基于嵌入式平台的智能化家居系统设计.docx
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基于嵌入式平台的智能化家居系统设计
课程设计报告
课程名称：
嵌入式系统课程设计
专业班级：
自动化XXX班学号3XXX
学生姓名：
XXXX
指导教师：
XXXXX
完成时间：
2013年7月1日
报告成绩：
评阅意见：
评阅教师日期2013.7.5
湖南文理学院制
基于嵌入式平台的智能化家居系统设计
21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。
本文介绍的数字化家居控制系统可以使得人们可以通过手机或电话在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……而这一切的实现都仅仅是打一个简单的电话。
此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监控等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。
舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居控制系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。
实现智能化离不开运算和控制单元，系统采用MCU（SM8952AC25P）作为主控器件，单片机应用系统由硬件和软件组成。
硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件以UC/OS-II为操作系统，以及单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。
课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。
设计的MCU与各个芯片和模块的接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以后的产品化提供了良好的基础。
系统的电话远程控制是基于电话交换网络的国际双音频通信标准DTMF通信方式，程控交换信令作为系统控制命令，采用MT8870双音频编解码电路实现，单片机通过MT8870识别来自电话程控交换机的网络的控制信号，用户只需拨通家中的电话可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别、远程控制和安防操作；各种传感器的检测是利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机进行数据处理，实现实时测控；短消息发送部分采用基于SIEMENSTC35GSM模块TC35modem和TI公司的电平转换芯片MAX3238等器件构成的移动终端的硬件电路可以完成短消息收发等功能。
在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和MCU进行连接，再经过MCU进行数据处理，实现实时测控。
而此时采用UC/OS-II嵌入式系统来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。
一、设计要求
基于嵌入式智能家居控制系统主要由系统服务器、家庭控制器（各种模块）、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等部分组成。
基于嵌入式系统平台的智能化家居系统设计重点完成基于嵌入式系统平台的家居控制中心设备的结构、功能。
系统采用SM8952AC25P、MT8870、TC35modem和各类家居传感器设计制作一款智能家居控制系统样机。
系统使用UC/OS-II嵌入式系统。
系统设计主要包括：
系统硬件的设计与调试和控制软件的编写与调试。
1.1硬件部分
嵌入式智能家居控制系统其硬件部分主要由五大部分构成：
1）电话交换网程控交换信令部分：
由MT8870和电压检测元件组成，是系统中控制部分关键的元件，与控制单元组成控制部分功能；
2）控制单元：
系统的控制中心；
3）传感器数据采集系统：
完成系统的各种数据采集包括温度、可燃气体浓度等；
4）GSM模块TC35modem与接口：
完成系统的控制及信号的处理及发送；
5）电源部分：
电源部分则为各个部分提供工作电源。
1.2软件部分
嵌入式智能家居控制系统其硬件部分主要由四大部分构成：
1）数据采集与数据分析部分：
实时处理各种数据采集指令；
2）电话交换网程控交换信令识别与分析部分：
实时处理各种控制指令；
3）GSM模块TC35modem接口程序部分：
接受和发送采集数据、电话交换网的信令；
4）分析控制部分：
分析系统的状态就行控制。
二、所有设备及软件
系统设计主要完成的是仿真，因此使用了KEILIDEVision4编程软件和PROTUES单片机仿真软件。
同时也用到了串口调试助手、示波器、PC机、上位机软件VS和手机。
2.1KEILIDEVision4集成开发环境的组成
uVision4IDE。
Ision4IDE包括：
一个工程管理器，一个功能丰富并有交互式错误提示的编辑器选项设置生成工具，以及在线帮助。
使用vision4创建源文件并组成应用工程加以管理。
Vision4可以自动完成编译汇编链接程序的操作；
2.2PROTUES仿真软件使用环境
PROTUES是单片机课堂教学的先进助手。
PROTUES不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
PROTUES可以提供实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。
随着科技的发展“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。
具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。
可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。
相信在单片机开发应用中PROTUES也能茯得愈来愈广泛的应用。
三、系统设计方案
