中國農(nóng)學(xué)通報 2016,32(1):81-87ChineseAgricultural Science Bulletin北方果樹霜凍害遠程監(jiān)控與報警系統(tǒng)初步研究與實現(xiàn)夏 于，孫忠富，蘇一峰，杜克明，鄭飛翔（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081）摘 要：為提高北方果樹防霜凍害管理水平，基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，設(shè)計實現(xiàn)了北方果樹霜凍害監(jiān)測與報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合實時獲取果樹生長環(huán)境數(shù)據(jù)，及果樹霜凍害發(fā)生規(guī)律和專家知識庫，為用戶提供遠程果樹環(huán)境信息分析和霜凍害智能診斷服務(wù)。同時為滿足不同生產(chǎn)條件需求，結(jié)合用戶需求和環(huán)境狀況，提供自動報警。根據(jù)用戶隨時隨地獲取信息的需求，基于多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等（如Internet、android等移動互聯(lián)網(wǎng)），開發(fā)了可用于PC終端、移動終端（如智能手機、平板電腦等）多平臺管理模式。通過提供現(xiàn)場綜合遠程實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)管理分析及報警預(yù)警等功能，系統(tǒng)實現(xiàn)了對果樹生長的全方位多功能的遠程監(jiān)控與綜合管理，有效提高了果樹防霜凍害監(jiān)控管理水平。關(guān)鍵詞：果樹霜凍害；遠程監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)測預(yù)警；移動應(yīng)用中圖分類號：S126，TP31 文獻標志碼：A 論文編號：casb15060086Research and Implementation of Remote Monitoring and Warning System forFrost Damage of North Fruit TreeXia Yu, Sun Zhongfu, Su Yifeng, Du Keming, Zheng Feixiang(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, CAAS, Beijing 100081)Abstract: To improve the management level for preventing freezing frost of north fruit tree, a monitoring andalarm system was designed and realized based on IOT architecture. Based on the real-time data of the fruit treeenvironment, together with the research and expert knowledge for years, remote environment informationbrowsing and fruit frost intelligent diagnosis service were provided for the users. To meet the needs underdifferent production conditions, automatic alarm was provided according to users demand. To achieve the goalof getting information whenever and wherever, a multiple function platform was developed to provide variousapplications for users of PC terminal, mobile terminal (such as smart mobile phones, pad computers) based on avariety of network technologies, such as internet, Android mobile internet, etc. With integration of remote real-time monitoring, data acquisition, network transmission, data analysis and alarm warning functions, the systemhad realized the comprehensive remote monitoring management for the fruit tree growth and effectivelyimproved the management level of fruit freezing frost.Key words: fruit frost damage; remote monitoring; internet of things (IOT); monitoring and early warning;mobile applications0 引言近年來在全球氣候變化的背景下，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害頻發(fā)，暖冬與倒春寒天氣頻繁出現(xiàn)。