基于ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的指紋考勤網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
伍龍山，戴志強(qiáng)，王凱旋，劉靜微
來源：RFID世界網(wǎng)
摘要： 目前指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，在市場(chǎng)上也能看到很多相關(guān)產(chǎn)品，如指紋鎖等。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要在多點(diǎn)進(jìn)行指紋識(shí)別，因此將多點(diǎn)構(gòu)建為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在本文中，設(shè)計(jì)了一種星型ZigBee無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，并在ZigBee終端連接指紋識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)的指紋考勤。
Abstract：
Key words :
在生物體上有很多可識(shí)別性、唯一性和終生不變性的體征，如指紋、虹膜等。指紋檢測(cè)和識(shí)別是當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的熱點(diǎn)研究課題，且在現(xiàn)實(shí)生活中也有著廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用于身份識(shí)別等。目前指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，在市場(chǎng)上也能看到很多相關(guān)產(chǎn)品，如指紋鎖等。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要在多點(diǎn)進(jìn)行指紋識(shí)別，因此將多點(diǎn)構(gòu)建為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在本文中，設(shè)計(jì)了一種星型ZigBee無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，并在ZigBee終端連接指紋識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)的指紋考勤。
一、整體方案設(shè)計(jì)
(一)星型ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)方案
在指紋識(shí)別過程中，指紋終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是很少的，通常為幾十個(gè)字節(jié)，因此對(duì)通信系統(tǒng)的帶寬要求較低。ZigBee可實(shí)現(xiàn)250kbps的，通信距離一般介于10—100m間，以及低成本、高容量使其成為恰當(dāng)?shù)倪x擇。
在ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備單元有3種：協(xié)調(diào)器、路由器和終端。在本文中，我們組建包括一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)終端的小型ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過串口與上位機(jī)(或另一網(wǎng)絡(luò)端)相連{zigBee終端接到指紋識(shí)別模塊，并配合液晶擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)對(duì)IDWD5002模塊的控制。指紋考勤結(jié)果的各信息在上位機(jī)管理軟件中顯示。圖1為系統(tǒng)方案。
圖1 指紋考勤網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案
(二)硬件模塊方案
在網(wǎng)絡(luò)中需要使用的模塊有：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊和指紋識(shí)別模塊。
ZigBee無線通信模塊選擇為RF一2430。RF一2430提供SPI和UART與外部通信，其中UART可高達(dá)115．2kbps。指紋識(shí)別模塊選擇為IDWD5002，其通訊接口為RS232。該模塊作為從設(shè)備，由主設(shè)備發(fā)送相關(guān)命令對(duì)其進(jìn)行控制，可調(diào)節(jié)安全等級(jí)、指紋特征數(shù)據(jù)的讀／寫和1：N識(shí)別及1：l驗(yàn)證等。
使用ZigBee無線通信模塊配套的液晶擴(kuò)展板，通過RS232與指紋識(shí)別模塊IDWD5002相連接。
二、指紋考勤網(wǎng)絡(luò)方案實(shí)現(xiàn)
在網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)中，使用的是IAR7．3OB平臺(tái)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為Ziggee2006協(xié)議棧。
在協(xié)議安裝完成后，路徑C：＼Texas Instrument＼zstack一1．4．3—1．21＼Project＼zstack＼utilities下有的SerialApp工程實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的無線數(shù)據(jù)傳輸功能。全雙工通信和流量控制，在數(shù)據(jù)發(fā)送超時(shí)或丟包時(shí)，具有數(shù)據(jù)重發(fā)功能。因此，在此工程基礎(chǔ)上修改，可以實(shí)現(xiàn)需要的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。
