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1、1第一章 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述 教學(xué)目標(biāo)知道物聯(lián)網(wǎng)的起源和發(fā)展熟練掌握物聯(lián)網(wǎng)的定義及特征理解物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)了解人類進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的特征熟悉物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域重點(diǎn):物聯(lián)網(wǎng)的概念難點(diǎn):物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)21 物聯(lián)網(wǎng)概述 1.1 物聯(lián)網(wǎng)的起源和發(fā)展1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)的起源一是物理世界的聯(lián)網(wǎng)需求,以傳感器和智能識(shí)別終端為代表的信息自動(dòng)生成設(shè)備可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地開(kāi)展對(duì)物理世界的感知、測(cè)量和監(jiān)控。二是信息世界的擴(kuò)展需求,互聯(lián)網(wǎng)的觸角(網(wǎng)絡(luò)終端和接入技術(shù))不斷延伸,深入到人們生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。 。來(lái)自上述兩方面的需求催生出了一類新型網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)。 3物聯(lián)網(wǎng)是什么?物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基
2、于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體,讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)重要特征:普通對(duì)象設(shè)備化自治終端互聯(lián)化普適服務(wù)智能化 1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)的起源4物聯(lián)網(wǎng)概念的提出 物聯(lián)網(wǎng)概念最早出現(xiàn)于比爾蓋茨2019年未來(lái)之路一書 。2019年,美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)創(chuàng)造性地提出了當(dāng)時(shí)被稱作EPC系統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”的構(gòu)想。 如下圖所示。2019年,美國(guó)Auto-ID首先提出“物聯(lián)網(wǎng)”的概念,主要是建立在物品編碼、RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上。2019年,美國(guó)技術(shù)評(píng)論提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來(lái)改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。5物聯(lián)網(wǎng)概念的提出 2019年11月17日,在突尼斯舉行的
3、信息社會(huì)世界峰會(huì)(WSIS)上,國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2019:物聯(lián)網(wǎng),正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念2009年1月28日,奧巴馬就任美國(guó)總統(tǒng)后,與美國(guó)工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會(huì)議”,作為僅有的兩名代表之一, IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”這一概念,具體地說(shuō),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、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中,并且被普遍連接,形成物聯(lián)網(wǎng)。 61.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 業(yè)內(nèi)專家表示,物聯(lián)網(wǎng)把我們的生活擬人化了,萬(wàn)物成了人的同類。在這個(gè)物物相聯(lián)的世界中,物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”,而無(wú)需人的干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)利用射頻自動(dòng)
4、識(shí)別(RFID)技術(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。 物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后,世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為,物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益,大大節(jié)約成本;另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。 71.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 1. 美國(guó)USA 2019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,結(jié)果顯示,如果在新一代寬帶網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)和醫(yī)療IT系統(tǒng)的建設(shè)方面投入300億美元,就可以產(chǎn)生100萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位,并衍生出眾多新型現(xiàn)代服務(wù)業(yè)態(tài),從而幫助美國(guó)建立長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 8 2. 歐盟EU
5、2009年6月18日,歐盟委員會(huì)向歐盟議會(huì)、理事會(huì)、歐洲經(jīng)濟(jì)和社會(huì)委員會(huì)及地區(qū)委員會(huì)遞交了歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃,希望歐洲在構(gòu)建新型物聯(lián)網(wǎng)管制框架的過(guò)程中,在世界范圍內(nèi)起主導(dǎo)作用。 EU通過(guò)ICT研發(fā)計(jì)劃投資4億歐元,啟動(dòng)90多個(gè)研發(fā)項(xiàng)目提高網(wǎng)絡(luò)智能化水平外,歐盟委員會(huì)還將于2019年2019年間每年新增2億歐元進(jìn)一步加強(qiáng)研發(fā)力度,同時(shí)拿出3億歐元專款,支持物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)公私合作短期項(xiàng)目建設(shè)。 1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展9 3.日本Japan 2019年就推出了u-Japan計(jì)劃,著力于發(fā)展泛在網(wǎng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè),并希望由此催生新一代信息科技革命,在2019年實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的日本。2009年8月,日本又將u-J
6、apan升級(jí)為i-Japan戰(zhàn)略,提出智慧泛在構(gòu)想,將傳感網(wǎng)列為其國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略之一,致力于構(gòu)建一個(gè)個(gè)性化的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)體系,充分調(diào)動(dòng)日本電子信息企業(yè)積極性,確保日本在信息時(shí)代的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力始終位于全球第一陣營(yíng)。1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展10 5.國(guó)內(nèi)政策 (1)胡錦濤主席2019年6月7日在中國(guó)科學(xué)院第十五次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十次院士大會(huì)上的講話: “當(dāng)前,要重點(diǎn)在推動(dòng)以下科技發(fā)展上做出努力,爭(zhēng)取盡快取得突破性進(jìn)展。第三,大力發(fā)展信息網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)。要抓住新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇,創(chuàng)新信息產(chǎn)業(yè)技術(shù),以信息化帶動(dòng)工業(yè)化,發(fā)展和普及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),加快發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),重視網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和信息存儲(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)
