CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO AMBIENTAL UTILIZANDO UMA REDE DE SENSORES SEM FIO ZIGBEE E SOFTWARE LIVRE COMO APOIO AO ENSINO DE T.

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1 CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO AMBIENTAL UTILIZANDO UMA REDE DE SENSORES SEM FIO ZIGBEE E SOFTWARE LIVRE COMO APOIO AO ENSINO DE T.I Filipe Araújo Molina Ruy de Oliveria Valtemir Emerencio do Nascimento Ed Wilson Tavares Ferreira Instituto Federal de Mato Grosso IFMT campus Cuiabá, Departamento de Informática Av. Zulmira Canavarros, , Cuiabá MT Resumo: Este trabalho apresenta uma solução de infraestrutura para monitoramento ambiental remoto. O sistema proposto inclui uma interface gráfica que torna o seu uso intuitivo, e um banco de dados que armazena os dados monitorados. Priorizou-se o uso de tecnologias abertas e equipamentos disponíveis no mercado. Os dados ambientais, coletados no campo por meio de uma rede de sensores e também por estações meteorológicas, são transmitidos por redes sem fio até o data center remoto onde fica o banco de dados. O sistema serve como ferramenta de apoio ao ensino de T.I, utilizando-se da solução de problemas práticos. Palavras-chave: Educação de Engenharia, Software Livre, Rede de sensores sem fio, Monitoramento Ambiental 1. INTRODUÇÃO Há mais de 20 anos as redes de sensores vêm crescendo de forma considerável. Essas redes são usadas em vários tipos de aplicações e utilizam processadores e dispositivos de comunicação que estão se tornando menores e mais baratos a cada dia (Loureiro, 2007). O crescimento das redes de sensores despertou o interesse do uso dessa tecnologia nas aplicações de monitoramento ambiental. Há diversas propostas na literatura para monitoramento ambiental como a implementação de uma Rede de Sensores Sem Fio RSSF- para monitoramento remoto na região Amazônica por (Silva & Fruett, 2010); um sistema de classificação de anuros - rãs e sapos - baseado no canto desses animais, apoiado por uma RSSF, proposto por (Colonna et al, 2011); a criação do ListenU, uma ferramenta de monitoramento ambiental baseada numa RSSF por (Sousa et al, 2011). Cada qual com suas particularidades. Muitas dessas propostas utilizam as RSSF devido sobretudo ao seu baixo custo, além do fato de poderem ser implantadas em uma grande área, cobrindo mais pontos do

2 que as estações meteorológicas, com uma melhor relação custo/beneficio e maior tolerância a falhas (Santos, 2010). Geralmente, em monitoramento ambiental são usadas estações meteorológicas para coleta de informações sobre o ambiente. Essas estações têm alto custo e coletam dados de forma pontual dentro de uma grande área. Assim, os dados coletados representam as condições meteorológicas daquele ponto e não necessariamente da área como um todo. Este trabalho propõe a construção de um sistema de monitoramento ambiental, utilizando softwares livre como ferramenta para auxiliar a prática para estudantes de T.I na solução de problemas aplicados. Este trabalho encontra-se em fase de conclusão, a topologia foi montada e testada dentro de um ambiente controlado, restando à implantação em campo da proposta. Este artigo está organizado da seguinte forma: a Seção 2 descreve a disposição dos elementos do sistema de monitoramento, a sua arquitetura e como ocorre a comunicação. A Seção 3 descreve o desenvolvimento, as ferramentas utilizadas, o funcionamento dos módulos e as telas do sistema. A Seção 4 apresenta as considerações finais. 2. SISTEMA DE MONITORAMENTO Foi desenvolvido um sistema de monitoramento ambiental utilizando uma RSSF tanto para coleta de dados ambientais como para infraestrutura de transporte de dados das estações meteorológicas. O sistema foi desenvolvido em linguagem Java (Oracle, 2012) por ser uma linguagem multiplataforma, permitindo independência com relação ao fornecedor de Sistema Operacional, e foi utilizado o Banco de Dados PostgreSQL (PostgreSQL, 2012). O projeto de pesquisa se propôs a avaliar a bacia do rio do Sangue, localizada no interior do estado de Mato Grosso, obtendo amostras representativas de toda a região. Para a obtenção das amostras foi escolhida uma área perto da Pequena Central Hidroelétrica PCH - de Baruíto, localizada no município de Campo Novo do Parecis, distante 384,5 km da capital Cuiabá. Na referida área há uma estação meteorológica em funcionamento, que fornece dados para pesquisadores do projeto de pesquisa. Para realizar a coleta dos dados armazenados na estação, os pesquisadores devem deslocar-se até a estação no campo e fazer a leitura conectando um computador à estação. A aquisição dos dados se dá por meio do sistema proprietário disponibilizado pelo fabricante da estação, havendo suporte somente na plataforma Microsoft Windows mediante interface USB. Para eliminar o tempo e os custos decorrentes do deslocamento dos pesquisadores até a área monitorada, e melhorar o modelo atual de coleta, que não possibilita o monitoramento em tempo real e a distância, foi proposto um sistema de monitoramento ambiental remoto que preservasse o investimento já realizado na aquisição da estação meteorológica. O novo sistema apoia-se em uma RSSF ZigBee (ZigBee Alliance,2013) tanto para coleta de dados ambientais por intermédio de sensores acoplados aos módulos, quanto para servir de infraestrutura de comunicação para a transmissão dos dados coletados pela estação meteorológica. Para melhor entendimento da resolução do problema, a arquitetura foi dividida em duas frentes. A arquitetura geral, que mostra a disposição dos dispositivos do sistema e a arquitetura da aplicação que descreve como o software foi estruturado.