(一)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
在本文中需要構(gòu)建的是一個(gè)一層的星型網(wǎng)絡(luò)， 首先是設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的類型。在nwk—globals．h文件中，STACK PROFILE ID 的定義就是網(wǎng)絡(luò)的類型，將其定義為GENERIC STAR；最大網(wǎng)絡(luò)深度MAX NODE DEPTH改為t。網(wǎng)絡(luò)中最大設(shè)備數(shù)是由NwK—MAXDEVICE—LIST確定的，而且通常都會(huì)留有一定的余量，將其改為需要的數(shù)量。在文件nwk～globals．C中，數(shù)組CskipRtrs和數(shù)組CskipChldrn確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，將其改為需要的值。同時(shí)，在f8wConfig．cfg中設(shè)定信道、PAN_ID、綁定表最大記錄數(shù)和單個(gè)記錄綁定族ID最大數(shù)，并加入REFLECTOR編譯標(biāo)志。
在網(wǎng)絡(luò)中需要使用的模塊有：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊和指紋識(shí)別模塊。
ZigBee無線通信模塊選擇為RF一2430。RF一2430提供SPI和UART與外部通信，其中UART可高達(dá)115．2kbps。指紋識(shí)別模塊選擇為IDWD5002，其通訊接口為RS232。該模塊作為從設(shè)備，由主設(shè)備發(fā)送相關(guān)命令對(duì)其進(jìn)行控制，可調(diào)節(jié)安全等級(jí)、指紋特征數(shù)據(jù)的讀／寫和1：N識(shí)別及1：l驗(yàn)證等。
使用ZigBee無線通信模塊配套的液晶擴(kuò)展板，通過RS232與指紋識(shí)別模塊IDWD5002相連接。
二、指紋考勤網(wǎng)絡(luò)方案實(shí)現(xiàn)
在網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)中，使用的是IAR7．3OB平臺(tái)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為Ziggee2006協(xié)議棧。
在協(xié)議安裝完成后，路徑C：＼Texas Instrument＼zstack一1．4．3—1．21＼Project＼zstack＼utilities下有的SerialApp工程實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的無線數(shù)據(jù)傳輸功能。全雙工通信和流量控制，在數(shù)據(jù)發(fā)送超時(shí)或丟包時(shí)，具有數(shù)據(jù)重發(fā)功能。因此，在此工程基礎(chǔ)上修改，可以實(shí)現(xiàn)需要的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。
(一)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
在本文中需要構(gòu)建的是一個(gè)一層的星型網(wǎng)絡(luò)， 首先是設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的類型。在nwk—globals．h文件中，STACK PROFILE ID 的定義就是網(wǎng)絡(luò)的類型，將其定義為GENERIC STAR；最大網(wǎng)絡(luò)深度MAX NODE DEPTH改為t。網(wǎng)絡(luò)中最大設(shè)備數(shù)是由NwK—MAXDEVICE—LIST確定的，而且通常都會(huì)留有一定的余量，將其改為需要的數(shù)量。在文件nwk～globals．C中，數(shù)組CskipRtrs和數(shù)組CskipChldrn確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，將其改為需要的值。同時(shí)，在f8wConfig．cfg中設(shè)定信道、PAN_ID、綁定表最大記錄數(shù)和單個(gè)記錄綁定族ID最大數(shù)，并加入REFLECTOR編譯標(biāo)志。
(二)主體程序設(shè)計(jì)。
對(duì)于給定的SerialApp．c中，主體的框架已經(jīng)有了基本的輪廓；同時(shí)在文件0SAL—SerialApp．c中任務(wù)初始化合事件添加都已經(jīng)完成。我們通過對(duì)SerialApp．C和其頭文件的添加和修改就可以完成程序。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信時(shí)通過命令來識(shí)別發(fā)送目的地的。’這樣可以不必注意終端網(wǎng)絡(luò)地址變動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。
1．設(shè)備綁定實(shí)現(xiàn)。
