CN115914355A - 一种适用于室内室外联合定位连接物联网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于室内室外联合定位连接物联网方法，包括如下步骤：步骤一：识别前准备工作；步骤二、区域识别：获取定位标签所在的位置区域，并对所述位置区域进行区域识别，得到区域识别结果；步骤三、根据所述区域识别结果选择所述定位标签的定位模式，并根据选择的定位模式对所述定位标签进行定位，得到所述定位标签的目标位置信息；当所述区域识别结果为室外区域时，所述定位标签对应室外定位模式：将接收到的北斗定位的经纬度导入网页端地图进行查询，得到最终位置；当所述区域识别结果为室内区域时，所述定位标签对应的室内定位模式：采用自适应算法得到最终位置。本发明实现在工业园区内室内外联合定位；定位精度高并且呈上升趋势。

Description

一种适用于室内室外联合定位连接物联网方法

技术领域

本发明涉及物联网定位技术领域，特别是涉及一种适用于室内室外联合定位连接物联网方法。

背景技术

由于电力供应链服务智慧园区包含生产综合楼、检测大厅、评标基地和仓库，各区域管理要求各不相同；而人员、车辆在园区的室内外穿梭频率很高，活动范围较广，涉及建筑物较多。因此，单一定位系统无法满足室内外定位需求，导致不能准确定位人员、车辆，园区管理人员无法对园区内突发事件进行定位和及时处理；

北斗定位系统在室外定位已经十分成熟并拥有广泛的应用，然而北斗定位系统在室内由于非视距传输及信号衰减造成无法定位，所以现有的室内外定位通常是北斗定位系统结合一些室内定位技术联合实现的。但是现有的室内外联合定位的技术定位精度还是不高，因此急需一种定位精准度高且可以根据携带者不同调节适配度的适用于室内室外联合定位连接物联网方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，一种适用于室内室外联合定位连接物联网方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种适用于室内室外联合定位连接物联网方法，包括如下步骤：

步骤一：识别前准备工作：划定位置区域；准备定位标签，将定位标签绑定在携带者上；布设物联网基站；

步骤二、区域识别：获取定位标签所在的位置区域，并对所述位置区域进行区域识别，得到区域识别结果；

步骤三、根据所述区域识别结果选择所述定位标签的定位模式，并根据选择的定位模式对所述定位标签进行定位，得到所述定位标签的目标位置信息；

其中，根据所述区域识别结果选择所述定位标签的定位模式具体实现为：当所述区域识别结果为室外区域时，所述定位标签对应的定位模式为室外定位模式；所述室外定位模式包括如下步骤：将接收到的北斗定位的经纬度导入网页端地图进行查询，得到最终位置；当所述区域识别结果为室内区域时，所述定位标签对应的定位模式为室内定位模式；所述室内定位模式采用自适应算法得到最终位置。

而且，所述自适应算法的室内定位模式包括如下步骤：

1)确定距离定位标签最远的三个物联网基站的坐标位置：

确立收集到的物联网基站的坐标信息，对收集到的所有物联网基站进行标号、分组，分组方式为不同的三个基站组合设为一组；并对每组分别进行三边定位，即计算每组中每一个物联网基站与定位标签的距离，赋以上述距离权值，由每个组合得到的结果加权得到总权值，选择最大总权值，确定该最大总权值对应的物联网基站的组合，确定从该组合包含的三个物联网基站的坐标：

确定公式如下：

对收集到的所有物联网基站分组，即为经由id分为组n后，求组合数

O(k₁*d₁，k₂*d₂...k_i*d_i...k_n*d_n)  (1)

其中k_i表示第i个基站与定位标签的参考位置单元的物理距离的权值，d_i表示第i个基站与定位标签的参考位置单元的物理距离，取出d_i中最大的三个值d_m、d_q、d_q，其对应k_m、k_q、k_q赋值为1，其余为0，i，m，p，q∈n，n为搜寻到的物联网基站个数，且n≥4，

