CN101232417A - 嵌入式无线传感网络智能平台 - Google Patents

Abstract

嵌入式无线传感网络智能平台，它由网络节点、基站、无线网关、中央控制计算机组成，其通信采用基于IEEE802.15.4的Zigbee通信协议栈标准。该技术提供一种嵌入式无线传感控制网络的智能平台，该平台可根据实际控制要求，融合所需的不同传感器，开发出满足不同需要的无线传感网络系统，不仅可彻底摆脱了传统传感控制系统采取有线接入方式的问题，避免了因有线控制方式所带来的接线困难且成本过高、维护管理困难等困扰，而且该智能平台开发灵活性大，工作和适用范围更为广泛，系统组建及维护成本低廉，并且与其他无线控制方式相比，该系统组网方式采用短程多跳、星网结合方式，系统更为智能可靠，稳定性强，功耗极低，使用寿命长。

Description

嵌入式无线传感网络智能平台

技术领域

本发明涉及嵌入式无线传感网络系统，尤其是涉及对分布式传感网络节点进行智能集散控制和数据信息融合的嵌入式无线传感网络智能平台。

背景技术

现代工业中，许多工业控制现场需大量使用不同种类的分布式传感系统，进行现场信息采集和控制，这些系统主要通过传感器采集现场信息后，由信号线或电缆连接的方式，将传感信息传输给中央控制单元进行控制。传感信号的采集采用接线的方式，对于许多场合，这种传感控制系统存在布线困难、系统成本高、功耗大、维护困难且繁琐、测量区域狭窄、可靠性差等缺点。

特别是对于有些控制领域，比如森林草原火情预防、大型桥梁监控等，采用接线的方式进行传感信息采集难以实现。为满足远距离信息采集、运动目标、危险区域、大范围监控、恶劣环境、无通信网络等场合对智能传感控制的需求，传统的传感系统将难以适用，因此必须采取一套可智能组网、功耗低且信道稳定的高性能无线传感的方式。

发明内容

为满足现代工业控制领域对大范围、远距离、低功耗、低成本、免维护等要求，解决传统传感系统存在的诸多缺点，本发明公布了一套基于无线传感网络的嵌入式智能无线传感分布式控制智能平台，该平台基于嵌入式无线传感网络技术，可根据不同的实际需要，将不同的传感系统加载到该平台上，采集现场传感信息以无线网络方式实时的发送给中央控制单元，可取代绝大多数现有的传感控制系统，解决传统传感系统的诸多缺点，并具有可监控移动目标、分布大范围分散目标等优点。

本发明所采用的技术方案是：一种嵌入式无线传感网络智能平台，它由网络节点、基站、无线网关、中央控制计算机组成。整个平台的工作方法包括：

a.根据不同的实际控制需要，将相应的传感器加载到该智能平台网络节点上，并根据需要，在组态软件上修改相应的节点网络地址、传感测量时间和测量精度等基本参数，智能平台自动组成无线传感网络系统；

b.网络节点通过其所加载的传感器将工业现场所需监控的信息采集，经过放大、滤波、温度补偿电路等的处理，再通过模/数转换，将信号输入到节点内部处理器进行数据处理；

c.节点采用射频无线以及自组网的方式，将传感数据智能选择并发送到最近的节点或基站；

d.经过中继节点或基站，转发到下一个中继节点或基站，依次接力传送；

e.通过上述方式，将数据以无线的方式发送到与中央控制计算机相连的无线网关；

f.中央控制计算机可根据控制需要，对系统的网络节点和基站进行在线现场编程，在线修改传感测量、信息传递和系统控制方式；

g.节点与节点、节点与基站、基站与中央控制设备采用双向数据传输方式。

更具体的，网络节点包括传感数据采集、数据处理、射频无线收发、电源四大模块。

更具体的，无线网关包括数据处理、射频无线收发、通信串口三大模块。

更具体的，基站包括数据处理、射频无线收发和电源三大模块。

更具体的，平台中节点与节点、节点与无线网关之间的通信均采用基于IEEE 802.15.4的Zigbee通信协议栈标准和星-网状结合的网络通信方式，通信协议栈包括物理层协议、数据链路层媒体接入控制(MAC)层协议、路由协议、网络拓扑协议、传输层协议和应用层协议，对应OSI网络模型的物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

