智能家居设备联网和远程控制接口开发方案.doc

智能家居通过物联网技术，让家庭设备能连接互联网，实现远程控制。 #生活知识# #生活感悟# #科技生活变迁# #智能生活#

文档简介

智能家居设备联网和远程控制接口开发方案TOC\o"1-2"\h\u21023第一章概述394201.1项目背景363931.2项目目标3150471.3项目意义420880第二章系统需求分析4294502.1功能需求435342.1.1设备联网功能4281222.1.2远程控制功能4294052.1.3设备管理功能445552.1.4场景联动功能448152.1.5用户权限管理4325862.1.6数据统计与分析542112.2功能需求5106522.2.1响应速度5181502.2.2并发能力522182.2.3数据处理能力5150132.2.4系统容量5128802.3可靠性需求520862.3.1系统可用性5243352.3.2系统安全性5256682.3.3系统稳定性5156882.3.4系统可扩展性594742.3.5系统兼容性520340第三章系统架构设计5157283.1系统总体架构5135543.2硬件架构6117083.3软件架构731325第四章设备联网技术选型7124614.1联网技术概述7137124.2各类联网技术比较7312644.3联网技术选型84795第五章远程控制技术选型8138825.1远程控制技术概述8254035.2各类远程控制技术比较8141935.2.1蓝牙810405.2.2WiFi9290865.2.3ZigBee9248715.2.4NBIoT947725.3远程控制技术选型9173635.3.1功耗9198435.3.2传输速率9200085.3.3覆盖范围9211965.3.4成本9210145.3.5组网能力92503第六章系统模块设计10272536.1设备联网模块设计10306786.1.1联网方式选择10116226.1.2网络架构设计10286256.1.3联网流程设计10191176.2远程控制模块设计10126626.2.1控制方式选择11158596.2.2控制流程设计1184816.3数据处理模块设计11153836.3.1数据采集11169936.3.2数据存储11317296.3.3数据分析11133556.3.4数据展示1215918第七章关键技术研究1291497.1设备联网技术研究12218217.1.1设备联网概述1249667.1.2常用设备联网技术12136617.1.3设备联网技术选型13319577.2远程控制技术研究1357007.2.1远程控制概述13211527.2.2远程控制技术原理13151117.2.3远程控制技术实现方法13171707.3数据安全技术研究14230737.3.1数据安全概述14283087.3.2数据加密技术14119787.3.3身份认证技术1456717.3.4数据完整性保护技术14179257.3.5数据安全策略1410942第八章系统开发与实现15279098.1系统开发环境15114038.1.1硬件环境1550848.1.2软件环境153668.1.3开发工具15201198.2系统开发流程15256448.2.1需求分析15123338.2.2系统设计16230688.2.3代码编写16219948.2.4集成与调试16192988.2.5系统部署16284828.3系统测试与优化16312278.3.1功能测试16115698.3.2功能测试16138578.3.3优化与调整167562第九章系统部署与运维17252969.1系统部署17230219.1.1部署流程17131729.1.2部署注意事项17284759.2系统运维1751259.2.1运维内容17188709.2.2运维策略18305029.3故障处理1849239.3.1故障分类18250819.3.2故障处理流程1872249.3.3故障处理注意事项183010第十章总结与展望182796910.1项目总结182242710.2项目不足与改进192009210.3项目未来展望19第一章概述1.1项目背景科技的飞速发展，互联网技术的广泛应用，智能家居逐渐成为现代家庭生活的重要组成部分。