2)通过理想三边定位算法确定定位标签的位置：

根据步骤1)确定的三个物联网基站m、p、q的坐标点为圆心，将确定的三个物联网基站与定位标签的距离d_m、d_p、d_q为半径进行绘制圆，三个圆相交形成三圆交点或者交集区，若形成三圆的交点，该交点为定位标签的坐标；若形成三圆的交集区，该交集区为定位标签的位置范围；若形成交集区，则还需要按照三角形质心定位法，根据所述确定定位标签位置范围计算得到定位标签的坐标。

而且，识别前准备工作中的划定位置区域，是将位置区域划分为室内区域以及室外区域，所述室外区域为无遮挡环境区域，所述室内区域为有遮挡环境区域。

而且，所述定位标签包括北斗定位模块、UWB定位模块、处理器芯片、电池、USB充电适配器、电源管理模块、SIM模块以及天线；所述定位标签在室外接收来自北斗定位模块的定位信息，室内通过UWB定位模块确定位置信息，处理芯片模块经过判断，将有用的信息通过SIM模块传输至后台服务器；电源管理模块、USB充电适配器与电池负责整套定位标签的供电；且各部件连接关系为：北斗定位模块通过天线与北斗卫星进行无线连接，北斗定位模块与电源管理模块连接，北斗定位模块与处理芯片模块连接；UWB定位模块与室内无线传感网无线连接，UWB定位模块与电源管理模块连接，UWB定位模块与处理芯片模块连接；SIM模块通过天线，通过移动网络与后台服务器连接，SIM模块与电源管理模块连接，SIM模块与处理芯片模块连接。

而且，布设物联网基站：在所述室内区域内布设多个物联网基站，每个物联网基站通过无线传感网与定位标签的UWB定位模块连接通讯，每个物联网基站通过无线网与后台服务器连接通讯。

而且，步骤二区域识别的识别依据为电磁波的穿透特性；具体为：若后台服务器接收到北斗定位信号，形成不为0的坐标，获取室外坐标有效，判定定位标签处于室外区域；若后台服务器未接收到北斗定位信号，形成为0的坐标，获取室外信息无效，此时后台服务器接收到的UWB信号；判定定位标签处于室内区域；若后台服务器接收到的UWB频率范围为:3.1GHz～10.6GHz的信号；而收不到北斗定位模块信号，则表明此时定位标签的运动状态为从室外区域走到室内区域。

而且，所述定位标签还包括操作报警系统，所述携带者为设备操作人员，且需要进行设备操作行为，当该人进入室内区域时，启动操作报警系统进行监控，实现设备操作人员按照正常操作顺序进行操作。

而且，所述操作报警系统包含多套设备操作的顺序包，每套设备操作的顺序包包括多个预设的顺序区域，后台服务器接收定位标签未按顺序移动经过预设的顺序区域，后台服务器启动操作报警系统进行触发报警，提示设备操作人员回到正确的操作区域内进行操作。

而且，携带者为人时，将后台服务器获取定位标签在室内的实时位置响应时间调高。

本发明的优点和积极效果是：

本发明将北斗定位系统与UWB室内定位系统结合，通过电磁波的穿透特性进行区域识别，实现了在工业园内进行室内外区域定位，且当区域识别在室内区域时，采用自适应算法的室内定位模式，该定位模式通过验证发现定位精度高并且呈上升趋势。

本发明在定位标签还包括有操作报警系统，当设备操作者携带定位标签进入室内区域进行设备操作时，通过操作报警系统进行操作监控，进行规范且正确的启动或者维修设备，为企业降本增效，全透明管理提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明室内定位时上位机显示图；

图3是本发明理想三边定位法确定三圆交点图；

图4是本发明理想三边定位法确定三圆交集图；

图5是本发明2D数据正态分布图；

图6是本发明3D数据正态分布图；

图7为系统测量点的欧式距离误差图；

图8为数据统计分析。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种适用于室内室外联合定位连接物联网方法，包括如下步骤：