更具体的，节点设计采用嵌入式操作和低电源管理方式，平台绝大部分时间处于休眠状态，工作时采用实时唤醒激发方式，节点的传感数据采集模块包括传感器，放大、滤波、温度补偿前端电路和A/D转换三个子模块，平台预留传感器空位以作不同传感开发需求而用；数据处理模块包括微处理器Atmega 128L，数据和程序Flash存储器，通信串口和I/O口四个子模块；射频无线收发模块包括射频收发器和天线两个子模块，射频收发采用CC2420芯片；电源模块采用低电源管理方式，用普通电池或锂电池供电，包括电源、电平转换和电源控制三个子模块。

更具体的，无线网关的数据处理和射频无线收发模块与节点的相一致，通信串口由USB接口和以太网口两个子模块组成，无线网关通过通信串口与中央控制计算机相连。

更具体的，基站的数据处理和射频无线收发模块与节点的一致。

更具体的，无线传感网络智能平台采用专门基于IEEE 802.15.4通信标准的开放式操作系统Tiny OS和C/C++语言作为开发工具，对嵌入式网络节点处理功能、自组网方式及通信协议栈进行程序设计，并开发出相配套的组态控制软件。

更具体的，所述控制软件控制网络节点传感信息数据发送流程工作步骤如下：

a、网络节点进行系统初始化，各寄存器和程序归位于初始状态；

b、系统进入休眠等待状态，功耗降到系统最低状态；

c、如果系统检测到节点处理器或中央控制设备发出的传感测试中断请求时，节点处理器输出系统唤醒指令，节点开始进行传感信号数据采集检测，根据需要，不同的传感器将所需测量的温度、压力、湿度、气体含量等物理量转换成易检测的电压电流等模拟电学信号，如果没有检测到测试中断，系统自动返回休眠状态；

d、传感模拟信号通过模/数(A/D)转换成数字信号，并将测量数据存储，送到微处理器和射频芯片进行处理并打包成数据发送格式，处理完毕后，系统进入无线发送阶段；

e、系统向外无线发出路由检测信号，进行网络路由检测，如果查找到本地网络时进行通信锁定，并通过路径诊断查询附近的节点，如果没有检测到本地网络，系统返回路由检测继续寻找；

f、向附近网络节点发出数据发送请求，搜寻数据接收节点，如果收到接收响应，则进入下一步操作，并锁定网络节点地址，如果没有收到响应信号，则返回继续搜寻数据接收节点；

g、搜寻到接收节点响应后，系统发出询问该节点是否接收准备就绪信号，如果该节点准备就绪，进入下一步操作，如果未能就绪，则等待，并继续发送询问接收就绪信号；

h、当接收节点准备就绪后，发送节点即与接收节点进行通信握手，并将处理好的数据包调制成2.4G Hz的射频信号，通过CC2420或类似无线射频芯片将数据包发送出去；

i、如果数据包发送成功，则系统返回休眠等待状态，等待下一次的数据测量和发送循环，若未能发送成功，则返回发送请求步骤，继续新的发送流程，直到发送成功为止。

更具体的，节点电源及故障报警信息发送模式流程与传感信息发送流程相同。

更具体的，所述智能平台传感信息接收工作步骤流程如下：

a、系统寄存器及程序初始化，各寄存器和程序归位于初始状态；

b、系统进入休眠等待状态，功耗降到系统最低状态；

c、检测无线接收中断请求，如果检测到接收中断后，则系统进入网络路由探测中断检测，如果未能检测到无线接收中断请求，则返回等待状态继续等待；

d、如果接收到的中断请求为网络路由故障探测中断，进行网络路由系统是否工作正常检测，则系统将交由网络路由转发应答处理后，退出中断返回；如果不是，则系统进入下一步操作；

e、如果检测为数据测试和接收请求中断，则更新网络路由信息，并进行网络路径诊断，如果不是数据测试和接收请求中断，则退出中断返回；

f、判断是否本地网络节点，当检测所发送中断请求的路径为本地网络节点路径时，则检测系统是否已经处于接收准备就绪状态，如果系统检测到所发送请求的节点不是本地网络节点，则退出中断返回；