智能家居设备能够为用户提供便捷、舒适、安全的居住环境，而设备联网和远程控制接口的开发成为实现智能家居功能的关键技术。我国政策对智能家居产业的大力扶持，以及消费者对智能家居产品需求的不断增长，为智能家居设备联网和远程控制接口的开发提供了广阔的市场空间。1.2项目目标本项目旨在开发一套智能家居设备联网和远程控制接口方案，实现以下目标：（1）实现智能家居设备之间的互联互通，满足用户对多样化智能家居产品的需求。（2）开发高效、稳定的远程控制接口，保证用户能够随时随地操控智能家居设备。（3）提高智能家居系统的安全性，防止未经授权的访问和操作。（4）优化用户界面，提升用户体验，使智能家居设备操作更加便捷、直观。（5）降低开发成本，提高智能家居产品市场竞争力。1.3项目意义本项目具有以下意义：（1）推动智能家居产业发展：通过开发智能家居设备联网和远程控制接口方案，有助于推动我国智能家居产业的发展，提高产业竞争力。（2）提升居民生活质量：智能家居设备能够为用户提供便捷、舒适、安全的居住环境，提升居民的生活质量。（3）促进科技创新：本项目涉及的技术领域广泛，包括物联网、云计算、大数据等，有助于促进科技创新和人才培养。（4）满足市场需求：消费者对智能家居产品的需求不断增长，本项目所开发的方案能够满足市场对智能家居设备联网和远程控制的需求。（5）提高企业竞争力：通过本项目的研究与实施，有助于企业掌握智能家居设备联网和远程控制的核心技术，提高企业竞争力。第二章系统需求分析2.1功能需求2.1.1设备联网功能系统需支持智能家居设备通过WiFi、蓝牙、ZigBee等无线通信协议与家庭网络进行连接，实现设备间的互联互通。2.1.2远程控制功能系统应提供用户通过移动端应用或Web端页面，实现远程查看和控制智能家居设备的功能。2.1.3设备管理功能系统需具备设备管理功能，包括设备注册、设备信息修改、设备状态查询、设备升级等。2.1.4场景联动功能系统应支持用户自定义场景，实现智能家居设备之间的联动，如：当温度超过设定值时，自动开启空调。2.1.5用户权限管理系统需提供用户权限管理功能，包括用户注册、登录、密码修改、权限设置等。2.1.6数据统计与分析系统应具备数据统计与分析功能，为用户提供设备使用数据、能耗分析等。2.2功能需求2.2.1响应速度系统在处理用户请求时，响应时间不应超过2秒，保证用户体验。2.2.2并发能力系统需支持至少100个用户同时在线操作，保证系统稳定运行。2.2.3数据处理能力系统应具备较强的数据处理能力，能够实时处理大量设备数据，并进行统计分析。2.2.4系统容量系统应具备足够的容量，支持不断增长的智能家居设备接入。2.3可靠性需求2.3.1系统可用性系统需保证99.99%的可用性，保证用户在任何时间都能正常使用。2.3.2系统安全性系统应具备较高的安全性，防止外部攻击和内部数据泄露，保证用户隐私和设备安全。2.3.3系统稳定性系统需具备良好的稳定性，保证在负载波动、网络波动等恶劣环境下，仍能正常运行。2.3.4系统可扩展性系统应具备良好的可扩展性，便于后期添加新功能、支持更多设备接入等。2.3.5系统兼容性系统需兼容主流操作系统、浏览器和智能家居设备，满足不同用户的需求。第三章系统架构设计3.1系统总体架构本节主要阐述智能家居设备联网和远程控制接口开发方案的系统总体架构。系统总体架构主要包括以下几个部分：（1）用户界面层：负责与用户进行交互，提供用户操作界面，包括移动应用、Web页面等。（2）应用服务层：负责处理用户请求，实现智能家居设备的管理、控制、数据采集等功能。（3）设备接入层：负责将各种智能家居设备通过网络连接到系统中，实现设备与系统的通信。（4）数据处理层：负责对采集到的设备数据进行处理、分析、存储，为用户提供数据支持和决策依据。（5）网络传输层：负责实现各个层次之间的数据传输，保证数据安全、高效地传输。系统总体架构图如下：用户界面层应用服务层设备接入层^^数据处理层<网络传输层3.2硬件架构本节主要介绍智能家居设备联网和远程控制接口开发方案的硬件架构。