Mikrocontroller ESP32: das umfassende Handbuch
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| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Bonn
Rheinwerk
2023
|
| Edition: | 2., aktualisierte und erweiterte Auflage |
| Series: | Rheinwerk Computing
|
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Auf dem Cover: komplett in Farbe ; Vom Schaltplan bis zum fertigen Programm ; Kabellose Projekte mit dem IoT-Chip ; Stromversorgung, Sensoren, SPI- und I2C-Schnittstellen ; alle Beispielprojekte zum Download |
| Physical Description: | 660 Seiten Illustrationen, Diagramme |
| ISBN: | 9783836291248 |
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| adam_text | Auf einen Blick Auf einen Blick 1 Der Mikrocontroller ESP32 und seine Funktionalitäten.................... 19 2 Die Stromversorgung ........................................................................ 41 3 Ihre Werkstatt................................................................................... 53 4 Entwicklungsumgebungen ............................................................... 83 5 Programmierung mit C und C++........................................................ 161 6 Peripherie und Funktionen des ESP32 ............................................... 275 7 Externe Schnittstellen........................................................................ 375 8 Externe Kommunikations- und Steuerungsmöglichkeiten............... 447 9 Projektideen....................................................................................... 557
Inhalt Inhalt Einleitung............................................................................................................................... 13 Der Mikrocontroller ESP32 und seine Funktionalitäten 19 1.1 Die ESP32-SoCs.................................................................................................. 19 1.2 Die Module........................................................................................................ 22 Die WROOM-, SOLO-, WROVER- und PICO-Module............................. 23 1.3 Die Boards.......................................................................................................... 26 1.4 Das ESP32-Dev-KitC V4.................................................................................... 27 1.4.1 Das Pinout.................................................................................................. 28 1.4.2 Funktionen der GPIO-Pins......................................................................... 29 1.4.3 Höhere Eingangsspannung an GPIOs..................................................... 36 Das ESP32-Dev-KitC V4 - Erstinbetriebnahme am PC................................. 37 1 1.2.1 1.5 1.5.1 Windows..................................................................................................... 38 1.5.2 Linux............................................................................................................ 38 2 Die Stromversorgung 41 2.1 Betriebszustände und typische Stromverbräuche....................................... 41 2.2 Anschlüsse zur
Stromversorgung.................................................................. 43 2.3 Grundschema der Stromversorgung............................................................. 44 2.4 Spannungsquellen........................................................................................... 45 2.5 Spannungsregler.............................................................................................. 47 2.5.1 Lineare Spannungsregler.......................................................................... 48 2.5.2 Schaltregler................................................................................................ 50 5
Inhalt 3 Ihre Werkstatt 53 Breadboard Co.......................................................................................... 53 3.1.1 Das Breadboard.................................................................................. 53 3.1.2 Jumperkabel......................................................................................... 54 3.1.3 Leiterplatine......................................................................................... 55 3.2 Hilfreiche Werkzeuge................................................................................. 57 3.3 Fritzing........................................................................................................ 60 3.3.1 Was ist Fritzing?.................................................................................. 60 3.3.2 Fritzing starten..................................................................................... 61 3.3.3 In der Steckplatinenansicht arbeiten.................................................. 62 3.3.4 In der Schaltplanansicht arbeiten ....................................................... 69 3.3.5 In der Leiterplattenansicht arbeiten................................................... 70 3.3.6 Bauteile importieren............................................................................ 72 3.3.7 Bauteile ändern und selbst erstellen................................................... 73 Löttechnik................................................................................................... 73 3.4.1 Bauteile auf Platinen
