淺談基于無(wú)線技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的探討

    摘要:智慧校園的顯著特征在于對(duì)校園內(nèi)各種類型傳感器的感知,其**部件是智慧校園數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),使用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建,具有易于布線、易于施工、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。然后使用諸如Zigbee、WIFI、藍(lán)牙等傳統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù),在傳輸距離、功耗、效率等多方面都表現(xiàn)出明顯的缺陷。論文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于LoRa技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),其具有部署簡(jiǎn)單、低成本、易于維護(hù)等顯著特點(diǎn),可在智慧校園解決方案中廣泛使用。

    關(guān)鍵詞:LoRa;數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān);物聯(lián)網(wǎng);智慧校園

    0、引言

    隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合并快速發(fā)展,其已成為推進(jìn)**經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要支撐點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備,作為解決“物聯(lián)網(wǎng)”的數(shù)據(jù)傳感和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備,具有廣泛的用途。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)有效解決了“物聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展的數(shù)據(jù)鏈路問(wèn)題,其市場(chǎng)需求必將隨著“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展而不斷大幅度增加,其將為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各領(lǐng)域的發(fā)展起到一定的推進(jìn)作用。

    物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推進(jìn)了新型智慧城市以及智慧校園的快速發(fā)展,其是“互聯(lián)網(wǎng)+”的重要功能擴(kuò)展,其對(duì)構(gòu)建城市以及校園的基礎(chǔ)設(shè)施、信息化管理與服務(wù)起到了關(guān)鍵性的作用。物聯(lián)網(wǎng)需要將種類繁多、格式各異、不同協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式采集、存儲(chǔ)和處理,而物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Χ囝愋偷臄?shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換與互聯(lián)。

    智慧校園的顯著特征在于對(duì)校園內(nèi)各種類型傳感器的感知,例如溫度、濕度、PM2.5、煙霧、門禁、漏水、門窗、電壓、電流、功率、用電量、用水量等。由于這些傳感器在校園內(nèi)廣泛分布,為了避免布線的困難,其與中心服務(wù)器的傳輸一般采用無(wú)線方式。利用傳統(tǒng)的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)(例如Zigbee、WIFI、藍(lán)牙等)實(shí)現(xiàn)智慧校園的感知具有不可克服的困難,主要表現(xiàn)為:

    (1)傳輸距離有限,不能將數(shù)據(jù)直接或少量中繼跳轉(zhuǎn)傳遞給中心服務(wù)器;

    (2)采用傳統(tǒng)的自組網(wǎng)技術(shù)(例如Zigbee)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,由于傳輸距離遠(yuǎn),導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多,網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜,傳輸效率低下;

    (3)功耗普遍較高,在一些只能采用電池供電的特定應(yīng)用場(chǎng)合,難以實(shí)現(xiàn)。

    為了解決上述問(wèn)題,論文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于LoRa技術(shù)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),其使用LoRa傳輸方式與傳感器進(jìn)行通信,采集傳感器數(shù)據(jù),并通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)傳遞給中心服務(wù)器。由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn),在園內(nèi),傳感器數(shù)據(jù)可以直接或僅通過(guò)1-2個(gè)中繼便可傳遞到中心服務(wù)器;由于LoRa技術(shù)自身功耗低,可在電池供電的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作(與電池容量和輸出頻率相關(guān),一般設(shè)計(jì)為2-3年),所以傳感器可以安裝在校園內(nèi)的任何地點(diǎn)。論文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有部署簡(jiǎn)單、低成本、易于維護(hù)等顯著特點(diǎn),可在智慧校園解決方案中廣泛使用。

    1、LoRa技術(shù)

    1.1 簡(jiǎn)介

    LoRa是LPWAN(Low Power Wide Area Net work,低功耗廣域網(wǎng))通信技術(shù)中的一種,是美國(guó)Semtech公司研發(fā)的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的**遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)。LoRa技術(shù)顛覆了過(guò)去通信技術(shù)領(lǐng)域中有關(guān)遠(yuǎn)距離與低功耗的傳統(tǒng)認(rèn)知。設(shè)計(jì)者采用LoRa技術(shù)完成數(shù)據(jù)通信可以兼顧遠(yuǎn)距離與低功耗的各自優(yōu)點(diǎn),并由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn),其可以大大節(jié)省額外的中繼開銷,使得系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單,傳輸效率較高。目前,LoRa技術(shù)主要在ISM(Industrial Scientific Medical,工業(yè)科學(xué)醫(yī)療)頻段運(yùn)行,主要包括433、868、915MHz等。