硬件架构主要包括以下几个部分：（1）智能家居设备：包括各种传感器、控制器、执行器等，用于实现家庭环境的智能监控和控制。（2）网络设备：包括路由器、交换机、无线接入点等，用于实现家庭内部网络及与外部网络的连接。（3）数据采集设备：用于采集家庭环境中的各种数据，如温度、湿度、光照等。（4）数据处理设备：用于对采集到的数据进行处理、分析和存储。（5）控制设备：用于接收用户指令，对智能家居设备进行控制。硬件架构图如下：智能家居设备数据采集设备数据处理设备^^控制设备<网络设备3.3软件架构本节主要介绍智能家居设备联网和远程控制接口开发方案的软件架构。软件架构主要包括以下几个部分：（1）用户界面模块：负责实现与用户的交互，提供操作界面。（2）应用服务模块：负责实现智能家居设备的管理、控制、数据采集等功能。（3）设备接入模块：负责将各种智能家居设备通过网络连接到系统中，实现设备与系统的通信。（4）数据处理模块：负责对采集到的设备数据进行处理、分析、存储。（5）网络传输模块：负责实现各个层次之间的数据传输。软件架构图如下：用户界面模块应用服务模块设备接入模块^^数据处理模块<网络传输模块第四章设备联网技术选型4.1联网技术概述科技的发展，智能家居设备逐渐走进千家万户。设备联网技术作为智能家居系统的基石，为用户提供便捷的远程控制体验。联网技术主要分为有线和无线两大类，其中无线联网技术因其便捷性和灵活性在智能家居领域得到了广泛应用。无线联网技术主要包括WiFi、蓝牙、ZigBee、LoRa等。4.2各类联网技术比较（1）WiFiWiFi技术具有传输速度快、覆盖范围广、兼容性强等优点，已成为智能家居设备联网的主流技术。但是WiFi功耗相对较高，对设备电池续航能力有一定影响。（2）蓝牙蓝牙技术具有低功耗、低成本、易于实现等优点，适用于短距离通信。在智能家居设备中，蓝牙主要用于设备之间的配对和连接，如智能音响、智能门锁等。（3）ZigBeeZigBee技术是一种低功耗、低成本、低速率的无线通信技术，适用于大规模的物联网应用。ZigBee网络具有自组网、多跳传输等特点，适用于智能家居设备间的组网。（4）LoRaLoRa技术具有长距离、低功耗、低成本等优点，适用于远距离的物联网通信。在智能家居领域，LoRa可用于远程监控和控制设备。4.3联网技术选型根据智能家居设备的特点和需求，以下为几种联网技术的选型建议：（1）对于传输速度要求较高的设备，如智能电视、智能投影仪等，可选择WiFi技术。（2）对于功耗敏感的设备，如智能手环、智能手表等，可选择蓝牙技术。（3）对于需要大规模组网的设备，如智能照明、智能安防等，可选择ZigBee技术。（4）对于远距离通信的设备，如远程监控系统、智能抄表等，可选择LoRa技术。根据具体应用场景和需求，合理选择联网技术，为智能家居设备提供稳定、高效的联网方案。第五章远程控制技术选型5.1远程控制技术概述科技的不断进步，远程控制技术在智能家居设备领域发挥着越来越重要的作用。远程控制技术是指通过无线信号或其他传输方式，实现用户对设备进行远程操作和控制的技术。在智能家居系统中，远程控制技术使得用户可以随时随地操控家中的设备，提高生活品质和便捷性。5.2各类远程控制技术比较目前常见的远程控制技术主要包括以下几种：蓝牙、WiFi、ZigBee、NBIoT等。以下对这几种技术进行比较。5.2.1蓝牙蓝牙是一种无线技术标准，用于短距离的数据交换。其优点是功耗低、成本低、易于实现；缺点是传输距离短、速率慢、穿透力差。5.2.2WiFiWiFi是一种基于无线局域网的技术，传输速率快、覆盖范围广。其优点是传输速率高、稳定性好；缺点是功耗较高、成本较高、穿透力一般。5.2.3ZigBeeZigBee是一种低功耗、低速率的无线通信技术，适用于智能家居等低功耗场景。其优点是功耗低、成本低、组网能力强；缺点是传输速率慢、覆盖范围有限。5.2.4NBIoTNBIoT（窄带物联网）是一种针对物联网应用的低功耗、低成本、低速率的通信技术。其优点是功耗低、成本低、覆盖范围广；缺点是传输速率慢、不支持高速数据传输。5.3远程控制技术选型根据以上比较，我们可以从以下几个方面进行远程控制技术的选型：5.3.1功耗在智能家居设备中，功耗是一个重要考虑因素。