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研究生:陳世昌
研究生(外文):Shih-Chang Chen
論文名稱:數位電子式空氣呼吸器及其無線監控系統之設計與實作
論文名稱(外文):Design and Implementation of a Digital Electronic Self-contained Breathing Apparatus and Its Wireless Monitoring System
指導教授:吳俊賢吳俊賢引用關係
指導教授(外文):Chun-Hsien Wu
口試委員:張文鐘紀人豪吳俊賢
口試委員(外文):Wen-Thong ChangJen-Hao ChiChun-Hsien Wu
口試日期:2014-01-16
學位類別:碩士
校院名稱:亞洲大學
系所名稱:光電與通訊學系碩士在職專班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:169
中文關鍵詞:空氣呼吸器電子式空氣呼吸器消防人員Arduino
外文關鍵詞:Self-contained breathing apparatusdigital electronic SCBAfirefighterArduino
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空氣呼吸器是提供救災人員呼吸所需空氣之重要裝備。當災害現場環境氧氣不足或空氣中瀰漫危害人體有毒及有害物質時,空氣呼吸器能提供救災人員充足空氣以利持續進行救援行動。然而,救災人員自身教育訓練不足、不當使用空氣呼吸器或有操作疏失時,均可能造成救災人員自身傳出傷亡之憾事。依據近十年國內消防人員背負空氣呼吸器進入火場搶救殉職案例顯示,國內消防人員現行使用之傳統式空氣呼吸器的功能性與安全性明顯不足。此外功能性與安全性較佳之國外電子式空氣呼吸器因每套造價高昂,國內各地消防機關囿於各縣市政府財政窘困及有限經費預算,並無法負荷購置數位電子式空氣呼吸器所需之龐大經費。有鑑於此,本論文研究乃針對國內消防機關現行使用之傳統空氣呼吸器進行全面「電子化」及「數位化」設計與製作,並提出建立「火場安全無線監控系統」,期以低廉建置成本,提升消防人員使用該項設備之安全。
本論文研究之「數位式告警裝置」乃建立於Arduino硬體開放平台,提出加裝壓力、溫度、加速度感測器及無線射頻辨識模組等組件,並結合液晶顯示器以提供空氣呼吸器氣瓶殘壓、剩餘可使用時間、週界溫度及設備已使用時間等資訊予災害現場救災人員判讀。另外,前揭「數位式告警裝置」內建聲光警示裝置可自動發佈殘壓不足警報及人員未活動求救警報等。進一步地,「數位式告警裝置」之無線數據傳收模組可將上開各項即時資訊同步傳輸至火場外之數位式管制平台。藉由本論文研究自行開發設計之全中文監控程式介面,此平台得以接收處理上述各項資訊,並於平台顯示氣瓶剩餘壓力、剩餘時間、任務經過時間及緊急求救訊號等訊息,以隨時監控救災人員安全。
本論文研究所提之「火場安全無線監控系統」內各組件經實際測試各項功能,已驗證大部分功能可符合國內消防機關數位電子式空氣呼吸器採購規範,且經與現有數位電子式空氣呼吸器比較,本論文研究數位電子化空氣呼吸器之特點可整理如下:(1)使用全中文化的數位管制平台,軟體介面較為親和,且保留後續客制化修改彈性。(2)數位管制平台可藉由連結之資料庫顯示消防人員基本資料、相片等資訊。(3)連結之無線數據傳收模組功率較大,有效傳輸距離較遠。(4)抬頭顯示器功能以數字顯示壓力值較為精準。(5)實現電子化功能的建置成本十分低廉。惟本論文研究之「數位式告警裝置」等構成組件,尚未符合(i)Ex ia IIC T4等級或同等級標準之防水與防爆之安全設計及(ii)EN137或NIOSH/NFPA之相關安全標準要求。未來依本論文研究所製之「數位式告警裝置」將進一步改進以達標準(i)及(ii)要求。

Self-contained breathing apparatus (SCBA) is a critical equipment that supplies breathable air for firefighters. When the fire scene is lack of oxygen or fills with toxic and hazardous substances, SCBA plays an important role in supplying sufficient fresh air for firefighters to consistently execute the rescue work. However, the firefighters, lacking of education and training or improperly operating the SCBA, could lead to unfortunate casualties of their own and a catastrophic consequence. Based on nearly a decade of which domestic firefighters carry SCBA to enter the fire scene to rescue killed on duty cases, traditional SCBAs are obviously shown to provide less security and have functionality deficiencies. On the other hand, a digital electronic SCBA which has better security and functionality is much more expensive when compared with the traditional SCBA. The local fire departments around the country are generally suffered from tight budget, large funding required to upgrade the existing SCBA is unlikely to be approved. Hence, this thesis investigates to digitize the existing SCBA, and then build a platform of real-time "Fire Safety Wireless Monitoring System" with low implementation cost for targeting to provide a better safety for firefighters when using SCBA.
