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Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用組員:鄒劍,王一松Zigbee—controlyourworldZigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用1、zigbee技術(shù)的簡(jiǎn)介2、zigbee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域3、

物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)介4、zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的實(shí)現(xiàn)5、軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)Zigbee—controlyourworldZigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用1.Zigbee的簡(jiǎn)介1.1zigbee的來(lái)源Zigbee—controlyourworldZigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用1.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的提出

1、提出的原因:

近年來(lái),由于無(wú)線接入技術(shù)的需求日益增大,無(wú)線通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均呈現(xiàn)出指數(shù)增加的趨勢(shì)。這有力的推動(dòng)力無(wú)線通信向高速通信方向的發(fā)展。然而,工業(yè)、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、家用網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等都是無(wú)線通信還未涉足或者剛剛涉足的領(lǐng)域。這些領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)吞吐量的要求很低,功率消耗也比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提供的功率消耗低。此外,為了促使簡(jiǎn)單方便的、可以隨意使用的無(wú)線裝置大量涌現(xiàn),需要在未來(lái)的個(gè)人活動(dòng)空間內(nèi)布置大量的無(wú)線接入點(diǎn),因而低廉的價(jià)格將起到關(guān)鍵的作用。為了降低元器件的價(jià)格,以便于這些裝置批量生產(chǎn),有必要發(fā)展出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要解決的問(wèn)題是,設(shè)計(jì)一個(gè)維持最小流量的通信鏈路和低復(fù)雜度的無(wú)線收發(fā)信機(jī);要考慮的核心問(wèn)題是低功耗和低價(jià)格的設(shè)計(jì)。這就要求該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提供低帶寬低數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用。2、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)A:低功耗B:低價(jià)格C:低數(shù)據(jù)傳輸率Zigbee—controlyourworldZigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用3、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制定小組的任務(wù)A:物理層(DSSS):數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)送和接收解調(diào),介質(zhì)選擇,信道選擇。B:MAC層(CSMA/CA):產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo),支持設(shè)備的安全性等。1.3zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)范ZigBee是建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上,由于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了物理層協(xié)議和MAC層協(xié)議,于是成立了zigbee聯(lián)盟,ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,還開(kāi)發(fā)了安全層。經(jīng)過(guò)ZigBee聯(lián)盟對(duì)IEEE802.15.4的改進(jìn),這才真正形成了ZigBee協(xié)議棧(Zstack)。Zigbee—controlyourworldZigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee聯(lián)盟Zigbee—controlyourworldZigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用2、zigbee技術(shù)的應(yīng)用

一般而言,隨著通信距離的增大,設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)傳輸速率和通信范圍較小的特點(diǎn),也就決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)如家庭自動(dòng)化、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備控制等。此外,IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線技術(shù)在給定信噪比下誤碼率是最低的,ZigBee很容易擊敗藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線技術(shù)。在可靠方面,很難找到什么技術(shù)能夠超越ZigBee。ZigBee技術(shù)不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值,未來(lái)在應(yīng)用中還可以涉及人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。由于各方面的制約,ZigBee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日,但已經(jīng)顯示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值,相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn),一定會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。但是我們還清楚的認(rèn)識(shí)到,基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)才剛剛開(kāi)始發(fā)展,它的技術(shù)、應(yīng)用都談不上很成熟,國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住商機(jī),加大投入力度,推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。Zigbee—controlyourworldZigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用3、物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、帶動(dòng)人類的進(jìn)步發(fā)揮著重要的作用,并將成為未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增點(diǎn)。目前,國(guó)外對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)、應(yīng)用主要集中在美、歐、日、韓等少數(shù)國(guó)家。在中國(guó),物聯(lián)網(wǎng)日益受到重視,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)被正式列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的五大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。

物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的,它的定義很簡(jiǎn)單:把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。國(guó)際電信聯(lián)盟2005年一份報(bào)告曾描繪“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的圖景:當(dāng)司機(jī)出現(xiàn)操作失誤時(shí)汽車會(huì)自動(dòng)報(bào)警;公文包會(huì)提醒主人忘帶了什么東西;衣服會(huì)“告訴”洗衣機(jī)對(duì)顏色和水溫的要求等等。具體來(lái)說(shuō),物聯(lián)網(wǎng)就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、工廠排放口、大氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)、流域斷面、水庫(kù)浮臺(tái)、生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、大壩、供水系統(tǒng)、油氣管道等人們?nèi)粘9ぷ?、生活、娛?lè)、學(xué)習(xí)、活動(dòng)的各種對(duì)象(物體)中,然后將它們與互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái),實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的融合。物聯(lián)網(wǎng)顛覆了人類之前物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施截然分開(kāi)的傳統(tǒng)思維,使得政府管理、生產(chǎn)制造、社會(huì)管理以及人們的個(gè)人生活全面實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。Zigbee—controlyourworld

