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1、第2 8 卷第5 期2 0 0 8 年5 月电力自动化设备E l e c t r i cP o w e rA u t o m a t i o nE q u i p m e n tV 0 1 2 8N o 5M a y 2 0 0 8o网络化集中控制照明系统智能监控器设计李广才,陈英俊,聂东(肇庆学院电子信息工程系,广东肇庆5 2 6 0 6 1)摘要:研制了一种集中控制照明系统前端智能监控器。进行了路灯运行参数及其环境参数的实时检测、路灯工作状态的多种方式控制以及网络化数据传输功能的一体化设计。基于A R M 嵌入式微处理器,通过t r C O S I I 在L P C 2 2 9 2 上的移
2、植及信号量机制的建立与设置解决了任务的调度及任务间的通信与同步问题实现了实时操作系统的功能。利用以太网控制器芯片R T L 8 0 1 9 A S 扩展了网络接口,在p C O S I I 中又移植了L w I P 协议栈。实现了数据信息的网络化传输。通过C P L D 芯片扩展了I O 接口解决了数据交换的瓶颈问题。在市政路灯网的实际运行中,表现出较高的稳定性和可靠性,达到了网络化、精确化、动态化控制以及节能的目的。关键词:照明系统;嵌入式:网络:监控器中图分类号:T M5 7 1文献标识码:B文章编号:1 0 0 6 6 0 4 7(2 0 0 8)0 5 0 0 9 5 0 41 智能监
3、控器总体设计网络化集中控制系统采用网络化集散控制方式,主要由中央控制器、智能监控器、网络服务器及通信网络组成,如图1 所示。本文重点介绍其智能监控器设计。网络服务器通信网络币页藿丽 I 监控器Il 监控器ll 监控器系统fI-位机、l 厂一 一T尸n 嗣n 嗣防岛掣掣峰一威司嘛翮嚼铜圈1 网络化集中控制照明系统的组成原理图F i g 1N e t w o r k e di l l u m i n a t i o ns y s t e mw i t hc e n t r a l i z e dc o n t r o l智能监控器是路灯日常运行状态的监测控制装置,它既可在中央控制系统(以下简称上位
4、机)的控制下工作,也可脱离上位机独立工作,具有以下2 种功能:一是实时在线监测及数据处理。主要监测输入电流、输入电压、风机状态、开关状态及环境湿度、E t 光照度等参数同时对采集数据进行分析处理将打包后的采集信息以及故障诊断与报警信息上传上位机:二是路灯运行状态控制主要控制方式有4 种f 2】。a 自动定时控制。可以预设时间定时控制路灯的开与关。b 自动照明控制可以根据实际测定的日光照度和湿度,参照照度控制准则。通过数字镇流器,控收稿日期:2 0 0 7 1 0 2 0;修回日期:2 0 0 7 1 2 2 8基金项目:广东省计划项目(2 0 0 5 8 1 0 2 0 1 0 1 5):肇庆
5、市科技基金项目(2 0 0 6 1 6、制灯光照度并且在配电网电压幅值波动很大的环境下,保证灯具得到恒定功率。延长灯具的使用寿命。c 网络化控制路灯管理控制中心根据需要(如特殊节假日、庆祝活动等)可以通过网络向任意一个监控器或一组监控器(一个路段为一组)甚至整个网络发出控制指令控制路灯的工作状态。d 手动控制功能。利用A R M 单片机L P C 2 2 9 2 作为控制管理器通过I x C O S 一及L w I P 协议栈的移植实现嵌入式微处理器及网络通信功能利用扩展可编程逻辑器件(C P L D)实现数据采集及状态控制,采用R T L8 0 1 9 A S 以太网控制器实现网络接口。其原
6、理如图2所示 3 1。2 硬件设计2 1 嵌入式微处理器及网络通信模块硬件设计微处理器选用P h i l i p s 单片3 2 位A R M 微控制器L P C 2 2 9 2,它采用1 4 4 脚封装、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位A D C、2 路高级C A N 通道、P W M 输出以及多达9 个的外部中断使用2 组电压供电其中A R M 核为1 8V I O 口为3 3V 这样的供电方式使其具有极低的功耗【引。网络控制器选用R e a h e k 公司生产的高集成以太网控制器芯片R T L 8 0 1 9 A S 它具有与N E 2 0 0 0 兼容、适应于E t h e r
7、 n e tI I 协议等特性 5 1。图2 中数据线和控制信号线需要进行电平转换。地址线上接限流电阻。I O C S l 6 电平一直为高,R T L 8 0 1 9 A S 采用1 6 位数据传输(低电平采用8 位数据传输)。为了减少硬件资源将R T L 8 0 1 9 A S 的6 5 脚“J P”接高电平以跳线方式与系统主C P U 接口 63。L P C 2 2 9 2 对R T L 8 0 1 9 A S 的驱动主要是通过操纵其内部寄存器来完成的这些寄存器映射在L P C 2 2 9 2 万方数据西电力自动化设备第2 8 卷+5V幽1b-j74 t-A O A 4S D 0 一S
