IoT开发入门（ESP8266 Arduino教程）

本文概述

ESP8266 Arduino教程的基本计划
开始ESP8266教程
故障排除
本文总结

本ESP8266 Arduino教程的目的是熟悉在芯片上使用Arduino的嵌入式编程, 该芯片因其在IoT领域的可访问性和易用性而在制造商社区(和一般开发人员)中变得非常流行。本教程还通过非官方的” hack” 使我们与Alexa交涉, 让Alexa在家里进行投标(此技术并非用于生产, 仅用于家庭演示)。在家尝试, 但不要在工作。

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这项技术的优点在于, 我们可以在自己的房屋中使用它, 使Alexa几乎可以使几乎所有用电运行的东西实现自动化。另外, 我们还可以深入了解Arduino的嵌入式编程, 这项技能如今在主流程序员中可能并不常见。最后, 我们开始使用流行的ESP8266芯片, 这是” 自己动手” 的最爱。这是一个了不起的小芯片, 具有运行各种功能的能力, 并且内置了该项目需要的内置Wifi芯片。这将使Alexa设备和芯片直接相互通信。
只是Alexa编程的一些背景知识：Alexa” 技能” 编程模型的工作方式如下：

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你与Alexa交谈。
Alexa会将你的语音一直传回到亚马逊的云。
语音命令被路由到Alexa” 技能” (在亚马逊云中运行的程序)。

Alexa的” 技能” 接管了命令的处理；通常, 它会导致将响应发送回Alexa设备, 从而使用户对响应说一些话。对于Alexa IoT, 该命令将路由到亚马逊云上的” 设备影子” , 最终导致响应发送到你家中的其他设备。我们正在绕过所有黑客攻击。我们想让Alexa设备直接与我们家庭内部的ESP8266芯片通信, 而无需将任何数据发送到云端并返回。我们希望Alexa仅在家庭wifi网络内部和内部直接向ESP8266发送请求。
我们的hack并不是真正的秘密。我们将使ESP8266″ 模仿” Wemo Belkin, 这是一种具有Amazon特殊许可的设备, 允许它直接与Alexa设备进行通信, 而绕开了上述所有Amazon Cloud通信。
我们的ESP8266假装是Wemo, 享有直接从Alexa接收命令的特权。
ESP8266 Arduino教程的基本计划

在ESP8266上侦听Alexa设备, 以在本地wifi网络上发送探针以查找兼容的设备, 然后通过说” 我是Wemo” 来回应这些探针。
一旦被Alexa设备信任, 请侦听来自该设备的其他命令。通过通过红外线发射器发送红外线代码并打开/关闭电视来处理它们。

硬体需求

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要完成本教程, 你将需要自己获得一些物品, 所有这些物品都很容易获得。

任何Alexa设备。我已经使用Alexa Dot开发了本教程。本教程可以与Echo模拟器一起使用吗？它可能！ (但是我还没有测试过)。如果你喜欢冒险(或节俭), 请尝试一下。 Alexa设备需要零花钱, 但是免费使用Echosim。
ESP8266芯片。在撰写本文时, 它们的成本仅为几美元。你可以在Ebay或几乎任何库存充足的硬件商店上购买它们。
IR(红外)二极管。你需要将其连接到ESP8266芯片, 这需要你自己做。对于这个项目, 我们只需要发送功能；我们不在乎接收IR。确保将二极管连接到GND并输出0, 本教程才能正常工作。 (如果你采用其他任何方式, 也可以, 但你还必须负责相应地修改教程代码。此链接可能会对你有所帮助。请注意, 由于ESP8266上使用的编号方式, 引脚0可能会被标记为” D3″ 。
一个串行适配器, 一侧为USB(可插入你的开发计算机), 另一侧为ESP8266芯片。
你知道用户名和密码的本地wifi网络。

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【IoT开发入门（ESP8266 Arduino教程）】ESP8266连接到适配器, 在Echo Dot旁边

