Barcamp 2015 - Integración de proyectos embebidos utilizando Arduino, Raspberry PI y Java

Integración de proyectos embebidos Utilizando
Arduino, Raspberry PI y Java.
Ing. Carlos Camacho & Ing. Javier Marte
Santiago,República Dominicana, 28/11/2015.
Barcamp.org.do

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que hemos tenido relación laboral.
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Asuntos Legales

Sobre Carlos Camacho
❖ Ing. Telemático | Magister Tecnología Educativa | Profesor Departamento
Sistema, PUCMM.
❖ Más de 10 años de experiencias en desarrollo de sistemas bajo Java SE y
Java EE.
❖ Fundación Código Libre, Santiago - Miembro Fundador | Coordinador de
Sistemas, Reefer Services, S.A.S | Presidente, AvatharTech E.I.R.L.
❖ Lado oscuro de la fuerza, Nacido en la era Nintendo, Pirata Musical
Comunidades
❖ twitter: @ccamachog
❖ Github: @vacax
❖ LinkedIn: @ccamachog
❖ carlosalfredocamacho@gmail.com / ccamachog@avathatech.com

Sobre Carlos Camacho
❖ Ing. Electrónico | Encargado de Seguridad Electrónica, PUCMM.
❖ Más de 3 años de experiencias en desarrollo e integración de sistemas
embebidos.
Comunidades
❖ LinkedIn: @javiermartemichelen
❖ javier.m.m92@gmail.com / jmarte@avathatech.com
❖ facebook: @javier.martemichelen

● Elección de la placa.
● Protocolo de comunicación.
● Programación en el microprocesador
● Ahorro de energía.
● Integración con el software de alto nivel.
Agenda

● Introducir los conceptos fundamentales de los dispositivos
embebidos.
● Mostrar los criterios técnicos que deben ser evaluados para la
selección de las placas y procesadores.
● Mostrar funcionamiento de los módulos de comunicación Xbee.
● Integración dispositivo electrónico con aplicación web.
Objetivo

Un cliente que maneja carga refrigerada a terceros, necesita demostrar que los productos que el maneja
nunca pierden la cadena de frío, para ello, necesita evidenciar que posee información veraz donde no
intervenga la manipulación humana en los registros de temperatura a la carga que el maneja; para lograr ese
objetivo, necesita incluir en sus procesos un sistema informático que se alimente de sensores electrónicos
que miden temperatura y humedad, permitiendo la generación de reportes, alarmas fuera de rango y
visualizar en tiempo real los valores procesados, logrando demostrar a sus clientes que mantiene en todo
momento la cadena de frío. Los sensores que serán implementados, deben ser de bajo costo, no utilizar
cableado de ningún tipo para la transmisión de la información y autonomía de esos equipos.
El Proyecto

Analizando los requerimientos del cliente, el proyecto debe cumplir los siguientes
puntos:
● Medir Temperatura y Humedad
● Inalámbrico.
● Bajo costo.
● Visualizar la información en una aplicación Web.
● Emisión de Alarmas.
● Colector de información
● Control de evento
● Autónomo
○ Utilizar batería
Problema

● Es un Sistema de computación diseñados para cubrir y dar respuesta a una necesidad específica.
● Tienen una arquitectura semejante a las PC:
○ Microprocesador
○ Memoria
○ Disco duro
○ Entradas / Salidas digitales y analogas.
Sistemas Embebidos

Esquema del proyecto
Dispositivo Maestro
y Coordinador
Dispositivo
Final N1
Dispositivo
Final N2
Dispositivo
Final Nn
Aplicación
Web

Dispositivos Finales
● Sensor de temperatura.
● Sensor de humedad.
● Comunicación inalámbrica.
● Microprocesador.
● Ambiente en que va a funcionar el Hardware o End Point.
● Utiliza Batería para la alimentación.

Sensores
● Un sensor es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y
transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y
manipular.

