ProjetoIntegrador 2N1 PeraMarmelo Univesp

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DANIEL RONCAGLIA CORREIA DOS SANTOS
LEOPOLDO CESAR DE SOUZA
JERRY NASCIMENTO CARLOS JUNIOR
RAFAEL DE OLIVEIRA MORAES
PAULO ALBERTO DE MESQUITA
APLICATIVO PARA ACIONAMENTO DE RELÉ ELÉTRICO COM USO 
DA PLACA NODEMCU ESP8266 E DE BROKER MQTT
Universidade Virtual do Estado de São Paulo
2017
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DANIEL RONCAGLIA CORREIA DOS SANTOS
LEOPOLDO CESAR DE SOUZA
JERRY NASCIMENTO CARLOS JUNIOR
RAFAEL DE OLIVEIRA MORAES
PAULO ALBERTO DE MESQUITA
APLICATIVO PARA ACIONAMENTO DE RELÉ ELÉTRICO COM USO 
DA PLACA NODEMCU ESP8266 E DO BROKER MQTT
Relatório parcial de pesquisa apresentada 
à coordenação do curso de Engenharia 
da Universidade Virtual do Estado de São Paulo,
como requisito da disciplina Projeto Integrador 
para Engenharia da Computação III-A
Tutor: Marcos Paulo Lobo de Candia
Universidade Virtual do Estado de São Paulo
2017
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RESUMO
O projeto presente nesse relatório trabalha com o conceito de Internet das Coisas
(Internet of Things – IoT) . Trata-se de um protótipo formado por módulo NodeMCU
ESP8266, um módulo relé 5V-220V e equipamentos elétricos. A ideia é um aplicativo
para celular para acionamento remoto do relé comandado por um banco de dados
do tipo broker MQTT. Ele serve para a automação elétrico de sistemas elétricos
domésticos e empresariais.
Palavras-chave: Internet das Coisas. Engenharia. Computação.
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Protótipo desmontando da Tomada Wireless NodeMCU ESP8266…....…5
Figura 2 – Tendência das buscas pelo termo “Internet of Things” (2010-2017)...…....7
Figura 3 – Mapa conceitual da educação maker…..……………………...…………....11
Figura 4 – Tomada Wireless NodeMCU ESP8266……………………………………..12
Figura 5 – Gráfico em pizza sobre aplicativos……………………………………...…...13
Figura 6 – Gráfico em pizza sobre a Internet das Coisas….……...…….…………….13
Figura 7 – Gráfico em barra sobre as placas prototipagem eletrônica……………….14
Figura 8 – Gráfico em barra sobre os programas de controle residencial…………...14
Figura 9 – Gráfico em pizza sobre as casas “automatizadas”………………………...14
Figura 10 – Gráfico em barra sobre o controle remoto………………….…...………...15
Figura 11 – NodeMCU ESP8266 Wi-Fi Lolin 5V…………………………...…………...15
Figura 12 - Pinagem do NodeMCU apresentada no Developer Kit…………………..16
Figura 13 – Protótipo Tomada Wireless NodeMCU ESP8266………………………...17
Figura 14 – Reprodução do sitedanielroncaglia.wixsite.com/tomadawireless…..…..18
Figura 15 – Reprodução da página publicada através do código………….….……...18
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO………………………………………………………….………………….5
1.1 Definição…………………………………………………………….……………………6
1.2 Motivação………………………………………………………….……………………..7
1.3 Justificativa………………...…………………………………….……..……………..…8
2 PROBLEMA E OBJETIVOS..…………………………………..………..……………….8
2.1 Objetivo geral………………..………………………………..….……..……………….8
2.2 Objetivos específicos……………………………..……….….………..……………….8
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA……………………………….………….……………...9
3.1 Design Thinking ……………………………………….……………………………….10
3.2 Movimento Maker………………………………………………...…………………....10
3.3 Aprendizagem baseada em problemas e por projetos ( PPBL).........…...............11
4 MATERIAIS E MÉTODOS…………………………..……...…….……..……..……….12
4.1 Métodos..……......………..………………………..…………….……....…………….12
4.2 Materiais …………………..………………………..…………….……....…………....16
5 PROTÓTIPO……………………………………..…..……...…….……..……..……….17
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS….…….……….………..………….…………….20
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1 INTRODUÇÃO
A Internet das Coisas é um dos temas mais debatidos pela ciência da computação
atualmente, sendo um dos campos mais promissores. A questão se encaixa no tema
proposto pela Univesp para este Projeto Integrador: “A aplicação para Smartphone
com Acesso a Banco de Dados na Nuvem”. O trabalho parte de protótipo
desenvolvido nos bimestres 11 e 12 do curso: a chamada Tomada Wireless
NodeMCU ESP8266, apresentada abaixo. 