g、如果节点接收准备就绪，则接收节点或无线网关即与发送请求的节点进行通信握手，开始接收无线数据包，并将数据存储处理，如果系统未能接收准备就绪，则返回等待，直到接收就绪为止；

h、当所有数据接收发送成功后，系统退出中断返回，并重新返回等待状态，进入下一个数据接收循环；如果接收未能成功，则返回更新路由，重新开始查询接收。

更具体的，对所测有效传感数据进行打包，其格式为包括前导码、地址、数据类型、有效数据载荷、校验码五个部分；

其中前导码为传输数据的性质标识码，包括普通数据信息(I)、新入网节点信息(N)、呼叫应答信号(R)、现场编程信号(P)、查询信号(Q)、系统设置信号(S)、电源报警信号(A)和系统故障信号(T)；其中普通数据信息(Information)指节点和中央控制设备发送普通监控结果信息数据；新入网结点信息(New)指新加入网络的节点数据标识认证；呼叫应答信号(Response)指系统与节点间的呼叫请求及应答通信，用于对是否本地网络节点，以及节点是否有效工作进行验证；现场编程信号(Programme)指系统对节点升级或改变控制方式的现场编程信号；查询信号(Query)指系统与节点相互之间的查询标识；系统设置信号(Set)指中央控制设备对系统节点及网络进行相关设置信息；电源报警信号(Alarm)指节点电源低于预警电压时，向控制设备发送更换电源的请求信号；系统故障信号(Trouble)指系统节点发生故障时的报警信号；

地址为每个节点和基站的地址信息数据，大小为4个字节，数据类型分为加密与不加密类型；

有效数据载荷包括满足上层设计协议格式的数据包，数据包尾采用循环冗余码方式，并增加校验码，所有数据打包封装与处理均由微控制单元实现。

本发明彻底摆脱了传统传感控制系统采取有线接入方式的问题，避免了因有线控制方式所带来的接线困难且成本过高、维护管理困难等困扰，工作和适用范围更为广泛，平台组建及维护成本低廉，并且与其他无线控制方式相比，该平台组网方式采用短程多跳、星网结合方式，更为智能可靠，稳定性强，功耗极低，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明工作流程图

图2是本发明中网络节点硬件原理示意图

图3是本发明中无线网关硬件逻辑示意图

图4是本发明中网络节点传感信息发送软件控制流程图

图5是本发明中传感信息接收软件控制流程图

图6是本发明中所测数据打包的格式

具体实施方式

现依据附图，对本发明做进一步的描述：

图1是无线传感网络智能平台工作流程图，网络节点通过其内置的传感器将工业现场所需监控的信息采集，经过放大、滤波、温度补偿电路的处理，再通过模/数转换，将信号输入到节点内部处理器进行数据处理；然后节点采用射频无线以及自组网的方式，将传感数据智能选择并发送到最近的节点或基站；经过中继节点或基站，转发到下一个中继节点或基站，依次接力传送；通过上述方式，将数据以无线的方式发送到与中央控制计算机相连的无线网关；中央控制计算机可根据控制需要，对系统的网络节点和基站进行在线现场编程，在线修改传感测量、信息传递和系统控制方式。

图2是节点硬件原理示意图，节点硬件包括传感数据采集、数据处理、射频无线收发、电源四大模块。其中传感数据采集模块包括传感器，放大、滤波、温度补偿前端电路和A/D转换三个子模块；数据处理模块包括微处理器Atmega 128L，数据和程序Flash存储器，通信串口和I/O口四个子模块；射频无线收发模块包括射频收发器和天线两个子模块，射频收发采用CC2420，它内嵌QPSK调制模块，采用直接序列扩频调制(DSSS)技术调制，工作频段为2.4G Hz，共有16信道，每信道拥有5M Hz带宽；电源模块包括电源、电平转换和电源控制三个子模块。

图3是无线网关硬件结构示意图，无线网关硬件包括数据处理、射频无线收发、通信串口三大模块，其中数据处理和射频无线收发模块与网络节点的相应模块相一致，通信串口由USB接口和以太网口两个子模块组成，无线网关通过通信串口与中央控制计算机相连。

