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更新時間：2020-10-19
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安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對傳統(tǒng)的有線測溫方法因無法*解決高壓絕緣問題而不能應(yīng)用于高壓開關(guān)柜溫度檢測的問題，設(shè)計了一種高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計，分析了系統(tǒng)測試過程中存在 的問題并給出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可穩(wěn)定地運行于工作環(huán)境，滿足一次安裝、２ａ內(nèi)無需維護的要求。
關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；溫度檢測；無線網(wǎng)絡(luò)；ZiBee；JN5148；DS18B20
0 引 言
高壓開關(guān)柜在運行過程中，柜內(nèi)觸點與母線連接處、動靜觸頭電路發(fā)熱過大，易引發(fā)停電和火災(zāi)事故。因此，高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度監(jiān)測尤其是三相觸點溫度監(jiān)測非常重要。
高壓設(shè)備存在裸露電壓，傳統(tǒng)的有線溫度檢測方法因無法*解決高壓絕緣問題而不能應(yīng)用。無線測溫系統(tǒng)采用無線電波進行信息傳輸，不需要布線，與高壓設(shè)備等電勢，不需要采取絕緣措施。因而無線測溫系統(tǒng)可解決高壓設(shè)備測溫難題。本文采用ＡＲＭ 單片機及無線模塊ＪＮ5148構(gòu)建星形結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合溫度傳感器實現(xiàn)高壓開關(guān)柜關(guān)鍵部位的溫度監(jiān)測。
1 ZiBee技術(shù)
ZiBee 網(wǎng) 絡(luò) 有 協(xié) 調(diào) 器 （Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路 由（Ｒｏｕｔｅｒ）和終端（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）３ 種功能器件［２］。前２種功能器件具有信息中繼功能，稱為全功能設(shè)備（ＦｕｌｌＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），而終端只能接收、發(fā)送與本身有關(guān)的信息，稱 為精簡功能設(shè)備 （Ｒｅｄｕｃｅｄ ＦｕｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ZiBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器有且只有１個。ZiBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星形、網(wǎng) 狀、樹 狀 ３種，如圖１所示。其中星形結(jié)構(gòu)具有便于集中控制、易維護、安全等優(yōu)點，因此本文采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計
高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由測溫節(jié)點、中心節(jié)點、上位機３個部分組成，如圖２所示。三相觸點、母線連接處的溫度是監(jiān)測重點，每個開關(guān)柜內(nèi)三相觸點、３個母線連接處共６個位置各安裝１個測溫節(jié)點。三相觸點處測溫節(jié)點置于靜觸頭上，母線連接處測溫節(jié)點置于導電臂上，測溫節(jié)點均用高壓絕緣膠布綁扎固定。測溫節(jié)點傳感器與測溫部位間涂抹導熱硅脂以保證熱量的充分傳遞。測溫節(jié)點在ZiBee網(wǎng)絡(luò)中為終端節(jié)點。各開關(guān)柜內(nèi)還放置１個中心節(jié)點，該節(jié)點一方面作為ZiBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、收集數(shù)據(jù)，另一方面作為 Ｍｏｄｂｕｓ從站響應(yīng)來自上位機的請求幀，并在現(xiàn)場實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。各開關(guān)柜內(nèi)的６個測溫節(jié)點和１個中心節(jié)點組成一個ZiBee星形網(wǎng)絡(luò)，不同開關(guān)柜內(nèi)的ZiBee網(wǎng)絡(luò)有不同的網(wǎng)絡(luò)標號，各自之間不存在信號串擾問題。