A partir da fundamentação teórica, foi desenvolvido o protótipo através das
metodologias Design Thinking, Movimeno Maker e Aprendizagem baseada em
problemas e por projetos (PPBL). Este texto mostra ainda como esses métodos
foram aplicados e os materiais e processos usados no protótipo. 
Figura 1 - Protótipo desmontado Tomada Wireless NodeMCU ESP8266
Fonte: autores
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1.1 Definição
A popularização de dispositivos eletrônicos conectados, de modo sem fio, à redes de
computadores para troca de dados digitais deve mudar como a computação é vista
hoje. Haverá a conectividade em rede de eletrônicos comuns (como tomadas,
interruptores, sensores, máquinas) para que possam ser controlados remotamente e
para quem transmitam informações.
O cientista Mark Weiser criou o termo computação ubíqua em 1988, apresentando
como tese a ideia de que as mais profundas tecnologias são aquelas que
“desaparecem”. Usando como exemplo o caso da escrita, Weiser entende que essas
tecnologias se tornam indistinguíveis da nossa vida comum. Para ele, a computação
caminha para sentido ao que chama de ubíqua (WEISER, 1991).
O conceito de Internet das Coisas tem como tecnologia associada o RFID (Radio
Frequency Identification), surgida durante a Segunda Guerra. O professor e
engenheiro Sérgio Oliveira, no livro “Internet das Coisas com ESP8266, Arduino e
Raspberry Pi”, destaca que os microcontroladores de baixo custo existem desde os
1970. “Tecnologias como ESP8266 representam um grande avanço na relação de
preço-recursos e podem ser um componente muito interessante para soluções de
IoT” (OLIVEIRA, 2017).
O texto mais citado nos artigos acadêmicos sobre o tema é “Internet of Things (IoT):
A Vision, Architectural Elements, and Future Directions”. Segundo os autores, o
sensoriamento ubíquo é possível por causa de tecnologias sem fio. s tecnologias
oferecem “capacidade de medir, inferir e entender indicadores ambientais, desde os
dedicados à ecologia e aos recursos naturais àqueles para os ambientes urbanos. A
proliferação destes dispositivos em uma rede de comunicação ativa cria a Internet
das Coisas (IoT)”. Os autores entendem que depois da www das páginas estáticas e
da web2 das redes sociais, a demanda por consultas de dados aumenta
significativamente com a web3 da computação ubíqua (GUBBI, BUYYA, MARUSIC,
PALANISWAMIA, 2013).
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1.2 Motivação
Estimativa do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações prevê
que os produtos e serviços gerados pela Internet das Coisas devem aportar, no
mínimo, US$ 50 bilhões à economia brasileira, até 2025. O número faz parte de
estudo lançado em setembro chamado de “Internet das Coisas: um plano de ação
para o Brasil”. Segundo a Agência Brasil, o Plano Nacional de Internet das Coisas
deverá ser lançado em breve pelo governo federal. O estudo trata de dez ambientes
de implantação de IoT, como fábricas, cidades, domicílios, dispositivos vestíveis,
varejo, locais de trabalho, veículos e escritórios. 