3 2.1. Arquitetura geral A arquitetura do sistema pode ser vista na Figura 1, onde estão distribuídos módulos para coleta de dados no ambiente monitorado. Tais módulos são compostos de um dispositivo final ZigBee, módulo de alimentação e sensores. A estação central tem o papel principal na rede ZigBee, pois concentra as funcionalidades de coleta da estação meteorológica e da RSSF. A estação central é composta de um coordenador ZigBee e um microcomputador, este ligado a estação meteorológica e a um dispositivo final ZigBee. Para que o sistema funcione é necessário que a RSSF se comunique com o módulo principal do sistema localizado em Cuiabá. Para isso foram utilizados três dispositivos WiFi - IEEE A de 5Ghz - utilizando a topologia Mesh para redução do número de dispositivos necessários para estabelecer o link de comunicação. O primeiro rádio Mesh está ligado na estação central, o segundo rádio está conectado na infraestrutura de rede da PCH de Baruíto, que possui saída para a Internet. Devido o relevo da região, os dois rádios não possuem visada direta entre si, necessitando de um terceiro rádio entre eles para o estabelecimento da conexão. O aplicativo está sendo executado em um servidor localizado no IFMT campus Cuiabá, e se comunica com a RSSF e com a estação meteorológica por meio do link de Internet com a PCH e pela rede Mesh Arquitetura da Aplicação Figura 1 Arquitetura do Sistema. A arquitetura adotada para o sistema é a Cliente-Servidor de duas camadas, composta pelo módulo servidor que realiza a comunicação com a estação meteorológica e com a RSSF, armazenando os dados coletados no Banco de Dados; e do módulo cliente com o qual o pesquisador se comunica para recuperar e exportar as informações armazenadas pelo módulo servidor, conforme mostrado na Figura 2.