蓝牙和ZigBee技术的功耗较低，适合低功耗设备的使用。5.3.2传输速率传输速率决定了数据传输的快慢。WiFi技术的传输速率较高，适合对传输速度有较高要求的场景。5.3.3覆盖范围覆盖范围决定了设备的使用范围。WiFi和NBIoT技术的覆盖范围较广，适合大范围部署。5.3.4成本成本是影响产品市场竞争力的关键因素。蓝牙和ZigBee技术的成本较低，有利于降低产品成本。5.3.5组网能力组网能力决定了设备的互联能力。ZigBee技术具有较好的组网能力，适用于智能家居等设备互联场景。综合以上因素，我们可以根据实际应用需求，选择合适的远程控制技术。例如，在智能家居设备中，可以采用蓝牙或ZigBee技术进行远程控制，以降低功耗和成本；在需要高速数据传输的场景中，可以选择WiFi技术；在需要广覆盖范围的应用中，可以选择NBIoT技术。第六章系统模块设计6.1设备联网模块设计物联网技术的不断发展，智能家居设备的联网功能显得尤为重要。本节主要介绍设备联网模块的设计方案。6.1.1联网方式选择在设备联网模块设计中，首先需要选择合适的联网方式。目前常用的联网方式有WiFi、蓝牙、ZigBee、NBIoT等。本项目采用WiFi联网方式，原因如下：（1）WiFi技术成熟，覆盖范围广，传输速率高；（2）绝大多数智能家居设备均支持WiFi联网；（3）WiFi模块成本相对较低。6.1.2网络架构设计设备联网模块的网络架构采用分布式设计，主要包括以下几个部分：（1）设备端：负责设备自身功能实现，如环境监测、设备控制等；（2）路由器：作为家庭网络的核心，连接各个设备并实现数据传输；（3）服务器：负责存储和处理设备数据，提供远程访问和控制接口；（4）用户端：通过手机APP或其他终端设备实现远程控制和数据查看。6.1.3联网流程设计设备联网流程主要包括以下步骤：（1）设备启动：设备上电后，自动进入联网模式；（2）联网配置：用户通过手机APP或其他终端设备进行联网配置，包括输入WiFi密码等；（3）网络接入：设备成功连接到WiFi网络；（4）数据传输：设备将采集的数据至服务器，同时接收服务器下发的控制指令。6.2远程控制模块设计远程控制模块是智能家居系统的核心功能之一，本节主要介绍远程控制模块的设计方案。6.2.1控制方式选择本项目采用HTTP协议进行远程控制，原因如下：（1）HTTP协议成熟可靠，易于实现；（2）支持多种编程语言，便于开发；（3）可以方便地与其他系统进行集成。6.2.2控制流程设计远程控制流程主要包括以下步骤：（1）用户发起控制请求：用户通过手机APP或其他终端设备发起控制请求；（2）服务器接收请求：服务器接收用户请求，并进行处理；（3）服务器发送控制指令：服务器根据用户请求，控制指令并发送给设备；（4）设备执行控制指令：设备接收到控制指令后，执行相应操作；（5）反馈执行结果：设备将执行结果返回给服务器，服务器再返回给用户。6.3数据处理模块设计数据处理模块是智能家居系统的重要组成部分，主要负责对设备采集的数据进行处理和分析。以下为数据处理模块的设计方案。6.3.1数据采集数据采集模块负责从各个设备收集实时数据，包括环境参数、设备状态等。数据采集方式有主动上报和被动查询两种：（1）主动上报：设备定时将采集的数据发送至服务器；（2）被动查询：服务器主动向设备发送查询请求，设备返回当前数据。6.3.2数据存储数据存储模块负责将采集的数据存储在服务器上，以便后续分析和处理。本项目采用关系型数据库进行数据存储，包括以下几个部分：（1）设备信息表：存储设备的基本信息，如设备ID、设备类型等；（2）数据记录表：存储设备实时采集的数据；（3）用户信息表：存储用户的基本信息，如用户名、密码等。6.3.3数据分析数据分析模块负责对采集的数据进行实时处理和分析，主要包括以下几个方面：（1）数据清洗：去除无效、异常数据；（2）数据统计：计算各设备、各时间段的数据总和、平均值等；（3）数据挖掘：找出数据中的规律和趋势；（4）报警提醒：根据数据分析结果，对异常情况进行报警提醒。6.3.4数据展示数据展示模块负责将数据分析结果以图表、文字等形式展示给用户，便于用户了解设备运行状况。