图4是网络节点传感信息发送软件控制流程图，其工作步骤如下：

a、网络节点进行系统初始化，各寄存器和程序归位于初始状态；

b、系统进入休眠等待状态，功耗降到系统最低状态；

c、如果系统检测到节点处理器或中央控制设备发出的传感测试中断请求时，节点处理器输出系统唤醒指令，节点开始进行传感信号数据采集检测，传感器将所需测量的温度、压力、湿度、气体含量等物理量转换成易检测的电压电流等模拟电学信号，如果没有检测到测试中断，系统自动返回休眠状态；

d、传感模拟信号通过模/数(A/D)转换成数字信号，并将测量数据存储，送到微处理器和射频芯片进行处理并打包成数据发送格式，处理完毕后，系统进入无线发送阶段；

e、系统向外无线发出路由检测信号，进行网络路由检测，如果查找到本地网络时进行通信锁定，并通过路径诊断查询附近的节点，如果没有检测到本地网络，系统返回路由检测继续寻找；

f、向附近网络节点发出数据发送请求，搜寻数据接收节点，如果收到接收响应，则进入下一步操作，并锁定网络节点地址，如果没有收到响应信号，则返回继续搜寻数据接收节点；

g、搜寻到接收节点响应后，系统发出询问该节点是否接收准备就绪信号，如果该节点准备就绪，进入下一步操作，如果未能就绪，则等待，并继续发送询问接收就绪信号；

h、当接收节点准备就绪后，发送节点即与接收节点进行通信握手，并将处理好的数据包调制成2.4G Hz的射频信号，通过CC2420或类似无线射频芯片将数据包发送出去；

i、如果数据包发送成功，则系统返回休眠等待状态，等待下一次的数据测量和发送循环，若未能发送成功，则返回发送请求步骤，继续新的发送流程，直到发送成功为止。

另外本系统网络节点电源及故障报警等信息发送模式软件流程与传感信息发送流程相同。

图5是平台传感信息接收软件控制流程图，其工作步骤如下：

a、系统寄存器及程序初始化，各寄存器和程序归位于初始状态；

b、系统进入休眠等待状态，功耗降到系统最低状态；

c、检测无线接收中断请求，如果检测到接收中断后，则系统进入网络路由探测中断检测，如果未能检测到无线接收中断请求，则返回等待状态继续等待；

d、如果接收到的中断请求为网络路由故障探测中断，进行网络路由系统是否工作正常检测，则系统将交由网络路由转发应答处理后，退出中断返回；如果不是，则系统进入下一步操作；

e、如果检测为数据测试和接收请求中断，则更新网络路由信息，并进行网络路径诊断，如果不是数据测试和接收请求中断，则退出中断返回；

f、判断是否本地网络节点，当检测所发送中断请求的路径为本地网络节点路径时，则检测系统是否已经处于接收准备就绪状态，如果系统检测到所发送请求的节点不是本地网络节点，则退出中断返回；

g、如果节点接收准备就绪，则接收节点或无线网关即与发送请求的节点进行通信握手，开始接收无线数据包，并将数据存储处理，如果系统未能接收准备就绪，则返回等待，直到接收就绪为止；

h、当所有数据接收发送成功后，系统退出中断返回，并重新返回等待状态，进入下一个数据接收循环；如果接收未能成功，则返回更新路由，重新开始查询接收。

图6是对所测有效传感数据进行打包的格式，包括前导码、地址、数据类型、有效数据载荷、校验码五个部分；

其中前导码为传输数据的性质标识码，包括普通数据信息(I)、新入网节点信息(N)、呼叫应答信号(R)、现场编程信号(P)、查询信号(Q)、系统设置信号(S)、电源报警信号(A)和系统故障信号(T)；其中普通数据信息(Information)指节点和中央控制设备发送普通监控结果信息数据；新入网结点信息(New)指新加入网络的节点数据标识认证；呼叫应答信号(Response)指系统与节点间的呼叫请求及应答通信，用于对是否本地网络节点，以及节点是否有效工作进行验证；现场编程信号(Programme)指系统对节点升级或改变控制方式的现场编程信号；查询信号(Query)指系统与节点相互之间的查询标识；系统设置信号(Set)指中央控制设备对系统节点及网络进行相关设置信息；电源报警信号(Alarm)指节点电源低于预警电压时，向控制设备发送更换电源的请求信号；系统故障信号(Trouble)指系统节点发生故障时的报警信号；