在ZigBee2006協(xié)議中，數(shù)據(jù)通信是基于命令綁定方式實(shí)現(xiàn)的。綁定允許應(yīng)用層發(fā)送信息需要帶目的地址，APS層確定目的地址從它的綁定表格中，然后在信息前端加一h這個(gè)目的地址或組。在設(shè)備綁定中有多種綁定方式，如源綁定等。本文中采用的是源綁定方式，這需要在編譯選項(xiàng)中加入REFLECTOR。綁定過程是由用戶終端發(fā)起的。首先終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送描述符匹配請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器接到描述符匹配請(qǐng)求后，在ZDO消息處理函數(shù)中給命令輸出列表中添加輸出命令，并初始化該命令對(duì)應(yīng)的管理數(shù)據(jù)單元。終端接到匹配響應(yīng)后完成命令綁定。接著向協(xié)調(diào)器發(fā)送帶有綁定命令的數(shù)據(jù)幀到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到綁定命令數(shù)據(jù)幀后，重復(fù)上面的操作。這樣就完成了終端和協(xié)調(diào)器的雙向綁定，其過程如圖2所示。當(dāng)終端接收到描述符匹配請(qǐng)求后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀并傳送到上位機(jī)，通知終端加入網(wǎng)絡(luò)。
對(duì)于給定的SerialApp．c中，主體的框架已經(jīng)有了基本的輪廓；同時(shí)在文件0SAL—SerialApp．c中任務(wù)初始化合事件添加都已經(jīng)完成。我們通過對(duì)SerialApp．C和其頭文件的添加和修改就可以完成程序。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信時(shí)通過命令來識(shí)別發(fā)送目的地的。’這樣可以不必注意終端網(wǎng)絡(luò)地址變動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。
1．設(shè)備綁定實(shí)現(xiàn)。
在ZigBee2006協(xié)議中，數(shù)據(jù)通信是基于命令綁定方式實(shí)現(xiàn)的。綁定允許應(yīng)用層發(fā)送信息需要帶目的地址，APS層確定目的地址從它的綁定表格中，然后在信息前端加一h這個(gè)目的地址或組。在設(shè)備綁定中有多種綁定方式，如源綁定等。本文中采用的是源綁定方式，這需要在編譯選項(xiàng)中加入REFLECTOR。綁定過程是由用戶終端發(fā)起的。首先終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送描述符匹配請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器接到描述符匹配請(qǐng)求后，在ZDO消息處理函數(shù)中給命令輸出列表中添加輸出命令，并初始化該命令對(duì)應(yīng)的管理數(shù)據(jù)單元。終端接到匹配響應(yīng)后完成命令綁定。接著向協(xié)調(diào)器發(fā)送帶有綁定命令的數(shù)據(jù)幀到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到綁定命令數(shù)據(jù)幀后，重復(fù)上面的操作。這樣就完成了終端和協(xié)調(diào)器的雙向綁定，其過程如圖2所示。當(dāng)終端接收到描述符匹配請(qǐng)求后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀并傳送到上位機(jī)，通知終端加入網(wǎng)絡(luò)。
2．程序?qū)崿F(xiàn)。
在本文中闡述的網(wǎng)絡(luò)是單層的星型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，需要為每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的終端分配資源。在SerialApp．C中添加數(shù)據(jù)接收序列號(hào)數(shù)組和發(fā)送序列號(hào)數(shù)組，數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體和數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)構(gòu)體，修改接收和發(fā)送族數(shù)組。
協(xié)調(diào)器從串口接收到上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，必須根據(jù)數(shù)據(jù)中包含的命令發(fā)送到對(duì)應(yīng)的終端。根據(jù)約定的數(shù)據(jù)幀格式，從數(shù)據(jù)幀中提取命令并賦給當(dāng)前發(fā)送終端參數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)幀接收完畢，啟動(dòng)OTA發(fā)送任務(wù)將接收到的數(shù)據(jù)幀以綁定的方式發(fā)送；在接收到確認(rèn)消息后繼續(xù)發(fā)送剩余的數(shù)據(jù)。如果上位機(jī)是連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則還需要一個(gè)接收存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體，使得已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)能完整的發(fā)送給終端。對(duì)于數(shù)據(jù)的接收就相對(duì)發(fā)送就簡(jiǎn)單得多了。指紋識(shí)別模塊向ZigBee終端發(fā)送的數(shù)據(jù)通常都是很小的，為幾卜個(gè)字節(jié)。因此協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，可直接通過串口發(fā)送到上位機(jī)。