löten.................................................................. 74 3.4.2 Bauteile entlöten.................................................................................. 75 3.4.3 SMD löten............................................................................................ 76 3.4.4 ESP32-Modul löten.............................................................................. 77 3.1 3.4 4 Entwicklungsumgebungen гз 4.1 Der Weg von lesbaren Anweisungen zum Maschinencode....................... 83 4.2 Das Betriebssystem der Entwicklungsumgebung...................................... 86 4.3 esptool.py................................................................................................... 87 4.3.1 Installation unter Windows ................................................................ 88 4.3.2 Installation unter Linux ....................................................................... 92 4.3.3 Ausführbare Versionen von esptool.................................................... 92 4.3.4 esptool einsetzen................................................................................. 92 Entwicklungsumgebungen in der Übersicht.............................................. 95 4.4 6 4.4.1 Das Espressif IDF.................................................................................. 4.4.2 Die Arduino-IDE auf dem PC ................................. 112 4.4.3 Der Arduino-Web-Editor...................................................................... 132 4.4.4 Eclipse
.................................................................................................. 132 4.4.5 MicroPython ........................................................................................ 132 4.4.6 Lua........................................................................................................ 140 96
Inhalt 4.4.7 Rust...................................................................................................... 146 4.4.8 Platform IO........................................................................................... 146 4.5 Partitionstabelle festlegen.............................................................................. 157 4.6 Fazit.................................................................................................................... 159 5 Programmierung mit C und C++ ібі 5.1 Programmdesign für den Mikrocontroller..................................................... 161 5.1.1 »Normale« C-/C++-Programme.......................................................... 163 5.1.2 Sketche................................................................................................. 164 5.1.3 Erweiterte Programmstruktur............................................................. 164 5.2 Syntax und Semantik in der Programmiersprache....................................... 165 5.3 Zeichen, Kommentare und Begrifflichkeiten................................................ 166 5.3.1 Zeichen und ihre Bedeutung............................................................... 166 5.3.2 Kommentare........................................................................................ 168 5.3.3 Begrifflichkeiten................................................................................... 168 5.4 Daten und Datentypen..................................................................................... 169 5.5
Variablen............................................................................................................ 173 5.5.1 Deklaration und Definition.................................................................. 174 5.5.2 Initialisierung und Wertzuweisung..................................................... 174 5.5.3 Gültigkeitsbereiche von Variablen...................................................... 175 5.5.4 Typqualifizierer.................................................................................... 176 5.5.5 Der Variabienmodifikator PROGMEM ................................................ 177 Ausdrücke und Operatoren ............................................................................. 177 5.6.1 Arithmetische Operatoren.................................................................. 177 5.6.2 Zuweisungsoperatoren........................................................................ 178 5.6.3 Bedingte Operatoren (Vergleiche)....................................................... 179 5.6.4 Aussagenlogik...................................................................................... 180 5.6.5 Bitoperatoren....................................................................................... 182 5.6.6 Typumwandlung.................................................................................. 184 5.6.7 Der Operator sizeof.............................................................................. 186 5.6.8 Fehlerquellen........................................................................................ 186 5.7 Zeiger (Pointer)