4 Figura 2 Arquitetura da Aplicação. Os dados coletados pela RSSF no projeto piloto são de temperatura do ambiente e tensão das baterias dos módulos, e posteriormente na implantação em campo terá também umidade do ambiente, temperatura e umidade do solo. As amostras são arquivadas no banco de dados com a identificação do módulo de origem e o exato momento da coleta. Todas as amostras de tensão também ficam guardadas no banco de dados para posterior estudo do comportamento energético dos módulos e baterias em campo. A última tensão coletada de cada módulo é mostrada em conjunto com as informações pertinentes a ele, que serve de subsídio para o usuário tomar conhecimento do estado da bateria, de modo a realizar a troca dela e assim evitar que módulos parem de funcionar e acarretem perda nos dados coletados. O módulo servidor importa os dados da estação meteorológica diariamente, e os armazena no banco de dados. As amostras da RSSF serão coletadas com um intervalo de 30 minutos Comunicação Por ser um sistema de monitoramento remoto, a comunicação entre o módulo servidor com a RSSF e com a estação meteorológica passa por diversos meios de comunicação, de diferentes tecnologias. Para melhor entendimento da solução proposta, ela foi dividida em duas abordagens: a comunicação do módulo servidor com a RSSF e a comunicação do módulo servidor com a estação meteorológica. Comunicação Sistema-RSSF A comunicação com a RSSF é realizada de duas maneiras diferentes, na coleta das amostras dos sensores e na coleta da tensão do módulo. Para conservação de energia dos dispositivos finais, eles ficam em estado de dormência e acordam a cada 30 minutos para realizar a coleta. Ao sair do estado de dormência o dispositivo final lê os dados de suas entradas e as envia para o endereço do coordenador ZigBee. Esse processo é repetido a cada segundo enquanto o dispositivo estiver acordado, que neste caso é de 3 segundos. Na transferência desses quadros de amostras, como pode ser observado na Figura 3, a comunicação ocorre no sentido do dispositivo final ZigBee para o servidor/aplicativo, não havendo resposta por parte do aplicativo para o dispositivo final. O coordenador gateway- possui uma porta ethernet por onde encaminha essa informação, usando o protocolo RealPort da Digi (Digi International Inc., 2009), fabricante dos dispositivos ZigBee. Essa informação transita pela rede Mesh até chegar a PCH onde é roteada para a Internet. Dentro da Internet, os dados trafegam até o servidor, onde está localizado o aplicativo que trata os dados e os armazena no Banco de Dados. O protocolo RealPort funciona sobre o TCP e possui a funcionalidade de tunelamento dos dados da RSSF ZigBee até o servidor que está localizada a aplicação.

5 Figura 3 Comunicação Sistema-RSSF Como os dispositivos finais só recebem quadros quando estão acordados e o coordenador só pode guardar esses quadros no buffer por no máximo 30 segundos, limitação imposta pelo padrão IEEE (Caprile, 2009), o quadro que chegar ao dispositivo final quando ele estiver dormindo e permanecer no buffer por mais 30 segundos, sem que o dispositivo final acorde, será descartado. Devido a esse comportamento, o aplicativo faz a requisição da tensão logo após receber um quadro de amostras, assim encontrando o dispositivo final acordado. Como pode ser visto na Figura 3, essa comunicação se inicia no servidor/aplicativo, que envia um quadro de requisição de amostra pelo RealPort até o Gateway ZigBee que o repassa ao dispositivo final. O dispositivo final de posse desse quadro, coleta a sua tensão e monta um quadro de resposta, envia-o ao Gateway ZigBee que por sua vez transmite-o de volta. No servidor essa informação é guardada, de modo adequado, para posterior recuperação. Comunicação Sistema-Estação A comunicação com a estação meteorológica é feita por outro módulo do sistema, e começa quando o microcomputador localizado na estação central é ligado e executa sua rotina de coleta de dados da estação meteorológica. O aplicativo coleta os dados e depois os exporta para um arquivo no formato abertamente conhecido, o CSV - Comma-Separated Values -. De posse desse arquivo, o aplicativo o compacta e o envia para o dispositivo final ZigBee acoplado ao microcomputador, que por sua vez o encaminha ao Gateway ZigBee. A partir do gateway o dado segue, controlado pelo protocolo Realport, até o servidor, conforme pode ser visto na Figura 4. No servidor o arquivo é descompactado e importado para a base de dados.

