CN105052878B - 车载农药自动喷洒系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车载农药自动喷洒系统，包括车尾喷洒固定杆、摄像机、农药喷头和ARM10处理器，所述摄像机和所述农药喷头都固定在所述车尾喷洒固定杆的同一高度上且水平相距预设距离，所述摄像机用于拍摄车后农田图像，所述农药喷头用于对车后农田喷洒农药，所述ARM10处理器用于基于所述车后农田图像控制所述农药喷头的喷洒速率。通过本发明，能够以车载喷药的方式实现农药的自动喷洒，并基于被喷洒农作物的多少实时控制农药喷洒的速率，提高了农药喷洒的智能化程度。
Description
本发明是申请号为201410483787.1、申请日为2014年9月20日、发明名称为“车载农药自动喷洒系统”的专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及农药喷洒管理领域，尤其涉及一种车载农药自动喷洒系统。
背景技术
农业生产中经常使用农药对农作物进行喷洒，杀死农作物上的害虫，以保障农作物的正常生长。农药的使用为农业的丰收起到了积极作用，但现实中，农药的喷洒状况令人担忧。
当前的农药喷洒过于粗放，例如，仅仅针对田地面积确定农药喷洒的剂量，而没有根据田中农作物的生长状况制定因地制宜的喷洒方案，导致一些农作物生长旺盛的地方，喷洒的农药相对不足，难以满足完全杀虫的效果，而在一些农作物生长缓慢的地方，喷洒的农药相对过多，直接影响了农作物的产量和品质，还对田地造成严重的化学污染。
同时，人工喷洒的模式仍然是农药喷洒的主要手段，这种模式过度依靠操作人员的经验，科学程度不高，容易造成农药的滥用，另外，人工模式的劳动强度大，操作人员直接接触农药，人身极易受到农药的伤害，最主要的是，这种模式是通过操作人员缓慢前进来推动农药的喷洒，喷洒效率不高。
因此，需要一种新的农药喷洒的技术方案，能够实时获取被喷洒区域的农作物生长状况，根据农作物生长状况确定喷洒的剂量，自动控制农药喷洒设备的喷洒，而且能够采用机械推进的方式，提高农药喷洒的效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种车载农药自动喷洒系统，通过引入摄像装置对农田实际状况进行拍摄，引入多种图像处理装置对农田图像进行图像平移、划分、滤波和分析，基于绿色像素数量占据图像总像素的比例，确定农药的喷洒剂量，控制喷洒设备自动进行喷洒，本发明的喷洒系统设置在车载平台上，极大地提高了农药的喷洒效率，适合大面积的农药喷洒，另外，本发明还避免操作人员与农药喷洒系统直接接触，保障操作人员的身心健康不受损坏。
根据本发明的一方面，提供了一种车载农药自动喷洒系统，所述喷洒系统包括车尾喷洒固定杆、摄像机、农药喷头和ARM10处理器，所述摄像机和所述农药喷头都固定在所述车尾喷洒固定杆的同一高度上且水平相距预设距离，所述摄像机用于拍摄车后农田图像，所述农药喷头用于对车后农田喷洒农药，所述ARM10处理器用于基于所述车后农田图像控制所述农药喷头的喷洒速率。
更具体地，所述车载农药自动喷洒系统还包括用户输入设备，用于根据用户的输入，设定第一比例阈值、第二比例阈值和剩余农药阈值；存储设备，预存所述预设距离，连接所述用户输入设备以接收并存储所述第一比例阈值、所述第二比例阈值和所述剩余农药阈值，还预存比例速率对照表，所述比例速率对照表列举了图像中绿色比例与所述农药喷头的喷洒速率的一一对照关系，所述绿色比例为图像中绿色像素数量占据总像素数量的比例；图像平移设备，连接所述摄像机以获得所述车后农田图像，根据所述预设距离从所述摄像机向所述农药喷头一侧平移所述车后农田图像，并从平移后的图像中切除平移出所述车后农田图像轮廓的图像部分，以获得喷洒区域图像；图像划分设备，连接所述图像平移设备以接收所述喷洒区