Kabellose Wetterstation

Autor: Daniel Hilgers & Daniel Block
Betreuer: Prof. Schneider

Einleitung

Dieses Projekt ist Teil des GET-Fachpraktikums und hat zum Ziel, wettertechnische Messdaten wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu erfassen. Zur Umsetzung dieses Vorhabens werden zwei Arduino-Plattformen verwendet. Die drahtlose Kommunikation miteinander ermöglicht die Übermittlung der Messdaten zu der Innenraum-Station. Beide Arduinos werden in ein eigens 3D-gedrucktes Gehäuse integriert, wobei das Außengehäuse wasserabweisende Eigenschaften aufweisen muss, um vor Regen geschützt zu sein und Feuchtigkeitsschäden zu vermeiden. Sowohl die Außenstation als auch die Inneneinheit erfassen Messdaten. Die gesammelten Daten von beiden Stationen werden auf der im Haus befindlichen Einheit miteinander dargestellt. Die gesamte Programmierung der Arduinos erfolgt mithilfe von Matlab Simulink.

Anforderungen

Teilanforderungen

Nr.	Beschreibung	Bereich	Zuständigkeit
1	Das Gehäuse für die Außenstation muss Wetterfest sein.	Hardware	Block, Hilgers
2	Die Reichweite der Wetterstation soll mindestens 10 Meter durch Wände betragen.	Hardware	Block, Hilgers
3	Das Außensystem muss mit einem Akku betrieben werden.	Hardware	Block, Hilgers
4	Das Innensystem soll mit einem kabelgebundenen Netzteil betrieben werden.	Hardware	Block, Hilgers
5	Die Wetterstation muss Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Windgeschwindigkeit messen.	Hardware/Software	Block, Hilgers
6	Das Programm Simulink muss für die Programmierung verwendet werden.	Software	Block, Hilgers
7	Die Messdaten müssen auf einem Display in Echtzeit angezeigt werden.	Software	Block, Hilgers
8	Die Messdaten sollen spätestens alle 15 Minuten aktualisiert werden.	Software	Block, Hilgers

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Im folgenden Systementwurf wird das Projekt in Systemkomponenten unterteilt:

• Arduino: Der Mikrocontroller führt den Code aus.

• Display: Auf dem Display werden die Wetterdaten der Innen- und Außenstation nebeneinander dargestellt.

• Temperatur und Feuchtigkeitssensor: Dieser Sensor ermittelt Temperatur und Feuchtigkeitsdaten und gibt sie an den Arduino weiter.

• Anemometer: Misst die aktuelle Windgeschwindigkeit

• Barometer: Misst den aktuellen Luftdruck am Gerät

• Echtzeituhr: Dieser Baustein gibt die reale Zeit an den Arduino weiter.

• Spannungsversorgung: Versorgt die jeweilige Station.

• Funk- und Empfängermodul: Ermöglicht die Kommunikation der beiden Stationen und lässt einen kabellosen Datenaustausch zu.

• 

  Funktionaler Systementwurf - Skizze

• 

  Technischer Systementwurf - Skizze

Komponentenspezifikation

Komponentenliste

Nr.	Komponentenbezeichnung	Beschreibung	Anzahl	Bild
1	Arduino MEGA	ATmega2560 Prozessor Versorgungsspannung: 7V-12V (empfohlen) Betriebsspannung: 5V 54 digitale Ein-/Ausgänge und 16 analoge Eingänge	2x	mini
2	DHT22 AM2302 Temperatursensor und Luftfeuchtigkeitssensor	Betriebsspannung: 3,3 V bis 5,5 V Temperatur: Messbereich: -40 bis +80°C Genauigkeit: ± 0,5 ° C Feuchtigkeit: Genauigkeit: ± 2 % rF	2x	mini
3	NRF24L01+, PA + LNA Wireless Modul	Spannungsversorgung: 3-3.6V max. Ausgangsleistung: +20 dBm 1100m Reichweite	2x	mini
4	NRF24L01 Adapter	Betriebsspannung: 4,8V bis 12V Stabile Spannungsversorgen für NRF24L01+	2x	mini
5	GY-BMP280 Barometrischer Sensor	Luftdruck-Sensor Betriebsspannung: 1.8 - 5V Ansteuerung über I2C bzw. SPI	1x	mini
6	DS3231 Echtzeituhr	Betriebsspannung: 3,3V Kommunikationsschnittstelle: I2C	1x	mini
7	3,5" TFT-LCD-Display-Modul 480x320	Betriebsspannung: 2.8 - 3.3V Bildschirmgröße: 3,5 Zoll Mit Touch-Panel	1x	mini
8	Außengehäuse	3D gedruckt Material: ASA Kunststoff Wetterfest	1x	mini
9	Innengehäuse	3D gedruckt Material: PLA Kunststoff	1x	mini