測溫節(jié)點在檢測溫度的同時，利用無線模塊內(nèi)自帶的電壓檢測功能對節(jié)點供電電壓進行檢測，與溫度值一同發(fā)送。上位機將接收到的溫度、電壓數(shù)據(jù)進行處理及存儲，并提供查詢功能，同時在溫度值超過預(yù)警值或電壓值低于閾值時發(fā)出警報。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1測溫節(jié)點
測溫節(jié)點是高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)的基本裝置，負責采集和發(fā)送溫度值、電壓值。它由 ＳＯＣ 芯片ＪＮ５１４８、單總線數(shù)字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０ 和電源模塊組成，如圖３所示。
圖３ 測溫節(jié)點組成
ＪＮ５１４８是由Ｊｅｎｎｉｃ公司生產(chǎn)的第三代超低功耗、高 性 能 無 線 模 塊。ＪＮ５１４８ 可 支 持 新 的ZiBee協(xié)議———ZiBeePRO，休眠電流為２．６μＡ，通信距離（可視）可達１ｋｍ，發(fā)送電流為１５ ｍＡ，接收電流為 １７．５ ｍＡ，工 作電壓為 ２．３～３．６ Ｖ。３２位ＲＩＳＣ ＭＣＵ 保證了ＪＮ５１４８強大的處理能力。該系統(tǒng)中應(yīng)用的ＪＮ５１４８模塊自帶陶瓷天線，免去了復(fù)雜的射頻設(shè)計環(huán)節(jié)和高成本的開發(fā)測試過程。
ＤＳ１８Ｂ２０為 Ｄａｌｌａｓ公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，采用外接電源的方法供電，溫度測量范圍為－５５～＋１２５ ℃，測量精度為0.5℃，可滿足系統(tǒng)測溫要求。
電源模塊采用鋰電池直接供電方式。單節(jié)鋰電池額定電壓為3.6Ｖ，容量達２４００ ｍＡ·ｈ。
3.２中心節(jié)點
中心節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖４所示。
中心節(jié)點負責接收測溫節(jié)點傳來的信息并上傳信息給上位機，同時將信息顯示在放置于開關(guān)柜柜門上的液晶屏上，以供現(xiàn)場察看。為調(diào)整監(jiān)測、通信參數(shù)，中心節(jié)點還接有鍵盤作為輸入設(shè)備。中心節(jié)點工作量大、占用管腳數(shù)多，用ＪＮ５１４８ 作為核心控制器存在程序不易設(shè)計、管腳數(shù)量少的缺點，故選用ＡＲＭ 系列 ＬＰＣ２１３２作為中心節(jié)點ＭＣＵ，ＪＮ５１４８僅作為無線傳輸單元，與ＬＰＣ２１３２之間通過串口通信。由于中心節(jié)點需要*不間斷工作，因此，電源采用電網(wǎng)交流供電。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
ＪＮ５１４８應(yīng)用ZiBeePRO協(xié)議棧，運行在實時操作系統(tǒng)ＪｅｎＯＳ 上。ＪｅｎＯＳ 是由Ｊｅｎｎｉｃ公司開發(fā)的專門應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)。ＪｅｎＯＳ在調(diào)度不同優(yōu)先級的實時任務(wù)時具備及時性和靈活性。ＪＮ５１４８的集成開發(fā)環(huán) 境為ＣｏｄｅＢｌｏｃｋｓ，該軟件是Ｊｅｎｎｉｃ公司提供的代碼編輯和編譯環(huán)境，可在Ｊｅｎｎｉｃ上免費下載，從而降低了開發(fā)成本。
4.1測溫節(jié)點軟件
測溫節(jié)點上電后先對硬件進行初始化，然后搜索ZiBee網(wǎng)絡(luò)，如存在則加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后即開始進行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等任務(wù)。當沒有數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等任務(wù)時，測溫節(jié)點則進入睡眠模式。ＪＮ５１４８有工作、睡眠、深度睡眠３ 種功耗模式，因深度睡眠模式只能通過端口中斷觸發(fā)喚醒，本設(shè)計采用睡眠功耗模式，即由實時時鐘喚醒。為更及時地發(fā)現(xiàn)溫度異常情況，測溫節(jié)點采用動態(tài)睡眠機制，即在溫度 正常時睡眠時間為設(shè)定的基準值，當溫度升高時睡眠 時間將在基準值的基礎(chǔ)上減小，溫度越高睡眠時間越 短，溫度回到正常范圍后睡眠周期變?yōu)樵O(shè)定基準值。睡眠基準值范圍為３～６００ｓ。相對于溫度變化，電池電壓的變化較緩慢，故本設(shè)計中電壓檢測周期比溫度檢測周期大。圖５為測溫節(jié)點軟件程序流程。
4.2中心節(jié)點的ＪＮ５１４８模塊軟件
中心節(jié)點的ＪＮ５１４８模塊在ZiBee網(wǎng)絡(luò)中作為協(xié)調(diào)器，上電后先對硬件初始化，然后搜索信道，在 未使用的信道上建立網(wǎng)絡(luò)，建網(wǎng)成功后即等待終端 加入網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后通過串口將數(shù)據(jù)傳給 ＬＰＣ２１３２。上位機與ＬＰＣ２１３２ 之間通過ＲＳ４８５現(xiàn)場總線連接，采用Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議傳輸信息。上位機作為 Ｍｏｄｂｕｓ主機，各開關(guān)柜內(nèi)的 ＬＰＣ２１３２作為 Ｍｏｄｂｕｓ從機。圖６為中心節(jié)點的ＪＮ５１４８模塊軟件程序流程。