地址为每个节点和基站的地址信息数据，大小为4个字节，数据类型分为加密与不加密类型，加密方式采用对有效数据载荷加入密钥的方式进行加密处理；

有效数据载荷包括满足上层设计协议格式的数据包，数据包尾采用循环冗余码方式，并增加校验码，所有数据打包封装与处理均由微控制单元实现。

使用这种格式可以很大程度上减少数据传输量，提高数据的传输效率，降低数据丢失和错码率。

Claims (13)

1.一种嵌入式无线传感网络智能平台，它由网络节点、基站、无线网关、中央控制计算机组成。整个平台的工作方法包括：

a.根据不同的实际控制需要，将相应的传感器加载到该智能平台网络节点上，并根据需要，在组态软件上修改相应的节点网络地址、传感测量时间和测量精度等基本参数，智能平台自动组成无线传感网络系统；

b.网络节点通过其所加载的传感器将工业现场所需监控的信息采集，经过放大、滤波、温度补偿电路等的处理，再通过模/数转换，将信号输入到节点内部处理器进行数据处理；

c.节点采用射频无线以及自组网的方式，将传感数据智能选择并发送到最近的节点或基站；

d.经过中继节点或基站，转发到下一个中继节点或基站，依次接力传送；

e.通过上述方式，将数据以无线的方式发送到与中央控制计算机相连的无线网关；

f.中央控制计算机可根据控制需要，对系统的网络节点和基站进行在线现场编程，在线修改传感测量、信息传递和系统控制方式；

g.节点与节点、节点与基站、基站与中央控制设备采用双向数据传输方式。

2.如权利要求1所述的智能平台，其特征在于，所述网络节点包括传感数据采集、数据处理、射频无线收发、电源四大模块。

3.如权利要求1所述的智能平台，其特征在于，所述无线网关包括数据处理、射频无线收发、通信串口三大模块。

4.如权利要求1所述的智能平台，其特征在于，所述基站包括数据处理、射频无线收发和电源三大模块。

5.如权利要求1所述的智能平台，其特征在于，系统节点与节点、节点与无线网关之间的通信均采用基于IEEE 802.15.4的Zigbee通信协议栈标准和星-网状结合的网络通信方式，网络通信协议栈包括物理层协议、数据链路层媒体接入控制(MAC)层协议、路由协议、网络拓扑协议、传输层协议和应用层协议。

6.如权利要求2所述的智能平台，其特征在于，所述节点设计采用嵌入式操作和低电源管理方式，系统绝大部分时间处于休眠状态，工作时采用实时唤醒激发方式，节点的传感数据采集模块包括传感器，放大、滤波、温度补偿前端电路和A/D转换三个子模块；平台预留传感器空位以作不同传感开发需求而用；数据处理模块包括微处理器Atmega 128L，数据和程序Flash存储器，通信串口和I/O口四个子模块；射频无线收发模块包括射频收发器和天线两个子模块，射频收发采用CC2420芯片；电源模块采用低电源管理方式，用普通电池或锂电池供电，包括电源、电平转换和电源控制三个子模块。

7.如权利要求3所述的智能平台，其特征在于，所述无线网关的数据处理和射频无线收发模块与节点的相一致，通信串口由USB接口和以太网口两个子模块组成，无线网关通过通信串口与中央控制计算机相连。

8.如权利要求3所述的智能平台，其特征在于，所述基站的数据处理和射频无线收发模块与节点的一致。

9.如权利要求1所述的智能平台，其特征在于，所述系统软件采用专门基于IEEE 802.15.4通信标准的开放式操作系统Tiny OS和C/C++语言作为开发工具，对嵌入式网络节点处理功能、自组网方式及通信协议栈进行程序设计，并开发的组态控制软件。