8、D l 51 0 C S l 6 BI N T O1 0 W BI O R BR S T R VT P I N+T P I N-A E NT P O U T+T P O U T ABY 4CDA 0 一A 4 A 2 1 一A 2 3D 0 一D 1 5E l N T 2W。RR。D R E S E TO EA 1 9W EA 1 8C S 3A 1 7R E S E TC SA D C8 0 1 9 A S7 4 L S l 3 8IL P C 2 2 9 2J T A G I l 时钟I I 电源A O A 2D 0-D 1 5X C 9 51 4 4 X LD 0O EW EC SD I
9、R E SA D 0多路开关图2 智能监控器硬件原理图F i g 2H a r d w a r ec o m p o s i t i o no fi n t e l l i g e n tm o n i t o r的I O 端口上。因此。对R T L 8 0 1 9 A S 的操作也即是对L P C 2 2 9 2 的I O 端口操作。设计时可以把I O S 3 I O S 0 悬空将这些I O 地址定位到3 0 0H。3 1 FH。其中偏移量为0 0H。O F H 具有1 6 位寄存器的地址。寄存器分为p a g e 0、p a g e l、p a g e 2、p a g e 3,由R T
10、L S 0 1 9 A S中命令寄存器C R 中的P S l 和P S 0 位来决定要访问的页。1 0 F 1 7 F 为远程D M A 端口,用于获得远程D M A地址。复位端口包括1 8H l F H 用于R T L 8 0 1 9 A S的复位。对于R T L 8 0 1 9 A S 片选的问题。考虑其地址线的高1 5 位是固定不变的可以利用L P C 2 2 9 2 的地址线的A 1 9。A 1 7 通过7 4 L S l 3 8 来进行片选:当A 1 9 A 1 8 A 1 7=0 0 1 时选中R T L 8 0 1 9 A Sr 7 1。2 2 数据采集及状态控制模块硬件设计通过
11、C P L D 扩展I O 接口以满足多样而又复杂的数据采集及信号控制的需要其组成原理如图2 所示。C P L D 与A R M 控制器之间通过1 6 位并行数据总线相连在地址信号和控制信号的配合下进行高速数据传递。其中,在C P L D 这一侧,1 6 位的数据总线直接与系统数据总线D O D 1 5 相连:地址总线为3 位,与系统地址总线的A 2 1 A 2 3 相连:控制信号分别是输出使能O E、输入使能W E、片选C S 和复位R E S。它们分别与控制器的输出使能信号O E、写信号W E、片选输出信号C S 3 和复位信号R E S E T 相连【8 J。C P L D 对控制对象的
12、接口共有3 个部分:数字量输出D O、数字量输入D I 和多路开关地址控制信号输出A D O。系统的数字量输入输出控制由A R M 控制器直接对C P L D 的D O 和D I 端口地址进行读写操作来实现。外部的多路模拟量信号经过预处理电路处理后由多路开关选择进入A R M 控制器进行A D 转换【9 1。预处理电路的主要功能是对电压及电流信号的有效值采集与保持以及对照度与湿度信号的调理与保持。A R M 控制器通过向C P L D 的A D O 端口输出多路开关的地址控制信号来选择进行A D 转换的模拟信号通道f 1 0 。预处理电路光耦隔离驱动电路手动控制至型数字镇流器圈习电压互感器电流
13、互感器照度传感器湿度传感器电压互感器与电流互感器选用D V D I 一0 0 l 型卧式穿芯小型精密交流电压、电流通用互感器,其性能参数如表1 所示。它可以看成是有2 个相同副线圈的电流互感器把它用作精密电压互感器和精密电流互感器的接线如图3 所示表l 电压互感器、电流互蒜器性能参数表T a b 1S p e c i f i cd a t ao fv o l t a g et r a n s f o r m e ra n dc u r r e n tt r a n s f o r m e r使用方法电压V、电流A输出电压V相移(。)图3(a)输入电压1 0 0 01 2 运放电源电压5图3(b
14、)输入电流=91 2 运放电源电压5使用方法线性度线性范围额定电流m A 耐压k V图3(a)O 12 倍额定电流6 6i 3图3(b)0 12 倍额定电流66(a)电压互感器接线=。(b)电流互感器接线圈3 电压互感器及电流互感器接线示意图F i g 3W i r i n g so fv o l t a g et r a n s f o r m e ra n dc u r r e n tt r a n s f o r m e r3 系统软件设计3 1w C O S I I 在L P C 2 2 9 2 上的移植“C O S 一是一个抢占式实时多任务内核。根据处理器的特点合理地修改与处理器相关
15、的w C O S 一的3 个文件:O S C P U _ A A S M、O s-C P U H、O S C P UC C。主要是将文件中的汇编指令,改为A R M 7 的汇编指令并根据C P U 特点对文件中寄存器的初值进行改写 当 万方数据第5 期李广才,等:网络化集中控制照明系统智能监控器设计囝3 2T C P I P 协议在w C O S I I 中的实现为了满足嵌人式设备与I n t e m e t 直接交换信息的要求,在C O S 一1 I 中移植了L w l P 协议栈。只需修改s r c a r c h 目录下的文件即可实现T C P I P 协议栈的移植 1 2 。在驱动中主
