CN109074723B - 时间同步方法、传感器嵌入终端和传感器网络系统 - Google Patents

Abstract

在所提供的传感器嵌入终端(10)中：NTP后端处理单元(12)通过基于NTP与父终端(20)交换用于时间同步的NTP分组，使终端定时与父设备定时同步；协议转换单元(13)将从NTP后端处理单元(12)输出并要传输到父终端(20)的NTP分组转换为基于TPSN的TPSN分组，将TPSN分组输出到无线处理单元(14)，还将从无线处理单元(14)输出的来自父终端(20)的TPSN分组转换为NTP分组，并将NTP分组输出到NTP后端处理单元(12)。

Description

时间同步方法、传感器嵌入终端和传感器网络系统

技术领域

本发明涉及一种时间同步技术，用于同步各自嵌入有多个无线传感器终端的传感器数据采集终端的定时。

背景技术

在采用所有事物都连接到互联网的物联网(IoT)的社会中，各种传感器连接到如图6所示的传感器网络以收集各种大量的数据，并且期望通过分析数据获得对人类有用的信息。在这样的社会中，需要嵌入有无线传感器终端的终端来处理各种使用情况和需求。当简单地使用目前主流的智能手机时，这可能会导致操作问题。

具体地，难以同时连接大量智能手机。作为该问题的对策，通过使用传感器数据采集终端的树型网络结构(如图7中所示的传感器网络)来增加可连接的智能电话的数量。然而，在该方法中，当没有在每个传感器数据采集终端上安装时间同步方法时出现以下两个问题。

第一个问题是不能按时间序列排列传感器数据。这是因为由各个传感器数据采集终端获得的传感器数据没有统一的时间基准。第二个问题是分组相互冲突或者信道上的时间被浪费，因为各个传感器数据采集终端在其本地定时将传感器数据传输到父终端。如图8中所示，已经为如上所述的传感器网络提出了各种时间同步方法。

然而，如上所述的常规时间同步技术在它们的应用范围中具有优点和缺点，不能通过使用单个协议来覆盖和满足所有情况。另外，与诸如全球定位系统(GPS)、网络身份和时区(NITZ)以及洪泛时间同步协议(FTSP)之类的协议对应的无线标准和硬件是有限的。因此，特别是在擅于处理当前传感数据的

和

等低功耗无线标准上无法处理这些协议。

相关技术文献

非专利文献

非专利文献1：Makoto Suzuki等人的“无线传感器网络中时间同步技术的研究动向”，东京大学高级科学技术研究中心，森川实验室技术研究报告，第2008001号，2008年4月24日(日文)

非专利文献2：“Timing-sync Protocol for Sensor Networks”、“Proceedingsof the 1st international conference on Embedded networked sensor systems”，第138-149页，Sensys'03，第一届嵌入式网络传感器系统ACM会议，美国加利福尼亚州洛杉矶，2003年11月5日至7日

发明内容

本发明要解决的问题

本发明为了解决上述问题而做出，本发明的目的是提供一种时间同步技术，其能够在用于传输传感器数据的各种无线标准中精确地同步传感器数据采集终端的定时。

问题的解决方法

为了实现上述目的，根据本发明的时间同步方法用于与父终端无线连接的多个终端，使所述终端的终端定时与所述父终端的父终端定时同步，所述时间同步方法包括：无线处理步骤，通过无线通信与所述父终端交换各种分组；后端处理步骤，通过基于网络时间协议NTP与所述父终端交换用于时间同步的NTP分组，使所述终端定时与所述父终端定时同步；以及协议转换步骤，将在所述后端处理步骤中输出并要传输到所述父终端的NTP分组转换为基于传感器网络定时同步协议TPSN的TPSN分组，将所述TPSN分组输出到所述无线处理步骤，将在所述无线处理步骤中输出的来自所述父终端的TPSN分组转换为NTP分组，并将所述NTP分组输出到所述后端处理步骤。。