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带红外二极管的ESP8266
Arduino软件工具

Arduino IDE。有适用于所有主要操作系统的版本, 包括Windows。本教程是在Ubuntu版本上开发的, 但是我也已经在Windows上安装并使用了Arduino, 没有问题。
用于Arduino的ESP8266开发库。
司机。幸运的是, 适配器的驱动程序很可能是即插即用的, 因此不需要其他驱动程序。

设置一切

安装Arduino IDE。
使用Boards Manager安装ESP8266库。

要使用Boards Manager安装ESP8266库：

在Arduino IDE中, 打开文件-> 首选项。
在” 其他委员会管理器URL” 中输入以下URL：http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
点击确定

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转到董事会管理器(工具-> 董事会：[当前董事会]-> 董事会管理器)。

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在” 过滤器” 文本框中, 键入” ESP8266″ 。
现在, 你已经添加了其他板管理器, 应该会获得” esp8266″ 的条目。选择它, 然后单击” 安装” 。

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请稍等-下载所有内容都需要一些时间。
重新启动你的Arduino IDE。
打开” 工具” -> ” 开发板” ：这次, 向下滚动到” Generic ESP8266 Module” 并选择它。

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添加第三方库
Arduino提供了许多不同的方法来将外部库添加到你的项目中, 或称其为” Sketch” 。为了使事情尽可能简单, 在本教程中, 我们将以最快的速度进行说明, 即简单地复制文件夹。为了使本教程正常工作, 我们将需要添加两个外部库：IRemoteESP8266和https://github.com/me-no-dev/ESPAsyncTCP。

在GitHub中的教程代码中, 找到” 库” 目录。
在Arduino的根安装目录(例如C：\ Program Files \ Arduino)中, 找到” 库” 子目录。
将IRemoteESP8266目录从教程的” 库” 目录复制到Arduino的” 库” 目录。
将ESPAsyncTCP目录从教程的” 库” 目录复制到Arduino的” 库” 目录。
重新启动Arduino IDE。

现在, 该项目中包含用于IR传输和异步TCP的库。
设定值
下图显示了典型设置, 这些设置适用于我和我的硬件, 但可能因每个用户而异。你可以尝试以下设置, 但有可能可能必须根据特定的芯片和适配器进行调整。例如, 我的是nodemcu, 所以我不得不将重置方法从” ck” (默认)更改为” nodemcu” 。另外, 将” 调试端口” 设置为” 串行” , 以便可以使用串行调试器。我的是非常典型的设置, 因此你可以将我的设置用作基础。我只是说如果你要弄乱它们以使编译和刷新过程正常工作, 请不要感到惊讶。

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使用ESP8266 Hello World验证设置
Arduino项目以.ino文件开头。 .ino文件定义了两个输入点：设置和循环。对于我们的” hello world” , 我们将在ESP8266上稍作点灯, 以验证我们的代码是否有效。

//SET TO MATCH YOUR HARDWARE #define SERIAL_BAUD_RATE9600 #define LED_PIN 2/*---------------------------------------*/ //Runs once, when device is powered on or code has just been flashed void setup() { //if set wrong, your serial debugger will not be readable Serial.begin(SERIAL_BAUD_RATE); pinMode(LED_PIN, OUTPUT); }/*---------------------------------------*/ //Runs constantly void loop() { digitalWrite(LED_PIN, LOW); delay(1000); digitalWrite(LED_PIN, HIGH); delay(1000); }

编译并刷新代码
如果到目前为止的设置是正确的, 那么编译和刷新是简单的步骤。要编译而不闪烁, 只需从Arduino菜单转到Sketch-> Verify / Compile。

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要将代码刷新到芯片上并进行编译, 请从Arduino菜单中选择Sketch-> Upload。

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如果刷新成功, 你将看到进度显示从0％变为100％, 在此期间, 芯片上的LED最有可能实际上会闪烁或闪烁。
要测试串行调试是否有效：