16、要是根据L P C 2 2 9 2 内的以太网控制特殊功能寄存器。编写网络接口处的发送包、接收包函数,以及初始化和用于以太网控制器的外部中断服务程序。3 3 任务管理软件设计斗C O S I I 主要完成任务的创建、任务间的通信和任务调度与切换 n 。根据各个任务的重要性和实时性,整个系统中的任务按优先级由高到低分为:系统初始化、接收上位机控制指令、运行状态控制、数据采集控制、数据处理与上传。另外,斗C O S I I 本身还带有统计、任务创建、空闲3 个任务 1 4】。3 3 1 任务(亦即进程)创建w C O S l I 任务的创建由函数O S T a s k C r e a t e()完
17、成。首先进行任务的优先级分配并检测其是否有效。将各个任务控制块的指针存放在以优先级为下标的数组O S T C B P f i o T b l()中,如果该元素为0 就表示系统中尚无这个优先级任务存在可以创建新任务。在确认将要使用的优先级没有被其他任务占用后从空闲任务控制块队列O S T C B F r e e L i s t 前端取下一个,并将其地址填人数组O S T C B P f i o l()中的相应位置上。然后调用O S T a s k S t k I n i t()建立任务堆栈。调用O S T C B I n i t(),从任务控制块链表中获取一个空闲的任务控制块并挂入已创建任务的控
18、制块队列O S T C B“s t。至此。完成了一个任务的创建【1 5】。3 3 2 任务间的通信与同步完成任务创建后还须考虑任务间通信与同步这里采用信号量通信机制。利用函数O S S e m C r e a t e()创建信号量,各任务信号量的设置如表2 所示 1 6】。表2 各任务信号量设置T a b 2L i s to ft a s ks i g n a l s3 3 3 任务调度和切换调度就是选定当前要运行的任务。I 山C O S I I采用基于优先级调度法对任务进行调度【1 7】。先由任务调度器O S S c h e d()实现任务的调度,再由宏调用o s T A S K S W()
19、完成任务切换,其流程见图4。系统初始化图4 任务调度与切换流程图F i g 4F l o w c h a r to ft a s kd i s p a t c ha n dc h a n g e o v e r4 结语经实际运行测试,集中控制照明系统智能监控器实现了路灯运行参数及其环境参数的实时在线检测与传输,达到了对路灯工作状态的网络化、人性化的动态控制的目的,具有一定的节能效果。参考文献:1 李广才,陈英俊网络化集中控制照明系统中控系统软件设计 J 电气自动化,2 0 0 7,2 9(3):4 4 5 5 L IG u a n g c a i,C H E NY i n g j u n S
20、o f t w a r ed e s i g no fc e n t r a lc o n t r o ls y s t e mf o rn e t w o r kc e n t r a l i z e dc o n t r o li l l u m i n a t i o ns y s t e m J E l e c t r i c a lA u t o m a t i o n,2 0 0 7。2 9(3):4 4 5 5 2 李文进,韩晓萍A R M 平台在嵌入式远程数据采集系统中的设计与实现 J 继电器,2 0 0 6,3 4(5):6 4 6 7 L IW e n j i n,H A
21、NX i a o p i n g A p p l i c a t i o no fr e m o t ed a t at e r m i n a lb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mo fA R M J R e l a y,2 0 0 6,3 4(5):6 4 6 7 3 毛伟云。陈明,丁力A R M 嵌入式处理器在智能仪器中的应用 J 计测技术,2 0 0 7,2 7(1):4 4 4 6 M A OW e i y u n,C H E NM i n g,D I N GL i A p p l i c a t i o no fi n t e l l i
22、g e n ti n s t r u m e n tb a s e do nt h eA R Me m b e d d e dp r o c e s s o r J M e t r o l o g yM e a s u r e m e n tT e c h n o l o g y,2 0 0 7,2 7(1):4 4 4 6 4 李正,林跃,杨轶A R M 嵌入式系统在大型设备远程监控中的应用 J 仪器仪表学报,2 0 0 5,2 6(8):3 1 2 3 2 5 L IZ h e n g,L I NY u e,Y A N GY i T h ea p p l i c a t i o no fA
