Photon物聯(lián)網(wǎng)編程從零開(kāi)始

Christopher Rush
Programming the Photon：Getting Started with the Internet of Things
EISBN：978-0-07-184706-3
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圖書(shū)在版編目(CIP)數(shù)據(jù)
物聯(lián)網(wǎng)編程從零開(kāi)始 美 克里斯多佛 拉什 著；郭俊鳳 譯 —北京：
清華大學(xué)出版社， 書(shū)名原文： Ⅰ ① … Ⅱ ①克… ②郭… Ⅲ ①互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)－應(yīng)用－程序設(shè)計(jì) ②智能技術(shù)－應(yīng)用－程序
設(shè)計(jì) Ⅳ ① ② 中國(guó)版本圖書(shū)館 數(shù)據(jù)核字 第 號(hào)
責(zé)任編輯：王 軍 韓宏志
裝幀設(shè)計(jì)：牛靜敏
責(zé)任校對(duì)：曹 陽(yáng)
責(zé)任印制：李紅英
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定 價(jià)： 元
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產(chǎn)品編號(hào)： 譯 者 序
Particle(www.particle.io)公司提供全球最完善的開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)軟硬
件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，自 2013 年該公司推出第一款基于 TI CC3000 的 STM
CORTEX M3 開(kāi)源開(kāi)發(fā)板以來(lái)，Particle 以其超強(qiáng)的軟件支持幫助開(kāi)發(fā)
者將產(chǎn)品接入網(wǎng)絡(luò)，提供 Arduino 的 IDE、配套控制 App、網(wǎng)頁(yè)端編
譯軟件、應(yīng)用開(kāi)發(fā) SDK、JS 開(kāi)發(fā)庫(kù)等支持。其云服務(wù)能讓?xiě)?yīng)用于量產(chǎn)
的 Particle 硬件隨時(shí)隨地接入云端、集中維護(hù)，并能實(shí)現(xiàn)在線更新固
件、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)安全等功能。
Particle 推出的 Photon 是一款功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)資源極其豐富、上
手開(kāi)發(fā)非常容易的Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)模塊。它基于ST公司的Cortex M3
內(nèi)核微處理器以及 BroadCom 公司的 Wi-Fi 芯片，可通過(guò) USB 進(jìn)行供
電及代碼調(diào)試、下載。Photon 尺寸很小，卻具有強(qiáng)大的處理性能，擁
有完整的生態(tài)系統(tǒng)和良好的兼容性，在復(fù)雜應(yīng)用中的表現(xiàn)更出色。
Particle 公司同時(shí)提供基于瀏覽器的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境(Web IDE)，
擁有非常豐富的庫(kù)和支持各種應(yīng)用的參考例程，方便全球的開(kāi)發(fā)人員
進(jìn)行代碼分享，非常適合嵌入式工程師、網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)工程師、Arduino
愛(ài)好者以及 IoT 產(chǎn)品企業(yè)便捷地編寫(xiě)自己的固件，創(chuàng)建自己的專屬網(wǎng)