6 3. DESENVOLVIMENTO Figura 4 - Comunicação Sistema-Estação. O sistema foi desenvolvido com ferramentas de código aberto. Utilizou-se a IDE NetBeans(Oracle, 2013) em sua versão 7.1 em conjunto com a linguagem Java versão 7. O Banco de Dados adotado foi o PostgreSQL(PostgreSQL, 2013), banco de dados relacional em sua versão 9.1. Além deles foi utilizada a ferramenta Teraterm (Teraterm, 2012) para a transmissão de dados na porta serial, utilizada na comunicação da estação central com o servidor. Para a comunicação com a estação meteorológica, comprada anteriormente pelo projeto de pesquisa como uma solução fechada de hardware e software, não houve a possibilidade de comunicação direta, pois o software para aquisição dos dados é proprietário, não possuindo código-fonte aberto para adaptações e também por não possuir uma API para integrar-se a aplicações externas. Diante desse fato, optou-se por aproveitar o software distribuído juntamente com a estação meteorológica em conjunto com um software para automatizar as rotinas. As rotinas são: importação das amostras da estação para o microcomputador; e exportação dos dados do software para um formato de arquivo aberto que possibilite a importação para o banco de dados. Para essa automatização foi utilizado o software Sikuli Script (MIT,2012), também de código-aberto. O Sikuli tem a função de automatizar rotinas através de scripts que podem interagir com o sistema por meio de entradas do mouse e do teclado e saídas no monitor. Essa rotina foi a abertura do software HoboWarePRO (Onset, 2012) para coleta de dados da estação meteorológica e exportação para um arquivo CSV. A abordagem adotada é a mesma usada na comunicação, uma frente aborda a comunicação com a RSSF e outra frente com a estação meteorológica. O sistema foi modelado seguindo o paradigma de análise orientada a objetos, utilizando-se das ferramentas da Unified Modeling Language UML - (BLAHA & RUMBAUGH, 2006). O armazenamento das amostras coletadas pela RSSF e dos dados da estação meteorológica e sua posterior recuperação é feita mediante o Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados Relacional SGBDR- PostgreSQL. Comunicando com a RSSF O módulo servidor do sistema foi desenvolvido em Java. Para realizar a comunicação com a RSSF ZigBee foi utilizada a API Java para equipamentos xbee da Digi denominada xbee-api. Os dados que chegam através da rede ZigBee vêm de forma bruta, como um fluxo de bits, e precisam ser interpretados para a utilização no sistema, a API xbee-api facilita essa tarefa de interpretação. A interação do sistema com a rede ZigBee pode ser vista de forma simplificada na Figura 5. O software recebe o quadro da RSSF e o interpreta. Se o quadro recebido é um quadro de amostras, verifica-se se a aplicação já tem as informações do módulo que enviou a amostra. Se for de um módulo ainda não cadastrado, a informação do módulo e a amostra são armazenadas. Se for um módulo já cadastrado, a amostra é guardada imediatamente. Essa diferença no tratamento das amostras ocorre devido à autoconfiguração da aplicação, resultado de novos módulos entrantes na RSSF. Depois de guardada a amostra é feita uma requisição de um quadro com a informação da tensão da bateria. Ao receber o quadro de tensão da bateria, o mesmo é guardado no banco de dados.

7 Figura 5 - Fluxograma da interação Sistema/RSSF. Esse processo é automatizado por inteiro. Nota-se que as amostras são montadas e enviadas automaticamente pelos nós da RSSF com intervalos de 30 min, dispensando prévio cadastro dos módulos ZigBee entrantes na RSSF Comunicação com a Estação Meteorológica Para realizar a tarefa de coleta dos dados da estação meteorológica foi utilizado o software fornecido pelo próprio fabricante da estação, HOBOwarePro(ONSET, 2012), que foi concebido para funcionar apenas localmente. Por isso, foi necessário automatizar o processo que se deu através do uso do Sikuli Script. O esquema da comunicação da estação central que está em campo em Campo Novo do Parecis, com o sistema que está localizado em Cuiabá, pode ser visto na Figura 6.