.................................................................................................. 186 5.8 Arrays und Strukturen ...................................................................................... 190 5.8.1 Arrays (Tabellen)................................................................................... 190 5.8.2 struct (Strukturen)............................................................................... 192 5.8.3 union .................................................................................................... 193 5.6 7
Inhalt 5.9 5.10 5.11 5.8.4 enum .................................................................................................... 194 5.8.5 typedef.................................................................................................. 194 Kontrollstrukturen.................................................................................... 194 5.9.1 if-Bedingung......................................................................................... 195 5.9.2 if-else.................................................................................................... 196 5.9.3 switch ... case........................................................................................ 197 5.9.4 while-Schleife....................................................................................... 199 5.9.5 do-while-Schleife................................................................................. 200 5.9.6 for-Schleife........................................................................................... 201 Funktionen................................................................................................ 203 5.10.1 Die Syntax einer Funktion.................................................................... 204 5.10.2 Funktionsdeklaration und Funktionsdefinition.................................. 205 5.10.3 Funktionsaufruf.................................................................................... 207 5.10.4 Übergabe von Parametern................................................................... 209 5.10.5
Rücksprung........................................................................................... 214 5.10.6 Rückgabe von Ergebnissen .................................................................. 215 Funktionen nutzen: Ihr Werkzeugkasten................................................ 217 5.11.1 Zeitfunktionen..................................................................................... 217 5.11.2 Mathematische und trigonometrische Funktionen............................ 218 5.11.3 Zufallszahlen........................................................................................ 221 5.12 Klassen und objektorientierte Programmierung...................................... 223 5.13 Die StringO-Klasse.................................................................................... 231 5.14 Serielle Aus- und Eingabe......................................................................... 239 5.15 5.16 Exkurs: Tasks und Threads........................................................................ 245 5.15.1 Die FreeRTOS-Task-API......................................................................... 246 5.15.2 Threads programmieren...................................................................... 247 Präprozessordirektiven ............................................................................ 248 5.16.1 Die Direktive ftdefine........................................................................... 248 5.16.2 Die Direktive #include......................................................................... 249 5.16.3 #ifdef-/#endif-
Direktive...................................................................... 250 5.17 Prinzipien des Softwareentwurfs............................................................. 251 5.18 Fehlermanagement................................................................................... 251 5.18.1 Einfache Methoden.............................................................................. 251 5.18.2 Aufwendigere Methoden.................................................................... 253 5.19 8 5.18.3 Professionelle Methoden ..................................................................... 261 5.18.4 Datenblätter........................................................................................ 271 JSON-das Datenformat für den Datenaustauch.................................... 271