23、 R Me m b e d d e d-s y s t e mi nr e m o t ec o n t r o lf o rh e a v y d u t ye q u i p m e n t J C h i n e s eJ o u r n a lo fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n t。2 0 0 5 2 6(8):3 1 2 3 2 5 5 王之琼基于A R M 的嵌入式网络平台的设计与实现 J 佳木斯大学学报:自然科学版。2 0 0 7。2 5(1):7 4 7 7 W A N GZ h i q i o n g D e s i g na n
24、di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dn e t w o r k i n gp l a t f o r mb a s e do nA R M J J o u r n a lo fJ i a m u s iU n i v e r s i t y:N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n,2 0 0 7,2 5(1):7 4 7 7 6 陈岩,叶炜基于A R M 的远程控制系统的设计 J 自动化仪表,2 0 0 5,2 6(1 1):2 1 1 C H E NY a h,Y EW e i D e s i g
25、 no fA R M-b a s e d r e m o t ec o n t r o ls y s t e m J P r o c e s sA u t o m a t i o nI n s t r u m e n t a t i o n,2 0 0 5,2 6(1 1):2 一1 1 7 秦伟,孟庆春,李默基于A R M 处理器的数据采集系统的设计 J 自动化技术与应用,2 0 0 6,2 5(1 0):6 3 6 5 Q 1 NW e i,M E N GQ i n g c h u n,L IM o A R Mm i c r o c o n t r o l l e r b a s e dd
26、 a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m J T e c h n i q u e so fA u t o m a t i o na n dA p p l i c a t i o n s,2 0 0 6,2 5(1 0):6 3 6 5 8 曾珂一种高性能数据采集系统的设计 J 成都信息工程学院学报,2 0 0 7,2 2(1):5 8 Z E N GK e D e s i g no fad a t ac o l l e c t i o ns y s t e mo fh i s hp e r f o r-m a n c e J J o u r n a lo f
27、C h e n g d uU n i v e r s i t yo fI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,2 0 0 7,2 2(1):5 8 9 张侃谕,王亚哲,袁亚丽A R M 和C P L D 实现温室多路数据采集控制系统 J 微计算机信息,2 0 0 6,2 2(1 0 2):1 9 2 2 万方数据Z H A N GK a n y u。W A N GY a z h e。Y U A NY a l i M u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i ona n dc o n t r o ls y
28、 s t e mo fg r e e n h o u s eb a s e do nA R Ma n dC P L D J M i c r o c o m p u t e rI n f o r m a t i o n。2 0 0 6。2 2(1 0-2):1 9 2 2 1 0 王建萍,费跃农嵌入式高速数据采集系统的实时性研究 J 电子测量与仪器学报,2 0 0 6,2 0(6):7 2 7 5 W A N GJ i a n p i n g,F E IY u e n o n g A na n a l y s i so fr e a lt i m ec a p a b i l i t i e s
29、f o re m b e d d e dI r C O S I Io p e r a t i o ns y s t e m J J o u r n a lo fE l e c t r o n i cM e a s u r e m e n ta n dI n s t r u m e n t,2 0 0 6 2 0(6):7 2 7 5。1 1 李淼浩基于斗C O S 一1 I 的远程数据采集系统 J 重庆工商大学学报2 0 0 6 2 3(4):3 5 7 3 5 9 L IM i a o h a o L o n g,d i s t a n c ed a t ac o l l e c t i o
