農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
1.1國內(nèi)外農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)的現(xiàn)狀
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，目前在廣大農(nóng)村，農(nóng)業(yè)溫室比比皆是。近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐步由傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營式向現(xiàn)代集約型經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)科技示范園，作為現(xiàn)代集約型農(nóng)業(yè)和高新科技應用的示范窗口，應運而生。隨著科學技術(shù)的進步，溫室的結(jié)構(gòu)檔次在逐步的提高，建設一種可提高溫室內(nèi)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，減輕工作人員勞動強度的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)，是廣大溫室作物生產(chǎn)人員的迫切需求。
目前，雖然也有不少單位或個人引進了一些國外的計算機智能監(jiān)控系統(tǒng)，如溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，施肥灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，工廠化育苗智能監(jiān)控系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)真正實現(xiàn)了溫室控制的智能化和自動化，但往往存在投資過大．系統(tǒng)維護不方便等各種發(fā)展制約瓶頸，再者就是要求溫室的管理操作人員本身有較高的文化素質(zhì)和較豐富的工程技術(shù)經(jīng)驗，目前我國廣大農(nóng)民還不具備，這也限制了國外同類產(chǎn)品在國內(nèi)的推廣應用。開發(fā)低價位、實用型的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)對于推進我國農(nóng)業(yè)自動化、智能化進程具有重要的意義，同時也具有很大的市場潛力。據(jù)調(diào)查，目前市場上迫切需要的是一種低成本、操作使用簡便的實用農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)。針對這一要求及我國日光溫室量大、面廣的特點，研究一種既符合我國農(nóng)業(yè)水平實際又適合農(nóng)民經(jīng)濟承受能力、技術(shù)上不低于國外同類產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)溫室智能集成監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。智能化農(nóng)業(yè)溫室大棚是集農(nóng)業(yè)科技上的高、精、尖技術(shù)和計算機自動控制技術(shù)于一體的先進的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎。它能營造相對獨立的作物生長環(huán)境，徹底擺脫傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對自然環(huán)境的依賴性。目前，計算機監(jiān)控在農(nóng)業(yè)溫室大棚種植中得到了越來越廣泛的應用，并正在成為農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控的核心。智能化農(nóng)業(yè)溫室大棚研究是當今興起的一門橫跨生物學、計算機科學、電子科學、機械設計和環(huán)境控制等幾大學科的綜合了多種高新技術(shù)的邊緣學科。從目前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展政策看，未來10一15年我國農(nóng)業(yè)科技進步的重要內(nèi)容就是推動規(guī)模經(jīng)營和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，所以研究開發(fā)適合我國的國情的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。
農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)集傳感器、自動化控制、通訊、計算等技術(shù)于一體，通過用戶自定儀作物生長所需的適宜環(huán)境參數(shù)，搭建農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化軟硬件平臺，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)溫室大棚中溫度、濕度、二氧化碳等因子的自動監(jiān)測。