    LoRa技術(shù)將擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)(Spread Spectrum Modulation,SSFM)和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)技術(shù)(Cyclic Redundancy Check,CRC)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。相對(duì)于頻移監(jiān)控技術(shù)(Frequency Shift Keying,F(xiàn)SK),LoRa技術(shù)在擴(kuò)大無(wú)線通訊鏈路覆蓋范圍的同時(shí),又提高了系統(tǒng)的魯棒性。所以LoRa技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾性,設(shè)計(jì)者通過(guò)調(diào)整擴(kuò)頻因子,以及帶寬和編碼率,就可以對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

    1.2特點(diǎn)

    (1)靈敏度可達(dá)-148dBm,**功率可達(dá)22dBm;

    (2)傳輸距離上限可達(dá)15km,建筑物密集區(qū)可覆蓋2km左右的通信范圍,空曠地帶覆蓋范圍可達(dá)10km;

    (3)接收是功耗低至10mA,睡眠電流為200nA,可使用電池供電,長(zhǎng)時(shí)間工作;

    (4)數(shù)據(jù)傳輸速率的范圍是0.3kbps到50kbps,其可通過(guò)速率自適應(yīng)技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率,以均衡功耗和傳輸距離;

    (5)使用基于信號(hào)傳輸時(shí)間的測(cè)距技術(shù)進(jìn)行定位,其精度可達(dá)5米。

    1.3 LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

    LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示,由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、中心服務(wù)器和移動(dòng)服務(wù)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)LoRa技術(shù)進(jìn)行通信,網(wǎng)關(guān)與中心服務(wù)器之間可以采用有線通信方式,也可以采用4G/5G等無(wú)線通信方式,移動(dòng)服務(wù)通過(guò)Internet訪問(wèn)中心服務(wù)器。

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    2、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)

    2.1 總體結(jié)構(gòu)

    數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,由LoRa射頻電路、微控制器、以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口電路組成。LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的SX1268IMLTRT,用于通過(guò)無(wú)線方式采集遠(yuǎn)端的傳感器數(shù)據(jù);微控制器電路采用ST公司的低功耗微控制器STM32L053R8T6用于處理接收到的傳感器數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析和存儲(chǔ);以太網(wǎng)電路采用WIZnet公司的W5500,W5500內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧并自帶MAC和PHY電路,使用便捷、穩(wěn)定可靠;以太網(wǎng)接口電路采用HanRun公司的HR91105A,其內(nèi)部集成網(wǎng)絡(luò)變壓器,并具有很強(qiáng)的EMI表現(xiàn)。

    2

    2.2 LoRa射頻電路

    LoRa射頻電路主芯片采用Semtech公司的LoRa收發(fā)芯片SX1268,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其內(nèi)部集成了低噪放大器(LNA),在LoRa調(diào)制下,接收靈敏度上限可達(dá)-148dBm;同時(shí)集成了功率放大器(PA),其**功率上限可達(dá)+22dBm。SX1268具有2種調(diào)制方式,分別為FSK和LoRa;2種供電方式,分別為低壓差現(xiàn)行穩(wěn)壓器(LDO)和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器,當(dāng)其工作在DC-DC方式下,其接收低電流信號(hào)可達(dá)4.2mA,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際意義的低功耗。SX1268通過(guò)SPI接口與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

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    LoRa射頻電路如圖4所示,SX1268工作在內(nèi)部DC-DC供電方式下,由于SX1268為半雙工工作方式,所以電路中采用視頻模擬開關(guān)PE4259進(jìn)行射頻電路的切換。PE4259有2種工作方式,1是單引腳控制,其實(shí)現(xiàn)方法是*6腳接電源,如*4腳接高電平,則將RFC切換給RF1;如*4腳接電平,則將RFC切換給RF2。PE4259的*2種工作方式是*6腳給低電平,*4腳給高電平,則將RFC切換給RF1;*6腳給高電平,*4腳給低電平,則將RFC切換給RF2。SX1268的DIO2引腳為多功能引腳,可將其功能配置為收發(fā)控制,這樣DIO2直接與PE4259的*4腳相連即可。微控制器控制PE4259的*6腳,其功能是天線開關(guān)(ATN_SW),當(dāng)*6腳給高電平,打開天線,此時(shí)SX1268可通過(guò)DIO2直接控制射頻收發(fā);當(dāng)*6腳給低電平時(shí),關(guān)閉天線,以達(dá)到降低功耗的目的。