The proposed "Electronic Alarm Device" is built on "Arduino", an open-source electronic hardware prototyping platform. A proposal to add pressure, temperature and acceleration sensors, and radio frequency identification (RFID) system onto a SCBA is presented. In this digitized SCBA, information such as remaining pressure, air remaining time, equipment time usage and surrounding temperature are displayed on a LCD screen. Besides, "Electronic Alarm Device" built-in sound and light warning device can automatically release low cylinder pressure alert and Personal Alert Safety System (PASS) alarm. Furthermore, the transceiver module of "Electronic Alarm Device" can send and receive real-time information which can synchronously transfers to a digitized control platform of outside the fire scene. The built digitized control platform of this thesis is a self-developed design and uses Chinese characters interfaces. It processes all the reveived information and displays all sensor reading such as remaining pressure, air remaining time, mission time and emergency signal of each individual firefighter. With above designs, the safety of each firefighter can be continuously monitored in real time.
Finally, the proposed "Fire Safety Wireless Monitoring System" through the various functions of each component test can be verified by fire department which has already met the domestic electronic SCBA procurement specification. Compared with other existing electronic SCBA, the proposed digital electronic SCBA has the following characteristics: (1) Using full Chinese control culture platforms, the software interfaces of full use of Chinese are much friendly and retain flexibility to modify the subsequent customization. (2) Digital control platform can be linked database shows firefighters’ basic information such as photos and other information. (3) The output power of transceiver module is higher and effective transmission distance is farther. (4) HUD features a digital display pressure values are more accurate. (5) The build cost of realization of electronic functions is much lower. Except for above