7、,加快相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),積極研發(fā)和建設(shè)新一代互聯(lián)網(wǎng)1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展11 5.國(guó)內(nèi)政策 (2)物聯(lián)網(wǎng)是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。溫家寶總理在十一屆全國(guó)人大三次會(huì)議上作政府工作報(bào)告時(shí)明確提出:“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。1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展12 5.國(guó)內(nèi)政策 (3)中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè):新華社副社長(zhǎng)周錫生在2019年中國(guó)國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)(傳感網(wǎng))博覽會(huì)暨中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上發(fā)布了20092019中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)年度發(fā)展報(bào)告:年報(bào)認(rèn)為,2009年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模1700多億元,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在公眾業(yè)務(wù)領(lǐng)域、以及平安家居、電力安全、公共安全、健康監(jiān)測(cè)、
8、智能交通、重要區(qū)域防入侵、環(huán)保等諸多行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模均超過(guò)百億。2019年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)2000億元,2019年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)整體市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到7500億元。 1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展131.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 5.國(guó)內(nèi)政策 (4)各省市也相應(yīng)制定了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃,涉及到的重點(diǎn)示范行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋航ㄔO(shè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)示范工程。重點(diǎn)建設(shè)智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流和智能電網(wǎng)等示范工程。建設(shè)公共管理領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)示范工程。重點(diǎn)建設(shè)城市智能交通、智能公共安全、智能環(huán)保和智能災(zāi)害防控等示范工程。建設(shè)公眾服務(wù)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)示范工程,建設(shè)智能醫(yī)護(hù)和智能家居等示范工程等。 物聯(lián)網(wǎng)將是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的
9、“重要生產(chǎn)力”! 141 物聯(lián)網(wǎng)概念 1.2 物聯(lián)網(wǎng)概念 1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)定義及特征 1.定義定義一:通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。 物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。 15定義二:通過(guò)各種信息傳感設(shè)備,如傳感器、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù),實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程的聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息,與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò),
10、實(shí)現(xiàn)物與物、物與人,所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接,方便識(shí)別、管理和控制?!耙痪涫健崩斫馕锫?lián)網(wǎng):把所有物品通過(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。 1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)定義及特征 162. 特征 全面感知:它是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)上部署了海量的多種類型傳感器,每個(gè)傳感器都是一個(gè)信息源,不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性。 可靠傳遞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要基礎(chǔ)和核心仍舊是互聯(lián)網(wǎng),通過(guò)各種有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合,將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去。在物聯(lián)網(wǎng)上,由于其數(shù)量極其龐大,在傳輸過(guò)程中,為了保障數(shù)據(jù)的正確性和及時(shí)性,必須適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)
11、議。 智能處理:能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能控制。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合,利用云計(jì)算、模式識(shí)別等各種智能技術(shù),擴(kuò)充其應(yīng)用領(lǐng)域。從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù),以適應(yīng)不同用戶的不同需求,發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式。 1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)定義及特征 173. “物”的涵義 特別注意的是物聯(lián)網(wǎng)中“物”的涵義,這里的“物”要滿足以下條件才能夠被納入“物聯(lián)網(wǎng)”的范圍:要有數(shù)據(jù)傳輸通路;要有一定的存儲(chǔ)功能;要有CPU;要有操作系統(tǒng);要有專門的應(yīng)用程序;遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議;在世界網(wǎng)絡(luò)中有可被識(shí)別的唯一編號(hào)。1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)定義及特征 181.RFID和EPC技術(shù) 是物聯(lián)網(wǎng)中讓物品“開(kāi)