域图像，计算所述喷洒区域图像中每一个像素的绿色分量值在亮度值中所占的比例数值，当所述比例数值大于所述第一比例阈值时，所述比例数值对应的像素为绿色像素，当所述比例数值小于等于所述第一比例阈值时，所述比例数值对应的像素为非绿色像素，基于绿色像素和非绿色像素将所述喷洒区域图像二值化，以输出二值化喷洒图像；图像滤波设备，连接所述图像划分设备以接收所述二值化喷洒图像，基于二维小波滤波算法对所述二值化喷洒图像滤波，以获得二值化平滑喷洒图像；流量控制器，连接所述存储设备，用于实时控制所述农药喷头的喷洒速率；喷洒电磁换向阀，位于所述流量控制器和所述农药喷头之间，用于控制所述农药喷头的开关；农药储存容器，连接所述农药喷头，用于容纳当地农业局管理平台预先调制的农药；农药剩余容量检测器，位于所述农药储存容器中，通过检测剩余农药在所述农药储存容器中的高度，计算农药剩余容量；供电设备，用于为所述喷洒系统内除了所述供电设备以外的电子设备提供电力供应，并在所述ARM10处理器的控制下对所述喷洒系统执行电源管理；所述ARM10处理器与所述图像滤波设备、所述流量控制器、所述喷洒电磁换向阀、所述农药剩余容量检测器和所述供电设备分别连接，计算所述二值化平滑喷洒图像中的绿色比例，当所述绿色比例大于所述第二比例阈值时，输出启动农药喷洒信号并输出所述绿色比例，当所述绿色比例小于等于所述第二比例阈值时，输出停止农药喷洒信号；所述ARM10处理器还在接收到的所述农药剩余容量小于等于所述剩余农药阈值时，输出农药不足报警信号；显示设备，与所述ARM10处理器连接，用于实时显示与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的文字信息，还用于实时显示所述绿色比例和所述农药剩余容量；无线通讯接口，与所述ARM10处理器连接，用于向所述当地农业局管理平台无线输出与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的文字信息，还用于向所述当地农业局管理平台无线输出所述绿色比例和所述农药剩余容量；其中，所述流量控制器在接收到所述启动农药喷洒信号后，基于所述绿色比例在所述比例速率对照表中查找与所述绿色比例对应的喷洒速率并作为所述农药喷头的喷洒速率，所述流量控制器在接收到所述停止农药喷洒信号，停止工作；所述喷洒电磁换向阀在接收到所述启动农药喷洒信号后，打开所述农药喷头，在接收到所述停止农药喷洒信号后，关闭所述农药喷头。
更具体地，所述车载农药自动喷洒系统中，所述喷洒系统还包括语音报警设备，连接所述ARM10处理器，用于播放与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的语音文件。
更具体地，所述车载农药自动喷洒系统中，所述语音报警设备为扬声器。
更具体地，所述车载农药自动喷洒系统中，所述用户输入设备、所述存储设备、所述图像平移设备、所述图像划分设备、所述图像滤波设备、所述ARM10处理器、所述供电设备、所述显示设备和所述无线通讯接口都位于车辆的前端仪表盘内，所述流量控制器、所述喷洒电磁换向阀、所述农药储存容器和所述农药剩余容量检测器都位于车尾。
更具体地，所述车载农药自动喷洒系统中，所述无线通讯接口通过GPRS移动通信网络、3G移动通信网络或4G通信网络与所述当地农业局管理平台实现双向无线通信链路连接。
更具体地，所述车载农药自动喷洒系统中，所述ARM10处理器还与所述摄像机连接，以控制所述摄像机定时拍摄车后农田图像。
附图说明
以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：
图1为根据本发明实施方案示出的车载农药自动喷洒系统的结构方框图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的车载农药自动喷洒系统的实施方案进行详细说明。