智能家居系统主要由电话远程控制器和要控制的家电组成，通过手机或电话对其进行现场或者远程的控制。
智能家居的控制系统框图如图1所示。
图1智能家居控制系统框图
3.1系统总体设计与分析
本设计属于单片机应用系统。
确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。
总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。
总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。
设计方法大致如下：
根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。
选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，是影响控制系统精度的重要因素之一。
选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。
执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。
选择输入/输出通道及外围设备。
选择时应考虑以下几个问题：
被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求。
3.1.1单片机控制部分
本系统是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，其特点是体积小，成本低，功能强，功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一，广泛地应用在产品智能化和工业自动化上。
而把单片机面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。
嵌入式系统一般分为四种:
工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。
嵌入式系统具有以下特点：
1）面对控制对象。
如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。
2）嵌入到工控应用系统中的结构形态。
3）能在工业现场环境中可靠运行的品质。
4）突出控制功能。
如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作和转移指令等）。
单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。
单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。
3.1.2系统总体框图
基于嵌入式平台的智能家居系统主要采用单片机作为核心控制器，MT8870、TC35modem和各类家居传感器组成控制系统。
系统的具体框图如图2所示。
火灾烟雾传感器
可燃气体传感器
扩展信号
A/D转换
放大、整形
放大、整形
单片机控制器
短信息发送
红外发送
光电隔离
功率器件
程控交换
执行器件
LCD显示
门窗磁信号
电压转换
RS232
PC机
图2系统总体框图
3.2远程控制设计与分析
3.2.1控制系统设计分析
系统控制器由MT8870接收远端发送来的DTMF信号、并对其进行解码，解码后的信号由中央处理单元采集处理。
为了方便用户使用，系统设计了语音提示界面。
电话远程控制系统一般工作在无人值守环境，所以应具有自动离线、上线、复位功能。
为了符合智能化要求，系统采用SM8952AC25P作为中央处理器。
同时，电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。
系统主要由振铃检测电路、模拟摘挂机电路、DTMF音频解码电路、语音提示电路、中央处理单元（SM8952AC25P）、控制电路、电源电路等组成。
系统远程控制框图如图3示。
电源电路
语音提示
控制电路
SM8952AC25P单片机
振铃检测
模拟摘机
DTMF解码
图3远程控制系统
控制器并联于电话机的两端，不会影响电话机的正常使用。
用户通过异地电话拨通控制器所连接外线的电话号码，通过程控交换机向电话机发出振铃信号。
控制器检测到六次振铃后，即六次响铃后无人接听时电话自动摘机，进入密码检测阶段，输入正确密码后选择被控电器，然后输入开或关密码遥控被控电器，完成后返回。
3.2.2控制要求
完成远程控制部分必须完成一下要求：
1）通过电话网对异地的电器实现控制（开/关）；
2）控制器可以实现自动模拟摘挂机；
3）控制器设置密码校验。
3.2.3单元功能模块
本设计此系统必须具有以下单元功能模块：
1）铃音检测、计数；
2）自动摘挂机；
3）密码校验；
4）在线修改密码；
5）双音频信号解码；
6）输入信息分析；
7）控制电器开关；
8）电器状态查询。
3.2.4软硬件方案确定
根据电话机和交换机发出的不同信号音以及电话线各种状态的不同要求，本设计方案结合实际情况对具体的单元功能模块作出软件或硬件上作了以下分工：
交换机所发出的各种信号音都大多数可以通过软件编程来识别，即通过单片机发出的脉冲信号来检测信号音单位时间内的脉冲个数计算出其频率，从而完成信号音的识别。
但从系统的可靠性和程序的结构设计上分析，用硬件来解决振铃音检测、双音频信号解码等功能相对稳定可靠。
设计中自动摘挂机和电器的控制必须使用具体硬件电路来实现。
而振铃音计数、密码校验、在线修改密码、输入信息分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程方式要比硬件电路简单的多，易于实现。
综上所述，本设计信号音检测、自动摘挂机、控制电器、双音频解码等功能模块使用硬件电路实现。
而信号音计数、密码校验、在线修改密码、信息分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程完成。
3.3传感器信号采集设计与分析
3.3.1防火灾发生传感器
火灾烟雾传感器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警器材，它工作可靠、体积小巧，火灾烟雾传感器是把烟雾信号转换为电信号，电路设计时可以在背后设计专用的卡口以便地固定在墙体或者天花板上，使用时通过设置在厨房的感温探测器和设置在客厅、卧室等的感烟探测器，监视各个房间内有无火灾的发生。