本系統(tǒng)可以模擬基本的生態(tài)環(huán)境因子，如溫度、濕度、二氧化碳濃度等，以適應不同生物生長繁育的需要，它由數(shù)據(jù)采集設備單元組成，按照預設參數(shù)，精確的測量溫室的溫度、濕度、二氧化碳參數(shù)等，并利用手動、自動兩種方式啟動或關(guān)閉不同的執(zhí)行結(jié)構(gòu)（遮陽幕、通風系統(tǒng)等），程序所需的數(shù)據(jù)都是通過各類傳感器實時采集的。
該系統(tǒng)的使用，可以為植物提供一個理想的生長環(huán)境，并能起到減輕人的勞動強度、提高設備利用率、改善農(nóng)業(yè)溫室大棚氣候、減少病蟲害、增加作物產(chǎn)量等作用。
通過對氣候參數(shù)的分析，可以預測控制設備的運行情況，提高設備的利用率，降低能耗。
通過選用不同的外圍設備，可以控制溫室環(huán)境及風機、卷簾、灌溉等。
通過中央控制軟件，可以不問斷地記錄溫度、濕度、二氧化碳等傳感器的信息以及各種控制設備的動作記錄等。
1.4遠程監(jiān)控功能
即使工作人員不在現(xiàn)場，也可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)及設備進行監(jiān)測和控制。
1.5數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)功能
通過GPRS，可將各種數(shù)據(jù)聯(lián)入INTERNET，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
2. 農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計
農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個涉及到溫度、濕度、二氧化碳濃度及種植品種等多種因素的監(jiān)控系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)的沒計應具備以下功能：
l、較寬的工作電壓范圍：110v-380v交流：
2、能長時間連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的工作；
3、能對溫室內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)進行準確的測量：
4、能根據(jù)種植品種的不同，可以設定溫度、濕度、二氧化碳濃度的預警。
1、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠。
2、操作簡單，維護方便。
3、整個系統(tǒng)易于擴展。
4、運行經(jīng)濟節(jié)能，維護費用低。
5、性能價格比高。
系統(tǒng)采用上、下位機監(jiān)控方案，下位機為系統(tǒng)前端采集設備，實施對溫室大棚環(huán)境參數(shù)的檢測與環(huán)境調(diào)整機構(gòu)的控制；上位機為系統(tǒng)遠程監(jiān)控計算機，采用可視化編程語言設計界面友好的環(huán)境監(jiān)測與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫室的遠程監(jiān)控與管理操作。其基本的框架圖如下：
3. 農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的建設
該系統(tǒng)利用溫度、濕度、二氧化碳等傳感器采集現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場就通過無線方式發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器中，通過應用服務器和web服務器對采集到的數(shù)據(jù)進行應用和顯示。
系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分為三層，第一層為數(shù)據(jù)管理層：由電腦和以太網(wǎng)組成；第二層為數(shù)據(jù)傳輸層：采用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸；第三層為數(shù)據(jù)采集層：由GPRS RTU遠程測控終端和傳感器組成，該層和第一層之間無需電纜連接；所有的傳感器和GPRSRTU遠程測控終端只需要用一根電纜連接。
中心采用通過GPRS/GSM 網(wǎng)路把室外各站點傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到中心計算機，在這里進行各個站點參數(shù)設置，及對各站點運行情況進行統(tǒng)計，并可通過專用軟件在計算機上存儲，實時顯示所有大棚站的溫濕度、二氧化碳數(shù)據(jù)和圖表。同時可以人工進行特殊操作。
建立GPRS中心連接的兩種方式：
A．監(jiān)控中心服務器采用固定IP地址，當監(jiān)控點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適用監(jiān)控點數(shù)較多幾百上千個）。
B．監(jiān)控中心服務器采用動態(tài)IP地址（可以申請花生殼軟件采用域名的方式），當監(jiān)控點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適合監(jiān)控點數(shù)在300個左右的）。