相對(duì)于協(xié)調(diào)器，用戶終端是一個(gè)精簡(jiǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)單元。在指紋考勤網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee終端有兩個(gè)主要功能。其一，完成數(shù)據(jù)的通信：其二，實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋識(shí)別模塊的控制。由于指紋模板比較大，這就需要對(duì)從協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)整合成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。它包括指紋識(shí)別的命令包和數(shù)據(jù)包。上位機(jī)將指紋模板分割成幾個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送，這樣是為了適應(yīng)協(xié)調(diào)器串口接收要求。因此，在終端接收數(shù)據(jù)時(shí)，就必須將原來完整的數(shù)據(jù)恢復(fù)，然后發(fā)送到指紋模塊。指紋模塊實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別需要外部發(fā)送指令進(jìn)行控制。在ZigBee終端的液晶擴(kuò)展板上有4個(gè)按鍵可用于對(duì)指紋模塊的控制。在終端的程序中加入對(duì)按鍵的響應(yīng)和指紋模塊響應(yīng)處理就可實(shí)現(xiàn)對(duì)IDWD5002指紋模塊的控制。最后在程序中將指紋識(shí)別模塊識(shí)別結(jié)果打包發(fā)送到協(xié)調(diào)器，至此完成ZigBee終端的程序設(shè)計(jì)。
(三)IDM)5002指紋識(shí)別模塊控制。
IDWD5002指紋識(shí)別模塊與zigBee終端液晶擴(kuò)展板連接后，通過按下上面的按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。從按鍵按下后，指紋采集時(shí)間約3秒，這可以通過指紋模塊進(jìn)行更改。在指紋采集的過程中，光學(xué)采集儀會(huì)有紫色背景光。登記手指按下后，紫光消失。這時(shí)可以在上位機(jī)上看到識(shí)別結(jié)果。
三、調(diào)試和實(shí)際測(cè)試
在調(diào)試時(shí)需要注意對(duì)上位機(jī)通信速率進(jìn)行控制。雖然ZigBee在2．4G時(shí)理論上可以達(dá)到250kbps，但是協(xié)調(diào)器從串口接收數(shù)據(jù)到收到終端確認(rèn)返回是需要一段時(shí)間的。因此上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要給定一個(gè)間隔的。第二，上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)必須是在協(xié)調(diào)器和終端綁定完成后才能進(jìn)行。
在本文中闡述的網(wǎng)絡(luò)是單層的星型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，需要為每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的終端分配資源。在SerialApp．C中添加數(shù)據(jù)接收序列號(hào)數(shù)組和發(fā)送序列號(hào)數(shù)組，數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體和數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)構(gòu)體，修改接收和發(fā)送族數(shù)組。
協(xié)調(diào)器從串口接收到上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，必須根據(jù)數(shù)據(jù)中包含的命令發(fā)送到對(duì)應(yīng)的終端。根據(jù)約定的數(shù)據(jù)幀格式，從數(shù)據(jù)幀中提取命令并賦給當(dāng)前發(fā)送終端參數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)幀接收完畢，啟動(dòng)OTA發(fā)送任務(wù)將接收到的數(shù)據(jù)幀以綁定的方式發(fā)送；在接收到確認(rèn)消息后繼續(xù)發(fā)送剩余的數(shù)據(jù)。如果上位機(jī)是連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則還需要一個(gè)接收存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體，使得已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)能完整的發(fā)送給終端。對(duì)于數(shù)據(jù)的接收就相對(duì)發(fā)送就簡(jiǎn)單得多了。指紋識(shí)別模塊向ZigBee終端發(fā)送的數(shù)據(jù)通常都是很小的，為幾卜個(gè)字節(jié)。因此協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，可直接通過串口發(fā)送到上位機(jī)。
