KR20090124155A - 발광다이오드를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인공광을 이용한 식물재배 장치에 관한 것으로서, 식물재배에 있어서 수시로 변하는 외부 광환경에 대응하여 작물별, 생육단계별로 요구 되어지는 광환경 요소-광질, 광강도, 조사방향, 명기와 암기의 주기 등-를 최적의 조건으로 제공하기 위한 장치이다.
기능적으로 보면 광환경 데이터를 수집하는 광환경 검출(센서)부와 최적 광환경을 산출하는데 지표가 되는 정보를 저장하는 표본 데이터 저장부, 그리고 이들 데이터를 이용하여 최적 광환경을 산출하는 최적 광환경 산출부와 산출된 최적 관환경을 실제 구현하기 위해 광환경 요소별로 분해하여 식물에 제공하는 LED조명부로 이루어진 시스템으로 이를 이용하여 식물 재배의 가장 중요한 요소 중 하나인 광환경을 보다 효율적이고 과학적으로 최적화하여 제공할 수 있으며 그와 더불어 재배 비용 절감의 효과까지 기대할 수 있다.
LED 등기구, 식물재배 등기구, 광환경 제어장치, 식물 육성장치
Description
본 발명은 인공광을 이용하는 식물재배 방법에 있어서 기후, 설비, 장소 등의 주변 요소로 인하여 변동되는 광환경의 데이터를 검출하고, 검출된 데이터와 기 저장된 표본 데이터를 기반으로 지능적인 분석단계를 거쳐, 이에 부족하거나 필요한 광환경 요소-광질, 광강도, 조사방향, 명기와 암기의 주기 등-를 산출하고, 적절한 시점에 제공함으로써 양질의 식물 육성에 적합하게 이용할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히 광환경 요소를 제공하는 조명장치에 있어서 종래에 사용되던 백열등이나 형광등 대신에 LED를 이용함으로써, 불필요한 파장 대역을 배제하고 특정대역의 광파장만을 적절히 선별하여 조사할 수 있으므로, 식물육성에 있어서 효율적이고 집중적인 광환경 제어가 가능하다. 더불어 LED는 높은 발광효율과 내구성을 장점으로 가지므로 에너지 절감 및 비용절감의 효과 또한 기대할 수 있다.
식물재배에 있어서 특정대역의 광파장이 영향을 미친다는 것은 익히 알려진 사실이다.
예를 들어 청색광(500nm)의 경우는 줄기와 뿌리를 생장시켜 굵게 하며 특히 뿌리를 굵게 하고 측근(잔뿌리)을 늘리는 효과가 있다.
적색광(660nm)의 잎과 줄기의 생장을 촉진해 엽록소를 만들고 광합성에 작용한다. 또 황색이나 원적외색의 경우는 병충에 효과가 있다고 알려져 있다.
특히 태양광의 분광 방사 에너지의 분포와 식물육성에 유효한 파장역에 대한 연구에 의하면 하기의 <표1>에 나열한 내용으로 요약된다.
| 파장(nm) | 작용 | ||
| 적외선 | IR-A | 1400 1000 | 식물에 대해 영향은 없음, 열만 발산. |
| 780 | 식물에 특별한 신장 효과. | ||
| 가시 광선 | 적 황 녹 청 자 | 700 | 엽록소의 흡수가 최대, 발아 억제(730nm)., 광합성 작용이 최대(675nm), 발아 촉진(660nm)이나 잎의 전개, 꽃눈의 형성. |
| 610 | 광합성에 기여하지 않음 | ||
| 510 | 황색 색소에 의한 흡수가 일어나, 엽록소 흡수 피크가 있음, 굴광성(청색빛) | ||
| 자외선 | UV-A | 400 315 | 일반적으로 식물의 길이를 억제함, 잎이 두꺼워지는 작용.발색 색소의 발색 촉진 작용이 있음. |
| UV-B | 280 | 강하면 해가 있지만, 많은 합성 프로세스에 중요한 작용이 있음. | |
| UV-C | 100 | 식물의 생장에 해가 됨(말라 죽음) | |
종래에는 부족한 광량을 보충하거나 개화조절, 착색 등을 위한 적당한 생육조건을 제공하기 위해 백열등, 형광등, 나트륨등 등을 이용하였으나 이러한 조명기구는 가시광선 이외의 적외선, 자외선 등 모든 파장 대역의 광이 섞여 있으며 특정대역의 파장이 필요한 경우 불필요한 파장까지 같이 조사하게 된다.