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Projektübersicht:

In unserem Projekt zur Entwicklung einer kabellosen Wetterstation spielt die Konzeptionierung und Klärung der designtechnischen Aufgaben der Gehäuse für den Innen- und Außenbereich eine zentrale Rolle. Die zu entwerfenden Gehäuse sind nicht nur Behältnisse für die Elektronik, sondern erfüllen auch entscheidende funktionale Anforderungen, um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Wetterstation zu gewährleisten.

Innengehäuse Design:

Für den Innenbereich wird das Gehäuse um ein 3,5-Zoll-Display entworfen, das die Lesbarkeit der Wetterdaten sicherstellt. Es enthält auch einen Empfänger-Modul, Sensoren für Temperatur und Feuchtigkeit sowie eine Echtzeituhr, die alle innerhalb des Gehäuses geschützt sind. Die Benutzerfreundlichkeit und Ästhetik stehen hier im Vordergrund, wobei das Gehäuse auch eine gute Belüftung und einfache Wartung ermöglichen muss.

Außengehäuse Design:

Das Gehäuse für den Außenbereich ist ohne Display gestaltet, beherbergt aber neben dem Funkmodul und den Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren zusätzlich ein Anemometer und ein Barometer. Dieses Gehäuse stellt höhere Anforderungen an die Witterungsbeständigkeit, um die Technik vor den Elementen zu schützen. Hier kommt das Material ASA (Acrylonitril-Styrol-Acrylester) ins Spiel, das sich durch seine hervorragende UV- und Witterungsbeständigkeit, Hitze- und Stoßfestigkeit als ideal für Außenanwendungen erweist.

Materialwahl und Verarbeitung:

Obwohl ASA in der Verarbeitung anspruchsvoller sein kann und eine begrenzte Lösungsmittelbeständigkeit aufweist, überwiegen seine Vorteile für den Außenbereich. Aufgrund potenziell gefährlicher Dämpfe während des Druckprozesses wird eine gute Belüftung erforderlich, und die höheren Kosten sowie die notwendigen höheren Extrudertemperaturen müssen realisiert werden.

Montage:

Das Design der Gehäuse berücksichtigt eine effiziente Montage und Demontage, um den Zugang zu den Komponenten für Wartung oder Austausch zu erleichtern. Das Außengehäuse bietet zudem eine effektive Wärmeableitung, um eine Überhitzung der Elektronik zu verhindern. Ein robustes Montagesystem sichert die Wetterstation an verschiedenen Orten wie Wänden, Pfosten oder Palisaden.

Verdrahtungspläne:

Verbindungsplan der Außenstation

Verdrahtungsplan der Außenstation

Verdrahtungsplan der Außenstation

Verdrahtungsplan der Außenstation

Integration:

Ästhetisch soll das Design der Gehäuse das moderne und technische Wesen der Wetterstation widerspiegeln und sich harmonisch in die jeweilige Umgebung einfügen. Zusammengefasst bieten die durchdacht gestalteten Gehäuse eine optimale Balance zwischen Funktionalität und Widerstandsfähigkeit, wodurch die kabellose Wetterstation nicht nur ein nützliches, sondern auch ein ansprechendes Element im Wohn- oder Außenbereich darstellt.