北方果樹萌芽開花或幼果期常遭遇霜凍災(zāi)害，果樹花蕾或幼果遭受不同程度的危害，嚴重影響果樹產(chǎn)量和質(zhì)量，甚至造成大面積果樹減產(chǎn)或絕收，是目前果樹生產(chǎn)中面臨的嚴重問題1-5。加強果樹生產(chǎn)的霜凍災(zāi)害監(jiān)控防御，做好果樹管理，保證果樹穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，對于果樹安全生產(chǎn)具有重基金項目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項“北方果樹霜凍災(zāi)害監(jiān)測與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)”(GYHY201206023-03)；“十二五”國家科技支撐計劃“重大農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防控與管理技術(shù)研究與示范”(2011BAD32B03)。通信作者：孫忠富，男，1957年出生，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境遠程監(jiān)控技術(shù)研究。通信地址：100081中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，Tel：010-82105990，E-mail：sunzf126126.com，sunzhongfucaas.cn。收稿日期：2015-06-15，修回日期：2015-07-17。中國農(nóng)學(xué)通報 http:/www.casb.org.cn要意義。然而，目前北方區(qū)域果樹霜凍害防災(zāi)減災(zāi)研究尚處于薄弱環(huán)節(jié)，存在防霜能力薄弱、技術(shù)手段匱乏、果樹霜凍害防御管理數(shù)字化、智能化程度低等問題。充分應(yīng)用信息技術(shù)和智能管理技術(shù)，結(jié)合北方果樹霜凍害發(fā)生規(guī)律，集成無線遠程監(jiān)控與霜凍害診斷專家知識模型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員提供低成本、高效率、智能靈活的霜凍監(jiān)控報警管理系統(tǒng)已成為當前的迫切需求6-8。近幾年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)迅速發(fā)展，在綜合數(shù)據(jù)采集、遠程傳輸和智能應(yīng)用等方面技術(shù)優(yōu)勢的同時，充分提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、實時性和便攜性，成為當下農(nóng)業(yè)信息化的重要方向9-13。通過物聯(lián)網(wǎng)一方面可實現(xiàn)果樹生產(chǎn)過程中對空氣、作物、水分等環(huán)境信息的實時監(jiān)測和穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，另一方面結(jié)合果樹霜凍發(fā)生規(guī)律和專家知識設(shè)定，可提供果樹生產(chǎn)霜凍害決策支持和報警信息，為提高果樹防霜管理提供了技術(shù)支持。本研究針對以上問題，以北方地區(qū)常見果樹蘋果為例，研究實現(xiàn)了北方果樹霜凍害監(jiān)測與報警系統(tǒng)。系統(tǒng)基于前期研發(fā)的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集平臺實時采集、穩(wěn)定傳輸?shù)墓麡渖a(chǎn)環(huán)境要素數(shù)據(jù)，為果樹霜凍災(zāi)害管理提供硬件和數(shù)據(jù)支持。同時，采用了基于計算機、智能手機、LED電子屏等多平臺的管理方式，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)及果樹霜凍規(guī)律、指標和專家知識等，為用戶提供實時短信報警14-18?；诂F(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)與診斷管理結(jié)果相互結(jié)合，方便生產(chǎn)人員時刻了解果樹生產(chǎn)環(huán)境變化，及時調(diào)整生產(chǎn)策略，有效提高了果樹防霜報警及管理決策，促進果樹生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。1 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)合北方果樹生產(chǎn)特點，采用物聯(lián)網(wǎng)理念及移動通信技術(shù)，綜合專家知識和計算機計算模型設(shè)計實現(xiàn)。系統(tǒng)基本原理是通過持續(xù)監(jiān)測的果樹霜凍害影響因子，并結(jié)合專家經(jīng)驗和建立的知識庫分析，對果樹霜凍災(zāi)害進行遠程診斷和管理。系統(tǒng)集傳感技術(shù)、3G無線傳輸技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及基于移動端的開發(fā)技術(shù)于一體，實現(xiàn)了果園現(xiàn)場各種氣象與環(huán)境數(shù)據(jù)、圖像視頻的實時采集與遠程傳輸，數(shù)據(jù)與圖像一體化的實現(xiàn)，達到了眼見為實的效果。同時結(jié)合霜凍害診斷及報警功能，是可滿足多種情況下的果樹防霜診斷管理的可視化多功能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 系統(tǒng)框架圖82從結(jié)構(gòu)構(gòu)成上，系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)“全面感知穩(wěn)定傳輸智能應(yīng)用”的層次設(shè)計。