根据本发明的传感器数据采集终端收集由多个无线传感器终端检测到的传感器数据并将所述传感器数据无线传输至父终端，所述传感器数据采集终端包括：无线处理单元，配置成通过无线通信与所述父终端交换各种分组；后端处理单元，配置成通过基于网络时间协议NTP与所述父终端交换用于时间同步的NTP分组，使所述无线传感器终端的终端定时与所述父终端的父终端定时同步；以及协议转换单元，配置成将从所述后端处理单元输出并要传输到所述父终端的NTP分组转换为基于传感器网络定时同步协议TPSN的TPSN分组，将所述TPSN分组输出到所述无线处理单元，将从所述无线处理单元输出的来自所述父终端的TPSN分组转换为NTP分组，并将所述NTP分组输出到所述后端处理单元。

根据本发明的传感器网络系统包括：父终端；以及多个传感器数据采集终端，收集由多个无线传感器终端检测到的传感器数据并将所述传感器数据无线传输到所述父终端，其中所述传感器数据采集终端是上述任何传感器数据采集终端。

本发明的效果

根据本发明，NTP的缺点(难以实现高度精确的时间同步，因为NTP最初建立在NTP将用于极远程的有线通信的基础上)可以通过TPSN来弥补。由于TPSN是最初为传感器网络设计的协议，因此具有相对高的同步精度。具体地，由于TPSN是类似于NTP的协议，因此可以通过相对简单的协议转换处理精确地同步传感器数据采集终端的定时。此外，NTP和TPSN可以独立于用于传感器网络的无线标准而安装。这样可以在将来支持新无线标准时或使用其它无线标准时实现平滑过渡。

附图说明

图1是示出根据本实施例的传感器网络系统的结构的框图；

图2是示出根据本实施例的同步定时的实验结果的曲线图；

图3示出了根据本实施例的传感器网络系统的应用示例；

图4是用于说明时间同步分组的图；

图5是用于说明传输定时控制的图；

图6示出了IoT使用的传感器网络的结构示例；

图7示出了一般传感器网络的结构示例；以及

图8示出了常规时间同步技术的研究动向。

具体实施方式

下面将参考附图说明本发明的实施例。

[传感器网络系统]

首先，将参考图1说明根据该实施例的传感器网络系统1。

如图1中所示，传感器网络系统1包括用于无线连接各种无线传感器终端30的多个传感器数据采集终端10，以及与这些传感器数据采集终端10无线连接的父终端20。

无线传感器终端30是诸如可穿戴传感器或传感器穿戴物之类的无线传感器终端，并且具有检测诸如人的周围环境或生物数据之类的传感器数据并无线传输这类传感器数据的功能。

传感器数据采集终端(终端)10整体上是无线中继终端，例如，诸如Wi-Fi路由器之类的固定无线中继终端或诸如智能电话之类的移动无线中继终端。传感器数据采集终端10接收从无线传感器终端30无线传输的传感器数据，将该传感器数据与来自其它无线传感器终端30的传感器数据集成，并将集成的传感器数据无线传输到父终端20。

父终端20整体上是无线接入点(AP)，其从每个传感器数据采集终端10接收传感器数据，并且经由通信线路L将传感器数据传送到主机装置50。

主机装置50整体上是服务器装置，其通过累积从父终端20传送的传感器数据来生成一系列时间序列数据，并将生成的数据提供给用户。

在图8中所示的时间同步技术中，NTP(网络时间协议：IETF RFC5905、RFC2030)是用于在互联网上计算机之间彼此同步的协议。在互联网上，由于路由器中发生传送等待时间，分组传送时间可以从大约几毫秒到几百毫秒，即，延迟也取决于流量。为了减少由传送时间的这种波动引起的影响，NTP通过双向握手促进时间同步。NTP具有分层结构，并且最上面的服务器具有精确的标准时间。较低的主机通过参考上层服务器的定时来调整定时。NTP可以向多个服务器查询时间，这提高了时间同步的灵活性和精度。

另一方面，TPSN(用于传感器网络的定时同步协议：非专利文献2)首先通过将作为同步基准的节点用作根来构建生成树。然后，构建的生成树的父节点和子节点通过使用与NTP同样的双向握手的时间戳来执行同步。通过记录MAC层交换数据时(即，执行传输和接收时)的时间戳，可以减少由发送、访问和接收引起的时间同步错误。