4.3上位機軟件
上位機管理軟件采用面向?qū)ο蟮?ＶＢ６．０開發(fā)。上位機將接收到的溫度、電壓值及對應(yīng)節(jié)點的ＩＤ按時間線存儲，經(jīng)過處理后，用戶可通過該管理軟件查看任意節(jié)點在任意時刻的溫度值、電壓值及其變化趨勢圖。另外，該軟件可在溫度值超過預(yù)警值或電壓值低于閾值時發(fā)出報警信號，用戶根據(jù)節(jié)點的ＩＤ即可找到有異常情況的開關(guān)柜。
5 系統(tǒng)測試與優(yōu)化
為驗證高壓開關(guān)柜測溫系統(tǒng)的可行性，筆者對該系統(tǒng)進行了測試。測試過程中發(fā)現(xiàn)如下問題：(1)高壓開關(guān)柜內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，易對節(jié)點尤其是測溫節(jié)點正常工作產(chǎn)生影響。(2)高壓開關(guān)柜內(nèi)存在高壓且允許隨意中斷工作，致使測溫節(jié)點后期維護不便。
針對以上問題，筆者采取以下措施：(1)軟件、硬件抗干擾措施。軟件方面，應(yīng)用數(shù)字編碼、解碼技 術(shù)剔除干擾信號，并 加入軟件濾波技術(shù)，同 時對ＤＳ１８Ｂ２０轉(zhuǎn)換溫度。 次平均值以消除隨機干擾；硬件方面，ＪＮ５１４８ 本身具有金屬屏蔽罩，同時加強各級濾波能力以消除高頻干擾。(2)軟件設(shè)計時增加自動重新加入網(wǎng)絡(luò)功能，保證在中心節(jié)點因某種原因重啟后，測溫節(jié)點能自動重新加入網(wǎng)絡(luò)，無需人工干預(yù)。
為計算測溫節(jié)點鋰電池的供電時間，筆者在模擬開關(guān)柜環(huán)境下，用 ＴｅｋＤＰＯ４０５４數(shù)字示波器電流探頭對測溫節(jié)點的工作電流進行采樣，電流曲線如圖７所示。
計算測溫節(jié)點鋰電池供電時間的難點在于溫度轉(zhuǎn)換時間、溫度轉(zhuǎn)換時工作電流及發(fā)射時間的獲取。如圖７所示，在 Ｔ０ 時刻測溫節(jié)點從睡眠狀態(tài)被喚醒，Ｔ１ 時刻３次溫度值轉(zhuǎn)換結(jié)束并發(fā)送數(shù)據(jù)，Ｔ２ 時刻數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，測 溫節(jié)點重新進入睡眠狀態(tài)。ＪＮ５１４８ 模 塊 睡 眠 電 流 為 ２．６ μＡ，發(fā) 射 電 流 為 １５ ｍＡ，溫度轉(zhuǎn)換時間 Ｔ１ －Ｔ０、發(fā)射時間 Ｔ２ －Ｔ１分別為１５００ ｍｓ、１０ ｍｓ，溫度轉(zhuǎn)換時的工作電流Ｉ為１１ ｍＡ。以常規(guī)的測溫周期為５ ｍｉｎ 為例，得到鋰電池供電時間為
可得鋰電池的理論供電時間約為４．７ａ。然而實際環(huán)境中鋰電池存在自放電問題，且電量不可能全部放盡，壽命無法達到４．７ａ，因此本設(shè)計中將運行年限設(shè)定為２ａ。
系統(tǒng)經(jīng)測試與優(yōu)化后，可穩(wěn)定地運行于工作環(huán)境，而對測溫節(jié)點鋰電池供電時間的驗證，表明系統(tǒng)滿足一次安裝、無需維護的要求。
6 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型
安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和專家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。
6.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進行通信（如圖8），系統(tǒng)設(shè)計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應(yīng)，預(yù)防嚴重故障發(fā)生。
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。
6.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能
■實時監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。
■溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）
■運行報表
查詢各回路設(shè)備運行溫度報表
■實時報警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。
■設(shè)備提供以下凡種警告方式：
a.彈岀事件報驚窗口.
b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.