步骤一：识别前准备工作：

划定位置区域：将位置区域划分为室内区域以及室外区域，所述室外区域为无遮挡环境区域，所述室内区域为有遮挡环境区域；

准备定位标签，所述定位标签包括北斗定位模块、UWB定位模块、处理器芯片、电池、USB充电适配器、电源管理模块、SIM模块以及天线；所述北斗卫星定位模块用于获取定位标签室外无遮挡环境下的位置、速度、时间、卫星数的数据；所述UWB定位模块，用于获取定位标签在有遮挡环境下的位置、速度、时间的数据；

所述定位标签在室外接收来自北斗定位模块的定位信息，室内通过UWB定位模块确定位置信息，处理芯片模块经过判断，将有用的信息通过SIM模块传输至后台服务器；电源管理模块、USB充电适配器与电池负责整套定位标签的供电；各部件连接关系为：北斗定位模块通过天线与北斗卫星进行无线连接，北斗定位模块与电源管理模块连接，北斗定位模块与处理芯片模块连接；UWB定位模块与室内无线传感网无线连接，UWB定位模块与电源管理模块连接，UWB定位模块与处理芯片模块连接；SIM模块通过天线，通过移动网络与后台服务器连接，SIM模块与电源管理模块连接，SIM模块与处理芯片模块连接；

布设物联网基站：在所述室内区域内布设多个物联网基站，每个物联网基站通过无线传感网与定位标签的UWB定位模块连接通讯，每个物联网基站通过无线网与后台服务器连接通讯；

上述通过划分位置区域、布设物联网基站以及准备定位标签的准备工作，能有效方便后续根据位置区域划分的结果和布设的设备来选择对应的定位模式对定位标签进行定位的有效实施，提高定位效率；由于室内和室外的区域界线比较明显，可以准确地选择到对应的定位模式来定位。

步骤二、区域识别：

获取定位标签所在的位置区域，并对所述位置区域进行区域识别，得到区域识别结果；

识别依据为室内外联合定位策略实现重要原理在于电磁波的穿透特性；

具体为：北斗/GPS电磁信号频率较高，在进行定位时，定位标签由室外移动到室内，由于其高频特性，穿墙能力弱，北斗定位信号在室内的信号值为0；室内布设UWB信号发送定位标签，室内定位利用、UWB定位模块的定位模型、定位算法即可解算出坐标；离开室内磁场信号范围，其UWB信号值为0，因此室外也只有北斗/GPS电磁波信号。

具体操作为：若后台服务器接收到北斗定位信号，形成不为0的坐标，获取室外坐标有效，判定定位标签处于室外区域；若后台服务器未接收到北斗定位信号，形成为0的坐标，获取室外信息无效，此时后台服务器接收到的UWB信号；判定定位标签处于室内区域；

其中，若后台服务器接收到的UWB频率范围为:3.1GHz～10.6GHz的信号；而收不到北斗定位模块信号，则表明此时定位标签的运动状态为从室外区域走到室内区域；

步骤三、根据所述区域识别结果选择所述定位标签的定位模式，并根据选择的定位模式对所述定位标签进行定位，得到所述定位标签的目标位置信息；

其中，根据所述区域识别结果选择所述定位标签的定位模式具体实现为：当所述区域识别结果为室外区域时，所述定位标签对应的定位模式为室外定位模式；所述室外定位模式包括如下步骤：将接收到的北斗定位的经纬度导入网页端地图进行查询，得到最终位置；

当所述区域识别结果为室内区域时，所述定位标签对应的定位模式为室内定位模式；所述室内定位模式采用自适应算法，具体包括如下步骤：

1)确定距离定位标签最远的三个物联网基站的坐标位置：

确立收集到的物联网基站的坐标信息，对收集到的所有物联网基站进行标号、分组，分组方式为不同的三个基站组合设为一组；并对每组分别进行三边定位，即计算每组中每一个物联网基站与定位标签的距离，根据实际UWB测量时距离越小定位空间相对越大，误差增大的原则，赋以上述距离权值，由每个组合得到的结果加权得到总权值，选择最大总权值，确定该最大总权值对应的物联网基站的组合，从而确定从该组合包含的三个物联网基站的坐标：

如下公式：

对收集到的所有物联网基站分组，即为经由id分为组n后，求组合数

O(k₁*d₁，k₂*d₂...k_i*d_i...k_n*d_n)  (1)

