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文檔簡介

基于AT89C51的火警報警器的設(shè)計摘要隨著現(xiàn)代建筑的不斷增多,火災(zāi)隱患增加,一旦發(fā)生火災(zāi),將對人的生命財產(chǎn)造成極大的危害?,F(xiàn)代建筑具有智能化的時代特征,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)(FAS)探測火災(zāi)隱患,肩負(fù)安全防范重任,在現(xiàn)代智能建筑中起著極其重要的安全保障作用。在工業(yè)和民用建筑、賓館、圖書館、科研和商業(yè)部門,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)已成為必需的裝置?;馂?zāi)報警控制器(FAC)是一種能向火災(zāi)探測器供電、接收、傳遞和顯示火災(zāi)報警等信號,并能對自動消防裝置發(fā)出控制信號的報警裝置。它是火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的重要組成部分。本文主要對火災(zāi)報警控制器的理論做了深入的研究,并全面闡述了控制器AT89C51單片機(jī)的應(yīng)用,以此來研制一個能實際應(yīng)用的火災(zāi)報警控制器硬件部分和軟件部分的方法和過程。關(guān)鍵詞:火災(zāi);火災(zāi)報警控制器;單片機(jī)DesignoffirealarmbasedonAT89C51AbstractWiththeincreasingofmodernbuildings,firehazardsincrease,oncethefireoccurs,itwillcausegreatharmtopeople'slivesandproperty.Modernarchitecturehasintelligentcharacteristicsofthetimes,automaticfirealarmsystem(FAS)todetectfirehazards,shoulderthetaskofsecurity,inmodernintelligentbuildingplaysanextremelyimportantroleinsecurity.Inindustrialandcivilbuildings,hotels,libraries,researchandcommercialsectors,automaticfirealarmsystemshavebecomenecessarydevices.Firealarmcontroller(FAC)isakindofalarmdevicewhichcansupply,receive,transmitanddisplayfirealarmsignalstofiredetectors,andcansendcontrolsignalstoautomaticfirefightingdevices.Itisanimportantpartoftheautomaticfirealarmsystem.Thispaperhasdonein-depthstudyofthetheoryoffirealarmcontroller,andillustratestheapplicationofAT89C51MCU,inordertodevelopapracticalfirealarmmethodandprocesscontrollerhardwareandsoftwarepart.Keywords:fire;firealarmcontroller;MCU

目錄第一章緒論 1第二章火災(zāi)智能報警控制系統(tǒng)硬件組成及原理 22.1系統(tǒng)基本功能及總體框圖 22.1.1系統(tǒng)基本功能 22.1.2系統(tǒng)硬件總體框圖 22.2系統(tǒng)所用的探測器簡介 22.3系統(tǒng)的輸入檢測通道 32.3.1紫外探測器輸入檢測通道 32.3.2紅外傳感器輸入放大通道 42.4電機(jī)驅(qū)動模塊 42.5通信模塊 52.6系統(tǒng)電源 52.6.1電源器件介紹 52.6.2系統(tǒng)電源設(shè)計方案 52.7系統(tǒng)火災(zāi)報餐模塊 62.7.1單片機(jī)報替接口電路 