Innenstation:

• 

  Linksseitige Ansicht der Innenstation in SolidWorks

• 

  Rechtsseitige Ansicht der Innenstation in SolidWorks

Außenstation:

• 

  Linksseitige Ansicht der Außenstation in SolidWorks

• 

  Rechtsseitige Ansicht der Außenstation in SolidWorks

Software

In der Entwicklung unseres Projekts spielte die Verwendung von MATLAB/Simulink eine zentrale Rolle. Um die spezifischen Anforderungen unseres Systems zu erfüllen, wurden zwei unterschiedliche Simulink-Modelle entwickelt. Diese Entscheidung ergab sich aus der Notwendigkeit, zwei separate Arduino-Controller zu steuern: einen für den Außenbereich und einen weiteren für den Innenbereich.

Um eine effiziente Integration mit den Arduino-Controllern zu gewährleisten, wurde das Simulink Support Package für Arduino eingesetzt. Dieses Paket ermöglichte es uns, die Funktionalität der Arduino-Hardware direkt in die Simulink-Umgebung zu integrieren, was eine nahtlose Interaktion zwischen unserer Software und der Hardware sicherstellte.

Ein entscheidendes Element unserer Softwareentwicklung war die Verwendung des Simulink S-Function Builder Blocks. Dieser Block spielte eine Schlüsselrolle, da er es uns ermöglichte, benutzerdefinierten C++-Code in unsere Simulink-Modelle zu integrieren. Durch diesen Ansatz konnten wir verschiedene Arduino-Bibliotheken nutzen, um spezifische Funktionen und Fähigkeiten unserer Hardware zu steuern und zu erweitern.

Für eine transparente Dokumentation und mögliche Weiterentwicklungen haben wir zudem den Quellcode der einzelnen S-Function Blöcke separat im Artikel beigefügt. Diese Dokumentation des Quellcodes erleichtert das Verständnis der Funktionsweise und ermöglicht es anderen Entwicklern, auf unserer Arbeit aufzubauen oder sie für ihre eigenen Projekte anzupassen.

Programmablaufplan

• 

  Programmablaufplan der Außenstation

Innenstation

Touchdisplay Block

/* Includes_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE

#define ARDUINO 101

#include "Adafruit_GFX.h"
#include "MCUFRIEND_kbv.h"
#include "TouchScreen.h"

constexpr uint16_t BLACK       { 0x0000 };
constexpr uint16_t NAVY        { 0x000F };
constexpr uint16_t DARKGREEN   { 0x03E0 };
constexpr uint16_t DARKCYAN    { 0x03EF };
constexpr uint16_t MAROON      { 0x7800 };
constexpr uint16_t PURPLE      { 0x780F };
constexpr uint16_t OLIVE       { 0x7BE0 };
constexpr uint16_t LIGHTGREY   { 0xC618 };
constexpr uint16_t DARKGREY    { 0x7BEF };
constexpr uint16_t BLUE        { 0x001F };
constexpr uint16_t GREEN       { 0x07E0 };
constexpr uint16_t CYAN        { 0x07FF };
constexpr uint16_t RED         { 0xF800 };
constexpr uint16_t MAGENTA     { 0xF81F };
constexpr uint16_t YELLOW      { 0xFFE0 };
constexpr uint16_t WHITE       { 0xFFFF };
constexpr uint16_t ORANGE      { 0xFD20 };
constexpr uint16_t GREENYELLOW { 0xAFE5 };

// Touch screen pinout
constexpr uint8_t YP { A1 };
constexpr uint8_t XM { A2 };
constexpr uint8_t YM { 7 };
constexpr uint8_t XP { 6 };

// Touch calibration
constexpr int TS_LEFT { 924 };
constexpr int TS_RT   { 150 };
constexpr int TS_TOP  { 958 };
constexpr int TS_BOT  { 139 };

constexpr int MINPRESSURE { 200 };
constexpr int MAXPRESSURE { 1000 };

MCUFRIEND_kbv tft;

TouchScreen ts { TouchScreen(XP, YP, XM, YM, 300) };

int displayState = 0;