如上所述，NTP和TPSN都是通过交换时间戳来实现时间同步的协议，因此它们在方法上具有相似性。此外，NTP在Windows PC和

PC等PC上拥有多年的实践经验，并拥有诸如开源软件等软件资源。然而，NTP最初建立在假设它应用于极远程的有线通信的基础上。因此，高精度时间同步是困难的。另一方面，TPSN是最初为传感器网络设计的协议，因此具有相对高的精度。由于TPSN是一种较新的协议，因此在安装TPSN时需要完全自定义软件，这会在开发和维护此类软件时产生问题。

本发明着眼于如上所述的NTP和TPSN的特征，具有在传感器数据采集终端10中形成用于将NTP与TPSN相互转换的协议转换单元的布置，在传感器数据采集终端10内部基于NTP来执行时间同步处理，在传感器数据采集终端10外部基于TPSN来执行无线传输。

[传感器数据采集终端]

下面将参考图1说明根据该实施例的传感器数据采集终端10的结构。

在传感器数据采集终端10中，作为主要功能单元，包括：时钟单元11、NTP后端处理单元12、协议转换单元13、无线处理单元14、无线I/F单元15和传感器处理单元16。在这些功能单元中，NTP后端处理单元12和协议转换单元13中的每一个由算术处理器实现，在算术处理器中CPU和程序彼此协作。

时钟单元11是包括实时时钟(RTC)IC或石英振荡器的时钟电路，并且具有对要在传感器数据采集终端10的处理操作中使用的定时(诸如对来自无线传感器终端30的传感器数据给予的时间戳)进行计时的功能。

NTP后端处理单元12具有以下功能：通过基于NTP与父终端20交换用于时间同步的NTP分组来执行时间同步处理，并且基于处理结果来设置时钟单元11的定时。

协议转换单元13具有将来自NTP后端处理单元12的NTP分组的格式转换为TPSN分组的格式并将TPSN分组输出到无线处理单元14的功能，以及将来自无线处理单元14的TPSN分组的格式转换为NTP分组的格式并将NTP分组输出到NTP后端处理单元12的功能。

无线处理单元14是与各种无线标准对应的固件，并且具有经由无线I/F单元15与父终端20交换传感器数据分组和时间同步TPSN分组的功能，以及经由无线I/F单元15接收从无线传感器终端30传输的传感器数据分组的功能。

无线处理单元14包括固件模块，其包括用于执行与诸如WiFi、

Zigbee和Wi-SUN之类的各种无线标准对应的信号处理的硬件、以及用于执行调制处理的软件，并基于通过进行设置而从这些模块中预先选择的无线标准的固件来控制无线I/F单元15，从而与父终端20或无线传感器终端30进行无线通信。

无线I/F单元15是与各种无线标准对应的硬件，并且具有基于无线标准将来自无线处理单元14的输出分组传输到父终端20的功能，基于无线标准将从父终端20接收到的分组输出到无线处理单元14的功能，以及接收从无线传感器终端30传输的传感器数据分组的功能。

无线I/F单元15包括与诸如WiFi、

Zigbee和Wi-SUN之类的各种无线标准对应的硬件，并且基于由无线处理单元14的固件从这些无线标准中选择的无线标准的硬件，与父终端20或无线传感器终端30进行无线通信。

传感器处理单元16具有经由无线处理单元14和无线I/F单元15无线连接到无线传感器终端30，收集由无线传感器终端30检测到的传感器数据，并通过给予由时钟单元11计时的定时的时间戳来临时存储传感器数据的功能，以及通过对这些传感器数据进行集成来产生分组，并将该分组输出到无线处理单元14的功能。

[本实施例的操作]

接下来，将说明根据该实施例的传感器网络系统1和传感器数据采集终端10的时间同步操作。

在该说明中，假设父终端20基于诸如NTP之类的已知时间同步技术，与主机装置50等的标准定时进行同步。

首先，传感器数据采集终端10的NTP后端处理单元12定期地生成指示时间同步请求并寻址到父终端20的NTP分组，并将NTP分组输出到协议转换单元13。

协议转换单元13将来自NTP后端处理单元12的NTP分组转换为TPSN分组，并将TPSN分组输出到无线处理单元14。

无线处理单元14通过基于与预选无线标准对应的固件控制无线I/F单元15的硬件，将来自协议转换单元13的TPSN分组无线地传输到父终端20。

根据来自传感器数据采集终端10的指示时间同步请求的TPSN分组，父终端20基于其本地定时生成指示时间同步响应的TPSN分组，并将该TPSN分组返回到传感器数据采集终端10。