站和手機(jī) App。
對(duì)初學(xué)者而言，學(xué)習(xí) Photon 完全不需要了解其內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和寄
存器設(shè)置，僅知道它的端口作用即可；可以不懂硬件知識(shí)，只要會(huì)簡(jiǎn)
單的 C 語(yǔ)言，就可用 Photon 編寫(xiě)程序, 只要設(shè)備加了電，固件就會(huì)
運(yùn)行。
本書(shū)共分 9 章。第 1 章簡(jiǎn)要介紹微控制器、Arduino 和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)
等。第 2 章討論將 Photon 開(kāi)發(fā)板連接到 Particle 云并開(kāi)始編程的多種
方式，并簡(jiǎn)要介紹 Particle Web IDE。第 3 章講述用于給 Photon 編程
的 C 語(yǔ)言的基本編程術(shù)語(yǔ)。第 4 章討論如何控制發(fā)光二極管(LED)、
繼電器和蜂鳴器等輸出設(shè)備。第 5 章給一些輸入設(shè)備編程，例如開(kāi)關(guān)、
溫度感應(yīng)器等。第 6 章探討如何使用 Particle 函數(shù)通過(guò) Internet 進(jìn)行控
制，如何獲得溫度設(shè)備的讀數(shù)并顯示在 Web 上。第 7 章介紹 Particle 防
護(hù)板和可用的擴(kuò)充板，說(shuō)明它們?nèi)绾问鬼?xiàng)目更容易完成，而不必設(shè)計(jì)
和測(cè)試電路，包括繼電器防護(hù)板、穩(wěn)壓防護(hù)板、JTAG、Arduino 防護(hù)
板、Internet 按鈕等。第 8 章介紹如何使用 IFTTT Web 服務(wù)控制 Photon
開(kāi)發(fā)板上的電路，以及如何使用 Photon 開(kāi)發(fā)板控制某些 Web 服務(wù)，
例如 Twitter。第 9 章能讓讀者很好地根據(jù) RGB LED 的閃爍和顏色理
解 Photon 發(fā)生了什么，進(jìn)而掌握排除設(shè)備故障技術(shù)。
本書(shū)適合電子愛(ài)好者、機(jī)器人愛(ài)好者和 Photon 初學(xué)者閱讀，也可
用作院校電子科技實(shí)踐活動(dòng)的參考書(shū)。
這里要感謝清華大學(xué)出版社的李陽(yáng)和韓宏志編輯，這幾位編輯為
本書(shū)的翻譯投入了巨大熱情，付出了很多心血。沒(méi)有你們的幫助和鼓
勵(lì)，本書(shū)不可能順利付梓。本書(shū)主要章節(jié)由郭俊鳳翻譯，參與翻譯的
還有陳妍、何美英、陳宏波、熊曉磊、管兆昶、潘洪榮、曹漢鳴、高
娟妮、王燕，在此一并表示感謝。
對(duì)于這本經(jīng)典之作，譯者本著“誠(chéng)惶誠(chéng)恐”的態(tài)度，在翻譯過(guò)程
中力求“信、達(dá)、雅”，但鑒于譯者水平有限，錯(cuò)誤和失誤在所難免，
如有任何意見(jiàn)和建議，請(qǐng)不吝指正。
譯 者
作 者 簡(jiǎn) 介
Christopher Rush 擁有計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)位，最近 10 年一直在一家
電子公司的單板計(jì)算部門擔(dān)任產(chǎn)品經(jīng)理。Christopher 還維護(hù)著一個(gè)
MakerSpace 博客(www.rushmakes.com)，為流行的開(kāi)發(fā)板和附件提供
評(píng)論、教程和用戶指南，包括 Raspberry Pi、Arduino、BeagleBone
等。Christopher 是 30 BeagleBone Black Projects for the Evil Genius 一書(shū)
的作者。
致 謝
我要感謝 Mike McCabe 和 McGraw-Hill Education 團(tuán)隊(duì)的大力支
持，與你們?cè)俅魏献鞣浅Ｓ淇臁?