#endif
/* Includes_END */

/* Externs_BEGIN */
/* extern double func(double a); */
/* Externs_END */

void TouchDisplay_Start_wrapper(real_T *xD)
{
/* Start_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
    uint16_t ID { tft.readID() };
    tft.begin(ID);
    tft.setRotation(1);
    tft.setTextSize(2);
    tft.setTextColor(BLACK, WHITE);
    tft.fillScreen(WHITE);
#endif
/* Start_END */
}

void TouchDisplay_Outputs_wrapper(const real32_T *temp,
                                  const real32_T *humid,
                                  const uint32_T *time,
                                  const real32_T *windspeedoutside,
                                  const real32_T *tempoutside,
                                  const real32_T *humidoutside,
                                  const real_T *pressureoutside,
                                  const real_T *xD)
{
/* Output_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
    
    if(displayState == 0)
    {
        tft.drawFastVLine(80, 0 , tft.height(), BLACK);
        tft.fillRect(0, 0, 80, 80, RED);
        tft.fillRect(0, 100, 80, 80, BLUE);
    
        tft.setCursor(90, 20);
        tft.print("Temperature: ");
        tft.print(temp[0]);
    
        tft.setCursor(90, 60);
        tft.print("Humidity: ");
        tft.print(humid[0]);

        tft.drawFastHLine(80, 100 , tft.width(), BLACK);
    
        tft.setCursor(90, 120);
        tft.print("Temperature: ");
        tft.print(tempoutside[0]);

        tft.setCursor(90, 160);
        tft.print("Humidity: ");
        tft.print(humidoutside[0]);

        tft.setCursor(90, 200);
        tft.print("Luftdruck: ");
        tft.print(pressureoutside[0]);

        tft.setCursor(90, 240);
        tft.print("Windgeschwindigkeit: ");
        tft.print(windspeedoutside[0]);
    }
    else if(displayState == 1)
    {
        tft.setCursor(90, 20);
        tft.print("zweite Seite ");
    }

    TSPoint p { ts.getPoint() };

    long x,y;
    x = map(p.y, TS_LEFT, TS_RT, 0, 480);
    y = map(p.x, TS_TOP, TS_BOT, 0, 320);

    // if sharing pins, you'll need to fix the directions of the touchscreen pins
    pinMode(XM, OUTPUT);
    pinMode(YP, OUTPUT);

    if (p.z > MINPRESSURE && p.z < MAXPRESSURE) {
        Serial.print("x: ");
        Serial.print(p.x);
        Serial.print("\ty: ");
        Serial.print(p.y);
        Serial.print("\tPressure: ");
        Serial.println(p.z);

        if (x < 80 && y > 240) {
                displayState = 0;
            } 
        else if (x < 80 && y > 140 && y < 220) {
                displayState = 1;
            }
        tft.fillRect(81, 0, 400, 320, WHITE);
        }
    
  #endif
/* Output_END */
}

void TouchDisplay_Update_wrapper(const real32_T *temp,
                                 const real32_T *humid,
                                 const uint32_T *time,
                                 const real32_T *windspeedoutside,
                                 const real32_T *tempoutside,
                                 const real32_T *humidoutside,
                                 const real_T *pressureoutside,
                                 real_T *xD)
{
/* Update_BEGIN */

/* Update_END */
}

void TouchDisplay_Terminate_wrapper(real_T *xD)
{
/* Terminate_BEGIN */
/*
 * Custom Terminate code goes here.
 */
/* Terminate_END */
}

nRF24L01_1 Wireless Modul (Empfänger)

/* Includes_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE

#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>
#include <Wire.h>

RF24 radio(22, 23); // CE, CSN
struct Data {
  float temp = 0;
  float humid = 0;
  double pressure = 0;
  float windspeed = 0;  
};

