Dosenautomat

Aus HSHL Mechatronik
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Autor: Bartos Schwichtenberg & Berta Nissen
Betreuer: Marc Ebmeyer


Einleitung

Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines "Dosenautomaten mit Dreifachauswahl" im Rahmen des Studiengangs Ba. Mechatronik im 5. Semester. Dieser innovative Automat zeichnet sich durch drei wesentliche Komponenten aus: 1. drei Aktuatoren (Motoren zur Fachauswahl), 2. Sensorik Nr. 1 (Tasteneingabe durch Benutzer), 3. Sensorik Nr. 2 (Beleuchtung für Fachentnahme). Das System funktioniert mit einem(r) Chip/Chipkarte ohne Guthaben und soll der Benutzers erkannt werden. Nach Erkennen wird das Bedienfeld entsperrt. Die Artikelwahl erfolgt über das Bedienfeld des Automaten. Jede Taste ist nur einem Servo zugewiesen und dieser Servo ist nur einem Artikelplatz. Eine Beleuchtung im Ausgabeschacht gibt dem Benutzer den Hinweis, den Artikel aus dem Schacht zu nehmen.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderung an die Komponente
ID Inhalt Ersteller Datum Geprüft von Datum
1 Das Chiplesegerät muss den Chip/Chipkarte erkennen und das Bedienfeld des Automaten entsperren (Benutzererkennung). Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024
2 Das LCD-Display muss Bereitschaftsbetrieb anzeigen (Begrüßung). Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024
3 Die Taste 1 steuert nur den Servo 1 an (Artikel von Platz 1). Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024
4 Die Taste 2 steuert nur den Servo 2 an (Artikel von Platz 2). Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024
5 Die Taste 3 steuert nur den Servo 3 an (Artikel von Platz 3). Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024
6 Servo 1 muss zwischen 0° und 35° schwenken. Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024
7 Servo 2 muss zwischen 0° und 35° schwenken. Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024
8 Servo 3 muss zwischen 0° und 35° schwenken. Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024
9 Beleuchtung im Schacht aufleuchten. Bartos Schwichtenberg 11.10.2023 Berta Nissen 17.01.2024

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

  • Abb. 2 Funktionaler Systementwurf

    Abb. 2 Funktionaler Systementwurf

  • Abb. 3 technischer Systementwurf

    Abb. 3 technischer Systementwurf

  • Abb. 3a CAD-Zeichnung

    Abb. 3a CAD-Zeichnung

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Komponentenspezifikation

Tabelle 2: Liste aller Komponenten (in Bearbeitung)
ID Komponente Bezeichnung Abbildung Link Preis
1 Microcontroller Arduino UNO Rev3 [A000066] https://www.amazon.de/Arduino-A000066-UNO-Rev3/dp/B008GRTSV6/ref=sr_1_8?__mk_de_DE=%C3%85M%C3%85%C5%BD%C3%95%C3%91&keywords=arduino&qid=1705309800&sr=8-8 24,28€
2 Tastenfeld HALJIA 2 Stücke 1x4 Matrix 4 Tasten Membran Switch Control Tastatur für Arduino https://amzn.eu/d/4NuWy0d 7,99€
3 LCD-Display AZ-Delivery HD44780 1602 LCD Modul Display Bundle mit I2C Schnittstelle 2x16 Zeichen (mit grünem Hintergrund)