62.7.2單片機(jī)與繼電器接口電路 6第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計及仿真 83.1在單片機(jī)上運行的嵌入式程序 83.1.1嵌入式軟件開發(fā)平臺 83.1.2嵌入式程序的開發(fā) 93.2在上位機(jī)上運行的通信串口程序 103.3系統(tǒng)實現(xiàn)及仿真 11結(jié)束語 12參考文獻(xiàn) 13PAGE7第一章緒論在我國高速發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)等因素的影響下,高層建筑如雨后春筍般興起,公共場所的人口密集度也越來越大,在這種背景下,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)愈發(fā)突顯其重要作用。該系統(tǒng)能夠在火災(zāi)剛剛發(fā)生時就察覺出隱患,并能在滅火上起到相應(yīng)的作用,這樣在剛起火的時候就將火撲滅,能夠在很大程度上預(yù)防出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的相應(yīng)損失。對于民眾生命財產(chǎn)的安全而言,該系統(tǒng)是至關(guān)重要的。該系統(tǒng)主要用來對火災(zāi)情況進(jìn)行探測,并將示警信號傳遞出來,其通常由三大主要器件構(gòu)成,其一是探測器,一般放置于現(xiàn)場;其二是傳輸線路,其三則是控制器,一般放置于控制室。當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)相應(yīng)物質(zhì)燃燒的時候,探測器就會對周圍相應(yīng)的物理參數(shù)進(jìn)行感受,然后利用現(xiàn)場總線向控制器傳遞相應(yīng)的判斷結(jié)果,控制器此時就要負(fù)責(zé)開展相應(yīng)處理,然后傳遞出警報信號,并要對消防裝置的相應(yīng)運行情況進(jìn)行獲取。

第二章火災(zāi)智能報警控制系統(tǒng)硬件組成及原理2.1系統(tǒng)基本功能及總體框圖2.1.1系統(tǒng)基本功能本項目系列產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)分為:機(jī)械、電子兩部分。通過對這兩部分的利用,發(fā)揮相應(yīng)技術(shù)的作用,最終能夠?qū)⑷詣佣ㄎ粶缁鹪O(shè)備生產(chǎn)出來,其具有模塊化、系列化以及標(biāo)準(zhǔn)化等特征。本論文只包括電子技術(shù)研發(fā)部分。對于該系統(tǒng)而言,其主要功能就是利用探測器來對火源進(jìn)行尋找,然后利用步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行相應(yīng)定位,在對災(zāi)源進(jìn)行準(zhǔn)確判斷之后,就要給出報警信息,最后噴水進(jìn)行滅火。同時系統(tǒng)具有遙控檢測功能。2.1.2系統(tǒng)硬件總體框圖從電氣部分來看,該系統(tǒng)主要由四大部分構(gòu)成,其一是檢測單元,其二是中央控制單元,其三是電機(jī)驅(qū)動單元,其四是通信模塊單元??傮w框圖如圖2.1所示:圖2.1系統(tǒng)硬件總體框圖2.2系統(tǒng)所用的探測器簡介火災(zāi)探測器,通常也被稱為探頭,是我們監(jiān)測探測受保護(hù)地區(qū)火災(zāi)感應(yīng)器官的第一線。一旦火災(zāi)探測器“感覺到”火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的熱量,煙霧和火焰的特性,并將其轉(zhuǎn)化為電信號并將其發(fā)送給“大腦”,也就是火災(zāi)報警控制器,該控制器就要立刻進(jìn)行相應(yīng)處理判斷。而當(dāng)信號值大于原來的設(shè)定閾值的時候,立即就會產(chǎn)生報警,消防控制室就會馬上啟動其他消防設(shè)施,從而實現(xiàn)救火。該系統(tǒng)使用日本生產(chǎn)的火焰紫外檢測傳感器/火焰?zhèn)鞲衅鱄amamatsu82868,被稱為火焰發(fā)現(xiàn)者。