advantages of the proposed system, however, the components of the propsoed "Electronic Alarm Device" have not yet complied with Ex ia IIC T4 level (or equivalent standard waterproof, or explosion-proof safety design), and with EN137 (or NIOSH / NFPA) associated security standards. In the future, this reserach of "Electronic Alarm Device" will be further improved to achieve above standards.

目 錄
中文摘要 I
英文摘要 III
誌謝 VI
目錄 VII
圖目錄 XII
表目錄 XXIII
第一章、緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 國內外文獻探討 9
1.3 研究目的 17
第二章、火場安全無線監控系統之硬體規劃與設計 20
2.1 火場安全無線監控系統架構介紹 20
2.1.1 數位式告警裝置 21
2.1.2 抬頭顯示器 23
2.1.3 數位式管制平台 23
2.1.4 Arduino介面控制板 24
2.2 應用感測器模組介紹 28
2.2.1 無線射頻辨識模組 28
2.2.2 壓力感測模組 31
2.2.3 溫度感測模組 34
2.2.4 加速度感測模組 36
2.2.5 電壓感測模組 40
2.2.6 液晶顯示模組 43
2.2.7 即時時鐘模組 46
2.2.8 記憶卡讀寫儲存模組 48
2.2.9 聲光警示模組 50
2.2.10 藍芽模組 53
2.3 數位式告警裝置 57
2.3.1 無線數據傳收模組 57
2.3.2 數位式告警裝置硬體整合規劃 66
2.4 抬頭顯示器 70
2.4.1 抬頭顯示模組 70
2.4.2 抬頭顯示器硬體整合規劃 73
2.5 數位式管制平台 75
第三章、火場安全無線監控系統之軟體規劃與設計 77
3.1 Arduino開放硬體平台之軟體開發環境 77
3.2 應用於數位式告警裝置之軟體設計 79
3.2.1 數位式告警裝置程式之初始化 79
3.2.2 數位式告警裝置程式主要功能 82
3.3 應用於抬頭顯示器之軟體設計 86
3.4 火場安全無線監控系統之資料傳輸協定 88
3.4.1 非同步串列通訊UART介紹 88
3.4.2 資料傳輸協定 90
3.4.3 火場安全無線監控系統之資料傳輸測試 91
3.5 應用於數位式管制平台之軟體設計 93
3.5.1 Visual Basic v6.0開發工具 93
3.5.2 數位式管制平台程式主要功能 94
第四章、火場安全無線監控系統測試 99
4.1 系統硬體裝置整合製作 99
4.1.1 數位式告警裝置硬體製作 99
4.1.2 抬頭顯示器硬體製作 105
4.1.3 數位式管制平台硬體製作 107
4.2 系統功能測試 108
4.2.1 人員登入登出管制測試 109
4.2.2 氣瓶初始壓力值檢核測試 116
4.2.3 數位式告警裝置基本操作測試 119
4.2.4 氣瓶壓力感測及抬頭顯示器功能測試 123
4.2.5 週界溫度感測測試 128
4.2.6 電池電壓感測測試 130
4.2.7 救命器動作測試 133
4.2.8 人員召回測試 135
4.2.9 操作歷程檔案檢視 138
第五章、結論與建議 141
5.1 結論 141
5.2 建議 144
參考文獻 147
附錄 150
附錄A 國內數位電子式空氣呼吸器採購規範節錄 150
附錄B Arduino Mega 2560規格概要 152
附錄C Arduino Mega 2560接腳排列圖 153
附錄D Arduino Nano規格概要 154
附錄E Arduino Nano接腳排列圖 155
附錄F RDM6300無線射頻辨識模組相關規格概要 156
附錄G HYDZ-800壓力感測模組規格概要 156
附錄H LM35規格概要 157
附錄I MMA7631加速度感測模組規格概要 157
附錄J 電壓感測模組規格概要 157
附錄K VG12864Z-GYY-B5繪圖型液晶模組規格概要 158
附錄L VG12864Z-GYY-B5繪圖型液晶模組針腳功能 159
附錄M VG12864Z-GYY-B5繪圖型液晶模組背光元件資料 159
附錄N 藍芽模組規格 160
附錄O USB轉TTL電位模組發送AT Command命令流程 161
附錄P 常用AT Command指令集說明 162
附錄Q RS232 HI POWER無線數據傳收模組相關規格概要 163
附錄R 高功率無線數據傳收模組參數設定流程 164
