CN1679376B - 基于主从的双向射频无线照明控制系统 - Google Patents

基于主从的双向射频无线照明控制系统 Download PDF

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Abstract

一种照明控制系统网络和提供所说网络的方法，包括：一个远程控制单元，具有射频信号发射器和射频接收器；和多个照明控制单元，每个所说的照明控制单元都具有一个射频信号发射器、一个射频接收器、和与之相连的一个照明单元。将所说远程控制单元和所说照明控制单元配置成基于主从的网络。多个照明控制单元之一在所说的网络中配置成主单元，所说多个照明控制单元中其余的照明控制单元以及所说远程控制单元在所说网络中都配置成从属单元。所说多个照明控制单元和所说远程控制单元经由射频无线链路相互双向通信。网络可以包括传感器，用于检测环境参数或系统参数。可以将多个照明控制网络的实例连接在一起，形成建筑物范围的网络。

Description

基于主从的双向射频无线照明控制系统
技术领域
本发明涉及照明控制系统，更加具体地说，涉及基于主从的(master-slave oriented)双向射频(RF)照明控制系统.
背景技术
常规的建筑物照明系统包括民用的和商业用的，都包括由墙壁开关控制的许多照明单元，这些墙壁开关由电线相互连接。照明系统的任何变化和改进或者受到电线的限制，或者需要对照明系统重新布线。因此，常规的照明系统的结构是不灵活的，要进行改造的成本很高。
照明系统的控制结构从简单到复杂都有。在一个最简单的控制方案中，作为由安装在墙壁上的开关控制的灯，由通常设在例如同一个房间内的专用墙壁开关使灯接通/断开。此外，可以使用墙壁调光装置来控制(即改变)灯的强度。可以实现比较复杂的控制功能，如分组控制、预先设定照明情景、基于环境光、占用时间、和其它因素的减光和发光，以便对于建筑物照明系统提供智能控制。这样一种智能照明系统控制可以使用公开的、专用的、或者标准的照明控制命令组(例如工业标准DALI(数字可寻址照明接口))来实现。然而，针对DALI革新和/或改进照明系统要求有额外的控制接线，用于连接控制盒到照明单元的镇流器。还有，常规连接的DALI系统的缺点是增加了安装成本和更新不方便。
在某些照明系统中，使用远程控制单元，例如在控制灯时为用户提供方便。在大多数这样的照明系统中，远程控制通信基于IR(红外)技术。红外通信要求在红外连接的设备之间有一条视线，并且根据一定的输出功率限制存在一个有限的范围。相应地，依靠红外通信的照明系统适合于简单的控制功能，这个控制功能也只限于一个很小的区域，例如在建筑物中的一个房间内。为了在一个大的区域使用红外通信，就需要增加发射功率和/或中继器，这两者都是昂贵的事情。
射频技术的优点是灵活和容易安装。射频技术可用于局部控制(一个房间)和宽域控制(建筑物范围)。当前，已有一些基于射频的照明控制系统。美国专利No.6174073描述了一种照明系统，照明系统包括：多个照明单元，每个照明单元都具有一个照明元件和一个响应射频(RF)信号的相关的开关(即，控制盒)；和远程控制开关单元，用于向照明单元发射射频信号。美国专利No.6174073公开的照明系统使用了远程控制单元和固定到常规的电子模拟镇流器上的控制盒之间的单向通信。由照明单元的控制电路接收从远程控制开关单元发送的信号，以控制在主电源和镇流器之间的一个开关。通过连接/断开照明与单元到电源，使远程控制开关接通/断开以及照明单元变暗。所公开的系统可用于改进，将手动操作的墙壁开关变为远程/手持无线控制开关。然而，由于在美国专利No.6174073的系统中的通信是单向的，从镇流器到远程控制单元没有任何数据反馈。