我還要將本書(shū)獻(xiàn)給我的伙伴 Jennifer Wozniak，像往常一樣，她不
斷地鼓勵(lì)、激勵(lì)我，沒(méi)有她在我身邊，我會(huì)迷失方向的。
前 言
本書(shū)全面介紹如何為 Particle Photon 開(kāi)發(fā)板編程。Particle Photon
是一個(gè)真正的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，它允許編寫(xiě)代碼，使用云創(chuàng)建電子項(xiàng)目。
它完全可用作項(xiàng)目的大腦，還可使用 Internet 遠(yuǎn)程控制和收集數(shù)據(jù)，
來(lái)擴(kuò)展功能。
幸好，Photon 平臺(tái)采用了 Arduino 樣式的編程語(yǔ)言，同時(shí)具備自
己的編程功能。這樣就可以使用 Arduino 領(lǐng)域的海量資源，包括現(xiàn)有
的項(xiàng)目和示例。
為什么使用Photon？Photon開(kāi)發(fā)板由Particle團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，在2014年11
月面市，價(jià)格僅19美元。它是獨(dú)一無(wú)二的，使用Particle云提供了獨(dú)特
的硬件和軟件體驗(yàn)，可通過(guò)Web IDE編程。Photon開(kāi)發(fā)板取代了Particle
Core，后者通過(guò)Kickstarter活動(dòng)籌措了50多萬(wàn)美元，配備了Broadcom
BCM43362 Wi-Fi芯片，而不是TI CC3000。
本書(shū)旨在使讀者能開(kāi)始使用 Particle Photon創(chuàng)建自己的硬件項(xiàng)目，
讀者不需要具有連接電路或編程方面的經(jīng)驗(yàn)，但最好了解一般性計(jì)算
機(jī)技術(shù)。本書(shū)會(huì)給讀者提供各種體驗(yàn)，并簡(jiǎn)單介紹 Photon 開(kāi)發(fā)板的許
多功能。本書(shū)只介紹開(kāi)發(fā)板編程的基礎(chǔ)知識(shí)，讀者可在未來(lái)的項(xiàng)目中
擴(kuò)展這些知識(shí)。
希望能看到讀者對(duì)本書(shū)的看法，請(qǐng)通過(guò) www.rushmakes.com 或
Twitter(https://twitter.com/chrisrush85)與作者聯(lián)系。
目 錄
第 1 章 Photon 簡(jiǎn)介 ............................................................................ 1
1.1 微控制器 ......................................................................... 1
1.2 什么是 Photon ................................................................. 2
1.3 Particle Photon 和 Spark Core .......................................... 2
1.4 物聯(lián)網(wǎng) ............................................................................. 3
1.5 Particle 云 ........................................................................ 4
1.6 Photon 板 ......................................................................... 4
1.7 小結(jié) ................................................................................. 5
第 2 章 連接 ......................................................................................... 7
2.1 開(kāi)發(fā)板的特征 ................................................................. 7
2.2 連接 ............................................................................... 11
2.2.1 連接到移動(dòng)智能設(shè)備上 .................................... 11
2.2.3 通過(guò) USB 連接 .................................................. 14
2.3 使用 Tinker .................................................................... 16
2.3.1 Tinker API .......................................................... 18
2.3.2 同時(shí)運(yùn)行 Tinker 和腳本 .................................... 20
2.4 使用 Particle Web IDE ................................................... 22
2.4.1 Particle 應(yīng)用和庫(kù) ............................................... 24
2.4.2 上傳第一個(gè)應(yīng)用 ................................................ 24
2.4.3 賬戶信息 ............................................................ 26
2.4.4 使用庫(kù) ............................................................... 26
2.5 Photon 板的固件 ........................................................... 31
2.6 小結(jié) ............................................................................... 31
第 3 章 Particle 語(yǔ)法 .......................................................................... 33