C.短信吿警，可以向號碼發(fā)送吿警信息短信
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
■用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。
通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）？梢远x不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
■定值設(shè)置
用于修改高溫定值、超溫定值。
■WEB（可選）
展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。
能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電排名。
運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。
■APP（可選）
設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫 度數(shù)據(jù)以及曲線。
6.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型
安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖9）。
6.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
無線溫度傳感器共有5種，分別對應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
物料名稱 | 型號 | 參數(shù)說明 |
電池型無線測溫傳感器 |
ATE100 | 電池供電，壽命≥5年；-40℃~+125℃； 2.4GHz，空曠距離10米； 102.37*47.93*23mm，φ13.5mm(長*寬*高，孔徑)。 |
ATE200 | 電池供電，壽命≥5年；-40℃~+125℃； 2.4GHz，空曠距離10米； 44.17*30*18.5mm，L=325.40mm(長*寬*高，三色表帶)。 | |
ATE300B | 電池供電，壽命≥5年；-10℃~+125℃； 470MHz，空曠距離150米； 49.95*35.95*22mm(長*寬*高)。 | |
CT取電型無線測溫傳感器 |
ATE300 | CT感應(yīng)取電，啟動電流≥5A；-10℃~+125℃； 470MHz，空曠距離150米； 扎帶固定，合金片取電；73*33.5*16mm(長*寬*高)。 |
ATE400 | CT感應(yīng)取電，啟動電流≥5A；-50℃~125℃； 433MHz，空曠距離150米； 合金片固定、取電；三色外殼；25.82*20.42*12.8mm(長*寬*高)。 |
6.3.2 安科瑞無線收發(fā)器
無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
物料名稱 | 型號 | 參數(shù)說明 |
無線收發(fā)器 | ATC200 | 可接收12個ATE100/200 |
ATC400 | 可接收240個ATE300/ATE300B | |
ATC450-C | 可接收240個ATE400 |
6.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。
物料名稱 | 型號 | 參數(shù)說明 |
顯示終端 | ARTM-Pn | 面框96*96*17mm，深度65mm；開孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協(xié)議； 接收多達60個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。 |
顯示終端 | ASD320 ASD300 | 面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；開孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協(xié)議； 接收多達12個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。 |
顯示終端 | ATP007 ATP010 | 面框226.5*163*6mm，深度70mm；開孔215*152mm； DC24V供電；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口； 接收20個ATC200/1個ATC400/1個ATC450-C。 |
無線測溫集中集中采集設(shè)備 | Acrel-2000T/A | 壁掛式安裝 標配一路485接口、一路以太網(wǎng)口 自帶蜂鳴器告警 柜體尺寸480*420*200 （單位mm） |
無線測溫監(jiān)控設(shè)備 | Acrel-2000T/B | 硬件：內(nèi)存4G，硬盤128G，以太網(wǎng)口 顯示器：12寸，分辨率800*600 操作系統(tǒng)：Windows7 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：Microsoft SQL Server 2008 R2 可選Web平臺/APP服務(wù)器 柜體尺寸為480*420*200（單位mm) |
7 結(jié)語
高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)采用片上系統(tǒng)高性能、低功耗無線微控制器ＪＮ５１４８ 與數(shù)字溫度傳感器 ＤＳ１８Ｂ２０為基本元件組建ZiBee無線系統(tǒng)，避免了復(fù)雜的現(xiàn)場布線過程，解決了高壓開關(guān)柜不易絕緣的問題。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線與上位機通信，實現(xiàn)了高壓開關(guān)柜的遠程實時溫度監(jiān)測。
【參考文獻】
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作者簡介：霍麗麗，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，
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