另外的一些照明系统使用在远程控制单元和发光体之间的双向射频通信的专用协议。这些系统还使用照明镇流器外部的附加电路(如执行机构)作为与远程控制单元交换信息的通信接口。执行机构响应从远程控制单元接收的信号，输出一个可变的信号，用于接通/断开、和使镇流器变暗。每个镇流器都存储它们指定的远程控制单元的ID，以使只有从指定的远程控制单元发出的照明控制命令才能得到确认和响应。这种类型的照明控制系统可提供双向的通信，但却具有缺点：容易导致远程控制丢失或不可操作的情况。如果指定给镇流器的选定的远程控制单元(一个或多个)丢失或不可操作，这种类型的照明系统需要一个附加的设备或干预来恢复镇流器的控制。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种照明控制系统，它可以提供双向的基于主从的通信的照明控制网络。
本发明的另一个目的是提供经过射频无线链路通信的这样一种照明控制网络。
本发明的下一个目的是提供可以连接多个局部双向通信的照明控制网络以形成较大网络的这样一种照明控制系统。
按照本发明的教导，提供一种用于提供照明控制网络的方法和设备，所说的照明控制网络包括：一个远程控制单元，具有射频信号发射器和射频接收器；和多个照明控制单元，每个照明控制单元都具有一个射频信号发射器和射频接收器；与之相连的一个照明单元，其中将远程控制单元和多个照明控制单元配置成基于主从的网络，多个照明控制单元之一在网络中配置成主单元，多个照明控制单元中其余的照明控制单元以及远程控制单元在网络中都配置成从属单元，多个照明控制单元和远程控制单元经过射频无线链路相互双向通信。所说的网络还可以包括传感器，用于检测环境的或系统的参数。多个局部照明控制网络可以相互连接在一起以形成建筑物范围的网络。
参照下述的详细描述和附图，可以理解本发明的上述的和其它的目的、优点、和有益之处。
附图说明
在结合附图阅读了本发明的“具体实施方式”之后，将使本发明的上述的和其它的特征更加显而易见，其中：
图1A是按照本发明的照明控制网络的典型表述；
图1B是本发明的照明控制网络的典型的原理性结构，按照本发明组合了通用的无线通信协议和照明专用标准；
图2是按照本发明的教导的图1A的照明控制系统的镇流器的典型表述；
图3是按照本发明的教导的图1A的照明控制系统的传感器的典型表述；
图4是按照本发明的教导的图1A的照明控制系统的远程控制的典型表述；
图5是配置成网状拓朴形状的本发明的照明控制网络的典型表述。
具体实施方式
现在参照附图，具体来说参照图1A，其中描述了按照本发明的教导的一个照明控制网络100的一个示例表示。要说明的是，虽然照明控制网络100表示的是本发明的照明控制网络的一个典型的布局，但本领域的普通技术人员应该认识到，本发明的照明控制系统可以被实施和调整用于各种各样的应用环境。
按照本发明的一个方面，照明控制系统包括一个基于主从的双向(即两个方向的)射频无线照明控制网络。照明控制网络100包括镇流器5、15、25。每个镇流器都有一个照明控制单元并且每个镇流器都与由此控制的照明单元相连。如图所示，镇流器5与照明单元10相连，镇流器15与照明单元20相连，镇流器25与照明单元30相连。所说的照明控制网络还包括至少一个远程控制单元，用于发布命令来控制照明单元10、20、30的操作。典型的照明控制网络100包括两个远程控制单元40、42。所包括的远程控制单元的数目可多些或少些。例如，照明控制网络100可以任选地具有与之相关的一个或三个(或更多个)远程控制单元。
照明控制网络100具有传感器35、37，用于检测即感知和监视环境的和/或系统的参数的状态。所监视的特殊参数可以根据照明控制网络100的应用而不同。
照明控制网络100的各个镇流器、远程控制单元、和传感器彼此相关联，以形成一个通信和控制网络，控制与之相关联的照明单元10、20、30的操作。如以上所述，照明控制网络100的各个镇流器、远程控制单元、和传感器都按照基于主从的网络进行配置，其中，照明控制网络100的一个镇流器指定为本地控制的主单元。镇流器5是照明控制网络100的本地控制的主单元。其余的镇流器即镇流器15、25、传感器35、37、和远程控制单元40、42，相对于照明控制网络100的本地控制的主单元即镇流器5来说，都是从属单元。
按照本发明的一个方面，镇流器5、15、25、传感器35、37、和远程控制单元40、42经过射频无线链路相互通信。射频无线链路在图1A中用虚线表示。在虚线上的双箭头表示在照明控制网络100的各个单元之间的通信是双向通信。即，镇流器、传感器、和远程控制单元中的每一个都可以发射和接收射频信号。