Data data;
#endif
/* Includes_END */

/* Externs_BEGIN */
/* extern double func(double a); */
/* Externs_END */

void nRF24L01_1_Start_wrapper(real_T *xD)
{
/* Start_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
    Serial.begin(9600);
    const byte address[6] = "00001";
    if(!radio.begin())
    {
        Serial.println("Failed");
    }
    else
    {
        Serial.println("init");
    }
    radio.openReadingPipe(0, address);
    radio.setPALevel(RF24_PA_HIGH);
    radio.startListening();
    #endif
/* Start_END */
}

void nRF24L01_1_Outputs_wrapper(real32_T *windspeed,
                                real32_T *temp,
                                real32_T *humid,
                                real_T *pressure,
                                const real_T *xD)
{
/* Output_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
     if (radio.available()) {
        radio.read(&data, sizeof(Data)); // Read the whole data and store it into the 'data' structure
     }
    temp[0] = data.temp;
    humid[0] = data.humid;
    pressure[0] = data.pressure;
    windspeed[0] = data.windspeed;

  
#endif
/* Output_END */
}

void nRF24L01_1_Update_wrapper(real32_T *windspeed,
                               real32_T *temp,
                               real32_T *humid,
                               real_T *pressure,
                               real_T *xD)
{
/* Update_BEGIN */

/* Update_END */
}

void nRF24L01_1_Terminate_wrapper(real_T *xD)
{
/* Terminate_BEGIN */
/*
 * Custom Terminate code goes here.
 */
/* Terminate_END */
}

DS3231 Block ( Echtzeituhr)

/* Includes_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
#include "DS3231.h"

DS3231 myRTC;
DateTime myDT;
#endif
/* Includes_END */

/* Externs_BEGIN */
/* extern double func(double a); */
/* Externs_END */

void DS3231_Start_wrapper(real_T *xD)
{
/* Start_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
Wire.begin();
#endif
/* Start_END */
}

void DS3231_Outputs_wrapper(uint32_T *time,
                            const real_T *xD)
{
/* Output_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
myDT = RTClib::now();
time[0] = myDT.unixtime();
#endif
/* Output_END */
}

void DS3231_Update_wrapper(uint32_T *time,
                           real_T *xD)
{
/* Update_BEGIN */

/* Update_END */
}

void DS3231_Terminate_wrapper(real_T *xD)
{
/* Terminate_BEGIN */
/*
 * Custom Terminate code goes here.
 */
/* Terminate_END */
}

Innenstation

• 

  Simulink Modell Innenstation

Außenstation

• 

  Simulink Modell Außenstation

nRF24L01_1 Wireless Modul (Sender)

/* Includes_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE

#define ARDUINO 100

#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>

#include <Wire.h>

RF24 radio(7, 6); // CE, CSN
struct Data {
  float temp = 0;
  float humid = 0;
  double pressure = 0;
  float windspeed = 0;  
};

Data sendData;

#endif
/* Includes_END */

/* Externs_BEGIN */
/* extern double func(double a); */
/* Externs_END */

void nRF24L01_Start_wrapper(real_T *xD)
{
/* Start_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
    Serial.begin(9600);
    const byte address[6] = "00001";
    if(!radio.begin()) {
        Serial.println("Radio failed");
    } else {
        Serial.println("Radio initilized");
    }
    radio.openWritingPipe(address);
    radio.setPALevel(RF24_PA_HIGH);
    radio.stopListening();
#endif
/* Start_END */
}

void nRF24L01_Outputs_wrapper(const real32_T *temp,
                              const real32_T *humid,
                              const real_T *pressure,
                              const real32_T *windspeed,
                              const real_T *xD)
{
/* Output_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
    sendData.temp = temp[0];
    sendData.humid = humid[0];
    sendData.pressure = pressure[0];
    sendData.windspeed = windspeed[0];
    radio.write(&sendData, sizeof(Data));
#endif
/* Output_END */
}

void nRF24L01_Update_wrapper(const real32_T *temp,
                             const real32_T *humid,
                             const real_T *pressure,
                             const real32_T *windspeed,
                             real_T *xD)
{
/* Update_BEGIN */

/* Update_END */
}

void nRF24L01_Terminate_wrapper(real_T *xD)
{
/* Terminate_BEGIN */
/*
 * Custom Terminate code goes here.
 */
/* Terminate_END */
}