LED의 경우 적색, 청색, 녹색, 황색, 원적외색 등 필요한 파장만을 방사하는 모듈을 사용하므로 이를 이용한 광환경 요건을 제공하는 방법이 연구, 개발되고 있는 실정이다.
하기 <표2>는 “LED의 농림수산분야에의 응용(사단법인 농업전화협회-일본-)”에 서술된 “고토에이지(치바 대학 대학원 원예학 연구과 교수)”박사의 LED와 식물육성에 관한 연구에 발표된 “각종 광원의 분광데이터”에 대한 부분이다.
| 형광 램프 | 메탈 할라이드 | 고압 나트륨등 | LED | |||||||
| 백색 | 3파장형 | 청색 | 적색 | 청470 | 적660 | |||||
| PPF (μmolm-2s-1) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | ||
| 광량자속 (μmolm-2s-1) | 300~400nm | 자외선 | 3.1 | 3.9 | 3.7 | 2.2 | 7.2 | 0.6 | 0.0 | 0.0 |
| 400~500nm | 청색 | 23.2 | 15.8 | 65.3 | 3.9 | 18.4 | 5.1 | 96.1 | 0.0 | |
| 500~600nm | 녹색 | 52.8 | 39.5 | 32.0 | 30.7 | 55.9 | 58.4 | 4.0 | 0.2 | |
| 600~700nm | 적색 | 24.8 | 45.5 | 3.7 | 66.5 | 26.7 | 38.6 | 0.2 | 99.9 | |
| 700~800nm | 원적외선 | 8.9 | 9.0 | 3.3 | 23.2 | 8.7 | 8.2 | 0.2 | 0.2 | |
| R/FR | 2.79 | 5.08 | 1.10 | 2.87 | 3.09 | 4.71 | 0.98 | 562.1 | ||
| Pfr/P | 0.761 | 0.786 | 0.687 | 0.762 | 0.766 | 0.783 | 0.674 | 0.818 | ||
대한민국 특허출원번호 제1999-0014516호 “발광다이오드를 이용한 식물 성, 생장 육성장치”에는 “식물의 특성에 따라, 그리고 제어하고자 하는 매개변수에 따라 최적의 파장 대역 및 밝기의 광을 조사함으로써 식물의 성ㆍ생장을 제어할 수 있는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치”가 개시된 바 있으며, 대한민국 특허출원번호 제2006-0082228 호 " 인공광을 이용한 조명 제어 시스템 및 방법”에는 “사용자로부터 양육을 하기 위한 조건을 기본 모드, 자연 모드, 지정 모드 등의 지정된 조작 모드를 스위치로 입력받아 선택하고 별도 선택된 동물 또는 식물에 대응하는 점등 패턴으로 조명을 하여 동식물의 생육 환경에 가장 적합한 광을 공급하는 시스템”이 개시된 바 있다.
그러나 상기 특허 문헌의 방법에서는 적색이나 청색대역의 빛의 파장이 식물에 미치는 영향과 그에 따라 LED 조명을 이용하여 특정파장의 빛을 정해진 패턴으로 조사하는 방법에 대해서는 언급하고 있으나 외부 광환경의 변화에 대응하는 방법에 대하여는 설명되어 있지 않으며 특히 태양광을 주 광원으로 하는 재배환경 하에서 하루 중 날씨의 변화-흐리거나 비가 내리는-에 따른 태양광의 파장 분포 또는 장마나 가을비가 내리는 경우의 태양광의 파장 분포가 식물에 미치는 영향과 이에 대응하여 적합한 광환경을 제공하는 방법에 대해서는 다루고 있지 않다.
그러므로 상기 언급된 특허 문헌의 방법은 외부 광환경의 영향을 받지 않는 실내 재배환경-배양실, 연구시설 등-에 적합하며 외부 재배시설-비닐하우스, 온실 등-에는 이용 된다 하더라도 외부 광환경의 변화에 대응하지 못하여 특정파장의 과다 조사나 부족 등을 초래하여 오히려 생육장애 등의 위험이 있다.
외부 광환경의 변화 요인 중 날씨의 경우를 예를 들자면 다음과 같다.
태양광 중 적색에 해당하는 600~700nm 영역의 파장은 파장의 길이가 길기 때문에 구름의 수분에 의해 흡수되는 양이 많다.
따라서 구름이 낀 흐린 날씨나 비가 오는 날씨에는 적색파장(600~700nm)의 양이 줄어든다. 대략 구름 낀 흐린 날씨에는 15% 정도가 감소 되며 비가 내리는 날씨에는 20% 정도의 양이 감소되는 것으로 조사된다.