无线处理单元14经由无线I/F单元15接收从父终端20返回的TPSN分组，并将TPSN分组输出到协议转换单元13。

协议转换单元13将来自无线处理单元14的TPSN分组转换为NTP分组，并将NTP分组输出到NTP后端处理单元12。

根据来自协议转换单元13的指示时间同步响应的NTP分组，NTP后端处理单元12计算与父终端20的定时的时间差，并校正时钟单元11的定时，从而使时钟单元11的定时与父终端20的定时同步。

在该操作中，NTP后端处理单元12基于指示时间同步响应的NTP分组中包含的定时信息、指示时间同步请求的NTP分组的传输定时、以及指示时间同步响应的NTP分组的接收定时，来计算到父终端20的往返路径中的所需传输时间。然后，NTP后端处理单元12根据这些所需传输时间计算父终端20与时钟单元11的定时之间的时间差，计算指示时钟单元11中的计时速率偏差的漂移，并基于时间差和漂移校正时钟单元11的定时。

[本实施例的效果]

在如上所述的该实施例中，在传感器数据采集终端10(终端)中，NTP后端处理单元12与父终端20交换用于时间同步的NTP分组，从而使终端定时与父设备定时同步。协议转换单元13将从NTP后端处理单元12输出并要被传输到父终端20的NTP分组转换为基于TPSN的TPSN分组，并将TPSN分组输出到无线处理单元14。另外，协议转换单元13将从无线处理单元14输出的来自父终端20的TPSN分组转换为NTP分组，并将NTP分组输出到NTP后端处理单元12。

因此，NTP的缺点(难以实现高度精确的时间同步，因为NTP最初建立在NTP将用于极远程的有线通信的基础上)可以通过TPSN来弥补。由于TPSN是最初为传感器网络设计的协议，因此具有相对高的同步精度。具体地，由于TPSN是类似于NTP的协议，因此可以通过相对简单的协议转换处理精确地同步传感器数据采集终端10的定时。

在图2所示的同步定时的实验结果中，横坐标表示同步误差[ms]，而纵坐标表示发生各同步误差的频率分布。在图2中，同步误差频率分布几乎等于正态分布，并且包括整个分布的99.7％在内的3σ的范围小于4ms。关于一般运动图像的30fps(33ms/帧)的帧速率的同步误差是±2.5ms。这表明，即使当数据是运动图像数据时，本发明的这种同步定时的误差也可以传输高质量的传感器数据。

图3示出了在高尔夫练习期间检测通过捕获高尔夫挥杆形式获得的运动图像数据、用户的心电图波形和肌电图波形作为传感器数据的情况。

由摄像机捕获的运动图像数据由传感器数据采集终端#1收集并使用高速无线标准传送到父终端。由可穿戴心电图传感器和可穿戴肌电图传感器检测的心电图波形和肌电图波形由传感器数据采集终端#2收集，并使用低功率无线标准传输到父终端。

在这种情况下，传感器数据采集终端#1和#2的终端定时与父终端的父设备定时是同步的。因此，可以通过容易地同步从传感器数据采集终端#1和#2传输的运动图像数据、心电图波形和肌电图波形来回放它们。

因此，用户可以在不关心挥杆形式的运动图像与用户的心电图波形和肌电图波形的时间同步的情况下分析高尔夫挥杆形式。

此外，用于NTP或TPSN的时间同步分组的分组大小非常小。如图4中所示，当通过WiFi(IEEE 802.11a)传输一般NTP分组时，标头PHY、MC和IP被添加到NTP分组，因此总分组大小为238个八位位组。另一方面，当通过Zigbee传输本发明的TPSN分组时，只有标头PHY和MAC被添加到TPSN分组，因此总分组大小是47个八位位组，即，分组大小可以减少到大约1/5。这使得低功率时间同步成为可能。