图1A还表示：本地照明控制网络100和其它的本地照明控制网络可以有线地或无线地连接到一个中央控制主单元200，以便形成建筑物范围的照明控制网络(下面对此还要进行更加详细地描述)。因此，建筑物范围的网络可以包括由本地控制的主单元和中央控制主单元组成的双重分层控制网络。
现在参照附图2，其中表示的是可用于照明控制网络100的一个镇流器的典型表述，其中包括照明控制单元。将图1A的镇流器5描述成包括：一个射频收发器，用于发射和接收射频信号；一个MCU(微控制器)；用于驱动照明单元10的灯驱动器。射频收发器接收和解调射频信号并且将解调后的信号传送到MCU。微控制器具有在其中编码的程序代码，其中包括网络通信协议代码和分别用于解决网络通信问题和照明单元控制问题的应用代码。
按照本发明的一个方面，本发明的照明控制单元与其它照明单元的镇流器电路一起都装在一个公共的外壳中。这样，实施这里公开的镇流器时，不需要任何附加的接线，或者电源或者控制。
图1B表示本发明的原理性的网络结构方面。具体来说，图1B表示的是通用无线通信协议(如Zigbee)和照明专用标准(如DALI)的组合。主单元具有与从属单元(如从属远程控制单元、镇流器、和传感器)链接的直接通信链路。这个直接通信链路(即实际的/物理的通信链路)是经过射频无线链路实施的，并且用本地控制的主单元(镇流器5)和从属单元(镇流器15)的射频收发器之间的实线双箭头来表示。
至于射频通信的网络协议，可以是任何射频无线通信协议，或者是专用的或者是公开标准的，用于保证基于主从的、可靠的双向通信。这样一种网络协议包括(但不限于)ZigbeeTM。ZigbeeTM是低成本的、低功耗的、双向的、无线通信标准，由Zigbee工作组提出，它的初始目的是自动化、玩具、和个人计算机外围设备。照明专用标准(如DALI)...
为了对无线控制应用最初被设计用于有线连接(如DALI)的照明控制标准，使用ZigbeeTM通信协议，以保证可靠的射频链路。应该认识到，在这里讨论的实施例中，DALI和ZigbeeTM的选择和使用仅仅分别是本发明包含的照明控制和通信协议的一些例子，而不限于此。
射频收发器接收并解调射频信号，并将它们传递到微控制器。微控制器装有嵌入的镇流器软件程序，其中包括通信协议模块和应用模块。通信协议模块负责网络通信问题，应用模块处理来自通信协议的API命令，并且利用DALI命令控制镇流器。
图3是照明控制网络100的传感器35的典型描述。所示的传感器35包括：一个射频收发器，用于发射和接收射频信号；一个MCU；和一个传感器模块，用于检测环境的和系统的参数。传感器35包括的传感器(一个或多个)的特定类型取决于照明控制网络100的应用场合和目的。这样，传感器35的传感器模块例如可以包括(或者单独的或者组合的)：环境光传感器、运动传感器、占有传感器(occupancysensor)、和温度传感器。其它类型的环境和系统传感器可以代替和/或包括在上述的传感器类型的组合中。
图4提供照明控制网络100的远程控制器40的典型描述。所示的远程控制器40包括：用于发射和接收射频信号的射频收发器、MCU、和用户接口。用户接口为用户提供输入用于控制照明单元的命令的装置。用户接口最好包括一个互动的图形用户接口，用于提供被控的照明单元状态、系统的参数、和输入命令(如接受/拒绝)的直觉指示。在另一方面，用户接口还可以包括电-机按钮和按键。还有，还可以使用专用的或者通用的计算设备(如个人计算机和个人数字助理)来实施所说的远程控制单元。
在每个房间内，参见图1A的区域1和区域2，位于此处的镇流器是由定位在与所说镇流器相关的远程控制单元上的一个或多个按钮(即用户接口)控制的。使用远程控制单元，用户可以远距离地操作照明单元(即不与照明单元物理接触)，在不同的配置中选择性地分组照明单元，建立各种各样的照明场景，如此等等。