现有技术的农药喷洒建立在人工喷洒模式的基础上，进度缓慢，喷洒模式不够精细，对操作人员的人身造成危害，已经不能满足大面积农作物种植的需求，不能满足以人为本的人文关怀的需求。需要一种农药自动喷洒模式，替代现有的人工喷洒模式，为农田的耕作者和农业管理部门提供方面。
研究农药自动喷洒系统的目的是以旱田作物，例如棉花、小麦和玉米，为施药目标，实时采集目标状态图像，利用图像处理技术对图像进行分析与处理，对何时喷洒农药、喷洒多少剂量的农药做出科学决策并自动控制完成施药作业，最终设计并建立出一套适用于大面积农田农药喷洒的智能化机器系统，运用嵌入式控制系统为农药喷洒的准确、高效、低耗、减少污染提供有力的理论和技术支持。
本发明的车载农药自动喷洒系统，以车辆为平台，期望实现以下功能：通过视觉分析系统完成对当前农田图像的采集及处理，判断在自然光照射条件下所摄取的图像中是否有绿色植物，以及如果有，绿色植物在摄取图像中的覆盖面积是多少，从而控制农药的自动喷洒动作。
图1为根据本发明实施方案示出的车载农药自动喷洒系统的结构方框图，如图1所示，所述车载农药自动喷洒系统包括车尾喷洒固定杆、摄像机1、农药喷头2、供电设备3、ARM10处理器4、无线通信接口5，所述摄像机1和所述农药喷头2都固定在所述车尾喷洒固定杆的同一高度上且水平相距预设距离，所述摄像机1用于拍摄车后农田图像，所述农药喷头2用于对车后农田喷洒农药，所述ARM10处理器4用于基于所述车后农田图像控制所述农药喷头的喷洒速率，所述无线通信接口5通过双向无线通信链路与当地农业局管理平台6无线连接，其中，所述ARM10处理器4与所述摄像机1、所述农药喷头2、所述供电设备3和所述无线通信接口5分别连接。
接着，对本发明的车载农药自动喷洒系统进行更具体的说明。
所述车载农药自动喷洒系统还包括用户输入设备，用于根据用户的输入，设定第一比例阈值、第二比例阈值和剩余农药阈值；存储设备，预存所述预设距离，连接所述用户输入设备以接收并存储所述第一比例阈值、所述第二比例阈值和所述剩余农药阈值，还预存比例速率对照表，所述比例速率对照表列举了图像中绿色比例与所述农药喷头的喷洒速率的一一对照关系，所述绿色比例为图像中绿色像素数量占据总像素数量的比例。
所述车载农药自动喷洒系统还包括图像平移设备，连接所述摄像机以获得所述车后农田图像，根据所述预设距离从所述摄像机向所述农药喷头一侧平移所述车后农田图像，并从平移后的图像中切除平移出所述车后农田图像轮廓的图像部分，以获得喷洒区域图像；图像划分设备，连接所述图像平移设备以接收所述喷洒区域图像，计算所述喷洒区域图像中每一个像素的绿色分量值在亮度值中所占的比例数值，当所述比例数值大于所述第一比例阈值时，所述比例数值对应的像素为绿色像素，当所述比例数值小于等于所述第一比例阈值时，所述比例数值对应的像素为非绿色像素，基于绿色像素和非绿色像素将所述喷洒区域图像二值化，以输出二值化喷洒图像；图像滤波设备，连接所述图像划分设备以接收所述二值化喷洒图像，基于二维小波滤波算法对所述二值化喷洒图像滤波，以获得二值化平滑喷洒图像。
所述车载农药自动喷洒系统还包括流量控制器，连接所述存储设备，用于实时控制所述农药喷头的喷洒速率；喷洒电磁换向阀，位于所述流量控制器和所述农药喷头之间，用于控制所述农药喷头的开关；农药储存容器，连接所述农药喷头，用于容纳当地农业局管理平台预先调制的农药；农药剩余容量检测器，位于所述农药储存容器中，通过检测剩余农药在所述农药储存容器中的高度，计算农药剩余容量。
所述供电设备3，用于为所述喷洒系统内除了所述供电设备3以外的电子设备提供电力供应，并在所述ARM10处理器4的控制下对所述喷洒系统执行电源管理。
