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(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)科技的不斷發(fā)展，智慧路燈成為了智慧城市中不可或缺的重要組成部分[1]。智慧路燈控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的照明控制服務(wù)，并且通過與后臺的通信，能實(shí)時的對路燈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與回傳，智能化的下發(fā)控制策略，實(shí)現(xiàn)對各個路燈的實(shí)時準(zhǔn)確控制。通過無線GPRS通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對路燈的遠(yuǎn)程集中控制與管理，具有遠(yuǎn)程照明控制、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程抄表等功能，能夠大大節(jié)省電力資源，提升城市照明管理水平，節(jié)省運(yùn)維成本。

伴隨著科技迅猛發(fā)展，智慧路燈的數(shù)量會越來越多，對于網(wǎng)絡(luò)通信的要求也越來越高，無法滿足現(xiàn)代路燈的數(shù)據(jù)通信需求。針對傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)所面臨的通信問題，本系統(tǒng)采用基于Netty框架而設(shè)計(jì)的通信模塊，不僅有效地實(shí)現(xiàn)了高并發(fā)通信，同時也更適應(yīng)智慧城市發(fā)展的需求。

1 整體系統(tǒng)架構(gòu)

智慧路燈控制系統(tǒng)主要由路燈集中控制器和后臺通信系統(tǒng)兩大部分組成。系統(tǒng)除具有自動早晚開關(guān)燈功能外，可利用策略控制，實(shí)現(xiàn)夜間其他時段自動通斷功能，每個回路的采集器至終端控制平臺的通訊為有線網(wǎng)絡(luò)或無線傳輸方式，每個回路具有計(jì)量功能，通過RS485通訊、GPRS等方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳電表的數(shù)據(jù)，路燈控制系統(tǒng)需將每個回路的用電量最終傳輸?shù)胶笈_進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可自動生成用電量日報(bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表，并與路燈管理云平臺對接，并且集中控制器具有本地?cái)?shù)據(jù)存儲的功能，以保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

從成本、靈活性等方面考慮單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)可以滿足需求，圖1為智慧路燈控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖。本地集中控制器通過繼電器模塊控制現(xiàn)場路燈回路，集中控制器通過GPRS模塊與服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)后臺通信系統(tǒng)指令下發(fā)和路燈集中控制器數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器的功能，從而達(dá)到安全可靠的控制各個路燈的開關(guān)燈。

圖1 智慧路燈控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

路燈集中控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)電路功能可以將硬件結(jié)構(gòu)劃分為核心控制模塊、電源模塊及各主要功能模塊。

圖2 集中控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

主要功能模塊由NorFlash存儲模塊、三相數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS通信模塊電路等組成。核心控制模塊通過控制繼電器輸出模塊來實(shí)現(xiàn)路燈回路控制；通過GPRS通信模塊連接后臺通信服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、指令和策略的接收；NorFlash存儲模塊對一些重要參數(shù)信息進(jìn)行存儲；三相數(shù)據(jù)采集模塊采集路燈控制器各個回路的供電電壓、電流和有功功率等電能數(shù)據(jù)[2]。

路燈集中控制器通過GPRS通信模塊接收和發(fā)送所有路燈控制狀態(tài)信號，并將數(shù)據(jù)記錄在存儲芯片中，路燈集中控制器處于后端監(jiān)控中心和前端路燈設(shè)備之間，向上通過GPRS方式與后臺通信系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，向下則是通過回路控制的方式，控制各個路燈開關(guān)燈；三相電參模塊可以實(shí)現(xiàn)對電壓、電流、有功功率等數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時監(jiān)控智慧路燈控制器的運(yùn)行狀況。

2.1 核心控制模塊

核心控制模塊綜合考慮處理速度、低功耗、是否滿足各個不同模塊接口以及后期功能擴(kuò)展等因素，系統(tǒng)選用基于Cortex-M3[3]內(nèi)核的32位微控制器STM32F217VGT6作為主控制器，主要因?yàn)樗杀镜?、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并且它具有多路SPI通信接口，滿足數(shù)據(jù)信息的采集的需求，多路串口也滿足核心系統(tǒng)與子模塊之間的數(shù)據(jù)通信要求。