如有火灾发生控制器发出声光和短信报警信号，通知家人及小区物业管理部门。
家庭控制器还可以根据有人在家或无人在家的情况，调节感温探测器和感烟探测器的灵敏度。
系统采用NIS-09C型烟雾传感器。
3.3.2可燃气体泄漏传感器
通过设置在厨房的可燃气体探测器，监视燃气管道、灶具有无燃气泄漏。
如有燃气泄漏家庭控制器发出声光报警信号，并联动关闭燃气管道上的电磁阀，同时短信通知家人及小区物业管理部门。
这里采用TP-2高温型一氧化碳传感器报警器需在一氧化碳浓度达到设定制值时系统应启动报警。
3.3.3防盗传感器
防盗报警的防护区域分成两部分，即住宅周界防护和住宅内区域防护。
住宅周界防护是指在住宅的门、窗上安装门磁开关，在对外的玻璃窗、门附近安装玻璃破碎探测器；住宅内区域防护是指在主要通道、重要的房间内安装被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器。
当家中有人时，住宅周界防护的防盗报警设备（门磁开关、玻璃破碎探测器）设防，住宅内区域防护的防盗报警设备（红外探测器或被动红外／微波双技术探测器）撤防。
当家人出门后，住宅周界防护的防盗报警设备（门磁开关、玻璃破碎探测器）和住宅内区域防护的防盗报警设备（被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器）均设防。
当有非法侵入时，家庭控制器发出声光报警信号，并短信通知家人及小区物业管理部门。
另外，通过程序可设定报警装置的等级和报警器的灵敏度。
3.3.4信号采集设计与分析
传感器是将外界信息转换成电信号的装置，其中的电信号包括数字信号和模拟信号，数字信号可以通过电气隔离直接送给单片机或微型计算机进行处理，模拟信号则利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。
3.4GSM模块的接口与设计
3.4.1TC35模块组成
Siemens公司的TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。
作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。
在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。
3.4.2TC35模块通信电路
数据通信电路主要完成短消息收发、与微机机通信、软件流控制等功能。
TC35的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-TRS-232接口电路标准，工作在CMOS电平（2.65V）。
数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300bps～115kbps的波特率下运行，支持的自动波特率为4.8kbps～115kbps（14.4kbps和28.8kbps除外）。
TC35模块还支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的软件流控制。
3.4.3TC35模块与MCU连接方式
单片机与TC35一般采用串行异步通信接口，具有红外和通信电缆两种连接方式其中电平转换及串口通信功能以TI公司的MAX3238芯片为核心，通信速度可设定，通常为19200bps。
采用红外接口的优点是单片机系统与手机电气隔离，相互不干扰，接口各自独立，使用方便；缺点是通信距离较短，红外传播的方向性对接口相对位置有要求。
采用电缆连接时，数据传输的可靠性较好；其主要缺点是接口的电气参数不兼容，设计不当时就会对手机的通信质量产生影响。
这个单片机系统其实就是一个具有GPRS功能的GSM手机模块加上单片机控制系统，GSM手机模块主要是用来建立无线信道，接收和发出短消息。
单片机系统用来控制手机模块，并且对收到的短消息信息进行解释并执行，目前全国共有8种短消息格式包含从互联网平台发出的短消息。
本系统采用通信电缆的连接方式。
3.5红外遥控设计
3.5.1红外遥控的设想
对于空调、电视等需要红外遥控器才可控制的红外控制类家电仅靠接通交流电源是无法使其进入工作状态的。
因此本人提出使用红外遥控进行对空调以及其他红外电气的控制方案，使系统具有的红外学习功能可实现对这类家电的有效控制。
又如红外插座、红外开关等，虽然红外遥控在家电产品中有广泛应用，但各产品的遥控器不能相互兼容，目前市面上常见的万能遥控器只能对某几种产品进行控制，不是真正的“万能”。
本系统可以学习并记忆各种红外控制类家电的遥控指令，利用单片机对遥控器的发射信号的波形进行测量，然后将测量的数据回放，由于只关心发射信号波形中的高低电平的宽度，不管其如何编码，因此做到了真正的“万能”。
也为整个控制器的实现提供了良好的基础。
当用户可以通过任意操作方式对这类家电进行控制时，红外插座或开关会向受控电器发送相应的红外遥控指令，从而控制电器的运行状态。
3.5.2红外遥控的实现
经过充分的论证和研讨，本系统采用各设备集中控制的方式实现。
集中各设备的方法是首先对各设备的红外遥控信号进行识别并存储，然后在需要时进行还原，以控制对应设备动作。
由单片机构成集中控制器，它是自学习与还原的核心部分，红外接收部分由CX20106解调电路或一体化红外接收头组成，发射部分有红外发光管极其驱动部分组成。
通常，红外遥控器将遥控信号调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去。
二进制脉冲码的形式有多种，其中最为常用的是PWM码（脉冲宽度调制码）和PPM码（脉冲位置调制码）。
PWM码以宽脉冲表示1，窄脉冲表示0。
PPM码脉冲宽度一样，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1，码位窄的代表0。
遥控编码脉冲信号（以PPM码为例）通常由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成。
引导码也叫起始码，由宽度为9ms的高电平和宽度为4.5ms的低电平组成（不同的遥控系统在高低电平上有一定的区别），用来标志遥控编码脉冲的开始。
系统码也叫识别码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其他遥控系统，防止各种遥控系统的误操作。