附錄S ASCII碼字元對照表 169

圖目錄
圖1.1 空氣呼吸器構成組件(傳統式) 3
圖1.2 數位電子式空氣呼吸器 7
圖1.3 數位式管制平台(嵌入式 7
圖1.4 數位式管制平台(PC式) 7
圖1.5 各式個人安全警報系統 8
圖1.6 抬頭顯示器 10
圖1.7 抬頭顯示器視覺信號 11
圖1.8 火場安全無線監控系統動作概念圖 17
圖2.1 火場安全無線監控系統架構圖 20
圖2.2 Arduino Mega 2560前視圖 26
圖2.3 Arduino Mega 2560後視圖 26
圖2.4 Arduino Nano前視圖 28
圖2.5 Arduino Nano後視圖 28
圖2.6 RDM6300無線射頻辨識模組暨標籤(Tag)外觀圖 30
圖2.7 空氣呼吸器氣瓶輸氣流程圖 32
圖2.8 空氣呼吸器機械式壓力表(移除前後) 32
圖2.9 HYDZ-800壓力感測模組(與高壓軟管連接前後) 33
圖2.10 LM35構造暨電壓溫度變化圖 35
圖2.11 LM35溫度感測模組外觀圖 36
圖2.12 MMA7631加速度感測模組外觀圖 37
圖2.13 MMA7631 X、Y、Z 三個軸所對應的方向關係圖 38
圖2.14 1g時MMA7361模組放置的各種位置的三軸理論輸出電壓值 39
圖2.15 MMA7631加速度感測模組主要接腳定義圖 40
圖2.16 電子積木模組化之電壓感測模組 42
圖2.17 電阻分壓原理圖 42
圖2.18 VG12864Z-GYY-B5繪圖型液晶顯示模組前視圖 44
圖2.19 VG12864Z-GYY-B5繪圖型液晶顯示模組後視圖 44
圖2.20 2N2222 NPN電晶體接腳圖 46
圖2.21 DS1307實時時鐘模組外觀圖 47
圖2.22 SD卡讀寫儲存模組外觀圖 49
圖2.23 蜂鳴片與共振腔示意圖 50
圖2.24 MY-103型蜂鳴警報器外觀及其內部之蜂鳴警報器模組 51
圖2.25 12顆紅光5050 SMD LED模組及閃爍器模組 52
圖2.26 TP120 NPN電晶體接腳圖 53
圖2.27 藍芽模組主機外觀圖 54
圖2.28 藍芽模組從機外觀圖 54
圖2.29 USB轉TTL電位模組發送AT Command 55
圖2.30 擷取資料傳遞過程圖 56
圖2.31 RS232 HI POWER無線數據傳收模組外觀圖 58
圖2.32 RS232 HI POWER無線數據傳收模組連接示意圖 58
圖2.33 RS232 HI POWER無線數據傳收模組內部方塊圖 59
圖2.34 COMDemo程式操作畫面 59
圖2.35 無線數據傳收模組通訊方式示意圖 60
圖2.36 DB9公母接頭接腳示意圖 63
圖2.37 RS-232邏輯電位示意圖 64
圖2.38 TTL邏輯電位示意圖 64
圖2.39 RS232轉TTL模組外觀圖 65
圖2.40 DB9雙公接頭簡易跳線連接示意暨DB9雙公接頭外觀圖 65
圖2.41 數位式告警裝置輸入、輸出外觀組件配置規劃圖 66
圖2.42 Arduino Mega 2560介面控制板各腳位控制線路方塊圖 67
圖2.43 數位式告警裝置各組件線路圖 69
圖2.44 7段顯示器接點圖 71
圖2.45 四位7段顯示器模組外觀圖 71
圖2.46 四位7段顯示器模組原理電路圖 72
圖2.47 抬頭顯示器設置位置暨組件配置規劃圖 73
圖2.48 抬頭顯示器各組件線路圖 74
圖2.49 數位式管制平台各組件線路圖 75
圖2.50 USB轉RS-232介面傳輸線外觀圖 76
圖3.1 Arduino IDE 執行畫面 78
圖3.2 數位式告警裝置軟體架構 79
圖3.3 數位式告警裝置之初始工作流程圖 81
圖3.4 LCD液晶顯示器模式一及模式二畫面顯示資訊規劃 84
圖3.5 數位式告警裝置主要工作流程圖 85
圖3.6 抬頭顯示器軟體架構 86
圖3.7 抬頭顯示器工作流程圖 87
圖3.8 串列傳輸(左)與並列傳輸(右) 88
圖3.9 非同步傳輸 89
圖3.10 windows超級終端機接收數據資料測試驗證 92
圖3.11 Arduino serial monitor接收數據資料測試驗證 92
圖3.12 視覺化程式開發工具Microsoft Visual Basic v6.0 94
圖3.13 數位式管制平台程式工作流程圖 95
圖3.14 數位式管制平台程式程式主畫面配置規劃圖 96
圖4.1 使用麵包板將Arduino介面控制板與各感測模組線路連結測試 100
圖4.2 數位式告警裝置主體部分內部下層之硬體 101
圖4.4 數位式告警裝置主體部分製作完工內部硬體 102
圖4.5 數位式告警裝置主體部分完工外觀 103
圖4.6 數位式告警裝置無線數據傳收器內部硬體 104
圖4.7 數位式告警裝置與空氣呼吸器整合外觀 104
圖4.8 抬頭顯示器製作完工外觀 105
圖4.9 抬頭顯示器整合至空氣呼吸器面罩製作完工外觀照片 106