Inhalt б Peripherie und Funktionen des ESP32 275 6.1 Der interne Hall-Sensor............................................................................... 275 6.2 Digitale Aus-/Eingänge............................................................................... 276 6.2.1 Digitale Ausgänge................................................................................. 277 6.2.2 Digitale Eingänge.................................................................................. 279 Analoge Aus-/Eingänge.............................................................................. 284 6.3 6.3.1 Analoge Ausgänge................................................................................ 285 6.3.2 Analoge Eingänge................................................................................ 286 6.4 Das ESP32-Touch-Sensor-System ............................................................. 296 6.5 DHT11/DHT22 ........................................................................................... 302 6.6 433-MHz-Steuerung.................................................................................. . 306 6.7 LED-Control und Pulsweitenmodulation.................................................. 311 6.7.1 Pulsweitenmodulation........................................................................ 311 6.7.2 Die ESP32-LED-Steuereinheit.............................................................. 313 6.8 Impulszähler.............................................................................................. 318 6.9 Universal-Timer, Watchdog-
Timer............................................................ 321 6.9.1 Universal-Timer................................................................................... 322 6.9.2 Watchdog-Timer................................................................................. 324 6.10 Energie-(Spar-)Modi................................................................................... 326 6.11 ULP-Programmierung................................................................................ 334 6.12 Daten auf dem ESP32 speichern................................................................ 364 6.13 FreeRTOS-Taskfunktionen ........................................................................ 367 6.14 Thread-Funktionalität nutzen................................................................... 370 7 Externe Schnittstellen 375 7.1 SPI................... ;........................................................................................... 375 7.1.1 RFID mit RFID-RC522 ............................................................................. 376 7.1.2 SD-Karte................................................................................................ 383 7.1.3 TFT-Display........................................................................................... 389 l2C............................................................................................................... 394 7.2 9
Inhalt 7.3 Bluetooth.................................................................................................... 398 7.3.1 Bluetooth Classic.................................................................................. 399 7.3.2 Bluetooth Low Energy.......................................................................... 401 WLAN/Wi-Fi ................................................................................................ 415 7.4.1 ESP32alsAP......................................................................................... 416 7.4.2 ESP32 als »Station« .............................................................................. 421 7.4.3 ESP32 mit ESP-Now.............................................................................. 428 7.4.4 ESP32-Mesh ......................................................................................... 437 UART............................................................................................................ 437 7.5.1 Die UART-Schnittstellen des ESP32 ..................................................... 438 7.5.2 Ein UART-Echo...................................................................................... 439 7.5.3 ESP32-Modul flashen........................................................................... 441 7.6 OTA.............................................................................................................. 442 8 Externe Kommunikations- und Steuerungsmöglichkeiten 447 8.1 Das JSON-Datenaustauschformat in der Praxis......................................... 448 8.2
