植物生长环境测控系统的设计Word文档下载推荐.doc
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3.6通信模块18
3.7报警模块19
3.8本章小结20
第4章 测控系统的软件设计21
4.1PID控制算法21
4.2系统下位机主程序流程图的设计22
4.3基于LabVIEW的上位机界面设计23
致谢26
参考文献27
附录28
附录1程序清单28
附录2原理图34
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第1章绪论
1.1选题的背景及其研究意义
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。
现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。
例如:
空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。
在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。
以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。
大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。
国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。
而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及因为测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。
因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业项目，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。
目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。
因为单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。
本文提出了一种以AT89S52单片机为控制核心的测控仪，主要是为了对蔬菜大棚内温度、湿度，以及二氧化碳含量进行有效、可靠地检测与控制而设计的。
该测控仪具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，不仅可以应用在农业蔬菜大棚，也可以应用在恒温湿的机械加工厂、室内环境等方面，所以具有一定的应用前景。
1.2.1国外研究现状
西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。
1949年，借助于项目技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。
20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了西红柿生产工厂，07年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。
随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展.特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。
80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。
目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。
温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。
计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.2.2国内发展现状
我国现代温室技术起步较晚，70年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。
与此同时，从1997年至1949年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室（包括加温系统、湿帘降温系统、灌溉系统、监测与集中控制系统及其它附属设施）进行实验研究。
引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国温室的发展提供了借鉴作用。
但这些温室也存在着许多不足之处，主要表现在:
1.价格昂贵，国内农业生产目前难以接受；
2.缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件。
目前我国引进温室的测控系统大多投资大、运行费用过高，并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾；
3.控制方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。
随后在我国出现了一些国外的仿造产品，如江苏工学院研制的“温室环境测控系统”，主要用于无土栽培实验温室，造价仍较高，且处于实验阶段;
吉林工业大学研制的“温室环境自动检测系统”，仅实现了温湿度的自动测试，“智能型温室环境控制器”仅实现了温室内的喷水自动控制等。
以上产品均没有面向我国广大农村现有的100万亩传统温室的改造项目。
所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控制温湿度。
因此，以上产品的推广使用价值仍然不大。
总体上说，我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。
而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度、C02浓度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。