30、 ns y s t e mb a s e dO UI x C O S-I I J J o u r n a lo fC h o n g q i n gT e c h n o l o g ya n dB u s i n e s sU n i v e r s i t y,2 0 0 6。2 3(4):3 5 7 3 5 9 1 2 何焱,张光伟,马嫒媛基于I n t e r n e t 的设备远程监控与故障诊断 J 机电工程技术2 0 0 5,3 4(9):9 0 9 2 H EY a n。Z H A N GG u a n g w e i M AY u a n y u a n R e m o t e
31、m o n i t o ra n df a u l td i a g n o si so fe q u i p m e n tb a s e do nI n t e r n e t J M e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y,2 0 0 5,3 4(9):9 0 9 2 1 3 f 静霞,易定远程监控器的设计与实现 J 电子工程师,2 0 0 3。2 9(7):3 7 3 9 W A N GJ i n g x i a,Y ID i n g T h ed e s i g na
32、n di m p l e m e n t a t i o no fr e m o t em o n i t o r J E l e c t r o n i cE n g i n e e r,2 0 0 3,2 9(7):3 7 3 9 1 4 何鹏举,戴冠中分布式远程网络化智能测控系统研究(J 微电子学与计算机。2 0 0 7,2 4(8):1 7 7 1 7 9 H EP e n g i u,D A IG u a n z h o n g R e s e a r c ho nd i s t r i b u t i n gi n t e l l i g e n tn e t w o r k e
33、dm e a s u r e c o n t r o ls y s t e m s J M i e r o e l e c t r o n i c s C o m p u t e r。2 0 0 7,2 4(8):1 7 7 1 7 9 1 5 何轩,夏应清,李祥基于A R M 微处理器的嵌入式以太网接1 2 J 电子T 程师,2 0 0 5,3 1(1):7 2-7 4 H EX u a n,X I AY i n g q i n g,L IX i a n g R e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t Se
34、 m b e d d e dE t h e r n e ta c c e s sb a s e do nA R M J E l c t r o n i cE n g i n e e r,2 0 0 5,3 1(1):7 2 7 4 1 6 张春生。徐志军基于嵌入式实时操作系统C 0 S 一的数据采集系统的设计 J 舰船电子对抗,2 0 0 5,2 8(2):3 6 3 9 Z H A N GC h u n s h e n g,X UZ h i j u n D e s i g no ft h es i n g l ec o m p u t e rd a t aa c q u i s i t i
35、o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m 斗C O S I I J S h i p b o a r dE l e c t r o n i cW a r f a r e,2 0 0 5,2 8(2):3 6 3 9 1 7 田国华杨青。何东健实时操作系统“C 0 S 一在L P C 2 2 1 0上的移植研究与实现【J 微计算机信息,2 0 0 5,1 2(2):3 3 3 6 T I A NG u o h u a,Y A N GQ i n g,H ED o n g j
36、i a n R e s e a r c ha n di m p l e-m e n t a t i o no fp o r t i n gR T O S 斗C O S 一t oU 2 2 l O J M i c r o c o m p u t e rI n f o r m a t i o n,2 0 0 5 1 2(2):3 3 3 6(责任编辑:柏英武)作者简介:李广才(1 9 6 2 一),黑龙江巴彦人,讲师,硕士研究生,从事自动化控制及自动检测技术的教学与研究工作(E m a l l:l g c m a i l z q u e d u c n;l g c m a i l 1 6 3 c
37、o m)。I n t e l l i g e n tm o n i t o ro fc e n t r a l i z e di l l u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e mL IG u a n g c a i,C H E NY i n g i u n,N I ED o n g(Z h a o q i n gU n i v e r s i t y,Z h a o q i n g5 2 6 0 6 1,C h i n a)A b s t r a c t:Af r o n t e n di n t e l l i g e n tm o n i t o