3.1 什么是編程 ................................................................... 33
3.2 變量 ............................................................................... 35
3.2.1 浮點(diǎn)型 ............................................................... 37
3.2.2 布爾型 ............................................................... 38
3.2.3 字符型 ............................................................... 40
3.3 命令 ................................................................................. 40
3.3.1 if 語(yǔ)句 ................................................................ 40
3.3.2 for 循環(huán) .............................................................. 42
3.3.3 while 循環(huán) .......................................................... 42
3.4 數(shù)組 ............................................................................... 43
3.5 字符串 ........................................................................... 44
3.6 最佳編程實(shí)踐 ............................................................... 45
3.6.1 縮進(jìn) ................................................................... 46
3.6.2 注釋代碼 ............................................................ 46
3.6.3 空白 ................................................................... 47
3.7 小結(jié) ............................................................................... 48
第 4 章 輸出 ....................................................................................... 49
4.1 數(shù)字輸出 ....................................................................... 49
4.1.1 打開(kāi)和關(guān)閉 LED ............................................... 53
4.1.2 LCD 顯示器 ....................................................... 56
4.2 模擬輸出 ....................................................................... 62
4.2.1 脈寬調(diào)制 ............................................................ 63
4.2.2 DAC ................................................................... 65
4.2.3 控制伺服電機(jī) .................................................... 67
4.3 小結(jié) ................................................................................. 71
第 5 章 輸入 ....................................................................................... 73
5.1 數(shù)字輸入 ....................................................................... 73
digitalRead() .................................................................. 77
5.2 模擬輸入 ....................................................................... 80
5.3 小結(jié) ............................................................................... 90
第 6 章 物聯(lián)網(wǎng) ................................................................................... 91
6.1 函數(shù) ............................................................................... 91
6.1.1 通過(guò) Internet 控制 LED ..................................... 92
6.1.2 通過(guò) Internet 讀取值 ........................................ 100
6.2 小結(jié) ............................................................................. 115
第 7 章 Particle 防護(hù)板的編程 ........................................................ 117
7.1 Shield 防護(hù)板 .............................................................. 117