Apps............................................................................................................. 453 7.4 7.5 8.2.1 Blynk..................................................................................................... 453 8.2.2 MIT App Inventor................................................................................. 464 Messenger................................................................................................... 476 8.3.1 E-Mail-Versand .................................................................................... 477 8.3.2 Pushbullet............................................................................................. 484 8.3.3 Alexa..................................................................................................... 492 8.3.4 Telegram, Twitter und WhatsApp....................................................... 495 8.4 Das MQTT-Protokoll.................................................................................... 495 8.5 Cloud-loT-Plattformen................................................................................ 503 8.5.1 Cayenne................................................................................................ 503 8.5.2 Adafruit IO............................................................................................ 509 8.5.3 IFTTT..................................................................................................... 518 Lokale Anwendungen nutzen..................................................................... 530 8.3 8.6 10 8.6.1 Node-
RED.............................................................................................. 530 8.6.2 ioßroker................................................................................................. 543
Inhalt 9 Projektideen 9.1 The Evil Dice557 9.2 Die Maker-Uhr............................................................................................. 563 9.3 Das Dateisystem einmal anders.................................................................. 582 9.4 Solar-Repeater............................................................................................. 592 9.5 Als die Bilder laufen lernten........................................................................ 596 9.6 557 9.5.1 Schwarz-Weiß-Bild anzeigen............................................................... 597 9.5.2 RGB-Bild anzeigen................................................................................ 600 9.5.3 TFT-Slide-Show.................................................................................... 602 loT-Barometer.............................................................................................. 609 9.6.1 Der Sensor BMP280.............................................................................. 610 9.6.2 Das l2C-OLED-Display SSD1306............................................................ 614 9.6.3 Beide Module an einem gemeinsamen l2C-Bus................................. 622 9.6.4 Beide Module an getrennten l2C-Kanälen........................................... 625 9.7 Eine kleine Schaltzentrale........................................................................... 626 A Anhang 645 A.l Sensoren....................................................................................................... 645 A.2 Fritzing-
Parts................................................................................................ 646 A.3 Verwendete Software und Softwareversionen.......................................... 647 A.4 RTC-MUX-Pin-Liste...................................................................................... 648 Index.............................................................................................................................. 651 11
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| adam_txt |
Auf einen Blick Auf einen Blick 1 Der Mikrocontroller ESP32 und seine Funktionalitäten. 19 2 Die Stromversorgung . 41 3 Ihre Werkstatt. 53 4 Entwicklungsumgebungen . 83 5 Programmierung mit C und C++. 161 6 Peripherie und Funktionen des ESP32 . 275 7 Externe Schnittstellen. 375 8 Externe Kommunikations- und Steuerungsmöglichkeiten. 447 9 Projektideen. 557
Inhalt Inhalt Einleitung. 13 Der Mikrocontroller ESP32 und seine Funktionalitäten 19 1.1 Die ESP32-SoCs. 19 1.2 Die Module. 22 Die WROOM-, SOLO-, WROVER- und PICO-Module. 23 1.3 Die Boards. 26 1.4 Das ESP32-Dev-KitC V4. 27 1.4.1 Das Pinout. 28 1.4.2 Funktionen der GPIO-Pins. 29 1.4.3 Höhere Eingangsspannung an GPIOs. 36 Das ESP32-Dev-KitC V4 - Erstinbetriebnahme am PC. 37 1 1.2.1 1.5 1.5.1 Windows. 38 1.5.2 Linux. 38 2 Die Stromversorgung 41 2.1 Betriebszustände und typische Stromverbräuche. 41 2.2 Anschlüsse zur
Stromversorgung. 43 2.3 Grundschema der Stromversorgung. 44 2.4 Spannungsquellen. 45 2.5 Spannungsregler. 47 2.5.1 Lineare Spannungsregler. 48 2.5.2 Schaltregler. 50 5
Inhalt 3 Ihre Werkstatt 53 Breadboard Co. 53 3.1.1 Das Breadboard. 53 3.1.2 Jumperkabel. 54 3.1.3 Leiterplatine. 55 3.2 Hilfreiche Werkzeuge. 57 3.3 Fritzing. 60 3.3.1 Was ist Fritzing?. 60 3.3.2 Fritzing starten. 61 3.3.3 In der Steckplatinenansicht arbeiten. 62 3.3.4 In der Schaltplanansicht arbeiten . 69 3.3.5 In der Leiterplattenansicht arbeiten. 70 3.3.6 Bauteile importieren. 72 3.3.7 Bauteile ändern und selbst erstellen. 73 Löttechnik. 73 3.4.1 Bauteile auf Platinen
löten. 74 3.4.2 Bauteile entlöten. 75 3.4.3 SMD löten. 76 3.4.4 ESP32-Modul löten. 77 3.1 3.4 4 Entwicklungsumgebungen гз 4.1 Der Weg von lesbaren Anweisungen zum Maschinencode. 83 4.2 Das Betriebssystem der Entwicklungsumgebung. 86 4.3 esptool.py. 87 4.3.1 Installation unter Windows . 88 4.3.2 Installation unter Linux . 92 4.3.3 Ausführbare Versionen von esptool. 92 4.3.4 esptool einsetzen. 92 Entwicklungsumgebungen in der Übersicht. 95 4.4 6 4.4.1 Das Espressif IDF. 4.4.2 Die Arduino-IDE auf dem PC . 112 4.4.3 Der Arduino-Web-Editor. 132 4.4.4 Eclipse