圖4.10 抬頭顯示器整合至空氣呼吸器面罩外觀 106
圖4.11 數位式管制平台用之無線數據傳收器內部硬體 107
圖4.12 數位式管制平台外觀 108
圖4.13 已建檔識別卡登入管制測試-數位式告警裝置端畫面 109
圖4.14 已建檔識別卡登入管制測試-數位式管制平台端畫面 110
圖4.15 未建檔識別卡登入管制測試-數位式告警裝置端畫面 110
圖4.16 未建檔識別卡登入管制測試-數位式管制平台端畫面 111
圖4.17 未使用識別卡登入管制測試-數位式告警裝置端畫面(1) 111
圖4.18 未使用識別卡登入管制測試-數位式告警裝置端畫面(2) 112
圖4.19 未使用識別卡登入管制測試-數位式管制平台端畫面 112
圖4.20 人員登入管制失敗測試-數位式告警裝置端畫面 113
圖4.21 人員自行登出管制測試-數位式告警裝置端畫面(1) 113
圖4.22 人員自行登出管制測試-數位式管制平台端畫面 114
圖4.23 人員自行登出管制測試-數位式告警裝置端畫面(2) 114
圖4.24 系統登出管制測試-數位式管制平台端畫面(1) 115
圖4.25 系統登出管制測試-數位式管制平台端畫面(2) 115
圖4.26 系統登出管制測試-數位式告警裝置端畫面 116
圖4.27 初始壓力值236bar檢核測試 -數位式告警裝置端畫面(1) 117
圖4.28 初始壓力值236bar檢核測試 -數位式告警裝置端畫面(2) 117
圖4.29 初始壓力值236bar檢核測試-數位式管制平台端畫面 118
圖4.30 初始壓力值45bar檢核測試 -數位式告警裝置端畫面(1) 118
圖4.31 初始壓力值45bar檢核測試 -數位式告警裝置端畫面(2) 119
圖4.32 初始壓力值45bar檢核測試-數位式管制平台端畫面 119
圖4.33 連線中斷測試-數位式告警裝置端畫面 120
圖4.34 連線中斷測試-數位式管制平台端畫面 120
圖4.35 LCD顯示畫面切換測試-數位式告警裝置端模式一畫面 121
圖4.36 LCD顯示畫面切換測試-數位式告警裝置端模式二畫面 121
圖4.37 數位式告警裝置背光LED燈關閉 122
圖4.38 同步校時測試-數位式管制平台顯示之時間 123
圖4.39 氣瓶壓力值300bar時數位式告警裝置端、抬頭顯示器端畫面 124
圖4.40 氣瓶壓力值300bar時數位式管制平台端畫面 124
圖4.41 氣瓶壓力值196bar時數位式告警裝置端、抬頭顯示器端畫面 125
圖4.42 氣瓶壓力值196bar時數位式管制平台端畫面 125
圖4.43 氣瓶壓力值145bar時數位式告警裝置端、抬頭顯示器端畫面 126
圖4.44 氣瓶壓力值145bar時數位式管制平台端畫面 126
圖4.45 氣瓶壓力值60bar時數位式告警裝置端、抬頭顯示器端畫面 127
圖4.46 氣瓶壓力值60bar時數位式管制平台端畫面 127
圖4.47 溫度值61℃時數位式告警裝置端畫面 128
圖4.48 溫度值61℃時數位式管制平台端畫面 129
圖4.49 溫度值81℃時數位式告警裝置端畫面 129
圖4.50 溫度值81℃時數位式管制平台端畫面 130
圖4.51 電壓值14.7V時數位式告警裝置端畫面 131
圖4.52 電壓值14.7V時數位式管制平台端畫面 131
圖4.53 電壓值13.8V時數位式告警裝置端畫面 132
圖4.54 電壓值13.8V時數位式管制平台端畫面 132
圖4.55 數位式告警裝置救命器倒數畫面 133
圖4.56 救命器自動求救警報動作數位式告警裝置端畫面 133
圖4.57 救命器自動求救警報動作數位式管制平台端畫面 134
圖4.58 救命器手動求救警報動作數位式告警裝置端畫面 134
圖4.59 救命器手動求救警報動作數位式管制平台端畫面 135
圖4.60 單一人員召回測試數位式管制平台端畫面(1) 136
圖4.61 單一人員召回測試數位式告警裝置端畫面 136
圖4.62 單一人員召回測試數位式管制平台端畫面(2) 137
圖4.63 全部人員召回測試數位式管制平台端畫面(1) 138
圖4.64 全部人員召回測試數位式管制平台端畫面(2) 138
圖4.65 數位式管制平台監控程式歷程檔案測試 139
圖4.66 數位式告警裝置SD卡歷程檔案測試 140

表目錄
表2.1 RFID各頻段之特性比較 29
表2.2 DB9接頭腳位定義 63
表2.3 Arduino Mega 2560介面控制板各腳位線路連接對照表 68
表2.4 Arduino Nano介面控制板各腳位線路連接對照表 74
表5.1 空氣呼吸器功能特性比較表 143

[1]內政部消防署,直轄市縣市消防車輛裝備及其人力配置標準,2010年6月7日內政部台內消字第0990822372號令修正發布。
[2]鄧健民,消防技術精髓,徐氏基金會,1987年6月再版,P63-69。