由于在镇流器、传感器、和远程控制单元之间的通信是双向的，所以传感器可以向本地控制的主单元(镇流器5)报告有关监视的参数的数据，如存在检测、运动检测、或者环境光检测、功耗的数量、和其他数据。然后，本地控制的主单元按照所报告的数据和照明计划以及编程到照明控制网络100中的其它照明目标来调节照明单元10、20、30的输出。本地控制的主单元、镇流器5的作用是照明控制网络100的网络协调装置。
至于照明控制网络100的操作，本地控制的主单元镇流器5与网络ID一起建立它的网络。用作网络从属单元的其它的镇流器15、25、远程控制器40、42、和传感器35、37加入到照明控制网络100，最好使用枚举算法。枚举算法最好使用唯一识别它们的预先编程到镇流器15、25、远程控制器40、42、和传感器35、37中的地址。在枚举过程中，镇流器15、25、远程控制器40、42、和传感器35、37接收本地控制的主单元(镇流器5)的网络ID。本地控制的主单元的网络ID识别由本地控制的主单元建立的本地网络。镇流器15、25、远程控制器40、42、和传感器35、37中的每一个最好还接收一个分配的短地址，以便在随后与本地控制的主单元镇流器5的通信当中能识别它们自已。
按照照明的配置和布局的需要，使用一种配对算法来关联远程控制单元的按键/控制器与特定的镇流器。例如，远程控制单元40与镇流器15配对，远程控制单元42与镇流器25配对。以此方式，本发明的镇流器被虚拟连接(由于经过射频无线链路进行通信)到远程控制单元的按键/控制器。最好通过将远程控制单元设置在特定的编程模式中(在这里称之为TEACH模式)来实现配对过程。
本地控制的主单元镇流器5记录在远程控制单元的用户接口的按键/控制器和在TEACH模式期间配对在一起的镇流器之间的配对链路。可以在本地控制的主单元的微控制器的一个存储位置的一个表格和一个关系数据库中存储镇流器和远程控制单元的配对关系。
在下面的表1中表示配对过程：
  在有两个按钮的远程控制单元上按压的按钮   主单元的反应   镇流器的反应
  两个按钮按压2秒或者或2秒以上   进入TEACH模式   全部接通
  下一个/前一个   选择有效的镇流器(地址+1/-1)   有效的一个断开
  左/右按钮   连接   回到接通
  左/右按钮按压2秒或2秒以上   脱开   回到接通
  两个按钮再一次按压2秒或2秒以上   返回到正常   全都断开然后接通
表1
作为在TEACH模式的典型的配对算法的一个例子，本地控制的主单元首先进入TEACH模式，并且发送一个命令以接通所有的已登记的镇流器。通过使用例如在远程控制单元上的“下一个”和“前一个”按钮来循环网络的镇流器。根据在远程控制单元上按压的按钮/按键(或者“下一个”或者“前一个”)，选择网络的镇流器之一。有效的镇流器，即选择的镇流器，变为断开以便可视地通知用户：选择了哪一个镇流器。选择的镇流器与远程控制单元的特定按钮配对.例如将一个消息发送到主单元，以便使这个镇流器连接到网络或从网络上脱开。将配对数据存储在主单元中的一个表格或数据库内。在配对完成后，所选择的镇流器可以返回到接通状态。用户可以选择附加的镇流器以便与远程控制单元配对或者返回到照明控制操作的正常模式。
按照照明控制网络100的操作的一个方面，从属单元设备使用其中产生的射频信号与本地控制的主单元通信。射频信号包括网络ID和从属单元的ID。当用户通过例如按压远程控制单元40上的一个按键发出一个命令的时候，与所按压的按键(例如接通照明单元20的命令)有关的射频信号形式的特定数据分组就发送到本地控制的主单元镇流器5。在从远程控制单元40接收这个射频信号的时候，本地控制主单元镇流器5从它的查找表中检索与所按压的按键有关的用于远程控制单元40和镇流器15的这个配对数据，并且经过射频信号将这个数据分组路由到目的地镇流器15。
目的地镇流器15经由射频信号接收这个数据分组，解调和解码这个信号。从而，按照所发出的命令操作照明单元20。在此例中，命令照明单元20接通。
按照本发明的另一方面，本地控制的主单元在预定的时间间隔要发送出信标或询问消息，以维持照明控制网络100的正常操作。按照这种方式，网络的从属设备定期地通知有关本地控制的主单元的状态。本地控制的主单元的状态可以包括本地控制的主单元是否允许新的设备加入这个网络。此外，本地控制的主单元可以监视在这个网络上的从属设备的状态。