Sensores de Temperatura y Humedad
Hay muchos tipos de sensores de temperatura y humedad en el mercado. Por ejemplo:
DHT11
Power
Supply
Rango de
Medición
Humedad Error
Máximo
Temperatura
Error Máximo
Resolution
3 V - 5 V 20-90%HR
0-50℃
±5%HR ±2℃ 1
Desventajas
- Error de medición Alto.
- Rango de medición
Limitado.
- I2C
Ventajas
- Un solo dispositivos tenemos
dos unidades distintas de
medición.
Precio US $ 5

Sensor de Temperatura
DS18B20
Power
Supply
Rango de
Medición
Temperatura Error Máximo Resolución
3.0V - 5.5V -55℃ hasta
+125℃
-10℃ hasta 85℃ = ±0.5
-55℃ hasta 125℃ =± 2
Programable
Precio US $ 3.
G
N
D
D
Q
VD
D
Desventajas
- Una sola variable de
medición
Ventajas
- Mayor rango de temperatura
- Menor error.
- Resolución programable.
- Se puede Calibrar.
- One Wire bus.
- Menor Consumo

Sensor de temperatura y humedad
Power Supply Rango de
Medición
Temperatura Error
Máximo
Resolution
3.3V - 5.5 V DC 0 hasta 100 %HR
-40 〜 80 ℃
± 2 % HR
± 0.5 ℃
0.1% RH
± 0.2 ℃
Este dispositivo se ajusta más a nuestro proyecto.
Precio US $ 6.
DHT22/AM2302 Ventajas
- Mayor rango de medición en la Humedad
- Menor error de temperatura y humedad.
- Se puede Calibrar.
- One Wire bus.
- Un solo dispositivo
Desventajas
- Menor rango de
medición en la
temperatura

Comunicación Inalámbrica
Por requerimiento del proyecto, no podemos utilizar cableado para comunicar los equipos, dado el alto
costo que implica contar con las facilidades técnicas ( tuberia, electricidad, redes ) previo al
funcionamiento del proyecto. Por esta razón, se busca un tipo de Dispositivos que tenga las siguientes
características:
1. Autonomía.
2. Bajo consumo.
3. Transmisión de dato a larga distancia.
4. Debe ser compatible la comunicación entre microcontrolador y el dispositivo inalámbrico.
5. Red Mesh o Estrella.

Comunicación Inalámbrica(End Point)
Xbee SB2 Pro
Características
● 3.3v @ 295mA.
● Rango de 1 milla (1.6 Km).
● Comandos AT o API.
● Certificación FCC.
● 250Kbps máxima tasa de datos.
● 6 Pines entrada CAD 10-bit
Precio US $28

Comunicación Inalámbrica(End Point)
Ventajas del Uso del Xbee:
● Gran alcance de transmisión
● Bajo consumo.
● Interfaz serial.
● Fácil de integrar.
● Económico,poderoso y fáciles de usar.
● Autonomía en el enrutamiento.
● Red Mesh o Estrella.

Comunicación Inalámbrica Xbee
Coordinador (administrador de la red)
• Sólo puede existir uno por red.
• Inicia la formación de la red.
• Es el coordinador de PAN (red de área personal).
Router (enrutador)
• Se asocia con el coordinador de la red o con otro router ZigBee.
• Puede actuar como coordinador.
• Es el encargado del enrutamiento de saltos múltiples de los mensajes.
Dispositivo final (End device)
• Elemento básico de la red.
• No realiza tareas de enrutamiento.

Configuración Xbee
Los Xbee deben ser configurados por el usuario antes de ser utilizados. Para esto
se utiliza el software XCTU de Digi International.

Configuración Básica del Xbee
Coordinador.
PAN ID(Personal Area Network) 1234
SCAN Channels 10
Scan Duration 3
Firmware Version:

End Point.
SCAN Channels 10
Scan Duration 3
Join Notification (1 Enable)
Sleep Mode Cyclic Pin- Wake[5]
Firmware Version:

Router:
SCAN Channels 10
Scan Duration 3
Join Notification (1 Enable)
Sleep Mode No Sleep

Elección de Microprocesador y placa
Paso 1:
Se debe listar las funciones que va a desempeñar el End point, ya que esto dependerá el nivel
de complejidad que vas a manejar en tu microprocesador. Por ejemplo, para este proyecto
tenemos lo siguiente:
1. Obtener los valores de Temperatura y Humedad.
2. Obtener el valor del voltaje de la batería.
3. Procesar la trama de comunicación hacia el coordinador.
4. Procesar la trama de comunicación del Xbee.
5. Envío de datos al coordinador cada X tiempo.