10.如权利要求9所述的智能平台，其特征在于，所述控制软件网络节点传感信息数据发送流程工作步骤如下：

a、网络节点进行系统初始化，各寄存器和程序归位于初始状态；

b、系统进入休眠等待状态，功耗降到系统最低状态；

c、如果系统检测到节点处理器或中央控制设备发出的传感测试中断请求时，节点处理器输出系统唤醒指令，节点开始进行传感信号数据采集检测，传感器将所需测量的温度、压力、湿度、气体含量等物理量转换成易检测的电压电流等模拟电学信号，如果没有检测到测试中断，系统自动返回休眠状态；

d、传感模拟信号通过模/数(A/D)转换成数字信号，并将测量数据存储，送到微处理器和射频芯片进行处理并打包成数据发送格式，处理完毕后，系统进入无线发送阶段；

e、系统向外无线发出路由检测信号，进行网络路由检测，如果查找到本地网络时进行通信锁定，并通过路径诊断查询附近的节点，如果没有检测到本地网络，系统返回路由检测继续寻找；

f、向附近网络节点发出数据发送请求，搜寻数据接收节点，如果收到接收响应，则进入下一步操作，并锁定网络节点地址，如果没有收到响应信号，则返回继续搜寻数据接收节点；

g、搜寻到接收节点响应后，系统发出询问该节点是否接收准备就绪信号，如果该节点准备就绪，进入下一步操作，如果未能就绪，则等待，并继续发送询问接收就绪信号；

h、当接收节点准备就绪后，发送节点即与接收节点进行通信握手，并将处理好的数据包调制成2.4G Hz的射频信号，通过CC2420或类似无线射频芯片将数据包发送出去；

i、如果数据包发送成功，则系统返回休眠等待状态，等待下一次的数据测量和发送循环，若未能发送成功，则返回发送请求步骤，继续新的发送流程，直到发送成功为止。

11.如权利要求10所述的智能平台，其特征在于，节点电源及故障报警信息发送模式流程与传感信息发送流程相同。

12.如权利要求9所述的智能平台，其特征在于，所述系统传感信息接收工作步骤流程如下：

a、系统寄存器及程序初始化，各寄存器和程序归位于初始状态；

b、系统进入休眠等待状态，功耗降到系统最低状态；

c、检测无线接收中断请求，如果检测到接收中断后，则系统进入网络路由探测中断检测，如果未能检测到无线接收中断请求，则返回等待状态继续等待；

d、如果接收到的中断请求为网络路由故障探测中断，进行网络路由系统是否工作正常检测，则系统将交由网络路由转发应答处理后，退出中断返回；如果不是，则系统进入下一步操作；

e、如果检测为数据测试和接收请求中断，则更新网络路由信息，并进行网络路径诊断，如果不是数据测试和接收请求中断，则退出中断返回；

f、判断是否本地网络节点，当检测所发送中断请求的路径为本地网络节点路径时，则检测系统是否已经处于接收准备就绪状态，如果系统检测到所发送请求的节点不是本地网络节点，则退出中断返回；

g、如果节点接收准备就绪，则接收节点或无线网关即与发送请求的节点进行通信握手，开始接收无线数据包，并将数据存储处理，如果系统未能接收准备就绪，则返回等待，直到接收就绪为止；

h、当所有数据接收发送成功后，系统退出中断返回，并重新返回等待状态，进入下一个数据接收循环；如果接收未能成功，则返回更新路由，重新开始查询接收。

13.如权利要求9所述的智能平台，其特征在于，对所测有效传感数据进行打包，其格式为包括前导码、地址、数据类型、有效数据载荷、校验码五个部分；

其中前导码为传输数据的性质标识码，包括普通数据信息(I)、新入网节点信息(N)、呼叫应答信号(R)、现场编程信号(P)、查询信号(Q)、系统设置信号(S)、电源报警信号(A)和系统故障信号(T)；其中普通数据信息(Information)指节点和中央控制设备发送普通监控结果信息数据；新入网结点信息(New)指新加入网络的节点数据标识认证；呼叫应答信号(Response)指系统与节点间的呼叫请求及应答通信，用于对是否本地网络节点，以及节点是否有效工作进行验证；现场编程信号(Programme)指系统对节点升级或改变控制方式的现场编程信号；查询信号(Query)指系统与节点相互之间的查询标识；系统设置信号(Set)指中央控制设备对系统节点及网络进行相关设置信息；电源报警信号(Alarm)指节点电源低于预警电压时，向控制设备发送更换电源的请求信号；系统故障信号(Trouble)指系统节点发生故障时的报警信号；

地址为每个节点和基站的地址信息数据，大小为4个字节，数据类型分为加密与不加密类型；

有效数据载荷包括满足上层设计协议格式的数据包，数据包尾采用循环冗余码方式，并增加校验码，所有数据打包封装与处理均由微控制单元实现。

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