2.2 NorFlash存儲模塊

路燈集中控制器需要保存設(shè)備ID、服務(wù)器IP及端口號、密鑰等配置參數(shù)，并且需要存儲路燈的控制策略。由于集中控制器需要存儲的數(shù)據(jù)需求較大，在不影響整體系統(tǒng)的性能以及成本等條件下，選擇具有8 M容量的NorFlash存儲芯片W25Q128，它具有功耗低，寬溫度范圍，并且高效的“連續(xù)讀取”性和高安全性的特點(diǎn)，適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的核心芯片是ATT7022-EU，它是一片多功能高精度的三相電能專用計(jì)量芯片，通過它可以精準(zhǔn)的采集路燈的電壓、電流、有功功率，可以實(shí)時監(jiān)測路燈的工作狀態(tài)和耗電量。它通過SPI通信接口與核心控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[4]，大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，并且SPI具有全雙工操作，操作簡單。

2.4 GPRS通信模塊

路燈集中控制器通過GPRS[5]通信模塊與后臺通信系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，并且保持實(shí)時在線，以便于實(shí)時控制路燈的開關(guān)燈和監(jiān)測路燈控制器的工作狀態(tài)。

GPRS通信的資源利用率高，它引入了分組交換的傳輸模式，集中控制器只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個集中控制器可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率；并且GPRS接入時間短，使得集中控制器與后臺通信系統(tǒng)能夠很快的進(jìn)行連接通信；通信可靠性高，實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議的高效傳輸速率，在通信過程中，也能保證通信的安全性和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本路燈集中控制器軟件系統(tǒng)是基于嵌入式操作系統(tǒng)UCOS II設(shè)計(jì)的[6]。UCOS II是一款廣泛應(yīng)用于嵌入式控制器中的搶占式實(shí)時操作系統(tǒng)，具備多任務(wù)實(shí)時處理，任務(wù)靈活調(diào)度，多任務(wù)間信息傳遞，簡單的時間管理和有效的內(nèi)存管理等功能，并且UCOSII[7]擁有良好的可擴(kuò)展性和源碼開放，用戶可根據(jù)自己的具體需求來實(shí)現(xiàn)不同的功能。

路燈集中控制器軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于軟件功能采取多任務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)的。主要分為6個任務(wù)：

1)按鍵任務(wù)(key_task)：主要功能是獲取按鍵的鍵值，并通過消息郵箱把鍵值傳遞給其他任務(wù)；

2)通信任務(wù)(communication_task)：主要功能是控制器與后臺服務(wù)器的通信連接，以及基于應(yīng)用層通信協(xié)議的數(shù)據(jù)通信；

3)液晶顯示任務(wù)(lcd_task)：主要功能是顯示控制器相關(guān)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息；

4)繼電器任務(wù)(relay_task)：主要功能是控制輸出和電能參數(shù)的采集和處理；

5)電能采集任務(wù)(electricAcq_task)：主要是負(fù)責(zé)電能參數(shù)的采集；

6)配置任務(wù)(config_task)：主要能夠通過上位機(jī)的配置助手實(shí)現(xiàn)對集中控制器的參數(shù)配置。

其中，通信任務(wù)是軟件系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)了GPRS通信模塊的配置，路燈控制器與后臺通信系統(tǒng)的連接，以及基于該連接的應(yīng)用層通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

3.1 通信任務(wù)設(shè)計(jì)

通信任務(wù)的設(shè)計(jì)是路燈集中控制器與服務(wù)端通信模塊之間聯(lián)網(wǎng)通信的核心。通信任務(wù)主要包括系統(tǒng)初始化、GPRS模塊初始化、建立TCP/IP連接、通信協(xié)議任務(wù)處理部分。

其中通信協(xié)議任務(wù)處理主要處理通訊狀態(tài)轉(zhuǎn)換，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，協(xié)議數(shù)據(jù)解析，以及數(shù)據(jù)處理等[8]。

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在使用GPRS模塊建立TCP/IP[9]連接，通過狀態(tài)機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)。這些狀態(tài)包括建立TCP/IP連接的狀態(tài)流程，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)流程，保證TCP/IP連接的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院桶踩訹10]。