其中k_i表示第i个基站与定位标签的参考位置单元的物理距离的权值，d_i表示第i个基站与定位标签的参考位置单元的物理距离，取出d_i中最大的三个值d_m、d_p、k_q，其对应k_m、k_p、k_q赋值为1，其余为0，i，m，p，q∈n，n为搜寻到的物联网基站个数，且≥4，

2)通过理想三边定位方法确定定位标签的位置：

根据步骤1)确定的三个物联网基站m、p、q的坐标点为圆心，将确定的三个物联网基站与定位标签的距离d_m、d_p、d_q为半径进行绘制圆，三个圆相交形成三圆交点或者交集区，若形成三圆的交点，该交点为定位标签的坐标；若形成三圆的交集区，该交集区为定位标签的位置范围；则需要按照三角形质心定位法，根据所述确定定位标签位置范围计算得到定位标签的坐标；其中三角形质心定位法具体操作步骤为现有技术，此处不再赘述；

进一步，所述定位标签还包括操作报警系统，使用时，定位标签用于绑定在携带者上，所述携带者可以为人或者机器，当定位标签在步骤二中被识别在室内区域时，若携带者为人，且需要进行设备操作，则启动操作报警系统进行监控，该系统是为了实现定位标签的携带者人可以按照正常操作顺序进行定位行走操作，若携带者为机器，则设置正常轨迹程序即可，无需开启操作报警系统进行监控；

该操作报警系统包含多套设备操作的顺序包，每套设备操作的顺序包包括多个预设的顺序区域，后台服务器接收定位标签按顺序移动经过预设的顺序区域，不会触发报警。例如预设四个顺序区域，包括第一区域、第二区域、第三区域以及第四区域，后台服务器每次收到定位标签发来的坐标后，通过与预设的顺序区域比较判断标签目前所在区域。若在第一区域，则认为该区域已被正常操作，系统不报警，下一步操作顺序为应第二区域，若携带定位标签的实验室人员或者机器人继续按顺序操作第二区域、第三区域、第四区域，当最后从第四区域离开时，说明一轮操作已经完成，准备进行下一轮操作；若未按指定顺序操作，如在第一区域操作后直接进入第三区域，或在第三区域操作后又回到第二区域，则后台服务器会启动定位标签的报警模块进行触发报警，提示携带有定位标签的操做者回到正确的操作区域内；

在本发明具体实施中，若携带本定位标签的是人时，可以将后台服务器获取定位标签在室内的实时位置响应时间调高，如0.5s获取一次位置，若携带者为机器时，则可缩短响应时间，提高效率。

本发明为了验证室内定位模式采用自适应算法的定位精准度高，进行了以下实验：

实验时将取平均的定位方式与自适应算法的定位方式进行误差比较；

取平均的定位方式：通过5次定位采集到的坐标点取均值，即可显示各基站分组情况每三个基站所定位的坐标情况。在每组基站分组5次定位取均值的基础上，形成最终一组自适应预测轨迹曲线，并同时显示4组基站坐标定位情况以作对比参照。