Elección de la placa (End Point)

Para elegir el End point tomamos en cuenta lo siguiente:
● Costo de los equipos.
● Características de los microprocesadores.
● Complejidad de las tareas que va a desempeñar el dispositivo.
● Factibilidad.
● Tamaño de las placas.

Para los End point, elegimos Arduino porque cumple con:
● Bajo Costo.
● Las tareas que van a desempeñar son sencillas.
● Factibilidad en la construcción del PCB.
● Varias opciones y tamaño de placas.

Dispositivo Final(End Point)
Paso 2 :
Listar cantidad de pines y tipo de comunicación que vamos a utilizar en
el proyecto. Por ejemplo, para este proyecto tenemos:
Dispositivo Pines a
controlar
Cantidad de Pines a
controlar
Comunicación
DS18B20 DQ | VDD 2 1 One-Wire
Humedad Ve | OUT 2 1 One- wire
Xbee CTS 1 Serial
Batería +Vcc 1 Análogico
Inputs 2 Pines 2 -
Elección Microprocesador y Placa Arduino
Total de Pines a Utilizar:
5 Pines Digitales.
3 Pines Analogicos
Total de Dispositivos a
Utilizar: 5

Paso 3 :
Elección de la Placa Arduino, para esto debemos tener en cuenta los siguiente
parámetros:
● Voltaje Operacional.
● Memorias Flash. (Donde se almacena el Sketch)
● Memoria SRAM. (Es de uso Exclusivo para el programa en ejecución).
● Memoria EEPROM.(Utilizada para almacenar información a largo plazo).
● Entrada Analogicas y Digital.
● Velocidad del Microprocesador.
● Interrupciones.
Para esto, observar la siguiente tabla y buscar los parámetros de interés.
Elección Microprocesador y Placa Arduino

Name Processor Operating/Input
Voltage
CPU
Speed
Analo
g
In/Ou
t
Digital
IO/PWM
EEPROM
[KB]
SRAM
[KB]
Flash
[KB]
USB UART
ArduinoBT ATmega328P 5 V / 2.5-12 V 16 MHz 6/0 14/6 1 2 32 - 1
Due ATSAM3X8E 3.3 V / 7-12 V 84 MHz 12/2 54/12 - 96 512 2 Micro 4
Fio ATmega328P 3.3 V / 3.7-7 V 8 MHz 8/0 14/6 1 2 32 Mini 1
Gemma ATtiny85 3.3 V / 4-16 V 8 MHz 1/0 3/2 0.5 0.5 8 Micro 0
Leonardo ATmega32U4 5 V / 7-12 V 16 MHz 12/0 20/7 1 2.5 32 Micro 1
Mega 2560 ATmega2560 5 V / 7-12 V 16 MHz 16/0 54/15 4 8 256 Regular 4
Uno ATmega328P 5 V / 7-12 V 16 MHz 6/0 14/6 1 2 32 Regular 1

Elección MicroProcesador y Placa Arduino
Ventajas :
● Cargador de batería.
● Plot para batería incorporado.
● Xbee shield Incorporado.
● Switch On/ OFF.
● Encapsulado pequeño.
● Pines extra para medición de batería y
control de xbee
Arduino Fio (Atmega 328P)
Precio US $23

Esquema del Proyecto:

Selección de la Batería:
Paso 1:
Tabular el consumo promedio de todos los dispositivos.
Dispositivo Consumo Máximo en
modo Activo
Consumo en Modo StandBy o
Sleep
DS18B20 1.5 mA 10 uA
Humedad 1.5 mA 50 uA
Xbee 80 mA 32 uA
Arduino Fio 10 mA 112 uA
Total 93 mA 140 uA