此外，NTP和TPSN可以独立于用于传感器网络的无线标准而安装。这样可以在将来支持新无线标准时或使用其它无线标准时实现平滑过渡。具体地，NTP在

PC和

PC等PC上拥有多年的实践经验，并且具有诸如开源软件等软件资源，因此可以大大减少开发的工时。

在该实施例中，无线处理单元14还可以具有与多个不同无线标准对应的固件模块，并且基于与预选无线标准对应的固件与父终端20进行无线通信。

本来每次改变规范时都需要重新制作无线固件，但由于无线固件是模块化的，因此只需要为无线固件新开发对应于新无线标准的相关部分即可，这可以大大减少开发的工时。

在该实施例中，无线处理单元14还可以选择与从父终端20传输的通信性能请求匹配的无线标准对应的固件。在这种情况下，通信性能请求和无线标准预先相互关联。

因此，可以在需要高速通信时选择WiFi，并且当仅需要低速通信时选择BLE或Zigbee。即，可以根据由父终端20或主机装置50指定的通信性能请求灵活地选择通信标准并执行无线通信。

在该实施例中，无线处理单元14还可以从与通信性能请求匹配的无线标准中选择与具有最低功耗的无线标准对应的固件。在这种情况下，通信性能请求、无线标准和功耗预先相互关联。

由于最近的一些无线标准是针对低功率操作而特别制定的，因此该方法在使用这种无线标准时特别有效。

在该实施例中，作为示例，说明了将本发明的时间同步方法应用于传感器网络系统1中使用的传感器数据采集终端10的情况。然而，本发明不限于此。只要是将无线连接到父终端的每个终端的终端定时与父终端的父设备定时同步的情况，本发明的时间同步方法就可以以与上述相同的方式应用于任何无线网络系统。

在该实施例中，无线处理单元14还可以具有与多个不同无线标准对应的固件的模块，并且基于固件与无线传感器终端30进行无线通信，所述固件对应于基于从无线传感器终端30获得的通信性能信息从所述无线标准中选择的无线标准。

因此，尤其是当传感器包括具有不同特征的无线标准(诸如高速和低速无线标准)时，可以选择最佳无线标准。

在该实施例中，无线处理单元14还可以基于由父终端20指定的传感器数据采集终端10特有的传输定时和同步后的终端定时，将传感器数据无线传输到父终端20。

这样，本发明能够基于在传感器数据采集终端10之间同步后的终端定时来控制分组的传输定时。因此，本发明能够避免传输到父终端20的传感器数据分组的冲突，并在不执行通信时关闭父终端20的接收电路，因此实现低功率能力。

如图5中所示，当在传感器数据采集终端10之间不应用时间同步时，如传感器数据采集终端#1和#2中那样，传输定时可能彼此重叠并且分组彼此冲突。当发生这样的分组冲突时，执行分组重传处理，因此消耗额外的传输功率。相反，传输定时可以如传感器数据采集终端#2和#3那样彼此分离。当出现这样的无用时间时，接收功率被浪费，因为始终在消耗接收功率。

另一方面，本发明的传输定时控制可以执行调度，使得不发生分组冲突，并且在传输定时之间几乎没有分离。这使得可以抑制由分组重传和分组分离引起的功耗浪费。另外，可以根据传感器数据采集终端#1、#2、#3和#4的传输定时，仅向对应接收电路供电，因此可以在非通信状态下停止向接收电路供电。这可以显著降低父终端20中的功耗。根据已经进行的实验，执行传输定时控制，以便为10个传感器数据采集终端10中的每一个分配大约25ms的时隙。这样，父终端20中的空闲功耗减少到当没有执行传输定时控制时的约15％。

与父终端20交换的NTP分组被协议转换单元13转换为TPSN分组并交换，因此这些计算中使用的定时基于TPSN而应用MAC层中的定时。因此，获得了比单独使用NTP时更高精度的所需传输时间，因此以更高的精度计算时间差和漂移。

本来每次改变规范时都需要重新制作无线固件，但在无线处理单元14中，对应于各种无线标准的固件被模块化，因此，只需要为无线固件新开发对应于新无线标准的相关部分即可，这可以大大减少开发的工时。

[实施例的扩展]

以上通过参考实施例说明了本发明，但是本发明不限于上述实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明的结构和细节进行本领域技术人员可理解的各种改变。另外，这些实施例可以在彼此不矛盾的范围内以任意组合的形式实施。

附图标记和符号的说明

1…传感器网络系统，10…传感器数据采集终端，11…时钟单元，12…NTP后端处理单元，13…协议转换单元，14…无线处理单元，15…无线I/F单元，16…传感器处理单元，20…父终端，30…无线传感器终端，50…主机装置，L…通信线路。