按照本发明的下一个方面，在电源停止供应和/或本地控制的主单元镇流器5误动作或者不能协调网络100的各项功能的时候，可以维持照明控制网络100。因此，本地控制的主单元镇流器5一旦失效，就可以指定至少一个从属镇流器(如镇流器15)作为备用的本地控制的主单元。一旦出现这样的失效，备用的本地控制的主单元镇流器15就变为主要的本地控制的主单元。在它的另一个实施例中，凡是没被指定为主单元的所有的设备都可以作为备用的主单元起作用，并且在主要的本地控制的主单元出故障或失效的时候，都可以被随机选择为主单元。
按照各种各样的网络重新配置方案，可以指定首要的、次级的、等等的备用的本地控制的主单元。用于转换镇流器为新的主单元的特定算法可以根据应用场合和所用的照明控制协议进行改变。然而，要说明的是，网络100重新配置成基于主从的双向通信网络，以便可以通过被指定为本地控制的主单元的至少一个单元来维持配对数据。
因此，本发明的照明控制网络100可提供增强的照明系统布局灵活性、可以提供可靠的双向通信，其中包括来自镇流器的反馈数据，例如功耗或诊断信息，提供改进的照明和功率管理；由于在本地控制的主单元中强化了配对的链路数据，所以不容易出现丢失远程控制单元的情况。如以上所述，在主单元失效的时候，总有一个备用的本地控制的主单元承担网络的协调和控制功能。
按照本发明的一个方面，本地控制的主单元的存在有利于形成建筑物范围的照明控制网络。本地控制的主单元可以向中央的主单元发送数据，交换有关本地网络的本地网络数据，从而使整个建筑物实现“建筑物自动化”或“建筑物管理”网络。
这个建筑物范围的网络连接所有不同种类的建筑物管理系统在一起，例如照明、取暖、保安、和电梯系统、等等，并且形成到建筑物管理中心的通信路径，建筑物管理中心可以是个人计算机或其它的中央控制设备(如图1A的中央控制主单元200)。在这个网络中包括的设备包括：镇流器、远程控制单元、占有传感器、运动传感器、光传感器、温度传感器、湿度传感器、遮光帘控制器、断路器板箱、和任何其它种类的可能用于上述的建筑物控制系统的传感器或装置。
按照本发明的一个方面，网络中的设备用不同的方式通信，通信方式取决于所用的通信协议。例如，所用的通信协议可以是分层网或平面网格。
在分层网络结构中，中央控制主单元200在网络中是最高的主单元。在每个房间内，都有一个本地的主单元，本地主单元可以设置在镇流器上或者在本地网络中任何其它合适的设备上。镇流器适合于本地主单元需要电网供电的系统。建筑物网络的本地主单元可以通过在各个本地主单元之间建立的通信链路相互通信。通过本地主单元(例如镇流器5)可以向中央控制主单元报告网络数据和状态，经过同一个通信路径可以向中央控制器200发送网络命令和数据。本地控制主单元控制和协调在本地网络内各个装置的操作。在初始化或配置之后，各个装置可以通过物理的/虚拟的链路相互通信。在任何两个从属设备之间的通信可以经过本地主单元。
在如图5所示的网格型网络中，中央控制主单元200是网络的主单元。所有其它的装置可以是从属单元s1、s2、...s6。所有的从属设备s1-s6都可以相互通信。由主单元发出的命令将要寻找最佳的路由以便通过使用其它的从属设备作为路由或重复设备达到目的地从属设备。例如，目的地是从属设备s6的一个命令可以根据网络的业务量和其它的考虑采取路线CM-s1-s3-s6或者采取路线CM-s2-s4-s6。
本领域的普通技术人员应该认识到，系统的环境，即，镇流器、远程控制单元、传感器、建筑物、房间、照明区域、和这里给出的教导的其它方面，都是适合于本发明教导的照明控制系统网络的实施方案的一些例子，因此不会限制可以适当实施本发明的范围或者各种应用场合。因而应该理解，上述的描述只是这里提供的本发明的教导的实施方案的说明。本领域的普通技术人员在不偏离本发明的条件下可以作出各种各样的替换和改进。因此，本发明旨在包括落在所附的权利要求书的范围内的所有的这样一些替换、改进、和变化。