7.2 繼電器防護(hù)板 ............................................................. 120
7.3 程序員防護(hù)板 ............................................................. 126
7.4 穩(wěn)壓防護(hù)板 ................................................................. 127
7.5 Internet 按鈕 ................................................................ 128
7.6 Grove Starter Kit for Photon ......................................... 129
7.7 Adafruit Particle NeoPixel 成套工具 ........................... 130
7.8 小結(jié) ............................................................................. 132
第 8 章 IFTTT ................................................................................... 133
8.1 IFTTT 概述 ................................................................. 133
8.2 “日出”郵件警報(bào) ...................................................... 134
8.3 使用 Grove 模塊創(chuàng)建 Twitter 警報(bào) ............................. 141
8.4 小結(jié) ............................................................................. 147
第 9 章 排除設(shè)備故障 ...................................................................... 149
9.1 設(shè)備模式 ..................................................................... 149
9.2 故障排除模式 ............................................................. 151
Photon 物聯(lián)網(wǎng)編程從零開(kāi)始
9.3 小結(jié) ............................................................................. 152
附錄 A 工具和提示 .......................................................................... 153
附錄 B Particle 代碼參考 ................................................................ 165
第 1 章
Photon 簡(jiǎn)介
本章將學(xué)習(xí)微控制器，如 Arduino和物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)
等的相關(guān)知識(shí)。Photon 板是一種新的開(kāi)發(fā)板，基于它的前身 Core，并
具有新的硬件和軟件特性，性能更卓越。我們將討論所有這些特性，
并比較兩種開(kāi)發(fā)板。
1.1 微控制器
微控制器(microcontroller)基本上是一個(gè)計(jì)算機(jī)，可使用某種形式的
編程語(yǔ)言控制多個(gè)輸入和輸出。微控制器有各種不同的形狀和尺寸，最
流行的平臺(tái)是 Arduino。Arduino 板為創(chuàng)建小型電子項(xiàng)目提供了低成本、
易使用的技術(shù)，現(xiàn)代常見(jiàn)的微控制器可使用通用串行總線(Universal
Serial Bus，USB)連接到計(jì)算機(jī)上，給開(kāi)發(fā)板供電，并給微控制器編程；
一旦上傳了程序，并使用某種移動(dòng)電池設(shè)備供電，微控制器還可以去
掉 USB，獨(dú)立工作。
其他常見(jiàn)的微控制器有 Raspberry Pi 和 BeagleBone 板。這兩種開(kāi)
發(fā)板比標(biāo)準(zhǔn)的 Arduino 板更高級(jí)，都連接到可視化顯示器上進(jìn)行可視
化輸出，并帶有基本的操作系統(tǒng)，如 Debian。這些開(kāi)發(fā)板的特點(diǎn)是有
許多硬件功能，提供了更多存儲(chǔ)空間、輸入/輸出引腳、更快的處理速
度，還具有音頻/視頻輸出，可將電子項(xiàng)目提升到更高水平。所有這些
選項(xiàng)都很不錯(cuò)，但需要把項(xiàng)目連接到 Web 時(shí)，幾乎肯定需要額外的硬
件，例如防護(hù)板(shield)或 USB 加密狗( dongle)，這會(huì)顯著增加項(xiàng)目成
本——有時(shí)超過(guò)了微控制器板的成本。一些開(kāi)發(fā)板還包括內(nèi)置的 Wi-Fi
或藍(lán)牙技術(shù)，例如 Arduino Yun，但這個(gè)開(kāi)發(fā)板仍比較貴，超過(guò) 70 美
元；一旦加上電子硬件和各種其他成本，項(xiàng)目很容易超過(guò) 100 美元。
1.2 什么是 Photon
Particle Photon 是一個(gè)微控制器開(kāi)發(fā)板，類似于 Arduino Nano，但
它是小型化的，而且添加了一些功能，如內(nèi)置了 Wi-Fi 模塊，所以可
使用粒子云(Particle cloud)通過(guò) Internet 進(jìn)行控制和編程。一旦連接到
本地 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)上，也可以使用 iOS 或 Android 操作系統(tǒng)中的 Particle
應(yīng)用，通過(guò)智能手機(jī)控制 Photon 板并編程。Photon 開(kāi)發(fā)板的各邊有多
個(gè)引腳(pin)，用作微控制器的輸入輸出。這些通用引腳可連接到傳感
器(sensor)或按鈕上，來(lái)監(jiān)聽(tīng)外界；或連接到發(fā)光器(light)或蜂鳴器
(buzzer)上，進(jìn)行表演。還有一些引腳可給 Photon 板、電機(jī)(motor)或
設(shè)備的輸出供電。另外，Photon 板還帶有一些內(nèi)置的硬件功能，例如
按鈕和發(fā)光二極管(LED)，大大簡(jiǎn)化了 Photon 板的配置：