https://www.conrad.de/de/p/az-delivery-hd44780-1602-lcd-modul-display-bundle-mit-i2c-schnittstelle-2x16-zeichen-mit-gruenem-hintergrund-854720767.html 5,98€
4 LCD-Display-Halterung Einbaurahmen bezel LCD 2x16 16x2 Arduino 1602 Yver Inc. FF1602XS Extra Small https://www.ebay.de/itm/403572412958?mkcid=16&mkevt=1&mkrid=707-127634-2357-0&ssspo=othh7_s5qtq&sssrc=4429486&ssuid=x3WGzMX3Tbu&var=673533160861&widget_ver=artemis&media=COPY 6,30€
5 Netzteil Xilence XP400R6 PC Netzteil, 400W Peak Power, ATX https://www.conrad.de/de/p/xilence-xp400r6-pc-netzteil-400w-peak-power-atx-2892733.html#productTechData 29,80€
6 Kühlsystem Kühler inkl Lüfter für Peltierelement - Kühlsystem Kit 90mm https://funduinoshop.com/elektronische-module/sonstige/peltierelemente/kuehler-inkl-luefter-fuer-peltierelement-kuehlsystem-kit-90mm 9,90€
7 RFID-Gerät mit Chip AZ-Delivery RFID Kit RC522 mit Reader, Chip und Card für Raspberry Pi und Co. (13,56MHz) https://www.conrad.de/de/p/az-delivery-rfid-kit-rc522-mit-reader-chip-und-card-fuer-raspberry-pi-und-co-13-56mhz-850038438.html 5,49€
8 RFID-Halter Einbaurahmen Gehäuse für Arduino RFID Modul RC522 Yver Inc. https://www.ebay.de/itm/403574423895?mkcid=16&mkevt=1&mkrid=707-127634-2357-0&ssspo=othh7_s5qtq&sssrc=4429486&ssuid=x3WGzMX3Tbu&var=673534476888&widget_ver=artemis&media=COPY 7,10€
9 Netzbuchse Eingangsmodul, Wippenschalter 250V 10A YIXIS 10A 250V Netzbuchse Eingangsmodul, Wippenschalter https://www.amazon.de/dp/B09TXPS559?psc=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details 7,59€
10 Netzstecker Kaltgerätestecker InLine Netzkabel (Schutzkontakt gerade auf C13 Kaltgerätestecker Länge: 1,80m) - in schwarz https://www.conrad.de/de/p/intos-electronic-inline-netzkabel-schutzkontakt-gerade-auf-c13-kaltgeraetestecker-laenge-1-80m-in-schwarz-800403474.html 3,39€
11 Jumper / Dupont Kabel Set 40pin Jumper / Dupont Kabel Set, je 1x F-F / M-M / F-M, 20cm https://www.conrad.de/de/p/40pin-jumper-dupont-kabel-set-je-1x-f-f-m-m-f-m-20cm-817296700.html 5,38€
12 Gehäuselüfter StarTech.com 80mm Gehäuselüfter - Lüfter 8cm für PC Gehäuse mit 3-pin Molex Stecker (80mmx80mmx25mm) https://www.conrad.de/de/p/startech-com-

80mm-gehaeuseluefter-luefter-8cm-fuer-pc-gehaeuse-mit-3-pin-molex-stecker-80mmx80mmx25mm-806138943.html || 13,15€