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng),未來(lái)我們可以將世界上所有的物品都連接起來(lái),并對(duì)遠(yuǎn)程物體加以識(shí)別與管理,從而對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛,遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理和個(gè)人健康等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)2008年3月歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺(tái)(EPOSS)在《InternetofThingsin2020》報(bào)告中分析預(yù)測(cè),未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷四個(gè)階段,2010年之前RFID被廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域,2010-2015年物體互聯(lián),2015-2020年物體進(jìn)入半智能化,2020年之后物體進(jìn)入全智能化。據(jù)美國(guó)權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)Forrester預(yù)測(cè),到2020年,物物互聯(lián)業(yè)務(wù)將是現(xiàn)有人人互聯(lián)業(yè)務(wù)的30倍,成為一個(gè)極具吸引力的萬(wàn)億級(jí)信息產(chǎn)業(yè)。在“物聯(lián)網(wǎng)”普及以后,用于動(dòng)物、植物、機(jī)器和物品的傳感器與電子標(biāo)簽及配套的接口裝置的數(shù)量將大大超過(guò)手機(jī)的數(shù)量,“物聯(lián)網(wǎng)”將會(huì)發(fā)展成為一個(gè)上萬(wàn)億元規(guī)模的高科技市場(chǎng)。物聯(lián)網(wǎng)正在引發(fā)新一輪的生活方式變革,而且已經(jīng)成為一個(gè)發(fā)展迅速、規(guī)模巨大的市場(chǎng),被視為通信產(chǎn)業(yè)的巨大藍(lán)海。Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee—controlyourworld2008年11月,美國(guó)IBM公司

對(duì)外公布了“智慧地球

”戰(zhàn)略,其中提到,在信息文明下一個(gè)發(fā)展階段,人類將實(shí)現(xiàn)智能基礎(chǔ)設(shè)施與物理基礎(chǔ)設(shè)施的全面融合,實(shí)現(xiàn)IT與各行各業(yè)的深度融合,從而以科學(xué)和智慧的方式對(duì)社會(huì)系統(tǒng)和自然系統(tǒng)實(shí)施管理。2008年12月,奧巴馬向IBM咨詢了智慧地球的有關(guān)細(xì)節(jié),并共同就投資智能基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)效果進(jìn)行了研究。2009年1月7日,IBM與美國(guó)智庫(kù)機(jī)構(gòu)信息技術(shù)與創(chuàng)新基金會(huì)(ITIF)共同向奧巴馬政府提交了文件,提出對(duì)信息通信技術(shù)的投資,2009年2月17日奧巴馬簽署生效的《恢復(fù)和再投資法案》(即美國(guó)的經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃),批準(zhǔn)推進(jìn)“智慧地球”中兩個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展—智慧的電網(wǎng)和智慧的醫(yī)療,前者批準(zhǔn)投資為110億美元,后者為190億美元?!爸腔鄣厍颉钡玫矫绹?guó)各界的高度關(guān)注,并上升至美國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略,由此引發(fā)了世界各國(guó)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的追捧。國(guó)外物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)展:Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee—controlyourworld2009年6月10日,中國(guó)科學(xué)院發(fā)布的“創(chuàng)新2050:科學(xué)技術(shù)與中國(guó)的未來(lái),中國(guó)至2050年信息科技發(fā)展路線圖”描述了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路線圖。

2009年8月7日,國(guó)務(wù)院總理溫家寶到無(wú)錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心視察并發(fā)表重要講話,指出“在傳感網(wǎng)發(fā)展中,要早一點(diǎn)謀劃未來(lái),早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)”;“在國(guó)家重大科技專項(xiàng)中,加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展”;“盡快建立中國(guó)的傳感信息中心”。