[3]陳弘毅,火災學,東亞出版社,1991年11月1日出版,P181。
[4]行政院勞工委員會,防護具選用技術手冊-呼吸防護具,行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所,1998年8月第1.2版,P11。
[5]圖1.1空氣呼吸器構成組件(傳統式),來源http://www.bauercomp.com,2012年10月。
[6]謝景旭,實用消防機械,鼎茂圖書出版公司,1996年3月二版,P245-246。
[7]徐忠賢,內政部消防署2010.11消防月刊,「空氣呼吸器使用之探討」,P36。
[8]躍進消防網站-忠烈祠,來源http://ptfire0108.myweb.hinet.net/index.htm,2013年10月。
[9]圖1.2電子式空氣呼吸器,來源https://www.scottsafety.com,2012年10月。
[10]圖1.3數位式管制平台(嵌入式),來源http://www.draeger.com,2012年10月。
[11]圖1.4數位式管制平台(PC式),來源https://www.scottsafety.com,2012年10月。
[12]陳勝照、許郁文,出國報告-赴丹麥、德國參加地下侷限空間救援訓練,2008年1月21日,P29。
[13]圖1.5個人安全警報系統,來源http://www.nist.gov/fire/ppe.cfm,2012年10月。
[14]曹重賓,消防搶救器材操作手冊,鼎茂圖書出版公司,2011年5月一版,P243-245。
[15]內政部消防署,102年上半年消防、救護車輛裝備統計表,來源http://www.nfa.gov.tw,2013年12月。
[16]Ga. Smoke Diver,” Self Contained Breathing Apparatus and Emergency Procedures Manual”, Georgia Smoke Diver Association; 1st Edition Jan 2011; P42
[17]Weinstein, Steven H, “BREATHING easier”,ISHN; Nov 2005; 39, 11; ProQuest pg.41
[18]Weinstein, Steven H ,”Today's SCBA: Should you be amused, confused, or enthused?”, O4upational Health & Safety; Nov 2002; 71, 11; ProQuest pg.28
[19]圖1.6抬頭顯示器,來源http://www.firehouse.com,2012年10月。
[20]圖1.7抬頭顯示器視覺信號,來源http://www.firehouse.com,2012年10月。
[21]F. Michael Williams-Bell, ,” PHYSIOLOGICAL DEMANDS AND VENTILATORY REQUIREMENTS DURING SIMULATED LARGE STRUCTURE FIREFIGHTING TASKS”, University of Waterloo,2007; pg.2
[22]Anonymous, “Manufacturers' Roundtable: The New NFPA Standard For SCBA”, Firehouse; Sep 2007; 32, 9; ProQuest pg.69
[23] “2013 NFPA STANDARDS”, http://scott2013firefighter.com/; Jan 2014
[24]Rascoe, et al.,“Telemetry emergency air management system”,US Patent 7427917; May 19,2006
[25]Weinstein, Steven H, “Batteries in my SCBA?”, O4upational Health & Safety; Nov 2009; 43, 11; pg.40
[26]John Mathew Montenero,“Multifunctional telemetry alert safety system (MTASS)”,US Patent 20100081411; Apr,1 2010
[27]新竹市消防局網站-最新消息,來源http://www.hcfd.gov.tw/,2005年1月。
[28]台灣採購公報網,來源http://www2.ucs.com.tw/,2006年。
[29]內政部消防署-2008年消防白皮書,來源http://www.nfa.gov.tw,2008年。
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