12、口說(shuō)話”的關(guān)鍵技術(shù),通過(guò)EPC編碼和RFID標(biāo)簽上存儲(chǔ)著規(guī)范而具有互用性的信息,經(jīng)過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)把它們自動(dòng)采集到中央信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)物品(商品)的識(shí)別。2.傳感控制技術(shù) 主要負(fù)責(zé)接收物品“講話”的內(nèi)容。傳感控制技術(shù)是關(guān)于從自然信源獲取信息,并對(duì)之進(jìn)行處理、變換和識(shí)別的一門多學(xué)科交叉的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù),它涉及傳感器、信息處理和識(shí)別的規(guī)劃設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造、測(cè)試、應(yīng)用及評(píng)價(jià)改進(jìn)等活動(dòng)。1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) 193.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 物品與人的無(wú)障礙交流,必然離不開(kāi)高速、可進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)既包括允許用戶建立遠(yuǎn)距離無(wú)線連接的全球語(yǔ)音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),也包括為近距離的藍(lán)牙技術(shù)和紅外技
13、術(shù)。4.組網(wǎng)技術(shù) 就是網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù),分為以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)和ATM局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù),也可分為有線、無(wú)線組網(wǎng),在物聯(lián)網(wǎng)中,組網(wǎng)技術(shù)起到“橋梁”的作用,其中應(yīng)用最多的是無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù),它能將分散的節(jié)點(diǎn)在一定范圍之內(nèi)自動(dòng)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),來(lái)增加各采集節(jié)點(diǎn)獲取信息的渠道。1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) 20除了采集到的信息外,該節(jié)點(diǎn)還能獲取一定范圍之內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)采集到的信息,因此在該范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集到的信息可以統(tǒng)一處理,統(tǒng)一傳送,或者經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的相互“聯(lián)系”后,它們協(xié)商傳送各自的部分信息。5.人工智能 人工智能是研究使計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的某些思維過(guò)程和智能行為(如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等)的技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)中,人工智能技
14、術(shù)主要負(fù)責(zé)將物品“說(shuō)話”的內(nèi)容進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理。1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) 21互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的比較 1.2.3 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系 221. 上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)1.3.1 應(yīng)用案例機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)鋪設(shè)了3萬(wàn)多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn),覆蓋了地面、柵欄和低空探測(cè),可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵。浦東機(jī)場(chǎng)周界防入侵系統(tǒng)一期工程的系統(tǒng)組成如圖所示。 232. ZigBee路燈控制系統(tǒng) 1.3.1 應(yīng)用案例系統(tǒng)功能:數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢報(bào)警滿足道路亮化要求,提高路燈系統(tǒng)的管理水平實(shí)現(xiàn)智能化的按需節(jié)能照明、單個(gè)路燈測(cè)控對(duì)城市路燈設(shè)施進(jìn)行線控、點(diǎn)控、點(diǎn)測(cè)等多種科學(xué)有效的
15、控制管理滿足遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集、適時(shí)調(diào)光、燈具保護(hù)、動(dòng)態(tài)節(jié)電等功能需求243. 智能交通系統(tǒng)(ITS) 1.3.1 應(yīng)用案例利用現(xiàn)代信息技術(shù)為核心,利用先進(jìn)的通訊、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、傳感器技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)交通的實(shí)時(shí)控制與指揮管理。包括基于浮動(dòng)車技術(shù)的實(shí)時(shí)交通信息生成和發(fā)布系統(tǒng)、推定補(bǔ)全系統(tǒng)、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)系統(tǒng),為駕駛者、交管機(jī)構(gòu)等提供實(shí)時(shí)交通路況及短長(zhǎng)期預(yù)測(cè)路況信息。如圖所示。 254高鐵物聯(lián)網(wǎng) 1.3.1 應(yīng)用案例 我國(guó)首家高鐵物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中心2019年6月18日在蘇州科技城投用,將為高鐵物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科技支撐。高鐵檢票入站系統(tǒng)如圖所示。 高鐵物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中投資規(guī)
16、模最大、市場(chǎng)前景最好的產(chǎn)業(yè)之一,正在改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式。刷卡購(gòu)票、手機(jī)購(gòu)票、電話購(gòu)票等新技術(shù)的集成使用,讓旅客可以擺脫擁擠的車站購(gòu)票。 265.國(guó)家電網(wǎng)首座220千伏智能變電站 1.3.1 應(yīng)用案例 2019年1月3日,國(guó)家電網(wǎng)首座220千伏智能變電站無(wú)錫市惠山區(qū)西涇變電站投入運(yùn)行,并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立傳感測(cè)控網(wǎng)絡(luò),將傳統(tǒng)意義上的變電設(shè)備“活化”,實(shí)現(xiàn)自我感知、判別和決策,從而完成自動(dòng)控制 ,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“無(wú)人值守和巡檢,建設(shè)水平全國(guó)領(lǐng)先。 276. 首家“手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)”落戶廣州 1.3.1 應(yīng)用案例將移動(dòng)終端與電子商務(wù)相結(jié)合的模式,讓消費(fèi)者可以與商家進(jìn)行便捷的互動(dòng)交流,隨時(shí)隨地體驗(yàn)品牌品質(zhì),傳播分享信息,實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)的從容過(guò)度,締造出一種全新的零接觸、高透明、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的市場(chǎng)模式。專家稱,這種智能手機(jī)和電子商務(wù)的結(jié)合,是“手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)”的其中一項(xiàng)重要功能。市場(chǎng)分析如圖所示。 281.3.3 物聯(lián)網(wǎng)的十大應(yīng)用領(lǐng)域 從智能家居到智能交通、智能電網(wǎng)、智能物流、工業(yè)自動(dòng)化、金融服務(wù)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、醫(yī)療健康、國(guó)防軍事,從幕后到臺(tái)前,物聯(lián)網(wǎng)正迅速地改變著世界。 29小結(jié) 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是隨著互聯(lián)網(wǎng)、傳感器等發(fā)展而發(fā)展的。理念是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用射頻識(shí)別技術(shù)、
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