所述ARM10处理器4与所述图像滤波设备、所述流量控制器、所述喷洒电磁换向阀和所述农药剩余容量检测器分别连接，计算所述二值化平滑喷洒图像中的绿色比例，当所述绿色比例大于所述第二比例阈值时，输出启动农药喷洒信号并输出所述绿色比例，当所述绿色比例小于等于所述第二比例阈值时，输出停止农药喷洒信号；所述ARM10处理器4还在接收到的所述农药剩余容量小于等于所述剩余农药阈值时，输出农药不足报警信号。
所述车载农药自动喷洒系统还包括显示设备，与所述ARM10处理器4连接，用于实时显示与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的文字信息，还用于实时显示所述绿色比例和所述农药剩余容量。
所述无线通讯接口5，与所述ARM10处理器4连接，用于向所述当地农业局管理平台6无线输出与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的文字信息，还用于向所述当地农业局管理平台无线输出所述绿色比例和所述农药剩余容量。
其中，所述流量控制器在接收到所述启动农药喷洒信号后，基于所述绿色比例在所述比例速率对照表中查找与所述绿色比例对应的喷洒速率并作为所述农药喷头的喷洒速率，所述流量控制器在接收到所述停止农药喷洒信号，停止工作；所述喷洒电磁换向阀在接收到所述启动农药喷洒信号后，打开所述农药喷头，在接收到所述停止农药喷洒信号后，关闭所述农药喷头。
所述车载农药自动喷洒系统中，所述喷洒系统还可以包括语音报警设备，连接所述ARM10处理器4，用于播放与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的语音文件，所述语音报警设备可选为扬声器，所述用户输入设备、所述存储设备、所述图像平移设备、所述图像划分设备、所述图像滤波设备、所述ARM10处理器4、所述供电设备3、所述显示设备和所述无线通讯接口5都位于车辆的前端仪表盘内，所述流量控制器、所述喷洒电磁换向阀、所述农药储存容器和所述农药剩余容量检测器都位于车尾，所述无线通讯接5通过GPRS移动通信网络、3G移动通信网络或4G通信网络与所述当地农业局管理平台6实现双向无线通信链路连接，所述ARM10处理器4还与所述摄像机1连接，以控制所述摄像机1定时拍摄车后农田图像。
另外，作为SOC(System On Chip)的典型应用，手持电话、机顶盒、数码像机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等产品的市场需求越来越大。目前，基于ARM的处理器以其高速度、低功耗等诸多优异的性能而成为上述各类产品中选用较多的处理器。ARM处理器分为ARM7、ARM9、ARM10以及StrongARM等几类，其中每一类又根据其各自包含的功能模块而分成多种构成。
ARM7处理器采用ARMV4T(Newman)结构，分为三级流水，空间统一的指令与数据Cache，平均功耗为0.6mW/MHz，时钟速度为66MHz，每条指令平均执行1.9个时钟周期。其中的ARM710，ARM720和ARM740为内带Cache的ARM核。
ARM9处理器，采用ARMV4T(Harvard)结构，五级流水处理以及分离的Cache结构，,平均功耗为0.7mW/MHz，时钟速度为120MHz-200MHz，每条指令平均执行1.5个时钟周期。与ARM7系列相似，其中的ARM920、ARM940和ARM9E为含Cache的CPU核，性能为132MIPS(120MHz时钟，3.3V供电)或220MIPS(200MHz时钟)。
ARM10处理器，采用ARMV5T结构，六级流水处理，指令与数据分离的Cache结构，平均功耗为1000mW，时钟速度为300MHz，每条指令平均执行1.2个周期，其中ARM1020为带Cache的版本。