8 Figura 6 - Fluxograma da interação do Sistema-Estação Meteorológica O microcomputador é configurado para ligar diariamente de forma automática, utilizando a funcionalidade Real-Time Clock Alarm da especificação ACPI (ACPI, 2011) habilitada no SETUP do microcomputador utilizado. Depois de carregado o sistema operacional é executada a rotina do Sikuli Script, que abre o HoboWarePRO e manda importar os dados da estação para o microcomputador. Depois dos dados importados, a rotina realiza a exportação para um arquivo com o formato CSV. Posteriormente a essa etapa, realizada pelo HoboWarePRO em conjunto com o Sikuli Script, o arquivo é compactado e enviado para a RSSF pela porta serial do microcomputador. A transmissão serial do arquivo pela RSSF é feita pelo protocolo Kermit (Columbia University, 2011) escolhido por ser um protocolo confiável e livre de erros, sobre o protocolo RealPort que faz o tunelamento do servidor até o gateway da RSSF. Ao final da transmissão o microcomputador é desligado e somente sendo religado no dia seguinte, isso é realizado visando à economia de energia por ser um sistema autônomo. No lado do servidor/aplicativo ele recebe o arquivo pela RSSF, o descompacta e importa para o banco de dados, ficando a espera de novos arquivos Telas do Sistema A tela principal do sistema é dividida em duas partes. A parte superior mostra informações dos módulos como: o nome, a última tensão coletada dele, a coordenada ou descrição de onde ele está localizado e os endereços do mesmo. Na parte inferior é possível fazer a busca pelas amostras com base no módulo que a coletou, no intervalo de tempo que foi coletada, representada pela data e hora de início e data e hora de fim, que pode ser observado na Figura 7. Figura 7 Tela Principal do Sistema

9 Há a possibilidade de exportar os dados em sua totalidade ou somente as amostras selecionadas. Embaixo da tabela, onde são listadas as amostras, é informado se há amostra selecionada e se tiver quantas são. É possível limpar a seleção clicando no botão Limpar Seleção ; há também a informação do horário da última amostra recebida, mesmo que ela não esteja nas amostras listadas. Ao clicar no botão Exportar - tecla de atalho Ctrl+E - aparecerá outra tela, onde é possível selecionar os campos a serem exportados. A ordem dos campos exportados segue a ordem dos dados apresentados na tabela, sendo possível mudar a ordem das colunas arrastando-as para a ordem desejada. Depois de escolhidos os campos a serem exportados, é definido o local de destino. O arquivo é então exportado no formato CSV, o que possibilita o seu uso em uma gama de softwares de planilhas eletrônicas e editores de texto, e assim os dados podem ser manipulados por scripts e afins. Ao clicar na opção Tensão dos Módulos no menu Arquivo - tecla de atalho Ctrl+T - aparecerá a tela da Figura 8, onde é possível pesquisar todas as tensões coletadas pelos módulo com os mesmos parâmetros da pesquisa por amostra. Há também a possibilidade de exportação dos dados para CSV. Figura 8 Tela do histórico de amostras das tensões dos módulos. Clicando na função Exportar do menu Estação aparecerá uma tela da Figura 9, onde é possível fazer a busca por amostras coletadas pela estação meteorológica e exportá-las para CSV. É possível se exportar somente as amostras e os campos selecionados ou todas as amostras e campos de uma só vez.

10 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Figura 9 Tela de dados da estação meteorológica. Este trabalho apresentou o desenvolvimento de um protótipo de uma ferramenta de monitoramento ambiental remoto apoiado sobre uma RSSF e softwares livre. Servindo como ferramenta de auxílio no ensino de estudantes de TI, na solução de problemas aplicados. Notou-se também que o software Sikuli Script, que possibilitou a automação da tarefa de coleta da estação meteorológica, pode ser utilizado para a disciplina de teste de software da engenharia de software, para testes de interface de aplicações Desktop, área carente de ferramentas livres. A próxima etapa do projeto é a implantação em campo do sistema, tarefa que não deve ocorrer com sobressaltos, pois o protótipo foi construído e testado utilizando a arquitetura proposta. Com a possibilidade de transmissão de arquivos sobre a RSSF, fato ocorrido com sucesso na transmissão de dados da estação meteorológica para o aplicativo central simultaneamente com os quadros de amostras da RSSF abriu-se a possibilidade para a disponibilização de outros serviços aos pesquisadores em campo como acesso à Internet e o transporte de outros tipos de dados sobre a RSSF. Além dessa possibilidade outras tarefas serão realizadas futuramente como a criação de versões Web e Mobile, facilitando o acesso às informações coletadas e possibilitando o contato dos estudantes com as novas tecnologias e competências demandadas pelo mercado de trabalho; a adição de novos recursos de análise de dados e; a integração com o Google Maps para facilitar a visualização e localização dos nós dentro do espaço monitorado como também para propiciar o contado dos estudantes com tecnologias emergentes da Web 2.0 como Mashups. Agradecimentos Os autores agradecem à FAPEMAT pelo apoio financeiro.