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)管理層（中央處理系統(tǒng)）之間的通信、采用目前應用已經(jīng)比較成熟的GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程通信。
采用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸具備如下特點：
1、可靠性高：
與SMS短信息方式相比，GPRS采用面向連接的TCP協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。中心可以與多個監(jiān)測點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS網(wǎng)絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機頻段“碰撞”現(xiàn)象。
2、實時性強：
GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個監(jiān)測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
3、監(jiān)控范圍廣：
GPRS網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。比較很多無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（集群，雙向傳呼，CDPD，CDMA）而言，其網(wǎng)絡覆蓋是最好的。
4、系統(tǒng)建設成本低：
由于采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設網(wǎng)絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網(wǎng)絡維護費用。
5、系統(tǒng)運營成本低：
采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網(wǎng)絡可按數(shù)據(jù)實際通信流量計費，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月流量收費，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。
6、可對各監(jiān)測點儀器設備進行遠程控制：
通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態(tài)報告、開關(guān)等控制功能，并可進行系統(tǒng)遠程在線升級。
7、系統(tǒng)的傳輸容量，擴容性能好：
能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而GPRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的TCP/IP通信架構(gòu)，具備良好的擴展性能，一個監(jiān)測中心可輕松支持幾千個現(xiàn)場采集點的通信接入。
總之，它真正體現(xiàn)了少用少付費的原則。通過GPRS無線網(wǎng)絡將用戶設備數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet中的一臺主機上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸，可廣泛應用于“物聯(lián)網(wǎng)”涉及的各個行業(yè)。
3.4.1數(shù)據(jù)采集設備（GPRS RTU遠程測控終端）
>>產(chǎn)品介紹：
GPRS RTU遠程測控終端集模擬量采集、脈沖量采集、繼電器控制、存儲記錄、RS-485串口串行通訊(數(shù)據(jù)透明傳輸)、短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸于一體的綜合性數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，外形小巧美觀，測量精確可靠，通過狀態(tài)指示燈顏色的變換可以輕松獲得終端所處的工作狀態(tài)，操作調(diào)試十分簡便，非常適合于各種環(huán)境下數(shù)據(jù)的采集和控制。廣泛應用于水文監(jiān)測、氣象監(jiān)測、環(huán)保監(jiān)測、農(nóng)業(yè)灌溉管理、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控、管網(wǎng)監(jiān)測等。
>>主要功能：
01、集成路4路模擬信號采集（采集精度0.1%）、4路開關(guān)量/脈沖量采集、2繼電器控制輸出（支持觸點斷電保持）、1路RS485輸入接口（支持透明傳輸）；
02、模擬信號輸入通道支持帶回差控制的高低超限報警，同時支持信號增幅、降幅超速報警；
03、開關(guān)信號輸入通道支持開關(guān)動作報警，同時支持脈沖增幅超速報警；