Paso 2:
Ejercicio 1:
¿Cuál sería la capacidad de la batería para una carga constante de 93mA durante un mes?
Duración de la Batería(Hora)=
Capacidad de la Batería para 1 mes (720 horas) será de: 66,960 mAh. No es viable.
Solución para ahorrar energía:
Definir un Ciclo donde tendremos 2 tiempos:
Tiempo activo, este tiempo corresponde al proceso y envío de datos).
Tiempo muerto (sleep o modo ahorro de energía).
Capacidad de la batería (mAh)
Corriente de la carga (mA)

si el ciclo = 2 Minutos
Tiempo Activo = 10 segundos
Tiempo Muerto = 110 segundos
La corriente en Tiempo activo es = 93mA.
La corriente en Tiempo muerto es = 204uA + 5% de la corriente en tiempo activo = 4.854mA.
La corriente total consumida en el ciclo = 93mA + 4.854mA = 97.854mA.
Para tener una referencia, durante un mes vamos a calcular la corriente consumida del dispositivo
tomando en cuenta cada 2 minutos durante 1 mes.
1 Mes = 24horas*30 dias= 720 horas.
(720 horas* 60 minutos) /1 hora = 43,200 minutos.
Cantidad de ciclos de 2 minutos durante 1 mes = = 21,600 ciclos.
La corriente consumida durante un mes completo = 21,600 * 97.854mA= 2,113.6 mA
43,200 minutos
2 minutos

Finalmente, la corriente consumida por el dispositivo final(End Point) en 1 mes = 2,113.6mA
Debemos elegir una batería con un voltaje nominal de 3.7 - 7 voltios y una capacidad por
encima de los 2000 mAh. Por ejemplo, la batería que se muestra es de Lithium ion Polymer,
con un voltaje de 3.7v y una capacidad de 2200mAh

Trama de las lecturas de los variables medidas.
Valores en Hexadecimal.
40 40 00 01 01 03 2D 50 1D 25 03 04
Start Delimiter : 40 40
End point ID: 00 01
Frame Type : 01
Voltaje: 3 2D
Signo de temperatura: 50 si es Positiva , 4E si es Negativa
Temperatura: 1D 25
Humedad: 03 04

Trama de Recepcion de Paquete en el Xbee Coordinador.
7E 00 18 90 00 13 A2 00 40 B5 A3 09 09 9D 41 40 40 00 01 01 03 2D 50 1D 25 03 04 E7
Start delimiter: 7E
Length: 00 18 (24)
Frame type: 90 (Receive Packet)
64-bit source address: 00 13 A2 00 40 B5 A3 09
16-bit source address: 09 9D
Receive options: 41
RF data: 40 40 00 01 01 03 2D 50 1D 25 03 04
Checksum: E7

Ejemplo de envio de Paquete desde el End Point.
7E 00 1A 10 01 00 13 A2 00 40 B5 A2 F8 FF FE 00 00 40 40 00 01 01 03 2D 50 1D 25 03 04 62
Start delimiter: 7E
Length: 00 1A (26)
Frame type: 10 (Transmit Request)
Frame ID : 01 (Habilitar el Request)
64-bit Dest. address: 00 13 A2 00 40 B5 A2 F8
16-bit source address: FF FE
Broadcast radius: 00
Options : 00
RF data: 40 40 00 01 01 03 2D 50 1D 25 03 04
Checksum: 62
Checksum=0xFF-(sumatoria & 0xFF).

Ahorro de Energía (End Point)
¿Como se pudo ahorrar energia via Software?
1. Colocando en modo Sleep el Xbee.
2. Colocando el microprocesador en modo hibernar en sus tiempos muertos.
3. Controlando el paso de corriente a los sensores.
Como colocar en Modo Sleep el Xbee.
~ Pin 9 DTR/sleep RQ Activo Bajo.

¿Como se pudo ahorrar energia via Software?
Se determinó el tiempo muerto del proceso y se colocó cada uno de los dispositivos en el
siguiente modo de operación.
1. Colocando en modo Sleep el Xbee.
2. Colocando el microprocesador en modo ahorro de energía en sus tiempos muertos.
3. Controlando el paso de corriente a los sensores.
Como colocar en Modo Sleep el Xbee.
~ Controlando desde el microprocesador
el Pin 9 DTR/sleep RQ.
Nota: Tener en cuenta que la configuración esté en
Cyclic Pin-Wake

¿Como colocar el Microprocesador en modo de ahorro de energía?
Este Microprocesador tiene disponible seis modos de dormir:
1. Idle
2. ADC Noise Reduction
3. Power-save,
4. Power-down
5. Standby
6. Extended Standby
Para poder salir del Modo de dormir tiene que haber una intervención en el
microprocesador, para esto, generando una interrupción podemos despertar el
microprocesador.
Las interrupciones son eventos especiales que se generan interna o externamente en
el microcontrolador que pausa momentáneamente la ejecución del programa para
realizar una tarea breve, y después volver al punto donde se quedó ejecutando el
programa.
Atmega 328P

La interrupción de Watchdog Timer es la que se utilizó, porque el watchdog timer es un
temporizador de 16 bit que puede ser configurada para generar interrupciones en un
determinado tiempo.
Registro de configuración del Watchdog Timer.
Configuración del Watchdog Timer.