实验过程中，不难发现系统测量精度会在一定范围内进行小幅度波动，于是进一步采取统计学知识分析结果，定量展示不同结果的性能区别，并将其可视化表现。

设已给置信水平为1-α，设X1，X2，X3…Xn为服从总体N(μ，σ²)的测量点样本且互相独立，

分别是样本均值和样本方差。对于每组基站分组，共有5*10(5次测量，10个观测点)的测量点样本，彼此的测量互不影响。

记前n个随机变量的平均为

则对于任意正数ε，都有

依据大数定理可知，测量的样本越多，估计值就能依概率收敛于真实值，同时样本方差也会趋于真实方差。

由此，在样本容量较大时，可以依据中心极限定理将样本方差S²替代总体方差σ²，即此时S²为σ²的无偏估计。

在定位过程中，我们更希望得到定位误差较小的方法，也就是希望得到某种方法，其服从的正态分布中的均值最小。由此需要对每种情况的均值μ的置信区间进行估计。

由于事先并不清楚总体分布中总体方差σ²的情况，即σ²未知，则应有

使用

作为枢轴量可得：

即

得到μ的一个置信水平为1-α的置信区间为

本次统计分析中取α＝0.05，n＝50,查表得t_α/2(n-1)＝2.0096，分别对四组基站分组以及最终四组均值的不同情况作正态分布拟合以及置信区间计算。

系统测量2D/3D数据正态分布拟合如图5和图6所示，图5将单组基站、四组均值数据、自适应数据测样点分别进行正态分布拟合，并将曲线绘制。从图中可以看出，均值算法得到的正态分布优于其他分组，但自适应曲线尤为突出，呈现尖峰状，这表明数据的离散程度较小，且能以较大概率取得中心值。其他分组情况的曲线都较为平缓，且有不同程度的偏移，这也再次从定量的角度说明，单三个基站的测量情况在没有优良算法的支持下不太乐观。

图6中由于算法中z轴度量的测量误差较大，进一步影响了数据的聚集性。图中可以看出六条曲线都被不同程度地平缓了。但其中自适应的情况依旧保持了较好的尖峰状特征。

如图7中，自适应方法测量误差均保持较小。同时单组基站测量1-10监测点中总会存在有着较大误差的监测点，如1-4号中，二、三组坐标误差较大，7-10中，一、四组基站坐标误差较大，这是因为选的监测点遍布整个测量区域，总有监测点与单组基站距离较近。四组均值方法未有出现偏差较大的点，可以明显的均衡较大误差，但是取平均的方式比自适应方法使得三边定位的交叉区域增大，这显然不是最优解。

利用自适应定位算法，灵活选择靠近观测点最远的三基站进行定位，可以避免距离太近而使测距定位带来的较大误差。以此方法得到的定位区域在几种方法中，是最小的，由测量结果可以发现较为准确。测得平均误差小于15cm，对比4组均值方法的精度小于20cm，具有较好的定位精度。

为得到较为准确的误差，同样进行定量统计分析结果，测量点相互独立、中心极限定理以及统计估计设置与之前文献相同，得到了不同的情况下均值μ的置信区间(P＝0.95).

由图8分析可得，自适应算法下2D/3D误差有着最小的均值μ和置信区间。总体来说，自适应算法测得的数据同时具有“低误差”和“高稳定性”的特性。

本发明将北斗定位系统与UWB室内定位系统结合，通过电磁波的穿透特性进行区域识别，实现了在工业园内进行室内外区域定位，且当区域识别在室内区域时，采用自适应算法的室内定位模式，该定位模式通过验证发现定位精度高并且呈上升趋势。

本发明在定位标签还包括有操作报警系统，当设备操作者携带定位标签进入室内区域进行设备操作时，通过操作报警系统进行操作监控，进行规范且正确的启动或者维修设备，为企业降本增效，全透明管理提供技术支持。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (9)

1.一种适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：识别前准备工作：划定位置区域；准备定位标签，将定位标签绑定在携带者上；布设物联网基站；

步骤二、区域识别：获取定位标签所在的位置区域，并对所述位置区域进行区域识别，得到区域识别结果；

步骤三、根据所述区域识别结果选择所述定位标签的定位模式，并根据选择的定位模式对所述定位标签进行定位，得到所述定位标签的目标位置信息；

其中，根据所述区域识别结果选择所述定位标签的定位模式具体实现为：当所述区域识别结果为室外区域时，所述定位标签对应的定位模式为室外定位模式；所述室外定位模式包括如下步骤：将接收到的北斗定位的经纬度导入网页端地图进行查询，得到最终位置；当所述区域识别结果为室内区域时，所述定位标签对应的定位模式为室内定位模式；所述室内定位模式采用自适应算法得到最终位置。

2.根据权利要求1所述的适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：所述自适应算法的室内定位模式包括如下步骤：

1)确定距离定位标签最远的三个物联网基站的坐标位置：

确立收集到的物联网基站的坐标信息，对收集到的所有物联网基站进行标号、分组，分组方式为不同的三个基站组合设为一组；并对每组分别进行三边定位，具体为计算每组中每一个物联网基站与定位标签的距离，赋以上述距离权值，由每个组合得到的结果加权得到总权值，选择最大总权值，确定该最大总权值对应的物联网基站的组合，确定从该组合包含的三个物联网基站的坐标：