因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。
1.3课题的主要内容及研究意义
1.3.1本论文的主要内容
为适应农业发展的需要，根据以上分析存在的问题，本文研制和设计了基于单片机的温湿度、二氧化碳测量系统。
该系统在设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件，可实现对大棚内温湿度、二氧化碳浓度的在线实时检测。
同时，本课题还设计了相应的控制系统，单片机实时监测大棚内的温湿度、二氧化碳浓度，当温湿度、二氧化碳浓度超过设定的上、下限时，单片机驱动固态继电器打开相应的执行机构，实现对温湿度、二氧化碳浓度的补偿，从而使得大棚内的参数在适合作物生长的范围内。
本课题主要研究内容包含以下几个方面:
1.空气温湿度、土壤湿度湿度、光照度以及CO2浓度传感器的选型及相应信号处理电路的设计;
2.实现温室内空气温湿度、湿度、光照度、CO2浓度等环境参数的自动测试;
3.通过人机对话接口实现参数显示和在线参数修改;
1.3.2本论文研究的意义
传统的方法，人们主要采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度。
但是因为温度计、湿度计精度比较低，以及人工读数的人为因素等原因，温湿度检测不仅速度慢，精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度大。
随着科技的发展，采用各种传感器、模数转换器、报警器等组成的大棚内温湿度监测系统的出现，可对大棚内的各个测点进行巡回检测，检测速度、精度有了一定的提高，降低了劳动强度，但因为所采用的传感器灵敏度比较低、稳定性比较差，致使检测精度、系统可靠性还不够理想，并且很少有能够广泛应用在农业大棚内，对二氧化碳含量进行测控的装置。
同时，在农业生产和农业科研过程中的很多场合需要对上面提到的物理量进行精确的检测和控制。
因为现在农业上基本沿用人工的测控方法，这就不可避免的存
在着劳动强度大、繁琐、测量精度低，并且因为检测报警不及时，给农业生产和科研工作造成了一定的损失。
近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，人们对大棚内参数检测的准确性、稳定性要求也越来越高。
本课题就是针对此问题，设计相对精度高、性能稳定、价格便宜的温湿度以及二氧化碳的测控装置。
该仪器可广泛地应用于诸如温室大棚、畜牧业中的孵化和饲养环境调节、粮食储藏以及其它农业生产和科研领域，并且因为系统的灵活性和模块化，也可以方便地满足其它领域的需要。
第2章研究方案的设计
随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。
因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，迫切需要一种价格适中，自动化程度高的农业设施多点测控系统。
温室多功能智能系统是在国家提出的倡导“科技农业”“精准农业”的大背景下和新疆蔬菜温室大棚的智能化建设的迫切需求下,为提高当地居民的生活质量水平而设计研制的。
本系统是本着在不影响功能实现的前提条件下尽可能降低生产成本的宗旨,以AT89S52为核心,以PID控制为主要控制方式,以检测并调节空气温湿度、土壤湿度、CO2浓度和光照度为主要目的的测控系统。
2.1温室大棚内重要参数的调节与控制
2.1.1温湿度的调节与控制
目前，温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面，具体表现在:
1.加温：
加温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。
热风采暖系统由热风炉直接加热空气及蒸汽热交换空气两种，前者适用于塑料大棚，后者适用于有集中供暖设备的温室;
热水采暖系统的稳定性好，温度分布均匀，北方温室大都采用此种方式;
土壤加温有酿热物加温、电热加温和水暖加温。
2.降温：
降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的要求时，必须进行人工强制降温。
降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。
遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效。
另一种在室内挂遮光幕，降温效果比挂在室外差;
屋面流水降温法采用时须考虑安装成本，清除玻璃表面的水垢污染问题:
蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内，达到降温目的。
蒸发冷却法有湿帘—风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。
3.保温
保温包括减少贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。
减少贯流放热和通风换气量包括减少向温室内表表面的对流传热核辐射传热、减少覆盖材料自身的热传导散热、减少温室外表面向大气的对流和辐射传热、减少覆盖面的漏风而引起的换气传热;
增大保温比是适当的减低温室的高度，缩小夜间保护设施的散热面积，有利提高温室内昼夜的气温和低温:
增大地表热流量可以采用增大保护设施的透光率，且经常保持覆盖材料干洁，及设置防寒沟，防止地中热量横向流出。
大棚内空气湿度的调节与控制，从环境调控的观点来说，空气湿度的调控，主要是防止作物沾湿和降低空气湿度两个直接目的。
而防止作物沾湿主要是为了抑制病害。
除湿的方法有通风换气、加温除湿、覆盖地膜、适当地控制灌水量、使用除湿机、除湿型热交换通风装置。
一般采用在不加温的温室里自然通风，达到降低温室内湿度的目的，其效果显著;
在有条件的情况下，可采用强制通风，可由风机功率和通风时间计算出通风量，而且便于控制;
其他的方法如覆盖地膜、热泵除湿等也能达到除湿的目的。
加湿的方法包括喷雾加湿、湿帘加湿、温室内顶部安装喷雾系统。