13 Servomotor MG 90S Metallgetribe MicroServo https://www.amazon.de/dp/B0BTYRBBFY?psc=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details 17,99€
14 Temperatursensor Greluma DC 12V Temperaturregler Programmierbar -50 bis 110 °C https://funduinoshop.com/elektronische-module/sensoren/temperatur/temperatursensor-tmp36gt9z.html 2,89€
15 Voltmeter Amperemeter Greluma 2 Stk 0,28" LED Voltmeter Amperemeter https://www.amazon.de/dp/B08NTMX62K?psc=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details 9,99€
16 Verbrauchsmaterial Holz-OSB3 Platte mini ungeschliffen 1250x625x15 mm 3x Stück https://www.hornbach.de/p/osb3-platte-mini-ungeschliffen-1250x625x15-mm/10587891/ 7,40€
17 Verbrauchsmaterial Plexiglas Gutta Hobbyglas 2x500x1000 mm glatt klar https://www.hornbach.de/p/hobbyglas-2x500x1000-mm-glatt-klar/1477812/ 15,40€
18 Verbrauchsmaterial HECO-TOPIX-plus Holzschraube Senkkopf mit Frästaschen TX Teilgewinde 4,5x35 mm Edelstahl A2 https://www.hornbach.de/p/heco-topix-plus-holzschraube-senkkopf-mit-fraestaschen-tx-teilgewinde-4-5x35-mm-edelstahl-a2-200-stueck/10434659/?searchTerm=HECO-TOPIX-plus+Holzschraube+Senkkopf+mit+Fr%C3%A4staschen+TX+Teilgewinde+4%2C5x35+mm+Edelstahl+A2 23,20€
19 Verbrauchsmaterial Kabel https://www.hornbach.de/p/mantelleitung-nym-j-5x25-mm-grau-meterware/6471650/ 19,04€
20 Verbrauchsmaterial Lötzinn https://www.conrad.de/de/p/logilink-loetdraht-o-1-mm-bleifrei-0-7-kupfer-12-5g-spenderbox-808011504.html 1,55€
21 Verbrauchsmaterial Schrumpfschlauch https://www.hornbach.de/p/steinel-schrumpfschlauch-set-iii-4-0-12-0-mm-20-stueck/7631923/ 4,95€
22 Verbrauchsmaterial Scharnier (schmal) https://www.hornbach.de/p/schmales-scharnier-50x30-mm-edelstahl-matt-10-stueck/5863118/ 14,95€
23 Verbrauchsmaterial Montageband https://www.hornbach.de/p/pattex-montageband-superstark-weiss-19-mm-x-1-5-m/10401735/ 6,89€
24 Verbrauchsmaterial Lüsterklemme 1,5-2,5 mm² 12-polig 2 Stück https://www.hornbach.de/p/luesterklemme-1-5-2-5-mm-12-polig-2-stueck/8266981/ 2,25€
25 Verbrauchsmaterial MATERIAL Datei:MATERIAL LINK PREIS€

Umsetzung (HW/SW)

Gehäuse

Die Abbildung 4a, 4b, 5a und 5b zeigt das Gehäuse. Es ist aus Holzplatten zusammen geleimt und verschraubt. Als Schutz dient auf der Vorderseite eine Plexiglasscheibe. Zur einfachen Auffüllung ist die Oberklappe zum öffnen und als Eingabefach. Die Steuerung der Aktuatoren, Sensoren, Mikrokontroller ist im Gehäuse eingebaut. Die Bedienelektronik befindet sich auf der Vorderseite des Geräts.


Abb. 4a Gehäuse Vorderseite
Abb. 4b Gehäuse Rückseite
Abb. 4c Gehäuse Seitenansicht re.
Abb. 4d Gehäuse Seitenansicht li.

Schaltung

Zum Einsatz kommt der Mikrokontroller.

  • Abb. 5 Schaltung

    Abb. 5 Schaltung


Regelstrecke Eingabegeräte / Ausgabegeräte
  • Abb. 7 Regelstrecke

    Abb. 7 Regelstrecke

Eingabegeräte:
  • RFID-Chip, zuständig für die Benutzererkennung und die Freischaltung des Tastenfeldes.
  • Tastenfeld, dient zur Auswahl der Artikel bzw. eines Abbruchs.

Ausgabegeräte:

  • LCD-Display, das LCD-Display gibt eine Begrüßung, den Status und die Artikelaswahl an.
  • Servo-Motor, dieser dient zur Ausgabe des ausgewählten Artikels.
Regelstrecke für Servomotor Regler-Code-Matlab Regelstrecke für Peltier-Element
  • Abb. 7b Regelstrecke für Servomotor

    Abb. 7b Regelstrecke für Servomotor

  • Abb. 7c Ausschnitt aus dem Matlab-Code

    Abb. 7c Ausschnitt aus dem Matlab-Code

  • Abb. 7d Regelstrecke für Peltier-Element

    Abb. 7d Regelstrecke für Peltier-Element


Programablaufplan (PAP) Programmcode
  • Abb. 8 Programmablaufplan.

    Abb. 8 Programmablaufplan.

Es wird ein Code in auf den Mikrocontroller geschrieben.

