数据汇聚器地址的时间同步帧，数据转发器保存该数据汇聚器地址；数据转发器请求接入数据汇聚器时，数据转发器发送带有自身地址的请求帧请求同步；所述数据汇聚器收到带有该数据汇聚器地址的请求帧，保存该请求帧中的地址；和数据采集器跟踪数据转发器的带有数据转发器地址时间同步帧，并保存该数据转发器地址；数据采集器请求与数据转发器同步，发送带有数据采集器地址的请求帧到数据转发器请求同步，该数据转发器保存带有该数据采集器地址的请求帧的采集器地址。

当数据转发器/数据采集器为没有加入到网络的节点时，该数据转发器/数据采集器接收任一时间同步帧，进行时间同步帧跟踪，当跟踪到时间同步帧的时候，记录时间同步帧中的网络标识和地址，然后发送请求帧请求接入。

每一个数据采集器初始化时都认为是孤立节点，此时，可以接受任何时间同步帧，然后先进行信道扫描，如果忙则退避，如果不忙，则发送请求帧进行接入网请求。当数据转发器收到孤点接入请求帧时，则记录该孤点地址，设置该孤立节点为自身网络的一个数据采集器，发出确认帧进行确认。

因此，本发明数据处理系统及处理方法，成本低，处理精确。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1、一种工业无线传感网络中的数据处理系统的数据处理方法，包括：

数据汇聚器，用于发送命令帧和接收数据帧；

数据转发器，与所述数据汇聚器以有线或无线的方式相连接，用于接收所述数据汇聚器的命令帧和转发接收到的所述数据帧；

数据采集器，与所需要测量的数据处理端以有线或无线方式相连接，用于采集所述数据处理端的数据，并形成数据帧，并且接收数据转发器的命令帧；

其特征在于包括：

步骤1，数据采集器接收到抄表命令帧后，返回确认帧给数据转发器进行确认，随后发送固定时间请求帧到数据转发器，申请自己的固定时间；

步骤2，数据转发器收到固定时间请求帧，调整超帧每个时隙大小，然后返回确认帧，通过设置同步时间参数和活跃时间参数确定超帧时间，发送时间同步帧；

步骤3，数据采集器跟踪时间同步帧，在重新设置了同步时间参数和活跃时间参数的时间同步帧中，确定固定时间，在固定的时间内发送采集到的数据形成的数据帧；

步骤4，数据转发器针对数据帧返回确认帧到数据采集器，将所述数据帧发送给数据汇聚器，数据汇聚器针对数据帧发送确认帧到数据转发器进行确以。

2、根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于所述步骤1中，所述数据采集器发送固定时间请求帧的次数超过请求门限值时，停止发送固定时间请求帧。

3、根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于所述步骤3中，所述数据采集器如果在固定的时间没有发送数据帧，则在下一次时间同步帧同步的时候，继续发送数据帧；如果发送次数超过传输门限值，则数据转发器记录该数据采集器地址，在下次时间同步帧之后，数据转发器对所述没有发送数据帧的数据采集器发送数据请求帧，当请求超过一个门限值时停止请求。

4、根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于所述步骤4之后，如果数据汇聚器没有收到数据转发器发送的数据帧，数据汇聚器对所述数据转发器的地址进行记录，在下次时间同步帧之后，对该数据转发器发送请求帧进行数据请求，如果请求超过门限值，停止请求。

5、根据权利要求2、3、4之一所述的数据处理方法，其特征在于所述发送时间同步帧具体为：侦听信道，如果信道空闲则发送时间同步帧，如果信道繁忙，则不发送，等待下一个周期发送时间同步帧；在数据转发器/数据采集器维护一个丢失时间同步帧的门限值，如果失效同步次数超过了这个门限，则认为失去同步，请求重新连接。

6、根据权利要求5所述的数据处理方法，其特征在于所述数据转发器/数据采集器失去同步后还包括：

步骤11，所述数据转发器/数据采集器向数据汇聚器/数据转发器发送连接请求；

步骤12，所述数据汇聚器/数据转发器确定该请求为隶属于自身的数据转发器/数据采集器时，确认连接请求；

步骤13，请求连接成功的数据转发器/数据采集器跟踪同步时间帧。

7、根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于所述步骤1之前还包括如下步骤：

步骤20，数据汇聚器/数据转发器内部维护一个参数TSN，该参数表示收到的时间同步帧的个数，当数据转发器要发送时间同步帧的时候，设置退避时间，判断TSN是否为0，如果不为0则执行步骤21；如果为0则执行步骤22；

步骤21，数据汇聚器/数据转发器等待一个随机时间，进行退避，然后TSN减1，然后执行步骤20；

步骤22，数据汇聚器/数据转发器发送时间同步帧，TSN加1。

8、根据权利要求7所述的数据处理方法，其特征在于还包括地址分配方法，具体包括，数据转发器跟踪带有数据汇聚器地址的时间同步帧，数据转发器保存该数据汇聚器地址；数据转发器请求接入数据汇聚器时，数据转发器发送带有自身地址的请求帧请求同步；所述数据汇聚器收到带有该数据汇聚器地址的请求帧，保存该请求帧中的地址；和

数据采集器跟踪数据转发器的带有数据转发器地址时间同步帧，并保存该数据转发器地址；数据采集器请求与数据转发器同步，发送带有数据采集器地址的请求帧到数据转发器请求同步，该数据转发器保存带有该数据采集器地址的请求帧的采集器地址。

9、根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于当所述数据转发器/数据采集器为没有加入到网络的节点时，该数据转发器/数据采集器接收任一时间同步帧，进行时间同步帧跟踪，当跟踪到时间同步帧的时候，记录时间同步帧中的网络标识和地址，然后发送请求帧请求接入。

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