路燈集中控制器系統(tǒng)通信任務(wù)程序主流程如圖3所示。

圖3 通信任務(wù)主流程圖

3.2 應(yīng)用層通信協(xié)議制定

根據(jù)智慧路燈控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)需求及對系統(tǒng)安全性方面的考慮，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套通信協(xié)議，路燈集中控制器依據(jù)此協(xié)議與服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.2.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)用以規(guī)范路燈集中控制器與后臺通信系統(tǒng)通信時的傳輸數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由六部分組成，實(shí)際應(yīng)用中順序不能打亂，由左往右依次是包頭、協(xié)議號、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)部分和CRC校驗(yàn)。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

集中控制器與服務(wù)端在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時最終傳遞的是字節(jié)數(shù)組，雙方在通信時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須一樣，如表1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所示，包頭與協(xié)議號各占兩個字節(jié)，分為高八位與低八位；數(shù)據(jù)長度的數(shù)據(jù)類型是整型，轉(zhuǎn)換成字節(jié)占兩個字節(jié)，長度16位，數(shù)據(jù)長度包括數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)的長度之和；數(shù)據(jù)類型碼占一個字節(jié)；數(shù)據(jù)部分則按實(shí)際確定字節(jié)長度，數(shù)據(jù)部分主要是聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證、上傳數(shù)據(jù)以及下發(fā)數(shù)據(jù)；最后是CRC校驗(yàn)碼兩個字節(jié)，對協(xié)議包頭、協(xié)議號數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型碼、數(shù)據(jù)等進(jìn)行校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與安全性。

3.2.3 策略定義

策略定義主要為策略定義固定時間段及是否使用經(jīng)緯度開關(guān)燈等功能，作為抽象功能，可為一個或多個路燈集中控制器同時綁定關(guān)聯(lián)定時策略。

本系統(tǒng)對于智慧路燈的控制主要采用了本地策略、經(jīng)緯度策略、時間策略三種策略進(jìn)行控制。

1)本地策略定義：本地策略是存儲在路燈集中控制器本地的，主要用于斷網(wǎng)情況下，依舊可以按照預(yù)先下發(fā)存儲在本地的策略對路燈進(jìn)行控制。

2)經(jīng)緯度策略定義：經(jīng)緯度策略是根據(jù)不同地理坐標(biāo)點(diǎn)的日出日落時間以及日出日落偏移量來計(jì)算每一天的開關(guān)燈時間，如表2經(jīng)緯度策略結(jié)構(gòu)所示。

表2 經(jīng)緯度策略結(jié)構(gòu)

3)時間策略定義:時間策略是用戶自定義開關(guān)燈時間，根據(jù)不同路段的實(shí)際車流量以及所處位置等來自行設(shè)置開關(guān)燈時間，如表3所示。

表3 時間策略結(jié)構(gòu)

4 高并發(fā)通信模塊設(shè)計(jì)

為了解決高并發(fā)通信問題，本系統(tǒng)基于Netty[11]框架設(shè)計(jì)了通信模塊，在通信鏈路的應(yīng)用層，為了保證集中控制器客戶端與Netty通信系統(tǒng)服務(wù)端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、完整性和可擴(kuò)展性，Netty通信模塊的業(yè)務(wù)流程按照制定的應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 Netty邏輯架構(gòu)

Netty采用了三層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，它們由上往下分別是通信調(diào)度層Reactor、職責(zé)鏈ChannelPipeLine和業(yè)務(wù)邏輯編排層Service[12]，如圖5所示。

第一層：Reactor通信調(diào)度層，負(fù)責(zé)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)讀寫操作和連續(xù)操作，將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)提取到內(nèi)存緩沖區(qū)ByteBuf中，觸發(fā)各類網(wǎng)絡(luò)事件。按照Reactor模式設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的Netty架構(gòu)，它在服務(wù)端的通信時序圖，如圖6所示。

圖6 Netty通信時序圖

第二層：職責(zé)鏈Pipline，它負(fù)責(zé)事件在職責(zé)鏈中有序傳播，同時負(fù)責(zé)動態(tài)編排職責(zé)鏈。職責(zé)鏈可以選擇監(jiān)聽和處理自我關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的事件，它可以攔截處理和后向/前向傳播事件。