11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ACPI ADVANCED CONFIGURATION AND POWER INTERFACE, HEWLETT- PACKARD, INTEL, MICROSOFT, PHOENIX, TOSHIBA. APCI Advanced Configuration and Power Interface Specification. 5º Revisão Disponível em: <http://www.acpi.info/downloads/acpispec50.pdf> Acesso em: 12 jul BLAHA, Michael; RUMBAUGH, James. Modelagem e projetos baseados em objetos com UML ed. rev. e atual. Rio de Janeiro: Campus, CAPRILE, Sergio R. Esquisbí: desarrollo de aplicaciones com comunicación remota baseadas em módulos ZigBee y ª ed. Buenos Aires: Gran Aldea Editores GAE, COLONNA, Juan Gabriel. Classificação de Anuros Baseado em Vocalizações para Monitoramento Ambiental Pervasivo. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Amazonas, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior: COLUMBIA UNIVERSITY. Kermit Protocol Disponível em: <http://www.columbia.edu/kermit/kermit.html>. Acesso em: 20 set DIGI INTERNATIONAL INC. The industry s first and only patented COM port director Disponível em: <http://www.digi.com/pdf/fs_realport.pdf> Acesso em: 07 mai LOUREIRO, A. A. F. Redes de sensores sem fio. Anais: GRANDES DESAFIOS DA PESQUISA EM COMPUTAÇÃO PARA O PERÍODO Belo Horizonte: MIT - MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY. Sikuli Script, versão X- 1.0rc Disponível em: <http://www.sikuli.org/>. Acesso em: 19 jun ONSET. HoboWarePro, versão CD-ROM. ORACLE. Java SDK, versão Disponível em:<http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html>. Acesso em: 15 mai ORACLE. NetBeans, versão Disponível em: < Acesso em: 23 fev POSTGRESQL- THE POSTGRESQL GLOBAL DEVELOPMENT GROUP. PostreSQL, versão Disponível em:<http://www.postgresql.org/>. Acesso em: 05 mar SANTOS I. M.; DOTA, M. A.; CUGNASCA, C. E. Visão Geral da Aplicabilidade de Redes de Sensores Sem Fio no Monitoramento Agrícola no estado de Mato Grosso. Anais do Congresso Brasileiro de Agricultura de Precisão ConBAP Ribeirão Preto/SP, Setembro de Acesso em: 20 mar.2011

12 SILVA, M. S.; FRUETT, F. Rede de sensores sem fio de baixo custo para monitoramento ambiental. Anais: XVIII Congresso Brasileiro de Automática. Bonito: SOUSA, Ilan et alii. ListenU uma Ferramenta para Monitoramento Ambiental Usando Redes de Sensores Sem Fio. Disponível em: <http://www.lbd.dcc.ufmg.br/colecoes/ein/2011/artigo_13.pdf>: Acesso em: 02 abr.2012 TERATERM, versão Disponível em: <http://en.sourceforge.jp/projects/ttssh2/> Acesso em: 30 ago XBEE-API : A Java API for Digi XBee/XBee-Pro OEM RF Modules Disponível em: <http://code.google.com/p/xbee-api/>. Acesso em: 07 fev ZIGBEE ALLIANCE. Understanding ZigBee RF4CE. Fevereiro de Disponível em: <http://docs.zigbee.org/zigbee-docs/dcn/ pdf>. Acesso em: 20 fev DEVELOPMENT AN ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM USING ZIGBEE WIRELESS SENSORS NETWORK AND A FREE SOFTWARE AS A SUPPORT FOR I.T TEATCHING. Abstract: This paper presents an infrastructure solution to remote environmental monitoring. The proposed approach uses a graphical user interface, to render it more user friendly, and also a database to store the monitored data. The idea here was to use, whenever possible, open and free technologies. The environmental data collected in the field by both a sensor networks and a meteorological station, are transmitted wirelessly to the remote data center where the database is. This system may work as an assistance tool in IT classes, as the practical problems here described are surely insightful. Key-words: Engineering education, free software, wireless sensor network, environmental monitoring

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