Programmcode wurde im weiteren Verlauf in MATlab/Simulink erstellt. 
//Bartos Schwichtenberg für Projekt der HSHL, Projektname: Dosenautomat                            
///////////////////////////////
// Hochschule Hamm Lippstadt //
//     GET-Fachpraktikum     //
//  Wintersemester 2023/2024 //
//   Projekt: Dosenauomat    //
//   Gruppe: MTR 2.2         //
//   Bartos Schwihtenberg    //
//           &               //
//       Berta Nissen        //
///////////////////////////////

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <Servo.h>
#include <Keypad.h>

// LCD-Display
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

// Servos
Servo servo1;
Servo servo2;
Servo servo3;

// Neue Servo-Pins
int servo1Pin = 10;  // PWM-fähiger Pin
int servo2Pin = 11;  // PWM-fähiger Pin
int servo3Pin = 12;  // PWM-fähiger Pin

// 1x4 Tastenfeld
const byte ROW_NUM    = 1;
const byte COLUMN_NUM = 4;
char keys[ROW_NUM][COLUMN_NUM] = {
  {'1','2','3','4'}
};
byte pin_rows[ROW_NUM]    = {5}; // Verbinde dies mit einem digitalen Pin
byte pin_column[COLUMN_NUM] = {9, 8, 7, 6}; // Neue Tastenpins
Keypad myKeypad = Keypad(makeKeymap(keys), pin_rows, pin_column, ROW_NUM, COLUMN_NUM);

void setup() {
  lcd.begin();
  lcd.backlight();

  // Neue Servo-Pins konfigurieren
  servo1.attach(servo1Pin);
  servo2.attach(servo2Pin);
  servo3.attach(servo3Pin);

  // Servos auf 0-Stellung setzen
  servo1.write(0);
  servo2.write(0);
  servo3.write(0);

  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("G.-Fachpraktikum");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("B&B-Dosenautomat");
}

void loop() {
  char key = myKeypad.getKey();

  if (key) {
    lcd.setCursor(0, 1);
    
    if (key == '4') {
      lcd.print("    Abbruch     ");
      delay(1000); // Warte 1 Sekunde
    } else {
      lcd.print(" Warenausgabe D" + String(key) );
      
      // Servos basierend auf den Tasten steuern
      if (key == '1') {
        moveServo(servo1, 35);
      } else if (key == '2') {
        moveServo(servo2, 35);
      } else if (key == '3') {
        moveServo(servo3, 35);
      }

      delay(1000); // Warte 1 Sekunde, während der Servo sich bewegt
    }

    resetDisplay();
  }
}

void moveServo(Servo &servo, int angle) {
  servo.write(angle);
  delay(1000); // Warte 1 Sekunde, während der Servo sich bewegt
  servo.write(0);
}

void resetDisplay() {
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("B&B-Dosenautomat    ");  // Setzt die zweite Zeile auf "Dosenautomat" zurück
}

Komponententest

Tabelle 3: Test der Anforderungen
ID Inhalt Getestet von Datum
1 Der Automat muss mit 5V und 12V Spannung versorgt werden. B.Sch. 16.01.2024
2 Die LCD-Messung soll aufleuchten, damt die Spannungsversorgung angezeigt wird. B. Sch. 15.01.2024
3 LCD-Display muss aufleuchten und vorgegebenen Text ausgeben. B. Sch 15.01.2024
4 Chiplesegerät muss den korrekten Chip erkennen. noch offen, **.01.2024
5 LCD-Display zeigt die Auswahlbereitschaft an. B. Sch. 15.01.2024
6 Durch Tastenauswahl muss tastenabhöngig der richtige Motor (Servo) angesteuert werden. B. Sch. 15.01.2024

Tabelle 3 zeigt, welche Anforderung vom welchen Bearbeiter getestet wurde.

Ergebnis

Nach intensiver Entwicklung und Überwindung einiger Herausforderungen präsentierten wir die Ergebnisse der Vorführung des "Dosenautomaten mit Dreifachauswahl". Trotz anfänglicher Schwierigkeiten zeigte der Versuch eine positive Performance auf verschiedenen Ebenen.