第三層：最上層是業(yè)務(wù)邏輯編排層，業(yè)務(wù)邏輯編排層通常分為兩種：一種是純粹的業(yè)務(wù)邏輯編排，另一種是應(yīng)用層協(xié)議插件，用于協(xié)議相關(guān)的編解碼和鏈路管理。

4.2 Netty線程模型

Netty支持Reactor的單線程、多線程和主從多線程模型多種線程模型。線程模型可以通過設(shè)置不同的啟動參數(shù)，調(diào)整線程池的線程個數(shù)、是否共享線程池等方式來切換，以便滿足不同應(yīng)用場景的需求[13]。Netty線程模型如圖7所示，對應(yīng)的Netty通信模塊線程配置代碼如圖8所示。

圖7 Netty線程模型圖

圖8 Netty通信模塊線程配置代碼

Netty通信模塊啟動時，創(chuàng)建兩個線程池NioEventLoopGroup，實(shí)際上它們是兩個獨(dú)立的Reactor線程池。bossGroup用來接收路燈集中控制器的TCP連接、初始化參數(shù)，將鏈路狀態(tài)變更事件通知給ChannelPipeline，這個線程池設(shè)置了兩個線程。workerGroup用來處理I/O讀寫事件、執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用Task、執(zhí)行定時Task等，這個線程分配一個Task，當(dāng)這個Task完成時，線程就返回到線程池中，等待下一次分配調(diào)用。

創(chuàng)建系統(tǒng) Task 的原因是，當(dāng) I/O 線程和用戶線程同時操作一資源時，為了防止并發(fā)操作產(chǎn)生的鎖競爭，會把用戶線程封裝為一個 Task 放入消息隊(duì)列，由 I/O 線程負(fù)責(zé)執(zhí)行，這樣可以實(shí)現(xiàn)局部無鎖化。而定時 Task 主要用于監(jiān)控和檢查等定時動作。盡管Netty支持多種線程模式，在實(shí)際應(yīng)用中往往創(chuàng)建兩個NioEventLoopGroup，用于邏輯隔離 NIO Acceptor 和 NIO I/O 線程，盡量避免在ChannelHandler中自定義用戶線程，一般的業(yè)務(wù)需求使用 NIO 線程組即可完成。每個線程池線程個數(shù)的設(shè)置沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，往往通過實(shí)際測試決定，一邊測試一邊調(diào)整。默認(rèn)情況下會設(shè)置為 CPU 核數(shù)的兩倍，常規(guī)的線程數(shù)量計(jì)算公式如下：

線程數(shù)量=(線程總時間/瓶頸資源時間) *瓶頸資源的線程并行數(shù)；

每秒查詢率(QPS)=1000/線程總時間*線程數(shù)。

4.3 Netty通信模塊的實(shí)現(xiàn)

Netty通信模塊接收路燈集中控制器數(shù)據(jù)的流程如圖9所示。

圖9 Netty通信模塊接收數(shù)據(jù)流程圖

當(dāng)Netty通信模塊接收到路燈集中控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)時，首先驗(yàn)證數(shù)據(jù)的包頭和協(xié)議號，如果驗(yàn)證錯誤直接關(guān)閉當(dāng)前連接，如果正確就判斷當(dāng)前路燈集中控制器是否已認(rèn)證，遍歷map全局變量，檢查map中是否存在該集中控制器信息，如果沒有就跳轉(zhuǎn)到集中控制器認(rèn)證流程，驗(yàn)證數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)類型ID是不是登錄認(rèn)證信息，驗(yàn)證通過就把路燈集中控制器信息存入到map全局變量中，此控制器以后在發(fā)送數(shù)據(jù)時就不再需要認(rèn)證。如果之前檢查的map中已經(jīng)存在該控制器信息，則進(jìn)行CRC16校驗(yàn)，校驗(yàn)通過就反饋數(shù)據(jù)包格式錯誤，通過就開始驗(yàn)證數(shù)據(jù)類型，檢測數(shù)據(jù)類型是否為策略數(shù)據(jù)，如果不是則反饋數(shù)據(jù)包格式不正確。如果通信認(rèn)證成功，則保持路燈集中控制器與Netty通信模塊實(shí)時通信。