Claims (9)

1.一种时间同步方法，用于与父终端无线连接的多个终端，所述时间同步方法包括：

后端处理步骤，生成寻址到所述父终端的指示时间同步请求的第一网络时间协议NTP分组，并且基于NTP，根据来自所述父终端的指示时间同步响应的第二NTP分组，使终端的终端定时与所述父终端的父终端定时同步，所述时间同步方法还包括：

将在所述后端处理步骤中生成的指示时间同步请求的所述第一网络时间协议NTP分组转换为基于传感器网络定时同步协议TPSN的指示时间同步请求的第一TPSN分组的步骤，

无线处理步骤，通过无线通信，将指示时间同步请求的所述第一TPSN分组传输到所述父终端，并且接收从所述父终端返回的指示时间同步响应的第二TPSN分组，以及

将在所述无线处理步骤中从所述父终端接收的指示时间同步响应的所述第二TPSN分组转换为指示时间同步响应的所述第二NTP分组的步骤，

其中，所述后端处理步骤包括：根据从指示时间同步响应的所述第二TPSN分组转换得到的指示时间同步响应的所述第二NTP分组，使所述终端的终端定时与所述父终端的父终端定时同步。

2.根据权利要求1所述的时间同步方法，其中所述无线处理步骤包括执行模块上的与多个不同无线标准对应的固件，并且包括基于与预先选择的无线标准对应的固件与所述父终端执行无线通信的步骤。

3.根据权利要求2所述的时间同步方法，其中所述无线处理步骤包括选择固件的步骤，所述固件对应于与从所述父终端接收的通信性能请求匹配的无线标准。

4.根据权利要求3所述的时间同步方法，其中所述无线处理步骤包括选择固件的步骤，所述固件对应于与所述通信性能请求匹配的无线标准中具有最低功耗的无线标准。

5.一种传感器数据采集终端，收集由多个无线传感器终端检测到的传感器数据并将所述传感器数据无线传输至父终端，所述传感器数据采集终端包括：

无线处理单元，配置成通过无线通信与所述父终端交换各种分组；

后端处理单元，配置成生成寻址到所述父终端的指示时间同步请求的第一网络时间协议NTP分组，并且基于NTP，根据来自所述父终端的指示时间同步响应的第二NTP分组，使无线传感器终端的终端定时与所述父终端的父终端定时同步；以及

协议转换单元，配置成将由所述后端处理单元生成的指示时间同步请求的所述第一网络时间协议NTP分组转换为基于传感器网络定时同步协议TPSN的指示时间同步请求的第一TPSN分组，将指示时间同步请求的所述第一TPSN分组输出到所述无线处理单元，将从所述无线处理单元输出的来自所述父终端的指示时间同步响应的第二TPSN分组转换为指示时间同步响应的所述第二NTP分组，并将指示时间同步响应的所述第二NTP分组输出到所述后端处理单元，

其中，所述无线处理单元传输从所述协议转换单元输出的指示时间同步请求的所述第一TPSN分组，从所述父终端接收指示时间同步响应的所述第二TPSN分组，并将指示时间同步响应的所述第二TPSN分组输出到所述协议转换单元。

6.根据权利要求5所述的传感器数据采集终端，其中所述无线处理单元包括与多个不同无线标准对应的固件的模块，并且基于固件与所述无线传感器终端执行无线通信，所述固件对应于基于从所述无线传感器终端获得的通信性能信息从所述无线标准中选择的无线标准。

7.根据权利要求5或6所述的传感器数据采集终端，其中所述无线处理单元基于由所述父终端指定的所述传感器数据采集终端特有的传输定时和在时间同步之后获得的终端定时，将所述传感器数据无线传输到所述父终端。

8.一种传感器网络系统，包括：

父终端；以及

多个传感器数据采集终端，收集由多个无线传感器终端检测到的传感器数据并将所述传感器数据无线传输到所述父终端，

其中所述传感器数据采集终端是根据权利要求5或6所述的传感器数据采集终端。

9.一种传感器网络系统，包括：

父终端；以及

多个传感器数据采集终端，收集由多个无线传感器终端检测到的传感器数据并将所述传感器数据无线传输到所述父终端，

其中所述传感器数据采集终端是根据权利要求7所述的传感器数据采集终端。

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