● SETUP 按鈕在左側(cè)，RESET 按鈕在右側(cè)，可使用它們?cè)O(shè)置設(shè)
備的模式。
● RGB LED 位于 Photon 開(kāi)發(fā)板模塊上方的中心處。RGB LED
的顏色指定了 Photon 開(kāi)發(fā)板當(dāng)前的模式。
● 在 Photon 板上，D7 LED 位于數(shù)字引腳 7 的旁邊。當(dāng)引腳 7
設(shè)置為 HIGH 時(shí)，這個(gè)數(shù)字引腳會(huì)打開(kāi) LED。
1.3 Particle Photon 和 Spark Core
Photon 板是 Core 的繼任者，兩者都由 Particle 開(kāi)發(fā)。把這兩個(gè)開(kāi)
發(fā)板放在一起比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的外觀十分相似，很難區(qū)分。主要區(qū) 別是硬件方面，Photon 板使用的 Wi-Fi 芯片與 Core 不同，處理器速度
更快，RAM (隨機(jī)訪問(wèn)內(nèi)存)更多。
兩種開(kāi)發(fā)板上的引腳幾乎相同，因此本書(shū)講述的大部分內(nèi)容也適
用于 Core。Photon 板的幾個(gè)改進(jìn)很有價(jià)值，例如數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器
(Digital-to-Analog Converter，DAC)和喚醒引腳(Wakeup Pin，WKP)，
取代了 Core 上的 A6 和 A7。
1.4 物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)是媒體術(shù)語(yǔ)，它把啞電子設(shè)備連接到 Internet 上，之后可
通過(guò) Web 瀏覽器控制這些設(shè)備，向 Web 服務(wù)器發(fā)送 HTTP 請(qǐng)求，并
返回要顯示的信息?？山o應(yīng)用連接許多設(shè)備和傳感器：
● 家用電器
● 氣象站
● 機(jī)器人
● 空氣污染監(jiān)控
● 環(huán)境感應(yīng)
● 智能后勤
● 位置跟蹤
● 健康監(jiān)控
目前市場(chǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來(lái)越多，例如智能溫控器(smart
thermostat)或飛利浦 Hue 燈(Philips Hue lamp)，它們?cè)试S用戶控制家庭
中的供暖方面或情調(diào)照明(mood lighting)。物聯(lián)網(wǎng)的大發(fā)展，使廠商和
玩家更有興趣創(chuàng)建自己的智能項(xiàng)目，而 Photon 板提供了這種可能性，
且成本只有 19 美元——市場(chǎng)上最便宜的開(kāi)發(fā)板。
有那么多廠商和玩家都在創(chuàng)建新的 IoT 項(xiàng)目，就有必要為硬件和
軟件建立一個(gè)簡(jiǎn)單框架，給處于任何技能水平的人員提供一個(gè)簡(jiǎn)單、
易用的系統(tǒng)。所以 Particle 團(tuán)隊(duì)根據(jù)流行的 Arduino 軟件建立了這樣一
個(gè)系統(tǒng)，把較復(fù)雜的技術(shù)轉(zhuǎn)換為每個(gè)用戶都易于使用的開(kāi)源產(chǎn)品。
1.5 Particle 云
該框架的硬件部分是 Photon 板，它基于流行的 Core 模塊，通過(guò)
融資網(wǎng)站 Kickstarter 獲得資金。Photon 板設(shè)計(jì)為與 Core 向后兼容，所
以，本書(shū)大部分內(nèi)容都適用于 Core。
Particle 為硬件創(chuàng)建了一個(gè)軟件框架，允許用戶利用其他技術(shù)和設(shè)
備通過(guò) Internet 與硬件交互操作，這兩個(gè)元素很容易協(xié)同工作。使用
Photon 板的 IoT 設(shè)備使用繼電器(relay)或類似電路打開(kāi)消費(fèi)設(shè)備；這
里，當(dāng)用戶訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)或移動(dòng)應(yīng)用，通過(guò)其上的一個(gè)按鈕打開(kāi)或關(guān)閉設(shè)
備。用戶點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)上的按鈕時(shí)，會(huì)把一條消息或一串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送給
Particle 云服務(wù)，Particle 云服務(wù)再把該消息轉(zhuǎn)發(fā)給 Photon 板，打開(kāi)設(shè)
備。如果 Photon 板連接了傳感器，云系統(tǒng)就可按相反順序工作，即點(diǎn)
擊按鈕時(shí)，不是 Web 服務(wù)給云發(fā)送信息，而是由 Photon 開(kāi)發(fā)板把傳
感器的信息發(fā)送給云，再發(fā)送給 Web 服務(wù)器，顯示在 Web 上。整個(gè)
Particle 框架使這個(gè)工作無(wú)縫地完成，對(duì)終端用戶而言也不會(huì)過(guò)于復(fù)雜
——用戶只需要用 Particle 云賬戶注冊(cè) Particle Photon 板即可。
1.6 Photon 板
Photon 板小巧玲瓏，如圖 1-1 所示。
Photon 板上的兩個(gè)按鈕 SETUP 和 RESET 可配置 Wi-Fi 憑證，在
需要時(shí)重啟設(shè)備。萬(wàn)一設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，聯(lián)合使用它們可執(zhí)行完整的出
廠重置操作。
開(kāi)發(fā)板的頂部有微型 USB 端口，用于給開(kāi)發(fā)板供電，在需要時(shí)還
可連接到計(jì)算機(jī)上，進(jìn)行 USB 編程。
Photon 板有內(nèi)置的芯片型天線(chip antenna)，適合于大多數(shù)室內(nèi)
應(yīng)用，Photon 板還有一個(gè)外部槽，用于連接 Wi-Fi 天線，進(jìn)行范圍擴(kuò)
展和定向天線。Photon 板的默認(rèn)配置為：在芯片天線和外部天線都可
用的情況下，始終選擇最可靠的方法。也可在固件上手動(dòng)選擇天線。

圖 1-1 Photon 板
1.7 小結(jié)
現(xiàn)在我們已經(jīng)啟航了。Photon 板是一款在廠商社區(qū)中創(chuàng)建 IoT 項(xiàng)
目、開(kāi)發(fā)商業(yè)消費(fèi)產(chǎn)品的優(yōu)秀設(shè)備。下一章將介紹如何設(shè)置 Photon 板，
開(kāi)始編寫(xiě)第一個(gè)項(xiàng)目。

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