首先, 确保将调试端口设置为串行(工具-> 调试端口)。
代码完成闪烁到芯片后, 选择工具-> 串行监视器。

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成功启动后, 串行调试器的输出：

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太好了, 这样行得通；接下来, 我们要验证我们的IR输出。让我们通过红外发射器发送信号, 并验证信号是否通过。
我们将利用现有的Arduino IR库来帮助我们。 Arduino的一大优点是, 将库和模块捕捉进出非常容易。 C ++框架令人耳目一新！
只需按照Git repo的README文件中的说明进行操作即可在Arduino中安装。
此代码只是重复闪烁红外发射器。 IR是人眼看不见的, 但是有测试它的提示。运行此代码, 验证(通过调试器)该代码正在你的芯片上运行, 然后打开移动设备的相机。通过相机直接看红外二极管灯泡。如果它可以正常工作, 则应该可以看到灯泡已打开和关闭。你也可以使用任何可用的遥控器(例如, 标准电视遥控器)来尝试此操作。以下代码应使IR灯泡每0.5秒开始闪烁一次。实际上, 它会发送LG开/关命令, 因此实际上可能会在附近打开和关闭LG电视。

#include < IRremoteESP8266.h> // IR LibraryIRsend* irSend; // infrared sender//SET TO MATCH YOUR HARDWARE #define SERIAL_BAUD_RATE9600//PIN 0 is D3 ON THE CHIP #define IR_PIN0 /*---------------------------------------*/ //Runs once, when device is powered on or code has just been flashed void setup() { //if set wrong, your serial debugger will not be readable Serial.begin(SERIAL_BAUD_RATE); //initialize the IR irSend = new IRsend(IR_PIN, true); irSend-> begin(); }/*---------------------------------------*/ //Runs constantly void loop() { irSend-> sendNEC(0x20DF10EF, 32, 3); delay(1000); }

开始ESP8266教程如果到目前为止一切正常, 我认为我们对基本设备和设置都可以正常运行感到满意, 并且我们准备开始本教程。
连接到Wifi
首先, 我们需要连接到本地wifi。下面的代码将尝试连接到Wifi, 并报告连接成功(通过串行调试器)。在代码示例中, 请不要忘记用你的wifi网络的用户名替换myWifiSsid的值, 并使用正确的密码替换myWifiPassword的值。

#include "debug.h"// Serial debugger printing #include "WifiConnection.h"// Wifi connection // this file is part of my tutorial code #include < IRremoteESP8266.h> // IR library WifiConnection* wifi; // wifi connection IRsend* irSend; // infrared sender//SET YOUR WIFI CREDS const char* myWifiSsid = "***"; const char* myWifiPassword = "*******"; //SET TO MATCH YOUR HARDWARE #define SERIAL_BAUD_RATE9600//PIN 0 is D3 ON THE CHIP #define IR_PIN0/*---------------------------------------*/ //Runs once, when device is powered on or code has just been flashed void setup() { //if set wrong, your serial debugger will not be readable Serial.begin(SERIAL_BAUD_RATE); //initialize wifi connection wifi = new WifiConnection(myWifiSsid, myWifiPassword); wifi-> begin(); //connect to wifi if (wifi-> connect()) { debugPrint("Wifi Connected"); } }/*---------------------------------------*/ //Runs constantly void loop() { }

运行Wemo服务器
连接的？好。现在, 我们来了解项目的重点：Wemo服务器。
我自己的Wemo模拟器包含在本教程的源文件中。现在, 你可以搜索Google并找到一个更简单的Wemo模拟器。你可以找到使用更少的代码编写的代码, 而且它易于理解。无论如何, 请随时进行检查, 试验, 编写自己的内容, 等等。这些都是使本教程成为你自己的一部分。
我的背后的原因是它使用了ESPAsyncTCP。为什么这样好？好吧, 在这种方法变得不可靠之前, 你可以使用ESP8266在ESP8266上运行的服务器(或设备)如此之多, 从某种意义上说, Alexa将开始丢失设备(找不到它们), 命令将被丢弃, 并且性能变慢。我发现通过使用ESPAsyncTCP库可以使此数字最大化。
如果没有它, 我发现在大约10到12台设备中爬入是不可靠的；有了它, 我发现该数字最多可以达到16。如果你想扩展本教程并探索芯片功能的极限, 我建议使用我的版本。如果你只是想了解一个简单的版本, 请随时在Google上搜索” wemo emulator Arduino” ；你应该找到许多示例。
现在, 我们必须安装ESPAsyncTCP库。像安装IR库一样安装它；转到Git页面并按照说明进行操作。
该库也包含在我的esp8266 arduino示例代码中。这只是打开wifi连接, 侦听Alexa发现请求并通过返回” 我是Wemo” 响应进行处理的代码。