5 實(shí)現(xiàn)與分析

通過本地客戶端配置軟件，給路燈集中控制器配置設(shè)備密鑰、設(shè)備ID、IP地址和端口號等基本信息，其中設(shè)備密鑰用于通信協(xié)議的安全傳輸，設(shè)備ID用于確定設(shè)備身份，IP地址和端口用于和后臺通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，配置界面如圖10所示。

圖10 智慧路燈控制器信息配置界面

配置完成后，基于Web的后臺管理系統(tǒng)可以實(shí)時查看路燈集中控制器的運(yùn)行狀態(tài)以及對路燈集中控制器下發(fā)時間策略、經(jīng)緯度策略等控制策略指令，使路燈集中控制器能夠通過不同的策略信息實(shí)現(xiàn)對道路上路燈斷開和閉合的控制；為了保證路燈集中控制器的高可靠性和穩(wěn)定性，還對路燈集中控制器做了本地策略信息的存儲，以保證斷網(wǎng)情況下，路燈集中控制器能夠正常運(yùn)行。

根據(jù)智慧路燈控制系統(tǒng)整體需求分析，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了路燈集中控制器與后臺通信系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)通信，并且能夠有效的下發(fā)路燈控制策略，而且能夠?qū)崿F(xiàn)策略本地存儲。

表4 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)基本完成對于路燈的智能化控制，測試結(jié)果滿足要求，然而基于Netty的通信模塊還需要具備高并發(fā)的能力，要求能夠同時處理多個路燈集中控制器的數(shù)據(jù)請求，采用專業(yè)的壓力測試工具Jmeter[14]對Netty通信模塊進(jìn)行壓力測試，通信服務(wù)端系統(tǒng)的配置如表4所示。測試方法是Jmeter分別模擬0.5到5萬個路燈集中控制器同時向Netty服務(wù)端發(fā)送字節(jié)組數(shù)據(jù)，數(shù)組長度為34，Netty通信模塊接收到后向路燈集中控制器反饋一條字節(jié)數(shù)組，數(shù)組長度為8，Jmeter測試生成聚合報(bào)告[15]如表5所示。

表5 聚合報(bào)告

表5中，S(Samples)是發(fā)送到服務(wù)器的通信請求事務(wù)數(shù)量(萬)；A(Average)是平均完成一次響應(yīng)消耗的時間，即平均響應(yīng)時間(ms)；M(Median)是所有響應(yīng)時間的中位數(shù)(ms)；90%_line是指90%的用戶請求的響應(yīng)時間(ms)；Min是服務(wù)器響應(yīng)的最短時間(ms)；Max是服務(wù)器響應(yīng)的最長時間(ms)；E%(Error%)是請求的錯誤百分比；T(Throughput)是服務(wù)器每單位時間處理的請求數(shù)。

圖11 壓力測試折線圖

從聚合報(bào)告中數(shù)據(jù)可看出，并發(fā)量從0.5 W自增到5 W的過程中，Netty通信模塊錯誤百分比始終為零，平均響應(yīng)時間基本穩(wěn)定在41 ms，單位時間處理的請求數(shù)(Throughput)集中在2000個以上，90%的客戶請求響應(yīng)時間在69 ms以內(nèi)，對應(yīng)的折線圖如圖所示?？傮w而言，在高并發(fā)環(huán)境下Netty通信模塊響應(yīng)及時、穩(wěn)定、安全、可靠，它不僅可以滿足智慧路燈控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求，而且可以為大規(guī)模城市部署智慧路燈集中控制器提供有力的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)參考。

6 結(jié)論

隨著信息時代的高速發(fā)展，智慧路燈在智慧城市的創(chuàng)建中起著不可或缺的作用。本文中設(shè)計(jì)的基于STM32的智慧路燈控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效地解決了傳統(tǒng)路燈高耗能、高管理成本等一系列問題，并且本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議具有高效的

可擴(kuò)展性和安全性，最為主要的是能夠解決高并發(fā)的通信問題。

本系統(tǒng)適應(yīng)未來智慧城市的發(fā)展方向，對其他類似的運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)有著很大的參考價值。

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