喷雾加湿时可根据温室面积选择合适的喷雾器，此法效果明显，常与降温结合使用:
湿帘加湿主要用来降温，同时也可达到增加室内湿度的目的:
温室内顶部安装喷雾系统，降温的同时也可以加湿。
其次，温度与湿度之间有一定的祸合关系，对一个因子的控制常会带来另一个因子的变化.在冬季温室环境控制中，默认为温度控制优先的原则，在温度条件满足后，再来满足湿度条件。
如温度过低、湿度过大的情况下，以加温为主导，只有当温度上升到一定值后，才能通风降湿，另一方面，温度提高本身可以使相对湿度降低。
在夏季降温加湿的过程中，采用以湿度优先的原则。
当湿度过小时，开启蒸发降温加湿装置。
而当温度过高需要启动蒸发降温执行机构时，必须先检测室内的相对湿度，只有湿度低于某一设定范围时，才能启动蒸发装置。
2.1.2二氧化碳含量的调节与控制
大气中二氧化碳平均浓度一般为0.30%，变幅较小。
在冬春设施蔬菜生产中，为了保温，设施经常处于密闭状态，缺少内外气体交换，二氧化碳浓度变幅较大，中午设施内因为光合作用，二氧化碳浓度下降，接近甚至低于补偿点，二氧化碳处于亏缺状态应当及时的补充二氧化碳。
补充二氧化碳的方法很多，常用的主要有三种:
1.燃烧法:
通过二氧化碳发生器嫩烧液化石油气、丙烷气、天然气、白煤油等产生二氧化碳。
当前欧美国家的设施栽培以采用燃烧天然气增施二氧化碳较普遍，而日本较多地采用燃烧白煤油增施二氧化碳。
2.化学反应法:
即用酸和碳酸盐类发生化学反应产生二氧化碳。
目前较多采用稀硫酸和碳酸氢按，在简易的气肥发生装置内产生二氧化碳气体，通过管道将其施放于设施内。
该法成本较低，二氧化碳浓度容易控制，目前在我国的设施栽培中运用较多。
3.施用颗粒有机生物气肥法:
将颗粒有机生物气肥按一定间距均匀施入植株行间，施入深度为c3m，保持穴位土壤有一定水分，使其相对湿度在80%左右，利用土壤微生物发酵产生二氧化碳。
该法无需二氧化碳发生装置，使用较为简便。
2.1.3光照度的调节与控制
光照是作物进行光合作用的必备要素之一，光照条件的好坏直接影响作物的产量和品质。
自然界中，太阳的光照度随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化。
温室内的光照度除与上述因素有关外，还与温室结构、管理措施以及材料的透光性能等密切相关。
因为温室覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素影响，温室内的光照状况要比露地差得多，一般仅为露地的30%~70%，尤其是在冬季和旱春季节，太阳高度角低，日照时间短，温室内光照度往往不能满足作物生长的需求，人工补光成为众多可控环境温室管理的必然选择。
目前，温室人工补光主要考虑三个方面的要素：
一是对光照度的要求，因为作物的光补偿点都不同，以至于光饱和点也有区别；
二是对光质的要求，作物光合作用主要利用400nm~500nm的蓝紫光、600nm~700nm的红橙光以及少量700nm~800nm的远红外光，温室补光一般根据作物不同，对红、蓝光和红、远红有特定要求；
三是对光周期的要求，自然界昼夜交替、周而复始的现象形成了光周期，作物在漫长的进化过程中适应了这种明暗变化。
但是，在冬至前后或连阴天时，光照时间往往不能满足作物生长发育需求，需要人工补光来增加光照时间。
近年来，温室人工补光已经成为设施园艺生产的重要手段，各种人工光源也得到了快速发展。
2.1.4土壤湿度的调节和控制
土壤湿度决定农作物的水分供应状况。
土壤湿度过低，形成土壤干旱，作物光合作用不能正常进行，降低作物的产量和品质；
严重缺水导致作物凋萎和死亡。
土壤湿度过高，恶化土壤通气性，影响土壤微生物的活动，会使作物根系的呼吸、生长等生命活动受到阻碍，从而影响作物地上部分的正常生长，造成徒长、倒伏、病害滋生等。
土壤水分的多少还影响田间耕作措施和播种质量，并影响土壤温度的高低。
土壤缝隙中水分的保持和运动，受土壤吸水力的制约。
土壤吸水力是土粒吸附力、毛管力和重力等相互作用的结果。
土壤水分对植物的有效性，决定于植物吸水力、土壤吸水力、植物根系的分布和生长速度以及土壤水分的移动性。
所以控制土壤湿度是保持作物高效生长和产量的必要因素。
2.2系统总体方案的设计
2.2.1总体方案设计
本文设计和研制上、下位机温室大棚测控系统，以满足不同的需求。
其中，上位机采用PC机，下位机采用单片机.下位机控制器应能完成以下工作:
脱离监控主机独立地进行数据采集与控制，通过人机接口（键盘和显示器）实现参数设定、显示和人工干预控制输出等功能（可以满足普通大棚的基本需要）。
下位机控制器是以单片机为核心的，整个系统包括主模块、数据采集与处理模块、输出控制模块、键盘显示模块和数据通信模块等。
数据采集与处理模块能够完成温室内温度、湿度和二氧化碳浓度的模拟量的采集和处理，结果送数据存储器或传输给监控服务器，由监控服务器存储和管理，输出控制模块主要负责温室执行机构的控制;
通信模块则是基于RS一223总线，由双绞线进行远程的数据传输，实现单片机和上位机的通信。
本系统主要由温室内外环境自动测试系统，自动控制系统，人机对话接口和通讯接口四个部分组成。
原理框图如图2-1所示。
图2-1温室智能测控系统原理图
（1）温室内外环境自动测试系统
主要测试温室外空气温度、湿度，温室内空气温度、湿度、C20浓度等环境参数。
（2）温室内环境自动控制系统
根据环境自动测试系统得到的结果控制相应执行机构的执行，为作物提供良好的生长环境。
（3）通讯接口
用来实现与PC机的通讯，将存储的测试数据传送给CP机，可以方便的实现集中式管理。
2.3本章小结
本章综述了温室大棚内温湿度、二氧化碳浓度、光照饱和度常用的调节与控制方法，并针对温室大棚的环境，提出了温湿度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度测控系统的方案设计，为下文硬件设计的展开做了前期准备。
第3章硬件设计
大棚内温湿度、二氧化碳含量检测属监控系统范畴，近年来，因为传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域。
因此，温湿度、二氧化碳含量检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。