ARM的硬件开发工具主要包括两类仿真器，一是JTAG仿真器，二是全功能在线仿真器。前者是利用ARM处理器中的调试模块的功能，通过其JTAG边界扫描口来与仿真器连接，这种方式的仿真器比较便宜，连接比较方便，但由于仅通过十几条线来调试，因而功能有局限。目前ARM处理器的JTAG仿真器在市场上比较流行的是EPI公司的JEENI和MAJIC,著名的德国Lauterbach公司有一款通用JTAG/BDM/ONCE仿真器TRACE32-ICD也能够很好的支持ARM系列处理器。对于全功能在线仿真器来说，由于其信真头完全取代目标板上的CPU，因而功能非常强大。但这类仿真器为了能够全速仿真时钟速度高于100MHz的处理器，通常必须采用极其复杂的设计和工艺，因而其价格比较昂贵。
另外，小波滤波器是基于小波变换的滤波器，与Fourier变换相比，小波变换是空间(时间)和频率的局部变换，因而能有效地从信号中提取信息。通过伸缩和平移等运算功能可对函数或信号进行多尺度的细化分析，解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题。小波变换联系了应用数学、物理学、计算机科学、信号与信息处理、图像处理、地震勘探等多个学科。数学家认为，小波分析是一个新的数学分支，它是泛函分析、Fourier分析、样条分析、数值分析的完美结晶；信号和信息处理专家认为，小波分析是时间-尺度分析和多分辨分析的一种新技术，它在信号分析、语音合成、图像识别、计算机视觉、数据压缩、地震勘探、大气与海洋波分析等方面的研究都取得了有科学意义和应用价值的成果。
信号分析的主要目的是寻找一种简单有效的信号变换方法，使信号所包含的重要信息能显现出来。小波分析属于信号时频分析的一种，在小波分析出现之前，傅立叶变换是信号处理领域应用最广泛、效果最好的一种分析手段。傅立叶变换是时域到频域互相转化的工具，从物理意义上讲，傅立叶变换的实质是把这个波形分解成不同频率的正弦波的叠加和。正是傅立叶变换的这种重要的物理意义，决定了傅立叶变换在信号分析和信号处理中的独特地位。傅立叶变换用在两个方向上都无限伸展的正弦曲线波作为正交基函数，把周期函数展成傅立叶级数，把非周期函数展成傅立叶积分，利用傅立叶变换对函数作频谱分析，反映了整个信号的时间频谱特性，较好地揭示了平稳信号的特征。
小波变换是一种新的变换分析方法，它继承和发展了短时傅立叶变换局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，是进行信号时频分析和处理的理想工具。它的主要特点是通过变换能够充分突出问题某些方面的特征，因此，小波变换在许多领域都得到了成功的应用，特别是小波变换的离散数字算法已被广泛用于许多问题的变换研究中。从此，小波变换越来越引起人们的重视，其应用领域来越来越广泛。
采用本发明的车载农药自动喷洒系统，针对现有农药人工喷洒模式自动化水平低、对农田和操作人员易造成损害的技术问题，借用车辆作为农药运输和喷洒平台，对实时拍摄的农作物图像进行分析，判断当前农作物所需的农药剂量，自动进行农药喷洒，避免了人工操作，加快了农药喷洒速度，从而更适用于大面积农田的快速喷药。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (1)
1.一种车载农药自动喷洒系统，所述喷洒系统包括车尾喷洒固定杆、摄像机、农药喷头和ARM10处理器，所述摄像机和所述农药喷头都固定在所述车尾喷洒固定杆的同一高度上且水平相距预设距离，所述摄像机用于拍摄车后农田图像，所述农药喷头用于对车后农田喷洒农药，所述ARM10处理器用于基于所述车后农田图像控制所述农药喷头的喷洒速率；
其特征在于，所述喷洒系统还包括：
用户输入设备，用于根据用户的输入，设定第一比例阈值、第二比例阈值和剩余农药阈值；