為推進(jìn)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作,2009年9月11日,經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn),全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組建了“物聯(lián)網(wǎng)”標(biāo)準(zhǔn)工作組。2010年3月5日,溫家寶總理在作政府工作報(bào)告時(shí)指出,要“大力發(fā)展新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、信息網(wǎng)絡(luò)和高端制造產(chǎn)業(yè)。積極推進(jìn)新能源汽車、‘三網(wǎng)’融合取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用。加大對(duì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的投入和政策支持?!?010年6月8日,中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合工作組在北京成立,以推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)的制定。國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)展:Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee—controlyourworld4、zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的實(shí)現(xiàn)搭物聯(lián)網(wǎng)順風(fēng)車,ZigBee活躍新舞臺(tái)!在物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)概念快速興起的影響下,機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)通訊技術(shù)再度掀起市場(chǎng)話題,而原本多用于家電遙控器與遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的ZigBee技術(shù),也搭上物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮,成為M2M通訊技術(shù)的重要選擇,并開(kāi)啟許多新的應(yīng)用商機(jī)。過(guò)去ZigBee雄心勃勃,并推出各種應(yīng)用層規(guī)范,但市場(chǎng)卻遲遲未能起飛,主因即是沒(méi)有找到殺手級(jí)應(yīng)用所致。而近期因應(yīng)環(huán)保議題所提出的智能電網(wǎng)(SmartGrid),由于須兼?zhèn)溟L(zhǎng)短距通訊技術(shù),加上ZigBee原本即在自動(dòng)抄表市場(chǎng)有所斬獲,因而順勢(shì)成為ZigBee最新的發(fā)揮舞臺(tái)。不僅如此,ZigBee聯(lián)盟日前也與無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(Wi-FiAlliance)達(dá)成合作協(xié)議,讓家用網(wǎng)絡(luò)可與智能電網(wǎng)有效連結(jié),攜手搶攻智能電網(wǎng)市場(chǎng)。除了智能電網(wǎng)外,包括智能家電遙控器、醫(yī)療電子與物流等,也是ZigBee技術(shù)于M2M應(yīng)用中的重要目標(biāo)市場(chǎng)。業(yè)內(nèi)人士指出,以物流產(chǎn)業(yè)為例,一般人會(huì)認(rèn)為無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)是主流的應(yīng)用技術(shù),但事實(shí)上,若物流業(yè)者想節(jié)省成本,則不會(huì)采用售價(jià)仍高的RFID標(biāo)簽與讀取器(Reader),而會(huì)以條形碼(Barcode)與條形碼機(jī)取代,此時(shí),ZigBee技術(shù)將成為主要的后端無(wú)線傳輸技術(shù),將信息傳送至中控中心。Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee—controlyourworldZigbee在家庭物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用ZigBee技術(shù)與常用短距離通訊協(xié)議之間的比較:Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee—controlyourworld從表中可以看出,ZigBee特別適合低數(shù)據(jù)速率下的控制以及傳感信號(hào)的傳輸,ZigBee聯(lián)盟也正在這方面大力拓展市場(chǎng)。ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用有三個(gè)層次,一個(gè)是傳感網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)"物"的識(shí)別;二是傳輸網(wǎng)絡(luò),即通過(guò)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或者下一代互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸;三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),即輸入輸出控制終端,包括手機(jī)等終端。智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將家庭中各種設(shè)備互聯(lián),以實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的“溝通”。例如,廚房中發(fā)生了煤氣泄漏,當(dāng)煤氣傳感器監(jiān)測(cè)到煤氣泄漏時(shí),就會(huì)通過(guò)ZigBee無(wú)線通信模塊將煤氣泄漏的消息“告訴”煤氣閥門控制器,讓它將煤氣閥門關(guān)上;同時(shí)也“告訴”排氣扇控制器,讓它打開(kāi)排氣扇對(duì)廚房通風(fēng)。再如,家中發(fā)生了火災(zāi),家庭內(nèi)部的煙霧報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)及時(shí)啟動(dòng),并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)或電話網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通知物業(yè)管理中心或服務(wù)提供商,以及時(shí)排除險(xiǎn)情,同時(shí)通過(guò)短信告知遠(yuǎn)在公司上班或異鄉(xiāng)度假的用戶。前一假設(shè)通常是在家庭內(nèi)部的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn),如果要實(shí)現(xiàn)后一假設(shè)中通過(guò)手機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)家庭設(shè)備,了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),就需要用到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是連接不同網(wǎng)絡(luò),使不同網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、互話的中介。在智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,網(wǎng)關(guān)是核心,它連接著家庭內(nèi)部的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、GPS網(wǎng)絡(luò)、PSTN網(wǎng)絡(luò)等。Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee—controlyourworld智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu):Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee—controlyourworld家庭網(wǎng)絡(luò)主要是利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),該部分有若干個(gè)節(jié)點(diǎn),若干個(gè)接有傳感器的功能節(jié)點(diǎn)分別用作溫度、氣體濃度和門禁系統(tǒng)等的監(jiān)測(cè)。還有1個(gè)負(fù)責(zé)建立管理網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線互聯(lián)進(jìn)行通信,交換數(shù)據(jù)并最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)上的傳感器定期監(jiān)測(cè)環(huán)境信息并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)I/O中斷的方式傳送到ZigBee模塊上,ZigBee的MCU對(duì)數(shù)據(jù)處理后通過(guò)自身集成的無(wú)線射頻單元將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。匯聚節(jié)點(diǎn)接收各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并發(fā)送各種控制信號(hào)給終端節(jié)點(diǎn)。家庭網(wǎng)絡(luò):Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用Zigbee—controlyourworldZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和組網(wǎng)方式:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備:

對(duì)于ZigBee網(wǎng)絡(luò),IEEE802.15.4把網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備(FFD)和簡(jiǎn)化功能設(shè)備(RFD)。FFD實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4協(xié)議的全集,而RFD則根據(jù)特定的應(yīng)用需要只實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4完整功能協(xié)議中的一部分。FFD之間以及FFD與RFD可以互相通信,而RFD之間不能互相通信,只能與FFD通信。FFD可以在網(wǎng)絡(luò)中扮演任何角色,而RFD只能充當(dāng)終端設(shè)備。組網(wǎng)方式:

ZigBee主要采用3種組網(wǎng)方式:星狀、樹(shù)狀、網(wǎng)狀。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個(gè)FFD(coordinator)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)管理。在星狀網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維持網(wǎng)絡(luò),而其他的設(shè)備(enddevice)直接和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通

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