它可以探測185到260個不同的狹窄光譜敏感源。它根本不會感應(yīng)可見光,并且不需要對任何可見光進(jìn)行過濾。2.3系統(tǒng)的輸入檢測通道對于系統(tǒng)而言,其輸入檢測通道是與檢測器一起將外部光線和熱量轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送給控制器進(jìn)行判斷。系統(tǒng)中有三組輸入檢測通道。第一組是通過輸入光電三極管相應(yīng)感應(yīng)信號來對電路進(jìn)行放大,第二組是紫外檢測器輸入檢測通道,最后一組則是紅外傳感器輸入放大通道。光敏三極管這主要是用來激活火災(zāi)報警系統(tǒng)單元的防塵罩,打開整個裝置并掃描點火源;使用UV及紅外傳感器的組合來當(dāng)作是確認(rèn)火災(zāi)的相應(yīng)手段。2.3.1紫外探測器輸入檢測通道該通道主要由兩大部分構(gòu)成,一個是紫外探測器驅(qū)動電路,另一個則是信號加工處理電路。具體來看,其電路原理的相應(yīng)情況可見下圖2.2:圖2.2紫外探測器輸入檢測電路紫外探測器驅(qū)動電路:上電時,由NE555組成的振蕩器會通過晶體管Q1向變壓器產(chǎn)生一定的振蕩信號頻率,所以變壓器次級也會通過二極管D2產(chǎn)生一個與原始振幅350V振蕩電壓頻率相同的電壓和電容C4整流濾波器向紫外檢測器提供350V的工作電壓,一旦發(fā)生火災(zāi),檢測器接收到紫外線,AK導(dǎo)通K點會出現(xiàn)高電壓,通過電容C6放電,使C6充滿電形成確定頻率信號HEF4093B整形后的信號頻率。驅(qū)動電路輸出的信號頻率會隨著火源尺寸的變化而變化。當(dāng)火焰較大時,輸出信號的脈沖信號的頻率將變大,反之則縮小。輸出頻率范圍根據(jù)我們的實驗數(shù)據(jù)為20Hz-85Hz之間。2.3.2紅外傳感器輸入放大通道在該通道中,其主要構(gòu)成部件就是是兩級低通濾波放大電路,具體情況可見下圖2.5:圖2.3紅外傳感器輸入放大電路2.4電機(jī)驅(qū)動模塊在中央控制單元中,經(jīng)過相應(yīng)的邏輯處理,就能根據(jù)輸入信號來判斷是火災(zāi)、故障以及正常的何種情況,按照具體判斷來進(jìn)行相應(yīng)的控制。當(dāng)需要掃描火源時,單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機(jī)掃描檢測周圍的環(huán)境,從而得出相應(yīng)判斷。按照系統(tǒng)實際要求,整個掃描過程的完成使用了三套電機(jī)。這也是這個系統(tǒng)的特點之一。電機(jī)使用的是混合式兩相步進(jìn)電機(jī)。額定電壓為二十四伏特V,額定電流為一點五伏特,系統(tǒng)采用三個步進(jìn)電機(jī),分別對開啟設(shè)備外殼、水平掃描以及垂直掃描進(jìn)行相應(yīng)控制。負(fù)責(zé)打開殼體的步進(jìn)馬達(dá)確定殼體是否通過光電傳感器打開;負(fù)責(zé)掃描的兩個步進(jìn)電機(jī)通過安裝在其附近的UV傳感器和紅外傳感器進(jìn)行掃描?;鹪吹木_位置最終通過水平和垂直掃描的組合來實現(xiàn)。該設(shè)備的外殼也是其中的一個特點,外殼可以有效防止灰塵進(jìn)入設(shè)備,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)可靠性的提升。2.5通信模塊一般而言,滅火裝置位于工廠車頂?shù)任恢帽容^高的地方,維護(hù)或檢測較為不便,為此我們最終采用無線遙控通訊方式可以輕松實現(xiàn)以下三項功能:1、觀察運行狀態(tài),例如:哪個電機(jī)在運行,運行的狀態(tài)是什么等。2,可以通過更改系統(tǒng)參數(shù)來對運行系統(tǒng)的相應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行改變。3、實現(xiàn)人工模擬檢測電機(jī)功能。2.6系統(tǒng)電源2.6.1電源器件介紹集成電壓調(diào)節(jié)器是一種集成電路,在單個芯片上集成了功率調(diào)節(jié)管、采樣電路、參考電壓調(diào)節(jié)器以及誤差放大器等多種器件。開關(guān)電源是相對線性電源說的。