存储设备，预存所述预设距离，连接所述用户输入设备以接收并存储所述第一比例阈值、所述第二比例阈值和所述剩余农药阈值，还预存比例速率对照表，所述比例速率对照表列举了图像中绿色比例与所述农药喷头的喷洒速率的一一对照关系，所述绿色比例为图像中绿色像素数量占据总像素数量的比例；
图像平移设备，连接所述摄像机以获得所述车后农田图像，根据所述预设距离从所述摄像机向所述农药喷头一侧平移所述车后农田图像，并从平移后的图像中切除平移出所述车后农田图像轮廓的图像部分，以获得喷洒区域图像；
图像划分设备，连接所述图像平移设备以接收所述喷洒区域图像，计算所述喷洒区域图像中每一个像素的绿色分量值在亮度值中所占的比例数值，当所述比例数值大于所述第一比例阈值时，所述比例数值对应的像素为绿色像素，当所述比例数值小于等于所述第一比例阈值时，所述比例数值对应的像素为非绿色像素，基于绿色像素和非绿色像素将所述喷洒区域图像二值化，以输出二值化喷洒图像；
图像滤波设备，连接所述图像划分设备以接收所述二值化喷洒图像，基于二维小波滤波算法对所述二值化喷洒图像滤波，以获得二值化平滑喷洒图像；
流量控制器，连接所述存储设备，用于实时控制所述农药喷头的喷洒速率；
喷洒电磁换向阀，位于所述流量控制器和所述农药喷头之间，用于控制所述农药喷头的开关；
农药储存容器，连接所述农药喷头，用于容纳当地农业局管理平台预先调制的农药；
农药剩余容量检测器，位于所述农药储存容器中，通过检测剩余农药在所述农药储存容器中的高度，计算农药剩余容量；
供电设备，用于为所述喷洒系统内除了所述供电设备以外的电子设备提供电力供应，并在所述ARM10处理器的控制下对所述喷洒系统执行电源管理；
所述ARM10处理器与所述图像滤波设备、所述流量控制器、所述喷洒电磁换向阀、所述农药剩余容量检测器和所述供电设备分别连接，计算所述二值化平滑喷洒图像中的绿色比例，当所述绿色比例大于所述第二比例阈值时，输出启动农药喷洒信号并输出所述绿色比例，当所述绿色比例小于等于所述第二比例阈值时，输出停止农药喷洒信号；所述ARM10处理器还在接收到的所述农药剩余容量小于等于所述剩余农药阈值时，输出农药不足报警信号；
显示设备，与所述ARM10处理器连接，用于实时显示与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的文字信息，还用于实时显示所述绿色比例和所述农药剩余容量；
无线通讯接口，与所述ARM10处理器连接，用于向所述当地农业局管理平台无线输出与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的文字信息，还用于向所述当地农业局管理平台无线输出所述绿色比例和所述农药剩余容量；
其中，所述流量控制器在接收到所述启动农药喷洒信号后，基于所述绿色比例在所述比例速率对照表中查找与所述绿色比例对应的喷洒速率并作为所述农药喷头的喷洒速率，所述流量控制器在接收到所述停止农药喷洒信号，停止工作；所述喷洒电磁换向阀在接收到所述启动农药喷洒信号后，打开所述农药喷头，在接收到所述停止农药喷洒信号后，关闭所述农药喷头；
语音报警设备，连接所述ARM10处理器，用于播放与所述启动农药喷洒信号、所述停止农药喷洒信号或所述农药不足报警信号对应的语音文件；
所述语音报警设备为扬声器；
所述用户输入设备、所述存储设备、所述图像平移设备、所述图像划分设备、所述图像滤波设备、所述ARM10处理器、所述供电设备、所述显示设备和所述无线通讯接口都位于车辆的前端仪表盘内，所述流量控制器、所述喷洒电磁换向阀、所述农药储存容器和所述农药剩余容量检测器都位于车尾；
所述无线通讯接口通过GPRS移动通信网络、3G移动通信网络或4G通信网络与所述当地农业局管理平台实现双向无线通信链路连接；
所述ARM10处理器还与所述摄像机连接，以控制所述摄像机定时拍摄车后农田图像。
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