Finalmente el registro del Watchdog timer
WDTCSR = B01100001; // Interrupción cada 8 segundos
Tabla del Preescalador del Watchdog timer

void sleepNow()
{
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_SAVE); // Sleep mode is set here
sleep_enable(); // Habilitando el modo sleep en el registro mcucr.
sleep_mode(); // Aquí el Microprocesador se va a modo Power save
// El programa continúa aquí una vez que se despierte
sleep_disable(); // Lo primero que se hace cuando despierta deshabilitar el
// modo sleep
}
void watchdogEnable() { // Encender la interrupción del watchdog timer cada 8.0s
cli();
MCUSR = 0;
WDTCSR |= B00011000;
//WDTCSR = B01000111; // 2 Second Timeout
//WDTCSR = B01100000; // 4 Second Timeout
WDTCSR = B01100001; // 8 Second Timeout
sei();
}
ISR (WDT_vect) { // Vector interrupción del Watchdog Timer.
cli();
wdt_disable();
sei();
}

Arduino IDE for Visual Studio
Visual Micro es un plugin gratuito de programación de Arduino que se extiende Microsoft Visual Studio
2012 hasta 2015, con un completo entorno de programación compatible con Arduino. IDE de diversos
fabricantes como arduino.cc, arduino.org, intel, chipKIT, son compatibles teensy.
Requerimientos:
● Visual Studio or Atmel Studio.
● Plugins Visual Micro.
● Arduino IDE.
● Solo para Windows.
Ventajas:
● Puedes Debugear tus códigos paso a paso.
● Simplifica la tarea de programar.
● Interfaz más amigable.

Recomendaciones
1. Familiarizarse y probar con cada unos de los dispositivos.
2. Hacer pruebas de tramas y envío de información en los Xbee con el software XCTU.
3. No hacer mal uso en las declaraciones de las variables.
4. Tomar en cuenta todos los factores a la hora de la elección del microprocesador.
5. Leer las hoja de datos de los dispositivos para conocerlos bien.
6. Lo último que se calcula y se elige es la batería de alimentación.
Costo Total US$77 (Incluyendo PCB y materiales gastables)

● Plataforma:
○ Multiplataforma.
○ Utiliza máquina virtual para su ejecución.
○ Creado por James Gosling
○ Multipropósito, dividida según el uso en:
■ Java SE.
■ Java EE.
■ Java Embedded.
● Números:
○ 5 trillones de SIMS y Smart Cards
○ 3 trillones de dispositivos móviles.
○ 80 millones de TV, incluyendo blu-ray, printers, máquinas bancarias, ebook readers.
Java
Trillones, representa el término inglés de 10^12, http://www.oracle.com/us/technologies/java/embedded/overview/index.html

● Optimizados para trabajar con sistemas embebidos los cuales tienen limitaciones
en cantidad de memoria, procesadores y consumo eléctrico. Dependiendo la
implementación se divide en:
○ Java Embedded → Soluciones para pequeños y grandes equipos embebidos.
○ Java SE Embedded → Implementación de Java SE optimizada para equipos embebidos.
○ Java ME Embedded → Optimizados para equipos pequeños, actualización remota.
○ Java ME Embedded Client → Optimizados con equipos pequeños con limitaciones memoria,
display y alimentación eléctrica.
○ Java Card → Dispositivos de seguridad
○ Java TV → Contenido digital para TV.
Java Embedded

● Recibe la información enviada por los dispositivos finales (End Point).
● Puente o convertidor de protocolo de comunicación ( Xbee a TCP).
● Envía la información recibida al servidor central para su procesamiento.
● Requiere capacidad de procesamiento y memoria moderada para procesar cada
una de la información enviada por los dispositivos finales.
Dispositivo Maestro | Controlador