04、RS485支持定時訪問、數(shù)據(jù)中心在線實時訪問、報警事件關(guān)聯(lián)訪問、自由訪問（可同時連接各種不同速率、不同協(xié)議的設備）；
05、模擬量和開關(guān)量可與繼電器設置報警聯(lián)動；
06、可模塊式擴展模擬量、開關(guān)量、繼電器等路數(shù)，根據(jù)用戶現(xiàn)場實際需求選擇擴展模塊；
07、支持GPRS和短信方式遠程召測及控制；
08、支持遠程修改數(shù)據(jù)中心IP地址、端口號、遠程配置終端所有參數(shù)；
09、可設置時間間隔分類存儲模擬量、開關(guān)量/脈沖量、繼電器、RS485協(xié)議等數(shù)據(jù)；
10、可設置三個數(shù)據(jù)中心主數(shù)據(jù)中心（CT1）、定時上線數(shù)據(jù)中心（CT2）、工程維護數(shù)據(jù)中心（CT3）；
11、定時上下線，既能夠保證GPRS數(shù)據(jù)傳輸，又能夠適時下線，節(jié)約數(shù)據(jù)流量；
12、終端連接不上自動復位、短信強制復位，掉線、斷網(wǎng)自動重連；
13、內(nèi)置時鐘，精確記時；
14、通過專門的圖形化配置工具進行參數(shù)配置并配備測試數(shù)據(jù)中心可供調(diào)試；
>>技術(shù)參數(shù)：
01、額定電壓：DC5-24V
02、RS485接口 波特率支持300-115200bps，N/E/O校驗，停止位1/2位
03、開關(guān)量：干節(jié)點信號或幅度為2V～24V的電平信號
04、脈沖量：最小脈沖寬度為25ms，脈沖周期為50ms，內(nèi)部脈沖計數(shù)累積容量達到40億
05、繼電器：繼電器干節(jié)點輸出
06、存儲芯片：內(nèi)置64M-bit Flash存儲器，最多可存32768條記錄
07、工作環(huán)境溫度：-20℃到65℃
08、儲存溫度：-40℃到85℃
09、濕度：95% 無凝結(jié)
10、常規(guī)運行耗電：＜60mA
11、省電模式耗電（平均）：＜30mA
12、通信方式：支持TCP/UDP通訊方式
13、外形尺寸：93?62?24mm
14、重量：約150克
傳感器用來對溫室內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度進行實時數(shù)據(jù)采集。根據(jù)溫室作物生長特點和環(huán)境要求，選擇精度較高、運行穩(wěn)定，性價比較高的傳感器是十分有必要的。在該項目所采用的傳感器類別及性能參數(shù)如下：
3.4.2.1 防護型空氣溫濕度變送器
防護型空氣溫濕度變送器是根據(jù)具有感濕特性的電介質(zhì)介電常數(shù)隨相對濕度而變化的特質(zhì)設計而成，用來檢測溫室內(nèi)的環(huán)境溫濕度，一般有效的溫度范圍在-40～100?C，有效的濕度范圍在0～100%。項目中采用的空氣溫濕度傳感器，其特點與性能參數(shù)如下：
供電電源：12VDC，24V DC
溫度量程: -40℃~80℃
溫度精度:?0.5℃
溫度分辨率: 0.1℃
濕度量程：0%~100% RH
濕度精度：?3% RH(10%~85%)
濕度分辨率：1% RH
輸出:4-20mA
靜態(tài)電流：<45ma< span="">
外形尺寸：90*85*40MM
帶耳尺寸：110*85*40MM
安裝方式:壁掛式；螺絲固定
工作環(huán)境：-20～80℃，20%～90%無凝露
貯存環(huán)境：-40～105℃，20%～95%無凝露
3.4.2.2 防護型紅外二氧化碳變送器
防護型紅外二氧化碳變送器是在進口紅外二氧化碳傳感器基礎上設計的一款專門用于在農(nóng)業(yè)等多種高濕場合使用的產(chǎn)品系列，該產(chǎn)品系統(tǒng)有電壓、4-20mA電流接口可選配。該產(chǎn)品采用多重防護，確保內(nèi)部的傳感器不受外界高濕等環(huán)境影響，確保傳感器可靠穩(wěn)定工作。產(chǎn)品具有更低的供耗，信號輸出更加穩(wěn)定，并且嵌入了自動校準模式，確保長期工作穩(wěn)定性和精確度。
技術(shù)指標：
量程：0~2000PPM
精度：＜?30ppm(25℃)
重復性：<1%fs< span="">
預熱時間：≤1min(可以操作)
穩(wěn)定性：<1% RH /年，/<0.1< span="">℃ /年
輸出信號：4-20mA
供電電源：DC/AC 12-24V
工作環(huán)境：溫度：0℃~50℃
濕度：≤80%RH
功耗：峰值≤200mA 平均≤80mA
安裝方式：壁掛式
外形尺寸：125?80?60 MM
4. 監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺（軟件功能可定制）
農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件管理功能主要包括用戶管理模塊、數(shù)據(jù)實時顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)管理模塊、報警數(shù)據(jù)管理模塊、曲線分析模塊、網(wǎng)絡信息發(fā)布及資源共享模塊等功能。
本系統(tǒng)可設置具備用戶管理模塊，通過該模塊可設置不同用戶的使用權(quán)限，根據(jù)不同監(jiān)控點的職權(quán)對用戶權(quán)限進行分級。