S-Function Tutorial

Projektunterlagen

Projektplan

• 

  Gantchart der Projektdurchführung

Projektdurchführung

Das Projekt "kabellose Wetterstation" wurde durchgeführt als Teil des GET-Fachpraktikums. Es konzentriert sich auf die Erfassung und Analyse wettertechnischer Daten, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit mit Hilfe von zwei ArduinoMega. Diese Arduinos, integriert in selbst entworfene 3D-gedruckte Gehäuse, kommunizieren drahtlos miteinander. Das Außengehäuse wurde speziell wasserabweisend konstruiert, um die interne Elektronik vor Regen und Feuchtigkeit zu schützen. Sowohl die Innen- als auch die Außenstation erfassen Messdaten, die dann auf einem Display in der Innenraum-Station visualisiert werden.

Die Entwicklung dieser kabellosen Wetterstation umfasste zwei Hauptbereiche: die Hardware- und die Softwareentwicklung.

In der Hardwareentwicklung liegt der Fokus auf dem Design und der Konstruktion der physischen Komponenten. Dies beinhaltet die Auswahl geeigneter Materialien für die Gehäuse, die Integration von Sensoren und Mikrocontrollern sowie die Sicherstellung der Wetterfestigkeit und der drahtlosen Kommunikation. Wichtige Aspekte sind dabei die Robustheit der Außenstation gegenüber Witterungseinflüssen und die ergonomische sowie ästhetische Gestaltung der Innenstation. Im Innengehäuse ist ein 3,5-Zoll-Display verbaut, dass die Lesbarkeit der Wetterdaten sicherstellt. Die Innenstation verfügt über ein Empfänger-Modul, Sensoren für Temperatur und Feuchtigkeit sowie eine RealtimeClock, diese sind alle im Gehäuse untergebracht. Beim Design des Innengehäuses wurde besonderen Wert auf Benutzerfreundlichkeit und einfache Wartung gelegt, es berücksichtigt aber ebenso eine gute Belüftung. Das Außengehäuse, das ohne Display gestaltet ist, besitzt neben dem Funkmodul und dem Temperatur- und Feuchtigkeitssensor auch ein Anemometer und ein Barometer. Es ist aus dem Material ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat) 3D-gedruckt, ein Material das sich durch seine UV- und Witterungsbeständigkeit auszeichnet.

Auf der anderen Seite steht die Softwareentwicklung, die sich mit der Programmierung der Mikrocontroller, der Entwicklung der Benutzeroberfläche, der Implementierung der Datenverarbeitung und Datenanzeige befasst, alles unter Verwendung von MATLAB/Simulink. Hierbei spielte MATLAB/Simulink, das als Vorgabe des Praktikums zu verwenden war, eine zentrale Rolle. Es wurden zwei unterschiedliche Simulink-Modelle erstellt, um die spezifischen Anforderungen der separat agierenden Arduino-Controller für den Innen- und Außenbereich zu erfüllen. Unter Verwendung von Simulink S-Function-Blöcken wurde C++-Code in die Simulink-Modelle integriert. Dies ermöglichte verschiedene Arduino-Bibliotheken für spezifische Funktionen zu nutzen, die sonst nicht verfügbar gewesen wären.

Das Projektmanagement beinhaltete die Erstellung eines Gantt-Charts und des Programmablaufplans, die die zeitliche Planung und wichtige Meilensteine des Projekts darstellen. Diese Diegramme ermöglichten es uns bereits im Vorhinein eine solide Planung der einzelnen Abschnitte des Projektes anzustellen. Wir konnten durch sie konstant nachverfolgen ob wir im Zeitplan liegen.

Insgesamt zeigt dieses Projekt eine umfassende Kombination aus technischen und praktischen Anwendungen in der Wetterüberwachung.

Zur Funktionsüberprüfung wurden nach dem Zusammenbau ein Versuch durchgeführt. Dieser zeigte, dass die Messdaten und die Ausgabe übereinstimmen. Ebenso wurde die korrektheit der Messdaten überprüft.

Abschließend wurde ein Youtube Video das die Funktionsweise darstellt gedreht, geschnitten und Online zur verfügung gestellt.

Literatur

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