#include "debug.h"// Serial debugger printing #include "WifiConnection.h"// Wifi connection #include "Wemulator.h"// Our Wemo emulator #include < IRremoteESP8266.h> // IR library WifiConnection* wifi; // wifi connection Wemulator* wemulator; // wemo emulator IRsend* irSend; // infrared sender//SET YOUR WIFI CREDS const char* myWifiSsid = "***"; const char* myWifiPassword = "*******"; //SET TO MATCH YOUR HARDWARE #define SERIAL_BAUD_RATE9600//PIN 0 is D3 ON THE CHIP #define IR_PIN0/*---------------------------------------*/ //Runs once, when device is powered on or code has just been flashed void setup() { //if set wrong, your serial debugger will not be readable Serial.begin(SERIAL_BAUD_RATE); //initialize wifi connection wifi = new WifiConnection(myWifiSsid, myWifiPassword); wifi-> begin(); //initialize the IR irSend = new IRsend(IR_PIN, false); irSend-> begin(); //initialize wemo emulator wemulator = new Wemulator(); //connect to wifi if (wifi-> connect()) { wemulator-> begin(); //start the wemo emulator (it runs as a series of webservers) wemulator-> addDevice("tv", new WemoCallbackHandler(& commandReceived)); wemulator-> addDevice("television", new WemoCallbackHandler(& commandReceived)); wemulator-> addDevice("my tv", new WemoCallbackHandler(& commandReceived)); wemulator-> addDevice("my television", new WemoCallbackHandler(& commandReceived)); } }/*---------------------------------------*/ //Runs constantly void loop() { //let the wemulator listen for voice commands if (wifi-> isConnected) { wemulator-> listen(); } }

预测试
通过与Alexa一起运行, 测试目前为止的产品(WiFi和仿真器)。本教程假定你已在家里设置并安装了Alexa设备。
测试发现：
对Alexa说：” Alexa, 发现设备。”
这将导致Alexa在你的本地wifi网络上广播UDP请求, 扫描Wemos和其他兼容设备。该请求应在对wemulator-> listen()的调用中收到；在loop()函数中。依次将其路由到Wemulator的handleUDPPacket(*)方法。在nextUDPResponse()方法中发送响应。注意该响应的内容：

const char UDP_TEMPLATE[] PROGMEM = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" "CACHE-CONTROL: max-age=86400\r\n" "DATE: Sun, 20 Nov 2016 00:00:00 GMT\r\n" "EXT:\r\n" "LOCATION: http://%s:%d/setup.xml\r\n" "OPT: \"http://schemas.upnp.org/upnp/1/0/\"; ns=01\r\n" "01-NLS: %s\r\n" "SERVER: Unspecified, UPnP/1.0, Unspecified\r\n" "ST: urn:Belkin:device:**\r\n" "USN: uuid:Socket-1_0-%s::urn:Belkin:device:**\r\n\r\n";

这是告诉Alexa” 我是Wemo(贝尔金)的代码, 我该如何帮助你？” 的代码Alexa收到此响应后, 便会知道并记住将来的智能家居命令可能会路由到此设备。
此时串行调试器的输出应如下图所示。完成发现后, Alexa会口头告诉你它已在网络上” 发现[N]个设备” 。

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在setup()函数中, 请注意以下代码段：

new WemoCallbackHandler(& commandReceived)