그러나 파장이 짧은 청색광(400~500nm)은 구름이 많은 경우 산란되는 양이 조금 증가하나 흡수되는 양이 거의 없고 지상에 도달하는 양의 변화도 거의 없는 편이다.
한편, 황색에 해당하는 550~600nm 영역의 파장은 적색과 청색의 중간 정도의 파장을 가지므로 구름에 의한 흡수나 산란이 비교적 어려워 날씨에 의한 비율의 변화가 거의 없으나, 그로 인해 구름이 두꺼운 흐린 날은 다른 파장 대역에 비해-다른 파장 대역이 모두 줄어들므로- 오히려 15% 정도 비율이 상승하는 효과가 있다.
특히 일몰 시에는 태양광의 입사각이 비스듬해 지므로 대기 중을 지나는 거리가 길어지며 그에 따라 청색광과 황색광이 산란하게 되고 비교적 산란이 적게 되는 적색광의 파장의 비율이 높아지는 노을이 생기게 된다.
하기 <표3>은 “날씨에 따른 태양광을 이루는 파장비율의 변화”에 관한 내용을 정리한 것이다.
| 날씨 | 적색(600~700nm) | 청색(400~500nm) | 황색(550~600nm) |
| 흐림(구름) | -15% | 변화없음 | +15% |
| 비 | -20% | 변화없음 | |
| 일몰 시 | 변화없음 | 줄어듦 | 줄어듦 |
하기 <표4>에는 일본의 치바 농업시험장 우다가와 실장이 저술하고 경남농업기술원 농민교육과에서 번역한 “시설채소 환경관리”에 서술된 “계절에 따른 방사량 및 조도”가 기제 되어 있다.
| 계 절 | 방 사 량 (kcal/㎡/분) | 조 도 (klx) |
| 겨 울 | 2 ~ 4 | 30 |
| 봄, 가을 | 6 ~ 8 | 105 |
| 여 름 | 10 ~ 12 | 120 |
위에 언급된 특허 문헌의 방법을 이용하는 경우, 이와 같이 수시로 변화하는 외부 광환경에 대처하기 위해서는 사람이 수시로 조사패턴을 변경하거나, 시간을 조절하는 방법을 이용하면 어느 정도 극복이 가능하나, 이도 역시 현재의 광환경에 대한 정확한 데이터 없이 대략적으로 이루어지므로 효율이 나쁘고, 인력투입에 대한 비용이 발생하게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 현재 광환경의 데이터를 수 집하는 광환경 검출(센서)부와 적합한 광환경을 산출하는 산술부와 이를 LED조명장치에 적절히 반영하는 제어부로 이루어진 시스템을 구성하고, 이에 적합한 광환경 산출에 필요한 표본 데이터(광파장별 조성, 조도, 작물별 요구광량-광포화점- 등)을 입력하여 수시로 변하는 광환경에 따라 요구되어지는 광환경 요소-광질, 광강도, 조사방향, 명기와 암기의 주기-를 적절히 산출해 내어, 이를 LED조명을 이용하여 식물에 조사하는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 정보기반의 지능형 광환경 제어 시스템을 제공한다.
본 발명은 외부환경변화-날씨의 변화에 따른 일조량 부족 등-에 대해 여러 가지 적합한 광환경 산출에 필요한 표본 데이터를 조합하여 최적의 광환경 요소를 산출/제공하여 식물의 광형태 형성과 생장, 육성에 도움을 주어 재배식물의 수확량을 늘리는 효과가 있다.
수시로 변화하는 외부환경에도 자동으로 감시, 분석, 처리 과정을 운영하여 필요한 광환경 요소를 적절히 제공하여 줌으로써 별도의 인력이 재배상황감시, 환경제어에 투입되어야 하는 비용을 최소화하여 재배에 투입되는 인건비를 절감하고 농민의 노동력을 덜어주는 효과가 있다.
또한, 높은 광효율과 내구성을 장점으로 가져 고효율의 친환경 조명으로 최 근 각광받고 있는 LED를 이용하여 필요한 광환경 요소-특정 파장 등-만을 선별해서 조사하고, 불필요한 광환경 요소의 배출을 최소화하는 친환경 고효율 재배용 조명장치를 구성하여 전력소비를 줄이는 것은 물론 조명장치 교체에 드는 비용도 줄여 재배비용을 절감하는 효과를 가져온다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 이용하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LED를 이용한 정보기반의 지능형 광환경 제어 시스템의 구성을 도시한 블록 구성도이고, 도 2는 발명의 실시예에 따른 LED를 이용한 정보기반의 지능형 광환경 제어 시스템의 제어신호와 데이터의 흐름을 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 LED를 이용한 정보기반의 지능형 광환경 제어 시스템을 구현한 경우 생산되는 장치의 대략적인 구상도이다.