其中，全面感知層包括遠程監(jiān)控終端數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊，通過傳感器、視頻圖像采集裝置全面獲取果樹生長環(huán)境數(shù)據(jù)。穩(wěn)定傳輸層包括數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過綜合采用Wifi、移動無線通信網(wǎng)絡(luò)、3G等傳輸和交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)條件下數(shù)據(jù)穩(wěn)定高效傳送。智能應(yīng)用層包括果樹霜凍害遠程環(huán)境監(jiān)控及智能診斷分析模塊，同時輔以報警調(diào)控模塊和基于移動端的數(shù)據(jù)信息分析報警平臺。通過以上3個層次的全方位設(shè)計，系統(tǒng)在滿足用戶實時、高效了解現(xiàn)場果樹生產(chǎn)環(huán)境變化需求的同時，也為用戶提供了多種方式的有效監(jiān)控和報警設(shè)置，真正做到霜凍災(zāi)害管理的快速反應(yīng)，精準到位，提高了果樹防霜減災(zāi)、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的效率。2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)2.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集發(fā)送及傳輸，由數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊完成。數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊是在果樹生產(chǎn)現(xiàn)場，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless SensorNetwork，簡稱WSN）對果樹霜凍害影響因子及其他環(huán)境因素數(shù)據(jù)采集解析，無線遠程發(fā)送的智能模塊。該模塊包括基于ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)、ARM+LINUX模塊、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信模塊（3G無線路由模塊或GPRS模塊等有限網(wǎng)絡(luò)）等部分。本模塊通過ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，協(xié)作獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，通過ARM+LINUX與Internet對接，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。本模塊具有適應(yīng)性好、功耗低、穩(wěn)定性強的特點，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）為適應(yīng)不同工作條件，系統(tǒng)同時支持220 V市電供電和內(nèi)置大容量鋰電池供電，可保證系統(tǒng)在無市電供應(yīng)下的長期穩(wěn)定工作。（2）為降低系統(tǒng)功耗和流量消耗，該模塊采用節(jié)能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，每隔固定時間（根據(jù)需求調(diào)整設(shè)置）進行數(shù)據(jù)采集。通過采用看門狗WDT設(shè)計定時上傳數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)實時性滿足需求的情況下，適應(yīng)了降低功耗等需求。（3）本模塊采集數(shù)據(jù)具有準確、穩(wěn)定性強的特點。通過數(shù)據(jù)超時重傳及校驗應(yīng)答機制，確保數(shù)據(jù)完整準確。為保證環(huán)境數(shù)據(jù)的時間準確性，模塊內(nèi)置高精度實時時鐘，與數(shù)據(jù)中心自動校準。數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送流程，見圖2。2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊是果樹生長現(xiàn)場監(jiān)控終端與中心服務(wù)器通信的樞紐，通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，結(jié)合果樹生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，有效應(yīng)用有線通信、移動無線通信、無線局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，保證各種條件下數(shù)據(jù)傳輸均能穩(wěn)定可靠、完整準確的同時，最大程度節(jié)能、降耗，提高系統(tǒng)工作性能。