展示方式包括：（1）实时数据展示：实时显示设备采集的数据；（2）历史数据展示：展示设备历史数据曲线、柱状图等；（3）报警信息展示：展示设备报警记录及处理情况。第七章关键技术研究7.1设备联网技术研究7.1.1设备联网概述物联网技术的快速发展，智能家居设备联网已成为智能家居系统的重要组成部分。设备联网技术是指将各种智能设备通过网络连接起来，实现信息的交互与共享。本节主要研究智能家居设备联网的常用技术及其特点。7.1.2常用设备联网技术（1）WiFi技术WiFi技术是一种基于无线局域网（WLAN）的无线通信技术，具有传输速率高、覆盖范围广、部署方便等优点。在智能家居设备联网中，WiFi技术已成为主流的连接方式。（2）蓝牙技术蓝牙技术是一种短距离的无线通信技术，具有低功耗、低成本、易于实现等优点。在智能家居设备联网中，蓝牙技术适用于连接距离较近的设备。（3）ZigBee技术ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准的无线通信技术，具有低功耗、低成本、组网能力强等优点。在智能家居设备联网中，ZigBee技术适用于连接距离较远、数量较多的设备。（4）LoRa技术LoRa技术是一种低功耗、长距离的无线通信技术，具有传输距离远、信号穿透能力强等优点。在智能家居设备联网中，LoRa技术适用于连接距离较远、环境复杂的设备。7.1.3设备联网技术选型根据智能家居设备的特点，选择合适的设备联网技术是关键。在选择设备联网技术时，需考虑以下因素：（1）传输速率：根据设备的数据传输需求，选择具有较高传输速率的联网技术。（2）覆盖范围：根据设备的部署环境，选择具有较广覆盖范围的联网技术。（3）功耗：根据设备的功耗要求，选择具有低功耗的联网技术。（4）成本：根据设备的成本预算，选择具有较低成本的联网技术。7.2远程控制技术研究7.2.1远程控制概述远程控制技术是智能家居系统的核心功能之一，用户可以通过智能终端对智能家居设备进行远程操控。本节主要研究智能家居远程控制技术的原理及其实现方法。7.2.2远程控制技术原理远程控制技术基于客户端/服务器（C/S）架构，主要包括以下几个环节：（1）客户端发送控制指令：用户通过智能终端（如手机、平板电脑等）发送控制指令。（2）服务器接收并处理控制指令：服务器接收客户端发送的控制指令，并进行相应的处理。（3）服务器向设备发送控制指令：服务器将处理后的控制指令发送给智能家居设备。（4）设备执行控制指令：智能家居设备接收到控制指令后，执行相应的操作。7.2.3远程控制技术实现方法（1）基于HTTP协议的远程控制基于HTTP协议的远程控制通过发送HTTP请求来实现，具有实现简单、易于部署等优点。（2）基于WebSocket协议的远程控制基于WebSocket协议的远程控制可以实现双向通信，适用于实时性要求较高的场景。（3）基于MQTT协议的远程控制基于MQTT协议的远程控制适用于低功耗、低带宽的网络环境，具有传输效率高等优点。7.3数据安全技术研究7.3.1数据安全概述在智能家居系统中，数据安全。数据安全主要包括数据加密、身份认证、数据完整性保护等方面。7.3.2数据加密技术数据加密技术是将数据按照一定的算法进行加密处理，以保护数据在传输过程中的安全性。常用的数据加密技术包括对称加密、非对称加密和混合加密等。7.3.3身份认证技术身份认证技术用于保证用户身份的合法性。常用的身份认证技术包括密码认证、数字证书认证和生物识别认证等。7.3.4数据完整性保护技术数据完整性保护技术用于保证数据在传输过程中不被篡改。常用的数据完整性保护技术包括数字签名、哈希函数和MAC等。7.3.5数据安全策略在智能家居系统中，应采取以下数据安全策略：（1）使用加密算法对数据进行加密处理。（2）采用身份认证技术保证用户身份的合法性。（3）采用数据完整性保护技术保证数据在传输过程中的安全性。（4）定期更新密码和数字证书，提高系统的安全性。（5）对系统进行安全审计，及时发觉并处理安全隐患。第八章系统开发与实现8.1系统开发环境本节主要介绍智能家居设备联网和远程控制接口开发方案的系统开发环境，包括硬件环境、软件环境及开发工具。