도 1에서 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 LED를 이용한 정보기반의 지능형 광환경 제어 시스템은 크게 광환경 검출부(10), 표본 데이터 저장부(20), 표본 데이터 입력부(30), 최적 광환경 산출부(40), LED조명부(50), 주 제어부(60), 검출 광환경 데이터 저장부(70)로 구성된다.
광환경 검출부(10)는 현재 재배환경에서 제공되고 있는 빛을 파장별(적: 600~700nm, 청: 400~500nm, 녹: 500~550nm, 황: 550~600nm, 근적외: 700~740nm 등)로 분석하는 분광센서(11)와 조도를 검출하는 조도센서(12)로 이루어져 있으며 이를 이용해 현재 광환경의 정확한 데이터를 검출한다. 검출된 광환경 데이터를 편의에 따라 ”검출 광환경 데이터”(100)로 명기하며 ”검출 광환경 데이터”(100)는 검출 광환경 데이터 저장부(70)에 누적 저장되며 필요에 따라 추출하여 재배 상황 기록이나 생장 환경 연구 등에 이용하게 된다.
표본 데이터 저장부(20)는 최적 광환경을 산출하는데 지표가 되는 정보를 저장하는 부분으로 제공할 광환경의 기준이 되는 기본정보(21)와 작물의 특성이나 재배상황에 따라 유동적인-적용하거나 하지 않을 수 있는- 부가정보(22)로 나뉜다.
기본정보(21)는 기준 광환경-주로 맑은 봄날의 태양광-을 선정하고 기준 광환경의 파장별 조성, 기준 광환경 하에서 작물에 입사되는 조도 그리고, 월별 평균 일조량, 월별 평균 일조시간 등을 저장해 둔다. 이는 주로 시스템 제작 단계에서 기본값으로 입력되어 지며 사용자가 임의로 조작도 가능하다.
부가정보(22)는 주로 재배하는 작물에 적합한 재배 정보를 사용자가 입력하게 되는데 작물의 생육단계별 요구 파장, 작물의 광포화점, 작물의 필요 일조시간 등이 이에 해당된다.
기본정보(21)와 부가정보(22)는 작물재배에 관련된 기본 지식정보와 제어정보가 입력되므로 추후 신규로 얻어지는 재배 지식정보와 필요한 제어정보에 따라 업데이트 가능한 데이터베이스형태의 구조로 저장된다.
상기 표본 데이터 저장부(20)의 정보는 표본 데이터 입력부(30)을 이용해 입력되게 되어 있으며 일반 입력장치(31), 데이터 파일(32), 데이터 통신(33) 의 방법으로 입력이 가능하다.
일반 입력장치(31)는 보편적으로 쓰여지는 입력장치를 말하는 것으로 키패드, 버튼/스위치 모음, 터치스크린, 키보드, 마우스 등이 이에 해당된다.
데이터 파일(32)은 데이터를 저장하는 기능을 가진 일정한 포맷을 지닌 파일을 말하는 것으로 XML, MDB, Text, Xls(엑셀) 등이 이용될 수 있다.
데이터 통신(33)은 통신장치를 이용하여 데이터를 주고 받는 형태를 말하는 것으로 통신방법으로는 TCP/IP 통신, 시리얼 통신 등으로 구분되며 구체적인 형태로는 LAN, WIFI, BlueTooth, Zigbee, RS-232, IrDA 등으로 구분된다.
최적 광환경 산출부(40)는 상기의 표본 데이터 저장부(20)에 저장된 정보와 광환경 검출부(10)에서 검출된 ”검출 광환경 데이터”(100)를 바탕으로 현재 재배 상황과 작물에 적합한 최적의 광환경을 산출해 내고 이를 주 제어부(60)에 전달하여 광환경 제어에 이용되도록 한다.
LED조명부(50)는 주 제어부(60)에 전달된 최적 광환경을 실제 구현하기 위한 광환경 요소를 식물에 제공하는 역할을 하는 부분으로 지정된 파장과 조도의 빛을 조사하기 위한 LED발광부(51)와 이를 제어하기 위한 조명 제어부(52)로 구성된다.
LED발광부(51)는 각 파장별(적: 600~700nm, 청: 400~500nm, 녹: 500~550nm, 황: 550~600nm, 근적외: 700~740nm 등) LED 모듈(53)을 탑재하고 있으며 각각의 LED 모듈(53)은 필요에 따라 가감하여 조합이 가능한 형태의 독립 모듈로 제공된다. LED발광부(51)는 두 개 이상의 장치를 서로 연결하여 넓은 면적에 대한 조사나 높은 조도를 필요로 하는 경우에 이용될 수 있다.