. 132 4.4.5 MicroPython . 132 4.4.6 Lua. 140 96
Inhalt 4.4.7 Rust. 146 4.4.8 Platform IO. 146 4.5 Partitionstabelle festlegen. 157 4.6 Fazit. 159 5 Programmierung mit C und C++ ібі 5.1 Programmdesign für den Mikrocontroller. 161 5.1.1 »Normale« C-/C++-Programme. 163 5.1.2 Sketche. 164 5.1.3 Erweiterte Programmstruktur. 164 5.2 Syntax und Semantik in der Programmiersprache. 165 5.3 Zeichen, Kommentare und Begrifflichkeiten. 166 5.3.1 Zeichen und ihre Bedeutung. 166 5.3.2 Kommentare. 168 5.3.3 Begrifflichkeiten. 168 5.4 Daten und Datentypen. 169 5.5
Variablen. 173 5.5.1 Deklaration und Definition. 174 5.5.2 Initialisierung und Wertzuweisung. 174 5.5.3 Gültigkeitsbereiche von Variablen. 175 5.5.4 Typqualifizierer. 176 5.5.5 Der Variabienmodifikator PROGMEM . 177 Ausdrücke und Operatoren . 177 5.6.1 Arithmetische Operatoren. 177 5.6.2 Zuweisungsoperatoren. 178 5.6.3 Bedingte Operatoren (Vergleiche). 179 5.6.4 Aussagenlogik. 180 5.6.5 Bitoperatoren. 182 5.6.6 Typumwandlung. 184 5.6.7 Der Operator sizeof. 186 5.6.8 Fehlerquellen. 186 5.7 Zeiger (Pointer)
. 186 5.8 Arrays und Strukturen . 190 5.8.1 Arrays (Tabellen). 190 5.8.2 struct (Strukturen). 192 5.8.3 union . 193 5.6 7
Inhalt 5.9 5.10 5.11 5.8.4 enum . 194 5.8.5 typedef. 194 Kontrollstrukturen. 194 5.9.1 if-Bedingung. 195 5.9.2 if-else. 196 5.9.3 switch . case. 197 5.9.4 while-Schleife. 199 5.9.5 do-while-Schleife. 200 5.9.6 for-Schleife. 201 Funktionen. 203 5.10.1 Die Syntax einer Funktion. 204 5.10.2 Funktionsdeklaration und Funktionsdefinition. 205 5.10.3 Funktionsaufruf. 207 5.10.4 Übergabe von Parametern. 209 5.10.5
Rücksprung. 214 5.10.6 Rückgabe von Ergebnissen . 215 Funktionen nutzen: Ihr Werkzeugkasten. 217 5.11.1 Zeitfunktionen. 217 5.11.2 Mathematische und trigonometrische Funktionen. 218 5.11.3 Zufallszahlen. 221 5.12 Klassen und objektorientierte Programmierung. 223 5.13 Die StringO-Klasse. 231 5.14 Serielle Aus- und Eingabe. 239 5.15 5.16 Exkurs: Tasks und Threads. 245 5.15.1 Die FreeRTOS-Task-API. 246 5.15.2 Threads programmieren. 247 Präprozessordirektiven . 248 5.16.1 Die Direktive ftdefine. 248 5.16.2 Die Direktive #include. 249 5.16.3 #ifdef-/#endif-
Direktive. 250 5.17 Prinzipien des Softwareentwurfs. 251 5.18 Fehlermanagement. 251 5.18.1 Einfache Methoden. 251 5.18.2 Aufwendigere Methoden. 253 5.19 8 5.18.3 Professionelle Methoden . 261 5.18.4 Datenblätter. 271 JSON-das Datenformat für den Datenaustauch. 271
Inhalt б Peripherie und Funktionen des ESP32 275 6.1 Der interne Hall-Sensor. 275 6.2 Digitale Aus-/Eingänge. 276 6.2.1 Digitale Ausgänge. 277 6.2.2 Digitale Eingänge. 279 Analoge Aus-/Eingänge. 284 6.3 6.3.1 Analoge Ausgänge. 285 6.3.2 Analoge Eingänge. 286 6.4 Das ESP32-Touch-Sensor-System . 296 6.5 DHT11/DHT22 . 302 6.6 433-MHz-Steuerung. . 306 6.7 LED-Control und Pulsweitenmodulation. 311 6.7.1 Pulsweitenmodulation. 311 6.7.2 Die ESP32-LED-Steuereinheit. 313 6.8 Impulszähler. 318 6.9 Universal-Timer, Watchdog-
Timer. 321 6.9.1 Universal-Timer. 322 6.9.2 Watchdog-Timer. 324 6.10 Energie-(Spar-)Modi. 326 6.11 ULP-Programmierung. 334 6.12 Daten auf dem ESP32 speichern. 364 6.13 FreeRTOS-Taskfunktionen . 367 6.14 Thread-Funktionalität nutzen. 370 7 Externe Schnittstellen 375 7.1 SPI. ;. 375 7.1.1 RFID mit RFID-RC522 . 376 7.1.2 SD-Karte. 383 7.1.3 TFT-Display. 389 l2C. 394 7.2 9
Inhalt 7.3 Bluetooth. 398 7.3.1 Bluetooth Classic. 399 7.3.2 Bluetooth Low Energy. 401 WLAN/Wi-Fi . 415 7.4.1 ESP32alsAP. 416 7.4.2 ESP32 als »Station« . 421 7.4.3 ESP32 mit ESP-Now. 428 7.4.4 ESP32-Mesh . 437 UART. 437 7.5.1 Die UART-Schnittstellen des ESP32 . 438 7.5.2 Ein UART-Echo. 439 7.5.3 ESP32-Modul flashen. 441 7.6 OTA. 442 8 Externe Kommunikations- und Steuerungsmöglichkeiten 447 8.1 Das JSON-Datenaustauschformat in der Praxis. 448 8.2
Apps. 453 7.4 7.5 8.2.1 Blynk. 453 8.2.2 MIT App Inventor. 464 Messenger. 476 8.3.1 E-Mail-Versand . 477 8.3.2 Pushbullet. 484 8.3.3 Alexa. 492 8.3.4 Telegram, Twitter und WhatsApp. 495 8.4 Das MQTT-Protokoll. 495 8.5 Cloud-loT-Plattformen. 503 8.5.1 Cayenne. 503 8.5.2 Adafruit IO. 509 8.5.3 IFTTT. 518 Lokale Anwendungen nutzen. 530 8.3 8.6 10 8.6.1 Node-
RED. 530 8.6.2 ioßroker. 543
Inhalt 9 Projektideen 9.1 The Evil Dice557 9.2 Die Maker-Uhr. 563 9.3 Das Dateisystem einmal anders. 582 9.4 Solar-Repeater. 592 9.5 Als die Bilder laufen lernten. 596 9.6 557 9.5.1 Schwarz-Weiß-Bild anzeigen. 597 9.5.2 RGB-Bild anzeigen. 600 9.5.3 TFT-Slide-Show. 602 loT-Barometer. 609 9.6.1 Der Sensor BMP280. 610 9.6.2 Das l2C-OLED-Display SSD1306. 614 9.6.3 Beide Module an einem gemeinsamen l2C-Bus. 622 9.6.4 Beide Module an getrennten l2C-Kanälen. 625 9.7 Eine kleine Schaltzentrale. 626 A Anhang 645 A.l Sensoren. 645 A.2 Fritzing-
Parts. 646 A.3 Verwendete Software und Softwareversionen. 647 A.4 RTC-MUX-Pin-Liste. 648 Index. 651 11 |
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