2.3 果樹霜凍害遠程監(jiān)控及智能診斷模塊系統(tǒng)獲取的實時數(shù)據(jù)通過采集發(fā)送模塊和傳輸模塊發(fā)送到服務(wù)器端，通過運行于Web服務(wù)器上的數(shù)據(jù)接收服務(wù)和圖像轉(zhuǎn)存服務(wù)，果樹生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)開始開始開始開始系統(tǒng)程序初始化系統(tǒng)程序初始化系統(tǒng)程序初始化系統(tǒng)程序初始化數(shù)據(jù)信息處理數(shù)據(jù)信息處理數(shù)據(jù)信息處理數(shù)據(jù)信息處理RTCRTCRTCRTC時間校準時間校準時間校準時間校準GPRSGPRSGPRSGPRS服務(wù)器是否應(yīng)答服務(wù)器是否應(yīng)答服務(wù)器是否應(yīng)答服務(wù)器是否應(yīng)答NNNN更新更新更新更新RTCRTCRTCRTC時鐘時鐘時鐘時鐘采集間隔判斷采集間隔判斷采集間隔判斷采集間隔判斷傳感數(shù)據(jù)采集傳感數(shù)據(jù)采集傳感數(shù)據(jù)采集傳感數(shù)據(jù)采集YYYY數(shù)據(jù)上報數(shù)據(jù)上報數(shù)據(jù)上報數(shù)據(jù)上報是否成功是否成功是否成功是否成功YYYY結(jié)束結(jié)束結(jié)束結(jié)束NNNNYYYY本地存儲本地存儲本地存儲本地存儲圖2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程夏 于等：北方果樹霜凍害遠程監(jiān)控與報警系統(tǒng)初步研究與實現(xiàn) 83中國農(nóng)學(xué)通報 http:/www.casb.org.cn被存儲于服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫。基于該實時數(shù)據(jù)，果樹霜凍害遠程監(jiān)控及智能診斷模塊應(yīng)用計算機技術(shù)和移動開發(fā)技術(shù)，為用戶提供基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)、圖像視頻的瀏覽和分析對比管理，霜凍害智能診斷管理以及多模式的報警管理等。本模塊原理圖如圖3所示。2.3.1 果樹霜凍害遠程監(jiān)控 果樹霜凍害遠程監(jiān)控主要負責(zé)將實時獲取的數(shù)據(jù)、圖像等環(huán)境信息進行根據(jù)用戶的多種需求，以文字、表格、統(tǒng)計圖等多種方式展示和統(tǒng)計分析。該部分可為用戶全面對比各類數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)結(jié)果，最大限度提取有效信息提供可能。同時，為滿足用戶隨時隨地獲取信息的需求，系統(tǒng)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可通過各類瀏覽器、智能移動設(shè)備APP應(yīng)用、LED等多種模式展現(xiàn)。系統(tǒng)采用標準的接口規(guī)范，為數(shù)據(jù)跨平臺調(diào)用和多模式應(yīng)用提供便捷。圖3 果樹霜凍害遠程監(jiān)控及智能診斷模塊系統(tǒng)數(shù)據(jù)的多模式應(yīng)用可分為基于Web的監(jiān)控管理、基于Android智能移動設(shè)備監(jiān)控管理和基于LED電子屏幕顯示等方式。其中，基于Web的監(jiān)控管理基于微軟公司的Net Framework框架開發(fā)，并結(jié)合SQL Server2008數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行分析處理，將數(shù)據(jù)以列表、曲線和圖像等形式展示給用戶。用戶通過Web瀏覽器可查詢到最詳細、最及時的果樹生長信息，達到“眼見為實”的目的，從而實現(xiàn)有效的遠程監(jiān)控?；贏ndroid智能移動設(shè)備平臺應(yīng)用和基于LED電子屏的管理方式，是對基于Web監(jiān)控管理的重要補充。通過系統(tǒng)提供的統(tǒng)一接口定時訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，方便用戶隨時隨地查看數(shù)據(jù)，為果樹生產(chǎn)者提供輕量化、隨時可查閱的信息瀏覽分析等功能，提高了系統(tǒng)服務(wù)效率。多模式的應(yīng)用管理方式互為補充，滿足果樹生產(chǎn)者在不同條件下的監(jiān)控需求，提高了果樹霜凍害監(jiān)控的實時性、高效性?；诙嗄Ｊ降墓麡溥h程智能監(jiān)控平臺如圖4所示。2.3.2 果樹霜凍害智能診斷 果樹霜凍害智能診斷通過有機結(jié)合專家經(jīng)驗及北方果樹霜凍害規(guī)律，對果樹生長環(huán)境數(shù)據(jù)智能診斷，判斷果樹受災(zāi)狀況，并給出相關(guān)建議。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，將果樹霜凍害診斷相關(guān)標準規(guī)范格式后存儲處理，作為果樹霜凍害診斷依據(jù)。根據(jù)果樹不同地區(qū)、不同品種霜凍害診斷標準不同的需求，系統(tǒng)對站點進行群組劃分，不同群組可適用不同診斷標準，相關(guān)農(nóng)學(xué)專家可對該區(qū)域品種果樹進行診斷指標微調(diào)，以滿足當?shù)厣a(chǎn)需求。結(jié)合果樹霜凍害診斷標準及果樹生長實時環(huán)境因子數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對果樹霜凍害程度進行診斷，以表格、文字等形式展現(xiàn)果樹霜凍害狀況，同時對影響果樹霜凍災(zāi)害的環(huán)境因子進行統(tǒng)計，可以表、折線圖等形式分析關(guān)鍵環(huán)境因子的總體變化趨勢。