Claims (19)

1.一种照明控制网络(100)，包括：
一个远程控制单元(40、42)，具有射频信号发射器和射频信号接收器；和
多个照明控制单元(5、15、25)，每个所说的照明控制单元都具有一个射频信号发射器、一个射频信号接收器、和与之相连的一个照明单元(10、20、30)，其中将所说远程控制单元和所说多个照明控制单元被配置成基于主从的网络，多个照明控制单元之一在所说的网络中配置成本地控制主单元，所说多个照明控制单元中其余的照明控制单元以及所说远程控制单元在所说网络中都配置成关于所述本地控制主单元的从属单元，所说多个照明控制单元和所说远程控制单元经由射频无线链路相互双向通信；
选择所说其余的照明控制单元的至少之一作为备用本地控制主单元以用于在本地控制主单元出现失效的情况下代替本地控制主单元的装置。
2.权利要求1的照明控制网络，进一步还包括：传感器(35、37)，用于检测参数和向所说的本地控制主单元发送所说参数的状态。
3.权利要求2的照明控制网络，其中：所说的传感器是从下面的组中选择出来的：环境光传感器、运动传感器、占有传感器、温度传感器、和它们的组合。
4.权利要求2的照明控制网络，其中：所说的传感器经由射频无线链路与所说的本地控制主单元通信。
5.权利要求2的照明控制网络，其中：所说的本地控制主单元是所说的多个照明控制单元之一，并且响应所说参数的所说状态的接收，控制与之相关的所说照明单元。
6.权利要求1的照明控制网络，其中：在所说远程控制单元上的用户接口控制器与所说多个照明控制单元中的至少一个相关联。
7.权利要求1的照明控制网络，其中：所说的从属单元与所说的本地控制主单元经由射频无线通信直接进行通信。
8.权利要求1的照明控制网络，进一步还包括：中央控制主单元(200)，用于将所说照明控制网络的多个实例连接在一起。
9.权利要求1的照明控制网络，其中：所说网络组合射频通信协议和照明控制协议。
10.一种配置照明控制网络(100)的方法，包括如下步骤：
在一个基于主从的网络中，配置一个远程控制单元(40、42)，所述远程控制单元(40、42)具有射频信号发射器和射频信号接收器；并且配置多个照明控制单元(5、15、25)，每个所说的照明控制单元都具有一个射频信号发射器、一个射频信号接收器、和与之相连的一个照明单元；
将所说多个照明控制单元之一在所说网络中指定为本地控制主单元；
将所说多个照明单元中其余的照明控制单元以及所说远程控制单元在所说网络中指定为关于所述本地控制主单元的从属单元；
在所说多个照明控制单元和所说远程控制单元之间经由射频无线链路实现双向通信；
选择所说其余的照明控制单元之一作为备用本地控制主单元以用于在本地控制主单元出现失效的情况下代替本地控制主单元。
11.权利要求10的方法，其中：在其余的照明控制单元中随机地选择备用本地控制主单元。
12.权利要求10的方法，进一步还包括：将一个传感器(35、37)与所说多个照明控制单元中的至少一个相关联，用于检测参数和向所说的本地控制主单元发送所说参数的状态。
13.权利要求12的方法，其中：所说的传感器是从下面的组中选择出来的：环境光传感器、运动传感器、占有传感器、温度传感器、和它们的组合。
14.权利要求12的方法，进一步还包括：所说的传感器经由射频无线链路与所说的本地控制主单元通信。
15.权利要求12的方法，包括：将所说的多个照明控制单元之一配置成所说的本地控制主单元，并且响应所说参数的所说状态的接收控制与之相关的所说照明单元。
16.权利要求10的方法，进一步还包括：将所说远程控制单元上的用户接口控制器与所说多个照明控制单元中的至少一个相关联。
17.权利要求10的方法，进一步包括：所说的从属单元与所说的本地控制主单元经由射频无线通信直接进行通信。
18.权利要求10的方法，进一步还包括：经过中央控制主单元(200)将所说照明控制网络的多个实例连接在一起。
19.权利要求10的方法，其中：所说网络组合了射频通信协议和照明控制协议。
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