數(shù)據(jù)實時顯示模塊主要是將各種傳感器實時采集到的環(huán)境參數(shù)、設備運行狀態(tài)進行顯示，以滿足人們對溫室環(huán)境監(jiān)測的需求。
用戶可通過訪問系統(tǒng)服務器，遠程檢索回放站端的任意歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供了智能化快速檢索回放歷史數(shù)據(jù)的功能，可按時問、異常情況等進行檢索，大大降低了檢索時間和復雜程度，使用戶可以迅速地查找到需要的歷史資料。
通過該模塊，用戶可以實現(xiàn)全方位的報警信息通報。在線報警欄中的報警信息，在每一個監(jiān)控頁面都是相同的，無論在中心還是辦公網(wǎng)絡內(nèi)的客戶端，可以讓操作人員最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)報警信息，解決故障。
一個好的農(nóng)業(yè)大棚溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅在于它能實時、遠程監(jiān)控系統(tǒng)，關(guān)鍵還要能夠提供曲線數(shù)據(jù)．通過對曲線數(shù)據(jù)的分析，從中找出對溫室中農(nóng)作物生長最為有利各種參數(shù)，并通過與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的接口．提供一個農(nóng)作物生長最為有效的模型。
位于監(jiān)控中心的監(jiān)控服務器與廠區(qū)內(nèi)的局域網(wǎng)絡連接，在局域網(wǎng)內(nèi)進行信息發(fā)布，這樣廠區(qū)管理層的人員都可以在它自己辦公室里的計算里隨時通過IE的方式訪問主機服務器內(nèi)的全部數(shù)據(jù)和畫面。
每位瀏覽者都將擁有唯一的用戶名和密碼的身份驗證，它的用戶名決定它的監(jiān)控范圍。雖然是采用IE的方式訪問現(xiàn)場數(shù)據(jù)，但所看到的全部數(shù)據(jù)及畫面與信息中心服務器的內(nèi)容完全相同、效果也完全一樣。速度方面也不會任何的延時。
通常廠區(qū)辦公管理網(wǎng)絡允許被連接到互聯(lián)網(wǎng)，這樣即使出差在外地的領(lǐng)導也同樣可以連回廠內(nèi)訪問現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，依據(jù)分散采集數(shù)據(jù)。集中操作管理，相對獨立的設計思想，綜合運用計算機網(wǎng)絡通信和模糊控制技術(shù)，實現(xiàn)了單個溫室的智能控制以及多個溫室的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)溫室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)的變化，按照預先設定的條件對風機、灌溉、二氧化碳發(fā)生器等設備進行全自動控制，系統(tǒng)具有功能強大、性能優(yōu)越、配置靈活、安全可靠等優(yōu)點。
01、全天候不間斷在線監(jiān)測，無論晴雨雷雪，均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)采集，讓數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，對農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參數(shù)的歷史分析和技術(shù)優(yōu)化變得更加有效。
02、所有數(shù)據(jù)實現(xiàn)無紙化記錄，歷史可查，可根據(jù)客戶的需求定制各種分析報表和打印格式，使該系統(tǒng)更加人性化和實用性。
03、真實有效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)給政府、企業(yè)的管理上帶來的可追溯、可衡量的標準，降低了管理的難度。
04、降低環(huán)境對監(jiān)測的影響，無論是有毒有害的環(huán)境還是障礙物，都可實現(xiàn)信號的遠程無線采集，降低現(xiàn)場巡檢的難度，提高巡檢和參數(shù)記錄的難度。
05、大大降低人力成本，通過該系統(tǒng)的運用，減少了人員的投入，實現(xiàn)讓更少的人管理更多的設備和安全領(lǐng)域。
06、實現(xiàn)了防患于未然，該系統(tǒng)會對歷史運行數(shù)據(jù)和安全警戒值進行掃描判斷，當變化達到臨界值時會自動通過手機短信方式通知用戶，讓用戶及時對設備和安全隱患進行及時處理，做到早發(fā)現(xiàn)早處理。
07、良好的功能擴展性，使得該系統(tǒng)能隨時適應客戶需求的變化，做到及時的調(diào)整和優(yōu)化，順應客戶的變化而變化。
08、加密的數(shù)據(jù)和多層安全保護，讓客戶對數(shù)據(jù)的管理更加安全可靠，不會擔心數(shù)據(jù)被劫持和破解。
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廈門毅仁 遠程控制系統(tǒng)
廈門毅仁 YR5203 GPRS RTU遠程測控終端
GPRS環(huán)境監(jiān)測箱
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