8.1.1硬件环境系统开发所需的硬件环境主要包括以下设备：（1）开发主机：具备较高功能的计算机，用于运行开发软件、编译代码及调试程序。（2）智能家居设备：包括各种传感器、控制器、执行器等硬件设备，用于实现智能家居功能。（3）网络设备：包括路由器、交换机等，用于构建网络环境，实现设备间的互联互通。8.1.2软件环境系统开发所需的软件环境主要包括以下部分：（1）操作系统：Windows、Linux等操作系统，用于安装开发工具和运行开发环境。（2）编程语言：C、Python、Java等编程语言，用于编写系统控制接口程序。（3）数据库：MySQL、SQLite等数据库，用于存储和管理系统数据。8.1.3开发工具系统开发所需的开发工具主要包括以下软件：（1）集成开发环境（IDE）：VisualStudio、Eclipse、PyCharm等，用于编写、调试和运行程序。（2）版本控制工具：Git、SVN等，用于代码管理和团队协作。（3）网络调试工具：Wireshark、Fiddler等，用于分析网络数据，调试网络通信。8.2系统开发流程本节主要介绍智能家居设备联网和远程控制接口开发方案的系统开发流程。8.2.1需求分析根据智能家居系统的功能需求，明确系统所需实现的基本功能和功能指标。8.2.2系统设计（1）硬件设计：根据需求分析，选择合适的硬件设备，设计系统硬件架构。（2）软件设计：设计系统软件架构，包括模块划分、接口定义、数据交互等。8.2.3代码编写根据系统设计，编写各个模块的代码，实现系统功能。8.2.4集成与调试将各个模块代码集成到一起，进行功能测试和调试，保证系统正常运行。8.2.5系统部署将开发完成的系统部署到实际运行环境中，进行现场调试和优化。8.3系统测试与优化本节主要介绍智能家居设备联网和远程控制接口开发方案的系统测试与优化。8.3.1功能测试对系统进行全面的功能测试，保证各个功能模块正常运行。（1）设备注册与认证：测试设备注册、认证流程，保证设备能够正常加入网络。（2）数据采集与：测试传感器数据采集、功能，保证数据准确性。（3）控制指令下发：测试控制指令下发功能，保证执行器能够正确执行指令。（4）远程控制：测试远程控制功能，保证用户能够通过远程终端对智能家居设备进行控制。8.3.2功能测试对系统进行功能测试，评估系统在高并发、大数据量等场景下的表现。（1）数据处理能力：测试系统对大量数据处理的功能，保证系统稳定运行。（2）响应速度：测试系统响应速度，保证用户体验。（3）系统稳定性：测试系统在长时间运行下的稳定性，避免出现故障。8.3.3优化与调整根据测试结果，对系统进行优化与调整，提高系统功能。（1）数据存储优化：优化数据库设计，提高数据存储效率。（2）网络通信优化：优化网络通信协议，提高通信效率。（3）系统资源管理：优化系统资源分配，提高系统运行效率。第九章系统部署与运维9.1系统部署9.1.1部署流程在智能家居设备联网和远程控制接口的开发完成后，系统部署是保证系统正常运行的关键环节。以下是系统部署的流程：（1）硬件设备准备：保证所有智能家居设备均符合技术规范，并已完成硬件安装。（2）软件部署：根据系统需求，将服务器、数据库、应用软件等部署到指定的硬件设备上。（3）网络配置：根据实际需求，对网络进行规划，配置IP地址、子网掩码、网关等参数。（4）系统初始化：在服务器上安装和配置操作系统、数据库管理系统、应用服务器等。（5）应用部署：将开发完成的应用程序部署到服务器上，并进行配置。（6）测试与优化：对部署后的系统进行测试，保证系统稳定、可靠、高效。9.1.2部署注意事项（1）保证硬件设备质量，避免因硬件故障导致系统不稳定。（2）合理规划网络，保证网络稳定可靠。（3）做好数据备份，防止数据丢失。（4）遵循安全规范，保证系统安全。9.2系统运维9.2.1运维内容系统运维主要包括以下内容：（1）硬件设备运维：定期检查硬件设备，保证设备正常运行。（2）软件运维：定期检查软件版本，进行升级和更新。（3）网络运维：监控网络状态，保证网络稳定可靠。（4）数

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