38、ro fc e n t r a l i z e di l l u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d,w h i c hi n t e g r a t e st h ef u n c t i o n so fr e a l t i m ed e t e c t i o no fs t r e e tl a m po p e r a t i n ga n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s,m u l t i p l ec o n t r o lm o d e
39、so fs t r e e tl a m pw o r k i n gc o n d i t i o na n dn e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o n B a s e do nt h eA R Me m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r,t h e 斗C O S I Ii st r a n s p l a n t e dt oL P C 2 2 9 2a n dt h es e m a p h o r em e c h a n i s mi se s t a b l i s h e da n dc o
40、 n f i g u r e d,w h i c he n a b l e st h et a s ks c h e d u l i n ga n dt h ec o m m u n i c a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o na m o n gt a s k sf o ri m p l e m e n t i n gt h ef u n c t i o n so fr e a l t i m eO S E t h e r n e tc o n t r o lc h i pR T L 8 0 1 9 A Si sa d o p t e dt o
41、e x t e n dn e t w o r ki n t e r f a c e sa n dL w I Pp r o t o c o ls t a c ki st r a n s p l a n t e di nI J,C O S I It or e a l i z ed a t at r a n s f e ro nn e t w o r k 1 1 l ed a t ae x c h a n g eb o t t l e n e c ki sa v o i d e db ye x t e n d i n gI Op o r t sw i t hC P L Dc h i p T h em
42、 o n i t o rs h o w sb e t t e rs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yi nt h eo p e r a t i o no fm u n i c i p a ls t r e e t l i g h tn e t w o r kf o rn e t w o r k e d,p r e c i s ea n dd y n a m i c a lc o n t r o la n de n e r g ys a v i n g T h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h
43、eS c i&T e c hP r o j e c to fG u a n g d o n gP r o v i n c e(2 0 0 5 1 1 1 0 2 0 1 0 1 5)a n dt h eS c iT e c hF u n do fZ h a o q i n gC i t y(2 0 0 6-1 6)K e yw o r d s:i l l u m i n a t i o ns y s t e m;e m b e d d e d;n e t w o r k;m o n i t o rJ 一-一_-一-J 一一一-一。一-一J-一-一一-一一_-J 一_-+-一一-一-一-+-一-_ 一-+-一-一_-一-一-+-“2 0 0 8 第8 届国际电力、电工及电气自动化【无锡)展览会延期举办的通知原定于2 0 0 8 年4 月1 7 1 9 日在无锡体育会展中心举办的“2 0 0 8 第8 届国际电力、电工及电气自动化(无锡)展览会”因故延期到2 0 0 8 年6 月2 0 2 2 日在原地举办,由此带来的不便,深表歉意。无锡中际贸易展览有限公司联系人:缪正昌联系电话:0 5 1 0 8 2 7 1 3 8 4 3,8 2 7 1 3 4 7 6 万方数据
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