功能码也叫指令码，它代表了相应的控制功能，接收机中的微控制器可根据功能码的数值完成各种功能操作。
系统反码与功能反码是系统码与功能码的反码，反码的加入是为了能在接收端校对传输过程中是否产生差错。
为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz（周期为26.3ms）的载波信号进行脉幅调制（PAM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。
由于遥控器的二进制编码脉冲有一定的宽度，而且它的高低电平均不断的交替变化，因此容易让我们想到一种容易且方便的方法，脉宽测量。
虽然它的二进制脉冲的高低电平的宽度有所不同，但它们大都是毫秒级的，因而，采用单片机的定时器来测量它的脉冲宽度，然后存储，还原是完全可以实现的。
实际证明这种思路是可行的，而且电路简单，容易实现。
四、系统硬件设计
正确可行的硬件设计是整个嵌入式家居系统开发的基础和主要部分。
一个好的可靠的系统硬件设计，不仅能够实现系统分析时确定的功能目标，还应该为整个系统调试和升级留下足够的冗余设计和自由度。
另一方面，硬件设计的同时要考虑到与软件开发相协调的问题，在保证软件设计正确和简明的同时，也必须考虑到该硬件基础上进行软件开发的可行性和难度。
4.1相关芯片及模块简介
4.1.1MCUSM8952AC25P简介
SM8952C25的最高主频为25MHz,内带8KB闪存的MCU，SM8951/8952系列产品是内嵌4/8K字节闪存的8位单片微控制器它具有多达32个I/O口其4K/8K的闪存既可作程序存储空间也可以作数据存储空间或程序数据混合空间这些硬件特征和其强大的指令系统和其自带可编程看门狗使它能应用于不同的场合，因此是一种通用的和性能价格比高的控制器，SM8951/8952允许用户还可以通过置位SCONF寄存器的位0（ALE1）来降低EMI，其中的看门狗定时器（WDT）是1个16位自运行计数器在计数器溢出时会产生复位信号。
WDT对那些易受噪声干扰电压波动或放电现象影响的系统很有用在程序跑飞或死机的情况下，WDT可以使用户程序脱离不正常状态。
WDT不同于8052系统的定时器0定时器1和定时器2。
通过软件周期性的清除WDT计数器的值可以防止WDT产生复位信号。
片上闪存可以使用商用编程器进行编程。
4.1.2双音多频收发器MT8870简介
MT8870是一种带呼叫进展过滤器的单片双音多频收发器。
它包括一个带增益可调放大器的DTMF接收器和一个DTMF发送器。
其中滤波电路采用高频群和低频群两个六阶开关电容带通滤波器，解码采用数字计数器技术来确定输入的DTMF音调的频率，并将其译成标准的四位二进制码。
发送器采用开关电容D/A变换器。
片内使用了一个脉冲计数器，能合成精确的音调脉冲，保证音调脉冲准确的定时发送。
MT8870提供了一个标准的微处理器总线接口，可以直接与MCS-51系列MCU和微机接口。
它还可以选用呼叫进展方式工作，通过呼叫进展滤波器来检测特定通带内的信号频率，供微处理机或计数器电路分析，以确定检测到的呼叫进展音的性质。
它从接收端接收来自电话机的双音多频脉冲信号该双音多频信号先经其内部的拨号音滤波器，滤除拨号音信号，然后经前置放大后送入双音频滤波器，将双音频信号按高，低音频信号分开，再经高，低群滤波器，幅度检测器送入输出译码电路，经过数字运算后，在其数据输出端输出相对应的8421码。
4.1.3ISD2500系列单片语音录放简介
美国ISD公司的2500芯片，按录放时间60秒、75秒、90秒和120秒分成ISD2560、2575、2590和25120四个品种。
ISD2500系列和1400系列语音电路一样，具有抗断电、音质好，使用方便等优点。
它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K（1400系列为128K），所以录放时间长；有10个地址输入端（1400系列仅为8个），寻址能力可达1024位；2500系列最多可分为600段，只要在分段录/放音操作前（不少于300纳秒），给地址A0~A9赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音，设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。
4.1.4固态继电器（SSR）简介
继电器是本系统的执行机构，本系统选用D4810型固态继电器，固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。
SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。
固态继电器有三部分组成:
输入电路，隔离（耦合）和输出电路。
安输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。
有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。
固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。
固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。
交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。
固态继电器有寿命长、可靠性高、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、快速转换、电磁干扰小的优点。
D4810型继电器输入电流为5-40mA，电压3－30V，额定输出电流10A，输出电压范围宽为20-220V，满足项目的要求。
4.2远程控制电路设计
4.2.1振铃检测电路
振铃检测电路如图4所示，图中二极管有2种作用：
1）将不确定的线路供电正负变为固定的正负输出；
2）将交流的振铃信号变为脉动直流以供检测。
当没有振铃信号时，线路上的供电电压为48V（部分交换机为60V），经四个二极管构成的全桥整流后，不足以使62V稳压管导通，振铃信号输出端电压接近
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