  • Kühlleistung des Peltier-Elements:

Ein bedeutender Erfolg des Projekts war die ausreichende Kühlleistung des Peltier-Elements. Das System konnte erfolgreich die gewünschte Temperatur beibehalten, wobei diese von einem externen Sensor präzise erfasst wurde. Dieser Meilenstein unterstreicht die Effizienz der entwickelten Kühltechnologie.

  • Funktionsfähiges Bedienfeld:

Das Bedienfeld des Automaten erwies sich als funktionsfähig und reagierte zuverlässig auf Benutzereingaben. Obwohl die Implementierung der Chipkarten-basierten Benutzererkennung aufgrund von Schwierigkeiten mit Hardware und Software nicht möglich war, konnte eine sichere und benutzerfreundliche Interaktion aufrechterhalten werden.

  • Erfolgreiche Aktuatoren (Servos):

Alle drei Aktuatoren, verantwortlich für die Fachauswahl, funktionierten einwandfrei. Dieser Aspekt ist von entscheidender Bedeutung, da die Zuverlässigkeit dieser Mechanismen direkt die Auswahl und Ausgabe der gewünschten Artikel beeinflusst.

Insgesamt konnten wir trotz einiger unvorhergesehener Probleme und kurzfristiger Umarbeitungen einen positiven Abschluss der Vorführung verzeichnen. Die erzielten Ergebnisse dienen nicht nur als Bestätigung der erfolgreichen Umsetzung des Projekts, sondern auch als Grundlage für zukünftige Entwicklungsprojekte im Bereich der Mechatronik.

Zusammenfassung

Das Projekt zur Entwicklung eines "Dosenautomaten mit Dreifachauswahl" im 5. Semester des Studiengangs Ba. Mechatronik verfolgte das Ziel, einen innovativen Automaten zu schaffen. Die Kernkomponenten des Automaten umfassten drei Aktuatoren (Motoren zur Fachauswahl), Sensorik Nr. 1 (Tasteneingabe durch den Benutzer) und Sensorik Nr. 2 (Beleuchtung für Fachentnahme). Die Erkennung des Benutzers erfolgte mittels einer Chipkarte ohne Guthaben, woraufhin das Bedienfeld entsperrt wurde. Die Artikelwahl wurde über das Bedienfeld des Automaten ermöglicht. Trotz eines anfänglichen Komponententests kam es im Laufe des Projekts zu Schwierigkeiten durch Defekte und Störungen einiger wesentlicher Komponenten. Diese unvorhergesehenen Probleme erforderten kurz vor Abschluss des Projekts teilweise Umarbeitungen, um überhaupt eine erfolgreiche Vorführung zu ermöglichen. Diese Herausforderungen unterstreichen die Bedeutung einer kontinuierlichen Überwachung und Evaluierung der Komponentenleistung während des gesamten Projektverlaufs. Die bereits identifizierten Lessons Learned, darunter mangelnde Kommunikation, Alleingang zu Beginn, verspätete Einigung, sowie die Anpassung an unvorhergesehene Ausfälle, erweisen sich als entscheidende Faktoren für die auftretenden Verzögerungen. Die positive Veränderung durch verstärkte Teamarbeit und die strategische Anpassung an die Schwierigkeiten bei den Komponenten betonen die Relevanz einer flexiblen Projektplanung. Die gewonnenen Erkenntnisse aus diesem Projekt dienen als Basis für künftige Entwicklungsprojekte in der Mechatronik. Eine verbesserte Planung, kontinuierliche Überwachung der Komponenten und die Fähigkeit zur Anpassung an unvorhergesehene Herausforderungen sind dabei zentrale Elemente für eine erfolgreiche Umsetzung.