它直接控制DC,使電源比線性電源更有效,并通過使用帶電子電路的開關(guān)模式(方波)振蕩器切換到電能。該方法具有許多優(yōu)點,首先,調(diào)節(jié)范圍寬,一定范圍的輸出電壓與輸入電壓變化無關(guān),電腦電源在八十到兩百四十伏特的范圍內(nèi)能正常工作,是其它方式電源無法比擬的。其次,效率高,由于采用開關(guān)沖擊模式工作,熱量損失特別小,發(fā)熱量低。最后,結(jié)構(gòu)簡單,與同樣功率的其他電源相比,開關(guān)電源的尺寸和重量都要更小一些。2.6.2系統(tǒng)電源設(shè)計方案消防報警控制器供電電機(jī)以及揚聲器等都需要二十四伏特電源,單片機(jī)系統(tǒng)需要三點三伏特電源,而其它相應(yīng)芯片則需要工作電壓為五伏特。我們通過一個二十四V的開關(guān)電源,可以把將交流電向二十四伏特直流電轉(zhuǎn)變,然后通過集成穩(wěn)壓器將24V直流電轉(zhuǎn)換成需要5V和3.3V直流電壓的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)輸入電壓和電流大小,集成穩(wěn)壓器選用7815芯片以及7808芯片,然后使用LM2937IMP-3.3以及LM2937IMP-5.0貼片穩(wěn)壓器進(jìn)行變換得到最終需要的電源。而兩個發(fā)光二極管則是被當(dāng)作電源指示燈來使用。圖2.4電源電路圖2.7系統(tǒng)火災(zāi)報餐模塊該模塊模塊帶有雙保險報警。發(fā)生火災(zāi)時,一方面通過火災(zāi)現(xiàn)場的揚聲器發(fā)出報警聲,同時微控制器的引腳輸出到繼電器控制電路,控制報警裝置的控制室。單芯片通過兩個引腳輸出相同的雙重保險信號,使報警系統(tǒng)顯得更具可靠性。2.7.1單片機(jī)報替接口電路當(dāng)系統(tǒng)確定出火災(zāi)程度之后,單片機(jī)會自P2.1引腳向高電平信號輸出。一方面,P2.1管腳與電磁閥控制器輸入連接在一起,能夠?qū)o水管路進(jìn)行控制;另一方面,輸入到更換電路,揚聲器會將相應(yīng)聲光警報發(fā)出。在此,我們選擇了二十倍電壓增益,而懸空芯片1腳及8腳。2.7.2單片機(jī)與繼電器接口電路系統(tǒng)上電后,單片機(jī)會將繼電器復(fù)位信號傳遞出來,并利用晶體管來對繼電器進(jìn)行驅(qū)動,繼電器線圈就8和1之間,無電流通過線圈,動觸點和常閉觸點嚙合,繼電器處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)輸入電路檢測到火災(zāi)事件時,單片機(jī)就要對外部火災(zāi)報警設(shè)裝置發(fā)出通知,并將相應(yīng)消防聯(lián)動設(shè)備啟動。此時單片機(jī)P2.0會將高電平信號發(fā)出,導(dǎo)通三極管,電流從5V通過8和1腳,Q2接地,吸合繼電器,線圈會通過充足的電流,讓動接點斷開常閉觸點,閉合常開觸點,繼續(xù)吸合繼電器,接通2和4腳觸點觸,外部控制室設(shè)備要連接上+24V電源。當(dāng)排除火災(zāi)事件時,P2.0會將低電平信號發(fā)出,截止三極管,線圈電流不會產(chǎn)生突變,依然由D2進(jìn)行續(xù)流。斷開引腳2和4間觸點,復(fù)位繼電器,并且外部設(shè)備斷開與+24V電源的連接。具體情況可見下圖2.7。圖2.5單片機(jī)與繼電器接口電路

第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計及仿真3.1在單片機(jī)上運行的嵌入式程序3.1.1嵌入式軟件開發(fā)平臺(1)代碼編譯器在該系統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)上,本文選擇的是AT89C51編譯器,其出品方是美國KeilSoftware公司。