果樹花期霜凍害程度與空氣溫度、低溫延續(xù)時間等環(huán)境因素密切相關(guān)，不同果樹品種、生長區(qū)域的果樹霜凍害指標也不盡相同5,19-29。根據(jù)不同果樹生產(chǎn)區(qū)氣候變化特點以及不同的果樹品種，各區(qū)域?qū)＜抑贫ㄏ鄳?yīng)果樹花期霜凍環(huán)境因素診斷標準，系統(tǒng)結(jié)合診斷標準及實時生產(chǎn)環(huán)境狀況，對果樹霜凍害狀況診斷，并提供環(huán)境變化趨勢。果樹生產(chǎn)人員根據(jù)當前診斷狀況及環(huán)境趨勢，及時采取相應(yīng)補救措施，最大限度減少霜凍災(zāi)害影響。2.4 系統(tǒng)報警預(yù)警結(jié)合系統(tǒng)設(shè)定及果樹霜凍害診斷結(jié)果，在果樹生產(chǎn)管理中可結(jié)合環(huán)境變化進行監(jiān)測報警，及時提醒與督促用戶采取相應(yīng)措施，可及時防控和補救果樹霜凍害造成的損害。生產(chǎn)管理員可通過智能監(jiān)控信息平臺或基于移動端的智能應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)置果樹生產(chǎn)環(huán)境因素預(yù)警值，系統(tǒng)將結(jié)合實時獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)判斷是否需要報警。系統(tǒng)將同時結(jié)合最新設(shè)定的系統(tǒng)報警參數(shù)84和環(huán)境數(shù)據(jù)進行診斷，是否需要報警。如經(jīng)過診斷為需要報警狀況，則表明果樹生產(chǎn)環(huán)境出現(xiàn)較大變化，可能出現(xiàn)霜凍災(zāi)害，對果樹生長將造成不良影響。系統(tǒng)通過短信形式通知用戶，促進用戶對環(huán)境和設(shè)備的進行調(diào)控。系統(tǒng)報警流程如圖5所示。在本系統(tǒng)中，針對不同場合、不同用戶需求及應(yīng)用目的，分別研發(fā)提供了基于互聯(lián)網(wǎng)計算機、智能手機等移動設(shè)備等多種模式的操作設(shè)定方式，方便了用戶在多種條件下均能方便對環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測報警，提供了便利的輔助決策管理。系統(tǒng)多種模式的報警設(shè)置及瀏覽方式如圖6所示。3 應(yīng)用與展望目前該系統(tǒng)已開始推廣運行，結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有功耗低、精準度高、易使用、報警可靠等優(yōu)點。系統(tǒng)通過集成果樹監(jiān)測點之間無線聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“分布式監(jiān)測，集中式管理”的實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合計算圖4 基于多模式的果樹遠程智能監(jiān)控平臺(a)基于Web的果樹霜凍害遠程監(jiān)控 (b)基于Web的站點實況(c)基于Web的數(shù)據(jù)瀏覽 (d)基于Web的果樹花期霜凍害診斷(e)基于Android智能手機的監(jiān)控中心 (f)基于Android智能手機的數(shù)據(jù)瀏覽分析夏 于等：北方果樹霜凍害遠程監(jiān)控與報警系統(tǒng)初步研究與實現(xiàn) 85中國農(nóng)學(xué)通報 http:/www.casb.org.cn機技術(shù)、果樹防霜凍害技術(shù)，為果樹防霜凍害提供數(shù)據(jù)管理、智能診斷、自動報警的整套解決方案。系統(tǒng)高度集成微電子技術(shù)、無線傳感技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信等現(xiàn)代信息技術(shù)和果樹生產(chǎn)歷史經(jīng)驗，從防霜工程的角度解決果樹防霜問題，有效提高了果樹防霜抗凍的自動化、智能化水平，保證了果樹信息的精準監(jiān)控、實時報警。隨著系統(tǒng)的進一步深入研究優(yōu)化和推廣，將為果樹穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造更大的價值。圖5 短信報警流程圖6 多種模式的報警設(shè)置及瀏覽方式(a)基于Web的短信報警設(shè)置 (b)基于Web的短信報警記錄(c)基于移動端的報警設(shè)置及瀏覽 (d)短信報警信息86參考文獻1 楊建民,周懷軍,王文鳳.果樹霜凍害研究進展J.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,3:54-58.2 王惠琴.北方果樹春季霜凍危害分析及防控措施J.河北果樹,2015,2:49-50.3 張化民,張軍寬,張彥忠,等.果樹花期霜凍預(yù)防的成果及經(jīng)驗J.果樹實用技術(shù)與信息,2013(8):31-33.4 衣淑玉,史淑一,宮國欽.果樹開花期霜凍的危害及預(yù)防J.落葉果樹,2008,40(4):52-545 王靜,張曉煜,楊洋,等.寧夏主要果樹花器官及幼果霜凍臨界溫度比較研究J.北方園藝,2015,7:9-13.6 夏雪.基于3G網(wǎng)絡(luò)的蘋果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計D.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2014:6-14.7 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