相對(duì)于協(xié)調(diào)器，用戶終端是一個(gè)精簡(jiǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)單元。在指紋考勤網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee終端有兩個(gè)主要功能。其一，完成數(shù)據(jù)的通信：其二，實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋識(shí)別模塊的控制。由于指紋模板比較大，這就需要對(duì)從協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)整合成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。它包括指紋識(shí)別的命令包和數(shù)據(jù)包。上位機(jī)將指紋模板分割成幾個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送，這樣是為了適應(yīng)協(xié)調(diào)器串口接收要求。因此，在終端接收數(shù)據(jù)時(shí)，就必須將原來完整的數(shù)據(jù)恢復(fù)，然后發(fā)送到指紋模塊。指紋模塊實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別需要外部發(fā)送指令進(jìn)行控制。在ZigBee終端的液晶擴(kuò)展板上有4個(gè)按鍵可用于對(duì)指紋模塊的控制。在終端的程序中加入對(duì)按鍵的響應(yīng)和指紋模塊響應(yīng)處理就可實(shí)現(xiàn)對(duì)IDWD5002指紋模塊的控制。最后在程序中將指紋識(shí)別模塊識(shí)別結(jié)果打包發(fā)送到協(xié)調(diào)器，至此完成ZigBee終端的程序設(shè)計(jì)。
(三)IDM)5002指紋識(shí)別模塊控制。
IDWD5002指紋識(shí)別模塊與zigBee終端液晶擴(kuò)展板連接后，通過按下上面的按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。從按鍵按下后，指紋采集時(shí)間約3秒，這可以通過指紋模塊進(jìn)行更改。在指紋采集的過程中，光學(xué)采集儀會(huì)有紫色背景光。登記手指按下后，紫光消失。這時(shí)可以在上位機(jī)上看到識(shí)別結(jié)果。
三、調(diào)試和實(shí)際測(cè)試
在調(diào)試時(shí)需要注意對(duì)上位機(jī)通信速率進(jìn)行控制。雖然ZigBee在2．4G時(shí)理論上可以達(dá)到250kbps，但是協(xié)調(diào)器從串口接收數(shù)據(jù)到收到終端確認(rèn)返回是需要一段時(shí)間的。因此上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要給定一個(gè)間隔的。第二，上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)必須是在協(xié)調(diào)器和終端綁定完成后才能進(jìn)行。
圖2終端和協(xié)調(diào)器綁定過程
首先運(yùn)行上位機(jī)管理程序，接著給協(xié)調(diào)器加上電源，最后分別給zigBee終端和指紋識(shí)別模塊加上電源。在ZigBee終端綁定結(jié)束后，從上位機(jī)管理程序下載指紋模板數(shù)據(jù)到指紋識(shí)別模塊。這樣就可以進(jìn)行指紋考勤了。實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果如圖3、4所示。
圖3 上位機(jī)管理程序界面：下拉列表框空位沒有zigBee終端接入網(wǎng)絡(luò)
圖4指紋識(shí)別結(jié)果
對(duì)比圖3和圖4：在設(shè)備列表中可以看到新加入了編號(hào)為1020的ZigBee終端；指紋識(shí)別結(jié)果為學(xué)號(hào)3的出勤為是。
四、結(jié)論
通過在成都無線龍開發(fā)的ZigBee模塊、液晶擴(kuò)展板和艾德沃德的IDWD5002指紋識(shí)別模塊的應(yīng)用，基于TI的ZigBee2006協(xié)議棧zstack的程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了無限ZigBee指紋考勤網(wǎng)絡(luò)。它通過從上位機(jī)下載已注冊(cè)的指紋模板到指紋識(shí)別模塊中，再將指紋識(shí)別的結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)，完成整個(gè)指紋考的勤。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有很大的使用價(jià)值。
對(duì)比圖3和圖4：在設(shè)備列表中可以看到新加入了編號(hào)為1020的ZigBee終端；指紋識(shí)別結(jié)果為學(xué)號(hào)3的出勤為是。
四、結(jié)論
通過在成都無線龍開發(fā)的ZigBee模塊、液晶擴(kuò)展板和艾德沃德的IDWD5002指紋識(shí)別模塊的應(yīng)用，基于TI的ZigBee2006協(xié)議棧zstack的程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了無限ZigBee指紋考勤網(wǎng)絡(luò)。它通過從上位機(jī)下載已注冊(cè)的指紋模板到指紋識(shí)別模塊中，再將指紋識(shí)別的結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)，完成整個(gè)指紋考的勤。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有很大的使用價(jià)值。
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