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    2.3 微控制器電路

    微控制器電路用于接收LoRa射頻電路采集的傳感器數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析、存儲(chǔ),并將其轉(zhuǎn)換為**格式通過(guò)以太網(wǎng)電路傳遞給中心服務(wù)器。微控制器電路**芯片選擇ST公司的**低功耗單片機(jī)STM32L053R8T6,其有7種低功耗模式,分別為:Sleep mode(睡眠模式)、Low-power run mode(低功耗運(yùn)行模式)、Low-power sleep mode(低功耗睡眠模式)、Stop mode with RTC(帶有RTC的停止模式)、Stop mode without RTC(不帶RTC的停止模式)、Standby mode with RTC(帶有RTC的旁路模式)、Standby mode without RTC(不帶RTC的旁路模式),其具體功耗數(shù)值見表1。

    5

    STM32L053R8T6的Stop模式分為2種,一種是啟動(dòng)內(nèi)部RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)電路,另一種是不啟動(dòng)內(nèi)部RTC。當(dāng)芯片運(yùn)行于Stop模式是,具有喚醒功能的外設(shè),會(huì)在條件滿足時(shí),啟動(dòng)HISRC時(shí)鐘,并且任何外部中斷都可以在3.5us的時(shí)間內(nèi)喚醒期間,處理器可以進(jìn)入中斷處理程序,進(jìn)行相應(yīng)的處理,所以論文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)微控制器在低功耗時(shí),運(yùn)行于Stop模式。

    微控制器電路如圖5所示,主芯片STM32L053R8T6的時(shí)鐘,由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供,其頻率為12MHz;電阻R1下拉,用于選擇啟動(dòng)模式為內(nèi)部Flash。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,對(duì)于復(fù)位電路除采用阻容復(fù)位外,額外焊接外部看門狗復(fù)位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通過(guò)SPI接口與LoRa射頻電路和以太網(wǎng)電路通信。

    2.4 以太網(wǎng)電路

    W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器,內(nèi)部集成硬件TCP/IP協(xié)議棧,10/100M自適應(yīng)的MAC層和PHY層,可使電路通過(guò)單芯片擴(kuò)展以太網(wǎng)硬件鏈接。W5500使用SPI接口與微控制器進(jìn)行通信,支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協(xié)議,內(nèi)部集成32字節(jié)buffer用于處理和解析以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。W5500使用Socket進(jìn)行以太網(wǎng)通訊設(shè)計(jì),內(nèi)部可同時(shí)使用8個(gè)硬件Socket進(jìn)行通訊。

    以太網(wǎng)電路如圖6所示,W5500使用硬件SPI與微控制器進(jìn)行通信,由CS、SCK、MOSI和MISO4路信號(hào)構(gòu)成,W5500工作于從機(jī)模式。電路使用低溫漂25M晶振為W5500提供時(shí)鐘,使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T進(jìn)行數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的隔離。W5500使用TXN/TXP和RXN/RXP2路差分信號(hào)與以太網(wǎng)接口電路通信。

    2.5 以太網(wǎng)接口電路

    以太網(wǎng)接口電路如圖7所示,其接口采用內(nèi)部自帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ46接口HR91105A,TXN/TXP差分對(duì)與HR91105A的1腳和2腳相連接,RXN/RXP差分對(duì)與HR91105A的3腳和6腳相連接,4腳和5腳為網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭,9腳和10腳為綠色指示燈,11腳和12腳為綠色指示燈。

    1

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    3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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    網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用層次化軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì),其總體架構(gòu)如圖8所示。先在網(wǎng)關(guān)硬件上移植Fre-eRTOS操作系統(tǒng),已實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度,然后實(shí)現(xiàn)SX1268和W5500驅(qū)動(dòng)程序的移植,在此基礎(chǔ)上使用Socket通訊庫(kù)實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信,使用文件系統(tǒng)完成傳感器數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)。上層是應(yīng)用程序設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)邏輯層與底層硬件的無(wú)關(guān)性。采用上述層次化軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)后,使得系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上具有如下特點(diǎn):

    (1)具有較強(qiáng)的可讀性:由于邏輯層與驅(qū)動(dòng)程序分層設(shè)計(jì),使得系統(tǒng)的軟件代碼具有較高的可讀性。代碼可讀性提高,不僅有利于多人之間相互交流,也有利于代碼的維護(hù),代碼可讀性強(qiáng)是項(xiàng)目可持續(xù)性發(fā)展的必要條件。