比起匯編,C語言在結(jié)構(gòu)、功能以及可讀性等多方面優(yōu)勢更加明顯:第一,不需要了解單片機(jī)的指令系統(tǒng),只需要初步了解AT89C51的存儲器結(jié)構(gòu);第二,寄存器分配,不同的存儲器尋址和數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理;第三,程序具有標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu),可以分為不同的功能,這種方式可以使程序結(jié)構(gòu)化;第四,將可變選項與特殊操作相結(jié)合的能力提高了程序的可讀性;第五,關(guān)鍵字和算術(shù)函數(shù)可以用于近似人類的思維過程;第六,編程和調(diào)試時間明顯縮短,從而提高效率;第七,提供的庫涉及到很多標(biāo)準(zhǔn)的子程序,數(shù)據(jù)處理能力很高;第八,編程良好的程序可以很容易地移植到新程序中,因為它們具有便利的模塊化編程技巧。(2)AT89C51目標(biāo)板的介紹該目標(biāo)板主要是提供一個單片機(jī)能夠運行的平臺。用戶能夠利用程序中相應(yīng)的嵌入式調(diào)試器來對執(zhí)行程序的相應(yīng)情況進(jìn)行觀察,以此來判斷程序是否按照設(shè)計執(zhí)行。1)目標(biāo)板的硬件連接利用串行適配器,目標(biāo)板能夠與運行KeilC的PC進(jìn)行連接。將RS232串行電纜的一端連接到PC串行端口,另一端連接到串行適配器DB-9連接器。使用10針帶狀電纜將串行適配器連接到目標(biāo)的JTAG連接器。將ADWC電源連接至目標(biāo)板的電源插孔P1。具體情況可見下圖3.1。圖3.1目標(biāo)板的硬件連接圖2)目標(biāo)板的電路利用連接器J2,目標(biāo)板能夠?qū)T89C51全部信號的訪問路徑及其相應(yīng)原型設(shè)計區(qū)域進(jìn)行提供。而該連接器對應(yīng)著目標(biāo)辦64引腳。J2會將發(fā)送到其上的全部輸入/輸出信號傳遞到其和原型區(qū)域間的相應(yīng)通孔連接點上。這些相應(yīng)信號的模式和相鄰的J2引腳保持相同布局。3.1.2嵌入式程序的開發(fā)(1)數(shù)據(jù)采集處理程序該系統(tǒng)能夠檢測各種檢測器探測到的相應(yīng)信號。系統(tǒng)一共采用了三個探測器:一個是光敏傳感器,另一個是紫外傳感器,最后一個則是紅外傳感器。通過采集三個傳感器的相應(yīng)數(shù)據(jù),能夠在相應(yīng)處理之后對三臺電機(jī)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制,從而驅(qū)動整個探頭精確旋轉(zhuǎn)及定最終實現(xiàn)準(zhǔn)確判斷。系統(tǒng)設(shè)置了4個外部中斷:光敏、紫外傳感器1與2以及紅外傳感器中斷;兩個時鐘中斷:功和T1中斷;一個串口中斷。作為整個系統(tǒng)對火宅進(jìn)行判斷的基準(zhǔn)時鐘,當(dāng)T1出現(xiàn)中斷時,根據(jù)FLAG變量的不同值,針對四個不同的外部中斷,可以確定它們各自的狀態(tài)。T0時序則主要用于控制步進(jìn)電機(jī)的速度,為了能夠精確定位水平和垂直,在T0中斷中有電機(jī)2和電機(jī)3的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)控制功能。(2)電機(jī)驅(qū)動模塊步進(jìn)電機(jī)是兩相的。各步進(jìn)電機(jī)都由其自身的MDIR、MENA以及MENB信號進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動。MENA和MENB代表的是兩相電流控制信號。而MDIR則主要是對電流的方向進(jìn)行相應(yīng)控制。通過對二維陣列MOTORA的合理設(shè)置,能夠按照特定順序?qū)⒁陨先齻€信號以{{1,1,0}{1,0,1}{0,1,0}{0,0,1}}的形式進(jìn)行排雷,電機(jī)正轉(zhuǎn)就是順序執(zhí)行,反轉(zhuǎn)電機(jī)則是逆序執(zhí)行。通過設(shè)置變量m和DirCom的順序能夠轉(zhuǎn)換順序及逆序。電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動傳感器掃描一個周期,并利用單刀雙擲開關(guān)來確定掃描結(jié)束與否。