这是我们将从Alexa捕获命令的回调。它的主体在WemoCallbackHandler.h(WemoCallbackHandler :: handleCallback)中定义。从Alexa捕获命令后, 就可以使用它来完成所需的操作。在此之前的几行中, 我们使用以下代码行设置了可以使用的命令：

wemulator-> addDevice("tv"); wemulator-> addDevice("television"); wemulator-> addDevice("my tv"); wemulator-> addDevice("my television");

因此, 这些是我们在芯片上运行的4个独立的” 服务器” 或侦听器。这样可以设置对Alexa说以下任何命令的能力：

Alexa, 打开电视Alexa, 关闭电视Alexa, 打开电视Alexa, 关闭电视Alexa, 打开我的电视Alexa, 关闭我的电视Alexa, 打开我的电视Alexa, 关闭我的电视

这就是我们将对其进行测试的方式。我们希望说任何这些命令都应该唤醒我们的代码并输入该回调, 我们可以在其中执行所需的操作。

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添加IR命令
现在我们已经收到命令, 现在该是通过打开/关闭电视来处理它了。因此, 这一切-wifi, wemo仿真器和IR-都将放在一起。我的电视是LG, 因此我查找了打开/关闭的适当顺序, 并通过IR库的sendNEC功能(LG使用NEC协议)发送了该顺序。 IR编码/解码本身就是一个单独的主题, 其中消息是通过信号调制来编码的；这是非常精确的时间, 标记和空格的规范。每个制造商都倾向于使用其自己的专有协议来执行命令, 并且时序不同。这非常有趣, 你可以通过查看该IR库的源代码, 进行谷歌搜索等来进行更深入的研究。但是, 为了方便起见, IR库为我们提供了所有这些细节。
你的电视不是LG吗？只是谷歌正确的代码。这是Sony电视的命令(注意：未经测试)：

irSend.sendSony(0xa90, 12);

如果你想自己动手做, 可以设置一个IR接收器, 将遥控器(或任何IR发射器)对准它, 并解码其发送的代码；但是, 那是另一本教程。
端到端测试

将Alexa放在可以听到你声音的任何地方。
将ESP8266和连接的红外二极管放在电视的遥控范围内。
说” Alexa, 发现设备” 。等待它报告成功(它应该已经发现至少一台设备)。
说” Alexa, 打开电视” 或” Alexa, 关闭电视” 。

Alexa应该理解你的命令(作为智能家居命令, 不针对特定技能), 搜索用于处理该设备的本地设备, 然后将该命令发送到该设备(你的ESP8266)。你的设备应将其接收并将遥控器命令发送到电视。你可以通过手机摄像头查看二极管, 以确保其发光。
由于关闭电视的IR代码与打开电视的代码相同, 因此你发出命令” 打开” 还是” 关闭” 都没有关系。相同的代码, 并切换状态。如果电视关闭, 则应打开电视；如果电视打开, 则应关闭电视。
故障排除你已连接到Wifi吗？
你是否在正确的变量值中输入了正确的用户名/密码？

//SET YOUR WIFI CREDS const char* myWifiSsid = "***"; const char* myWifiPassword = "*******";

连接到Wifi时, 是否通过串行调试端口收到故障消息或任何错误？
你的Wifi是否已打开, 并且可以通过任何其他常规方式连接到它吗？
Alexa是否发现了你的设备？
当你说” Alexa, 发现设备” 时, Alexa将发出发现设备的请求。
必须正确配置和设置Alexa, 并将其连接到与ESP8266相同的Wifi网络。
在Fauxmo.h中查看。参见函数Fauxmo :: handle()。这是ESP8266听到呼叫后将运行的第一个代码。放入调试消息以查看之后是否有任何代码