조명 제어부(52)는 주 제어부(60)에서 전달된 제어신호에 맞춰 지정된 파장과 조도 등의 광환경 요소를 식물에 제공하도록 LED발광부(51)를 제어한다.
주 제어부(60)는 상기 각각의 기능부문들을 총체적으로 관리하고 제어하는 기능을 한다. 예를 들자면 최적 광환경 산출부(40)에서 산출된 최적광환경을 조명 제어부(52)에 제어신호 형태로 변환하여 전달하거나 광환경 검출부(10)에서 검출된 원시데이터 신호를 구조화된 데이터로 변환하여 검출 광환경 데이터 저장부(70)에 저장하고, 표본 데이터 입력부(30)를 이용해 입력을 받아 표본 데이터 저장부(20) 의 정보를 저장하거나 편집하는 기능을 수행하는 등의 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템의 구성을 도시한 블록 구성도
도 2는 발명의 실시예에 따른 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템의 제어신호와 데이터의 흐름을 개략적으로 나타낸 모식도
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템을 구현한 경우 생산되는 장치의 대략적인 구상도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
210: LED조명장치
220: 조명 제어장치
230: 광환경 검출 센서 장치
240: 센서 제어장치
250: 주 제어장치
300: 태양광
400: 재배 식물
Claims (9)
- 광환경 데이터를 수집하는 광환경 검출부와, 검출된 광환경 데이터를 저장하는 검출 광환경 데이터 저장부;최적 광환경을 산출하는데 지표가 되는 정보를 저장하는 표본 데이터 저장부와, 표본 데이터를 입력하는 표본 데이터 입력부;검출 광환경 데이터와 표본 데이터를 이용하여 최적 광환경을 산출하는 최적 광환경 산출부;산출된 최적 관황경을 실제 구현하여 식물에 조사하는 기능을 LED조명부;상기 각각의 기능부문들을 총체적으로 관리하고 제어하는 기능을 하는 주 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
- 제 1 항에 있어서 LED조명부는 산출된 최적 관황경을 실제 구현하기 위해 LED모듈의 파장과 조도를 제어하는 조명 제어부와, 파장별 LED모듈로 구성되어 조 명을 조사하는 LED발광부로 구성되는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
- 제 2 항에 있어서 LED발광부는 각 파장별 LED 모듈을 탑재하고 있으며 각각의 LED 모듈은 필요에 따라 가감하여 조합이 가능한 형태의 독립 모듈로 제공하는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
- 제 2 항에 있어서 LED발광부는 두 개 이상의 LED발광부를 서로 연결하고 이를 하나의 조명 제어부를 이용하여 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
- 제 1 항에 있어서 광환경 검출부는 빛을 파장 별로 분석하는 분광센서와 조도를 검출하는 조도센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
- 제 1 항에 있어서 광환경 검출부와 주 제어부 사이의 데이터 교환과 조명 제 어부와 주 제어부 사이의 데이터 교환은 각각의 부문에 무선데이터 통신 모듈을 탑재하여 무선데이터 통신을 이용하는 것으로 변경 가능한 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
- 제 1 항에 있어서 표본 데이터 입력부는 키패드, 버튼/스위치 모음, 터치스크린, 키보드, 마우스 등의 보편적인 일반 입력장치를 이용하여 입력하는 입력방식과;XML, MDB, Text, Xls(엑셀) 등의 데이터를 저장하는 기능을 가진 일정한 포맷을 지닌 파일을 이용하여 입력하는 입력방식과;LAN, WIFI, BlueTooth, Zigbee, RS-232, IrDA의 방법으로 데이터를 주고 받는 입력방식을 가지는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
- 제 1 항에 있어서 표본 데이터 저장부는 제공할 광환경의 기준이 되는 기본정보와 작물의 특성이나 재배상황에 따라 유동적인-적용하거나 하지 않을 수 있는- 부가정보로 나뉘어 업데이트 가능한 데이터베이스형태의 구조로 저장되게 되는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
- 제 1 항에 있어서 검출 광환경 데이터 저장부는 검출된 광환경 데이터를 일정한 양식으로 누적 저장하여 조회, 추출, 삭제, 수정이 가능한 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경 제어 시스템
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| KR1020080050186A KR20090124155A (ko) | 2008-05-29 | 2008-05-29 | 발광다이오드를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경제어 시스템 |
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2008
- 2008-05-29 KR KR1020080050186A patent/KR20090124155A/ko not_active Application Discontinuation
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