Lessons Learned

  • 1. Mangelnde Kommunikation zu Beginn: Zu Projektbeginn wurde festgestellt, dass die Kommunikation innerhalb des Teams unzureichend war.Der Mangel an klaren Absprachen und einem koordinierten Vorgehen führte zu einem zunächst isolierten Arbeiten.
  • 2. Alleingang statt Teamarbeit: Insbesondere zu Projektbeginn dominierte der Alleingang, anstatt im Team zu arbeiten. Dies führte zu einem unkoordinierten Ansatz, der die Effizienz des gesamten Projekts beeinträchtigte.
  • 3. Verbesserung durch Teamarbeit: Im Verlauf des Projekts konnte jedoch eine positive Veränderung festgestellt werden, als das Team begann, besser zusammenzuarbeiten. Dies trug dazu bei, die Kommunikationslücken zu überbrücken und den Gesamtprozess zu optimieren.
  • 4. Verzögerung durch verspätete Einigung: Leider führte die anfängliche Uneinigkeit zu einer verzögerten Fertigstellung des Projekts. Die Zeit, die benötigt wurde, um zu gemeinsamen Entscheidungen zu gelangen, erwies sich als kritischer Faktor, der das Projekt letztendlich beeinträchtigte.
  • 5.Deutliche Verzögerungen durch Ausfälle: Die Ausfälle im Projektverlauf führten zu erheblichen Verzögerungen. Unvorhergesehene Ereignisse und Ressourcenengpässe hatten direkte Auswirkungen auf den Zeitplan und erforderten eine Anpassung der strategischen Planung.
  • 6.Lessons Learned und zukünftige Verbesserungen: Basierend auf den gesammelten Erfahrungen, haben wir erkannt, dass eine verbesserte Kommunikation und ein frühzeitiger Fokus auf Teamarbeit entscheidend sind. Eine detailliertere Vorbereitung und eine optimierte Zeitplanung sollten Schwerpunkte bei zukünftigen Projekten sein, um eine schnellere und erfolgreichere Umsetzung zu gewährleisten. Der bewusste Umgang mit unvorhergesehenen Ausfällen und eine flexiblere Anpassung an Veränderungen sollten ebenfalls in die Projektstrategie integriert werden, um potenzielle Verzögerungen zu minimieren.
  • 7 Es wäre empfehlenswert gewesen, ein weiterers Netzteil in Reserve zu haben. Da das verbaute vor kurz vor Projektende angefangen, geschwankt hat.

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

Erstmals kamen wir auf die Idee einen Getränkeautomaten selbst zu bauen, wodurch die erste Skizze entstanden ist. Wir haben uns für einen kompakten und mobilen Dosenautomat mit max. 3 Dosenauswahlen entschieden. Erst haben wir ein Plan erstellt, wo wir alle wichtigen Punkte notiert haben (z.B Termine und Aufgaben), anschließend haben wir die CAD-Zeichnungen gemacht. Als nächstes haben wir alle benötigten Bauteile und Elektroteile bestellt. Folglich haben wir Holzarbeiten durchgeführt und gemerkt, dass wir etwas Umbauen müssen, da nicht alles reinpasste hat. Daraufhin kamen die technischen Aufgaben, Simulink, Kühlung mit Peltier und das alles ist dem Microkontroller verbunden. Zuletzt haben wir ein Plakat, ein Video und eine Präsentation erstellt und die Wiki-Seite bearbeitet.

YouTube Video

In dem folgenden YouTube-Video werden die Funktionen des Dosenautomats gezeigt:

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Weblinks / Grafiklinks / Multimedialink

Grafiken von Materiallinks:

Literatur

1.Schmidt M.: Arduino-ein schneller Einstieg in die Microcontroller-Entwicklung, 2.Auflage, dpunkt Verlag, 2015.

2.Spanner G.: Coole Projekte mit dem Arduino Micro,Franzis.

3.Snieders,R.:Arduinolernen, 10.Auflage,Nordhorn,2023.

4.Banzi M.:Arduino für Einsteiger,3.Auflage,O.Reilly Verlag,2015.

5.Mann H.,Schiffelgen,H,Froriep,R.:Einführung in die Regelungstechnik.

6.Lutz H,WendtW:taschenbuch der Regelungstechnik mit Matlab und Simulink,Europa Lehrmittel,2021.

7.Dorf C.,BishopR:Moderne Regelungssysteme,10.Auflage,Pearson Studium 2006


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