if (len > 0) {

在跑。如果不是, 则说明没有收到命令。如果是, 则似乎正在接收命令, 但未正确处理。从那里按照代码查找问题所在。
你的网络上还有许多其他可发现的设备吗？太多会导致发现运行速度变慢, 甚至有时会失败。
你的设备收到命令了吗？
当你发出命令” Alexa, 打开电视” 时, 执行应输入WemoCallbackHandler :: handleCallback处理程序(在WemoCallbackHandler.h文件中)。如果尚未执行此操作, 请尝试在其中输出一些调试消息, 以确保在发出命令时将其触发。另外, 在发出命令之前, 尝试说” Alexa, 发现设备” , 以确保Alexa知道你的设备。此步骤假定设备发现成功。
红外二极管发光吗？
如前所述, 当你认为设备应该发光时, 请将手机的摄像头对准它, 然后通过摄像头查看二极管。尽管在现实生活中你什么都看不到, 但是通过相机, 它应该像正常的灯光一样亮起并闪烁。如果看到此消息, 则表明它正在发射……某物。
红外信号是否反向？
你的IR二极管的接线方式可以使信号实质上反向。请谅解我, 因为我不是电子产品或接线人员, 但错误地连接二极管的结果将是默认情况下IR灯将打开, 但当IRSend库打算打开时将其关闭。它在。在这种情况下, 默认情况下, 在setup()代码运行之后, 但在其他任何事情发生之前, 你的红外灯应处于打开状态(可通过相机看到)。如果要注释掉loop()内的所有代码, 则应该看到它一直处于打开状态。
要更清楚地了解如何解决此问题, 请进入教程代码的library / IRemoteESP8266 / src文件夹。参见构造函数：

IRsend::IRsend(uint16_t IRsendPin, bool inverted) : IRpin(IRsendPin), periodOffset(PERIOD_OFFSET) { if (inverted) { outputOn = LOW; outputOff = HIGH; } else { outputOn = HIGH; outputOff = LOW; } }

我们所说的是” 反向” 参数和处理它的逻辑。如果你的接线颠倒了, 最简单的解决方案是在代码中做些小的改动以允许这样做(而不是重新接线……但是如果你愿意, 可以这样做)。只需在AlexaTvRemote.ino中更改此行：

//initialize the IR irSend = new IRsend(IR_PIN, false);

//initialize the IR irSend = new IRsend(IR_PIN, true);

你是否拥有正确的遥控器代码和命令？
如果其他一切似乎都没问题, 但电视没有服从, 则IR代码很可能有问题。在该IR库接口上尝试其他函数调用(例如sendLG, sendPanasonic, sendSharp等), 或确保你使用的函数与硬件相匹配。该库不太可能不支持你电视的硬件, 但我认为这在技术上是可行的。
确保你要发送的代码适合你的硬件。你可能需要在Google上进行一些挖掘才能找到合适的一个。如果所有其他方法均失败, 则始终可以选择在按下” 电源” 按钮时检测从工作遥控器发出的代码, 但这是不同的教程, 并且需要不同的硬件。
本文总结希望一切都能为你解决。如果是这样(甚至可能不是这样), 那么这是一次在多个对象上同时割牙的好方法：

Alexa
嵌入式编程
ESP8266芯片
Arduino IDE

当然, 当然, 你还可以通过语音命令打开/关闭电视, 这可能会带来一点便利。
为什么要骇客？
为什么这是黑客行为, 而不是Alexa基本API的一部分？在学习了如何发展我的第一个Alexa技能之后, 我真正想知道的就是” 如何直接从Alexa向网络上的另一台设备发送命令？” 令人遗憾的是, 亚马逊没有公开用于在Alexa设备与本地网络上的其他对象之间进行通信的完整API, 而没有经历” 技能” 或” 智能家居” 范式(其中所有内容都必须发送到AWS)在做任何事情之前), 但他们只是没有。
尝试进一步
尝试使用一套远程控制命令来更全面地控制电视, 例如更改频道和控制音量。通过查看你可以在一个ESP8266上监听多少个不同的命令来测试芯片的极限(提示：该数字几乎不破两位数, 无需进行一些非常聪明的编程)。如果你擅长使用硬件, 请尝试将其他设备直接连接到ESP8266芯片, 而不是通过IR控制其他设备；喜欢照明之类的。重塑wemo！
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