    (2)具有較強(qiáng)的可復(fù)用性:由于邏輯層與驅(qū)動(dòng)程序分層設(shè)計(jì),在進(jìn)行項(xiàng)目升級(jí)或者其它項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí),可以借助原有項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)代碼,使得程序的開發(fā)效率大幅度提高。

    (3)具有可多人協(xié)作性:由于邏輯層與驅(qū)動(dòng)程序分層設(shè)計(jì),使得不同的設(shè)計(jì)人員根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn),僅專注于某一層進(jìn)行程序設(shè)計(jì),這樣可以使得程序開發(fā)可以多人協(xié)作進(jìn)行。

    (4)具有可移植性:由于邏輯層與驅(qū)動(dòng)程序分層設(shè)計(jì),則邏輯層與硬件無(wú)關(guān),這就意味著邏輯層可以在其它滿足邏輯層運(yùn)行條件的硬件上運(yùn)行,使得邏輯層可以跨硬件平臺(tái)移植。

    4、系統(tǒng)特點(diǎn)

    本文所設(shè)計(jì)的智慧校園數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)相對(duì)于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),具有如下顯著特點(diǎn):

    (1)基于LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集,通信距離遠(yuǎn),網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單,易于控制;

    (2)采用低功耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),可采用電池供電方案,亦可在供電電源斷電工作較長(zhǎng)時(shí)間;

    (3)采用W5500實(shí)現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)收發(fā),實(shí)時(shí)性強(qiáng);

    (4)軟件系統(tǒng)采用層次化軟件設(shè)計(jì)方法,使得軟件具備可讀性強(qiáng)、可復(fù)用、可多人協(xié)作和可移植的顯著特點(diǎn)。

    5、安科瑞網(wǎng)關(guān)介紹

    5.1通信管理機(jī)

    5.1.1概述

    本系列智能通信管理機(jī)是一款采用嵌入式硬件計(jì)算機(jī)平臺(tái),具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò)接口,用于將一個(gè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有的智能監(jiān)控/保護(hù)裝置的通信數(shù)據(jù)整理匯總后,實(shí)時(shí)上傳主站系統(tǒng),完成遙信、遙測(cè)等能源數(shù)據(jù)采集功能。

    同時(shí),本系列智能通信管理機(jī)支持接收上級(jí)主站系統(tǒng)下達(dá)的命令,并轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的智能系列單元,完成對(duì)廠站內(nèi)各開關(guān)設(shè)備的分、合閘遠(yuǎn)方控制或裝置的參數(shù)整定,實(shí)現(xiàn)遙控和遙調(diào)功能,以達(dá)到遠(yuǎn)動(dòng)輸出調(diào)度命令的目標(biāo)。

    5.1.2產(chǎn)品介紹

    4

    5.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

    5.2.1概述

    AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)條,采用嵌入式設(shè)計(jì)。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,同時(shí)采用了功能強(qiáng)大的微處理芯片,配合內(nèi)置看門狗,性能可靠穩(wěn)定。

    本產(chǎn)品提供標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)接口,可以方便的連接RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備,僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對(duì)MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集,并且與安科瑞服務(wù)器進(jìn)行通訊。

    5.2.2產(chǎn)品介紹

    5

    5.3無(wú)線通訊終端

    5.3.1概述

    AWT100數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DTU,通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN,GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式,下行接口提供了標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)接口,可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備,僅需一次性完成初始化配置,就可以完成對(duì)MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集;同時(shí)AWT100系列無(wú)線通訊終端采用了功能強(qiáng)大的微處理芯片,配合內(nèi)置看門狗技術(shù),性能可靠穩(wěn)定。

    AWT200數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于各種終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制、計(jì)算,為系統(tǒng)與設(shè)備之間建立通訊紐帶,實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通訊。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),同時(shí)自身根據(jù)用戶規(guī)則進(jìn)行邏輯判斷,大大的節(jié)省了人力和通訊成本。

    5.4.2產(chǎn)品介紹

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    6、結(jié)語(yǔ)

    論文詳細(xì)介紹了基于LoRa技術(shù)的智慧校園數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)與軟件架構(gòu),其具有傳輸距離遠(yuǎn)、**低功耗、聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)。論文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)已在國(guó)內(nèi)多所高校進(jìn)行了安裝,**了較好的應(yīng)用效果。


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    詞條說(shuō)明

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