本部分是大棚检测和控制系统的核心部分，主要涉及微控制器及其外围接口电路，包括信号的输入，输出通道及系统键盘显示电路，执行机构电路等。
本章将针对温室大棚中的温度、湿度，以及二氧化碳含量的检测与控制进行深入的研究。
3.1微控制器概述
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。
微控制器（单片机）就是在这种情况下诞生的。
微控制器，亦称单片机或者单片微型计算机。
它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（1/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。
单片机目前己被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。
市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8015系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的讹596系列单片机以及Microchip公司的PCI系列单片机等。
各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、1/0能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。
这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。
本文选用Atmel公司生产的AT89552作为CUP。
AT89525是一种低功耗、低价格，高性能8位微处理器。
AT89S52单片机的特点
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBISP（In一systemprogrammable）的可反复擦写100次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准讹5一15指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52单片机具有如下特点:
40个引脚，8KFlash片内程序存储器，256位的随机存取数据存储器，32个外部双向输入/输出口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，3个可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为OHz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存R胡的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDPI、TQPF和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
AT89S52的PDIP封装管脚如图3-1所示。
图3-1AT89S52管脚图
AT89S52单片机的主要功能特性如下:
兼容5-51指令系统sk可反复擦写（>
1000次）ISPFlashR服32个双向1/0口4.-55.SV工作电压3个61位可编程定时/计数器
时钟频率0一3HMz
全双工以TR串行中断口线
256x8位内部R八M
2个外部中断源
低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式
3级加密位
看门狗（和T）电路
软件设置空闲和省电功能
灵活的SIP字节和分页编程
双数据寄存器指针
AT89S系列单片机相对于AT89C系列单片机新增加以下功能:
①工SP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，这是一个强大易用的功能。
②最高工作频率为3MHz，而89c系列单片机的极限工作频率是42M，就是说895系列单片机具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
③具有全双工以TR串行通道。
④内部集成看门狗计时器，不再需要像89c系列单片机那样外接看门狗计时器单元电路。
⑤双数据指示器。
⑥电源关闭标识。
⑦全新的加密算法，这使得对于859系列单片机的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
⑧兼容性方面:
向下完全兼容15全部字系列产品.比如8051、89C51等等早期MCS一15兼容产品。
综上所述，859系列相对于89C系列新增加了许多功能，并且性能也有了较大的提升，价格基本不变，甚至比89C系列更低。
所以本设计选用AT89S系列的AT89552单片机。
3.2空气温湿度的处理与采集
3.2.1温湿度传感器
温度是表征物体或系统冷热程度的物理量，温度单位是国际单位制中七个基本单位之一。
温度是一个很重要的物理量，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。
在国民经济各部门，如电力、化工、机械、冶金、农业、医学等以及人们地日常生活中，温度的检测与控制是十分必要的。
在国防现代化及科学技术现代化中，温度的精确检测及控制更是必不可少的。
因为温度是非电量，因此，对温度的检测与控制需使用传感器或温度敏感元件。
根据各类蔬菜在各自生长阶段最适宜的温湿度范围和本系统的设计要求,选择SHT10数字式温湿度传感器来检测温室大棚中空气的温湿度。
SHT10数字式温湿度传感器是由Sensirion公司推出的一种可以同时测量湿度、温度的传感器,不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度的数字信号,可以有效地解决传统温、湿度传感器的不足。
其特点:
温湿度传感器、信号放大、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上（CMOSens技术
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