确定公式如下：

对收集到的所有物联网基站分组，即为经由id分为组n后，求组合数

O(k₁*d₁，k₂*d₂...k_i*d_i...k_n*d_n)   (1)

其中k_i表示第i个基站与定位标签的参考位置单元的物理距离的权值，d_i表示第i个基站与定位标签的参考位置单元的物理距离，取出d_i中最大的三个值d_m、d_p、d_q，其对应k_m、k_p、k_q赋值为1，其余为0，i，m，p，q∈n，n为搜寻到的物联网基站个数，且n≥4，

2)通过理想三边定位算法确定定位标签的位置：

根据步骤1)确定的三个物联网基站m、p、q的坐标点为圆心，将确定的三个物联网基站与定位标签的距离d_m、d_p、d_q为半径进行绘制圆，三个圆相交形成三圆交点或者交集区，若形成三圆的交点，该交点为定位标签的坐标；若形成三圆的交集区，该交集区为定位标签的位置范围；若形成交集区，则还需要按照三角形质心定位法，根据所述确定定位标签位置范围计算得到定位标签的坐标。

3.根据权利要求1所述的适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：识别前准备工作中的划定位置区域，是将位置区域划分为室内区域以及室外区域，所述室外区域为无遮挡环境区域，所述室内区域为有遮挡环境区域。

4.根据权利要求1所述的适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：所述定位标签包括北斗定位模块、UWB定位模块、处理器芯片、电池、USB充电适配器、电源管理模块、SIM模块以及天线；所述定位标签在室外接收来自北斗定位模块的定位信息，室内通过UWB定位模块确定位置信息，处理芯片模块经过判断，将有用的信息通过SIM模块传输至后台服务器；电源管理模块、USB充电适配器与电池负责整套定位标签的供电；且各部件连接关系为：北斗定位模块通过天线与北斗卫星进行无线连接，北斗定位模块与电源管理模块连接，北斗定位模块与处理芯片模块连接；UWB定位模块与室内无线传感网无线连接，UWB定位模块与电源管理模块连接，UWB定位模块与处理芯片模块连接；SIM模块通过天线，通过移动网络与后台服务器连接，SIM模块与电源管理模块连接，SIM模块与处理芯片模块连接。

5.根据权利要求1所述的适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：布设物联网基站：在所述室内区域内布设多个物联网基站，每个物联网基站通过无线传感网与定位标签的UWB定位模块连接通讯，每个物联网基站通过无线网与后台服务器连接通讯。

6.根据权利要求1所述的适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：步骤二区域识别的识别依据为电磁波的穿透特性；具体为：若后台服务器接收到北斗定位信号，形成不为0的坐标，获取室外坐标有效，判定定位标签处于室外区域；若后台服务器未接收到北斗定位信号，形成为0的坐标，获取室外信息无效，此时后台服务器接收到的UWB信号；判定定位标签处于室内区域；若后台服务器接收到的UWB频率范围为:3.1GHz～10.6GHz的信号；而收不到北斗定位模块信号，则表明此时定位标签的运动状态为从室外区域走到室内区域。

7.根据权利要求1所述的适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：所述定位标签还包括操作报警系统，所述携带者为设备操作人员，且需要进行设备操作行为，当该人进入室内区域时，启动操作报警系统进行监控，实现设备操作人员按照正常操作顺序进行操作。

8.根据权利要求7所述的适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：所述操作报警系统包含多套设备操作的顺序包，每套设备操作的顺序包包括多个预设的顺序区域，后台服务器接收定位标签未按顺序移动经过预设的顺序区域，后台服务器启动操作报警系统进行触发报警，提示设备操作人员回到正确的操作区域内进行操作。

9.根据权利要求1所述的适用于室内室外联合定位连接物联网方法，其特征在于：携带者为人时，将后台服务器获取定位标签在室内的实时位置响应时间调高。

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