(3)串口通信模塊串行通信模塊主要實現(xiàn)三個功能:1觀察工作狀態(tài);2可以通過主機(jī)改變系統(tǒng)參數(shù)來改變系統(tǒng)運行狀態(tài);3實現(xiàn)仿真模擬檢測電機(jī)功能。下位機(jī)可以使用單片機(jī)串口可以。初始狀態(tài)為串口接收,當(dāng)主機(jī)接收到命令字時,區(qū)分三個不同的值來實現(xiàn)三種不同的功能。上下位機(jī)構(gòu)成一個多機(jī)通訊系統(tǒng)。而該通信模式主要使用的是主從結(jié)構(gòu),也就是上位機(jī)為主動,下位機(jī)為從動;下位機(jī)不自動發(fā)送命令或數(shù)據(jù),全部由上位機(jī)控制。主機(jī)發(fā)送信息的方式有兩種:一種是地址,當(dāng)?shù)?位串行數(shù)據(jù)為1時,表示主機(jī)需要與下一個機(jī)器地址進(jìn)行通信:另一種是數(shù)據(jù),當(dāng)串行數(shù)據(jù)位90,這意味著主機(jī)向下一個工作人員發(fā)送數(shù)據(jù)。下位MCUC8051F必須在模式2或3下工作,且所有下位機(jī)的串口控制寄存器SCONSM2必須為1.這樣,當(dāng)RI=0時,每個下位機(jī)可以接收主機(jī)發(fā)送的地址,并自行輸入中斷服務(wù)子程序,并將接收到的地址與本地地址進(jìn)行比較。如果是相同的,則表示主機(jī)希望與本地機(jī)通信,使SM2煩人呼吁0,以接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令;如果不是,就要從中斷服務(wù)子程序中退出來,并等著下次通信。3.2在上位機(jī)上運行的通信串口程序為了單片機(jī)能夠和PC機(jī)實現(xiàn)良好的串口通信,該系統(tǒng)選擇了VisualC++6.0來作為應(yīng)用程序開發(fā)工具,這主要是因為其具有強(qiáng)大的功能,能夠?qū)δK化、面向?qū)ο缶幊?、共享組件以及重用代碼提供相應(yīng)支持,能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計、開發(fā)、運行以及管理軟件系統(tǒng)相應(yīng)速度的大幅度提升。不同于從前的DOS下串行通信,Windows對應(yīng)用程序直接控制硬件并不提倡,主要是利用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序來傳遞相應(yīng)數(shù)據(jù)。在Win32中,串口是當(dāng)作文件來進(jìn)行相應(yīng)處理的,而不是直接操作端口。本文主要使用WindowsAPI函數(shù)以及MSComm控件來對PC機(jī)和單片機(jī)間的通信進(jìn)行實現(xiàn)。3.3系統(tǒng)實現(xiàn)及仿真對于該系統(tǒng)而言,其最終要實現(xiàn)以下功能:利用單片機(jī)來收集及分析傳感器相應(yīng)數(shù)據(jù),并對報警進(jìn)行相應(yīng)控制;單片機(jī)與PC機(jī)的通信;PC機(jī)與多個單片機(jī)的通信;PC機(jī)數(shù)據(jù)記錄與查詢等各部分實現(xiàn)的。系統(tǒng)的仿真如3.2所示。圖3.2系統(tǒng)整體仿真

結(jié)束語作為網(wǎng)絡(luò)化時代,21世紀(jì)迎來了計算機(jī)、微電子以及網(wǎng)絡(luò)等相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展高峰,而火災(zāi)探測報警相應(yīng)技術(shù)也出現(xiàn)了極為顯著的變化。從整體情況來講,其主要產(chǎn)生了如下變化:運用了新的技術(shù)、工藝以及材料,對系統(tǒng)能力進(jìn)行了改善,減少了維護(hù)要求,其發(fā)展愈發(fā)可靠化、智能化、精準(zhǔn)化以及網(wǎng)絡(luò)化。故而,對于火災(zāi)探測報警系統(tǒng)而言,應(yīng)用計算機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)以

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