● Nuestro dispositivo seleccionado es Raspberry PI Modelo B:
○ SoC: Broadcom BCM 2835 (CPU + GPU+ DSP + SDRAM + Puertos USB).
○ CPU: ARM 1176JZF a 700 MHZ.
○ SDRAM: 512MB.
○ Almacenamiento: SD
○ Conectividad: Ethernet R-J45, 10/100.
○ Periféricos bajo nivel: 8 x GPIO, SPI, I2C, UART.
○ Sistemas Operativos: Raspbian, Pidora, entre otros sabores de linux.
Elección del dispositivo maestro

Elección del dispositivo maestro
US$: 45.00

● Características:
○ SoC: Broadcom BCM 2835 (CPU + GPU+ DSP + SDRAM + Puertos USB).
○ CPU: ARM11 a 1 GHz.
○ SDRAM: 512MB.
○ Almacenamiento: SD
○ 40 pines disponible.
○ Sistemas Operativos: Raspbian.
Raspberry PI Zero

● Raspberry PI permite la instalación de un sistema operativo basado en linux. La
distribución más utilizada es RaspBian.
● Para instalar Java SE Embedded, lo descargamos desde los repositorios:
○ sudo apt-get install oracle-java8-jdk
● Instalar acceso serial Linux - Java - Raspberry Pi:
○ sudo apt-get install librxtx-java
● El poder de cómputo permite considerar el dispositivo como uno de alta
prestaciones para el tipo de aplicaciones que estaremos realizando.
● Una vez en funcionamiento solo hace falta arrancar la aplicación de control.
Raspberry PI & Java

Esquema Raspberry - End Point
Controlador
Raspberry PI
Model B
Base
Datos
(H2)
Arduino
Fio
XBee
Temp /
Hum
XBee
Ethernet
Aplicación Web
End Point
Controlador

Nuestra aplicación en Java realiza las siguiente funciones:
● Leemos la información recibida por el puerto serial que nos proporciona el
XBee.
● La información recibida es parseada acorde al protocolo interno y enviada a la
aplicación central.
○ Puede ser almacena en una base de datos interna permitiendo el envío diferido en caso de
problemas de conexión.
● Recibe confirmación de lectura de servidor central.
Controlador

El proceso de integración con aplicación construidas en plataformas de alto nivel, depende de poder enviar la
información desde los dispositivos embebidos al servidor central para su procesamiento, en el cual debemos
utilizar un medio de comunicación y un protocolo para tales fines. En nuestra arquitectura utilizamos las
siguientes tecnologías:
● Grails (Backend)
● Vaadin (Frontend)
● Mysql (motor de persistencia)
Integración Alto Nivel

● Para el intercambio de información utilizamos JSON, enviando sobre el protocolo
HTTP a la aplicación central.
{"startByte":126,"sourceAddressByte64":[0,19,-94,0,64,-75,-94,-17],"tipoTramaXbee":144,"direccion16":"
46:4c","voltaje":3.45,"temperatura":27.81,"sourceAddressByte16":[70,76],"tipoTrama":1,"checkSum":236,"
rawData":[126,0,24,-112,0,19,-94,0,64,-75,-94,-17,70,76,65,64,64,0,1,1,3,45,80,27,81,3,4,-20],"
direccion64":"0:13:a2:0:40:b5:a2:ef","tamanoTrama":24,"dispositivoId":1,"data":
[64,64,0,1,1,3,45,80,27,81,3,4],"humedad":3.04,"receiveOption":65}
Intercambio de información

Demo
Demostración del producto final
Sobre

Refencia
http://xbee.cl/xbee-pro-63mw-wire-antenna/
http://1.bp.blogspot.com/-5b5WBm45iFM/VI741_YkpTI/AAAAAAAABcw/eONpHusj6bw/s1600/modelos_Arduino_2014.png
https://www.arduino.cc
https://www.maximintegrated.com/en/products/analog/sensors-and-sensor-interface/DS18B20.html
http://plataformaszigbee.blogspot.com/2012/05/practica-1-configuracion-y-conceptos.html
http://www.atmel.com

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