A previsão para o ano de 2017 é que 8,4 bilhões de “coisas” estejam conectadas
representando um aumento de 31% em relação ao ano passado, destaca pesquisa
feita pela empresa Gartner, divulgada em fevereiro (MIDDLETON, 2017). 
O interesse pelo tema pode ser verificado pela própria internet através das buscas
feitas pelas pessoas. De acordo com o aplicativo Google Trends apresentado na
figura 1, a tendência desde 2013 é por aumento expressivo pela busca do “Internet
of Things”.
Figura 2 - Tendência das buscas pelo termo “Internet of Things” (2010-2017)
Fonte: Google Trends
A métrica mostra pontuação passando da média dos 10 pontos para a dos 70. O
Google explica que “números representam o interesse de pesquisa relativo ao ponto
mais alto no gráfico de uma determinada região emum dado período. Um valor de
100 é o pico de popularidade de um termo. Um valor de 50 significa que o termo
teve metade da popularidade. Da mesma forma, uma pontuação de 0 significa que o
termo teve menos de 1% da popularidade que o pico”.
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1.3 Justificativa
A proposta se encaixam nos quatro aspectos que devem ser considerados para o
projeto. Sobre a desejabilidade, sua aplicação atende necessidade real no quesito
de automação domiciliar ou empresarial. No contexto da viabilidade, o projeto
necessita de poucos recursos de baixo custo. A praticabilidade se dá pela fácil
localização das ferramentas. A interdisciplinaridade se apresenta pela necessidade
de se trabalhar com conceitos de lógica da programação, linguagem de
computadores, circuitos elétricos, eletrônica, elétrica, automação,
empreendedorismo. A aplicação da atividade através da ferramenta irá utilizar da
metodologia do movimento “criador” (maker) e ações que reforcem o “aprender
fazendo” (learn by doing). 
2 PROBLEMA E OBJETIVOS
Pesquisa com 130 respostas mostra que 70% dos entrevistados acreditam na
Internet das Coisas. No entanto, 43% avalia que não precisa de uma “casa
automatizada”. Segundo a pesquisa, 93% já apagaram um aplicativo.
2.1 Objetivo geral
O objetivo é desenvolver um protótipo de ferramenta de acionamento de relé elétrico
com o uso da placa NodeMCU comandada por aplicativo de celular com o uso do
broker MQTT.
2.2 Os objetivos específicos.
Os objetivos específicos deste trabalho são descritos a seguir.
- Trabalhar com programação de computadores;
- Desenvolver equipamento de acionamento elétrico;
- Debater o rumo da computação;
- Trabalhar pelo método do movimento “criador” (maker);
- Criar sistema com distribuição em “código aberto” (open source).
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3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Verifica-se um intenso debate sobre o tema com a publicação de livros, a
apresentação de teses e a formatação de cursos em diversas escolas pelo mundo.
O projeto, porém, parte de um vídeo de YouTube. A referência é um canal
“Infotrônica para Zumbis”, do especialista Marco Rabelo
(https://www.youtube.com/watch?v=oX4ttJEULmA&t=181s). Ele ensina como “fazer
um interruptor wifi para controlar uma lâmpada, usando ESP8266, MQTT e
WiFiManager. Também aprenda a controlar a lâmpada por qualquer smartphone que
use um cliente MQTT”.
As disciplinas oferecidas durante o curso de engenharia da Univesp também
auxiliaram no desenvolvimento do projeto.
São as matérias motivadoras: Circuitos Elétricos (grandezas elétricas; análise de
redes resistivas; potência e energia; técnicas de redução e simplificação de redes;
simuladores de circuitos), Eletrônica Aplicada (dispositivos semicondutores;
circuitos com amplificadores operacionais; conversão de dados; sensores;
atuadores), Circuitos Lógicos (conceitos lógicos; aritmética binária; síntese de
circuitos; projeto de circuitos), Organização de Computadores (representação de
informação na memória; estudo do conjunto de instruções de processadores;
desenvolvimento; implementação e testes de programas usando linguagens e
montagem), Fundamentos Matemáticos da Computação (lógica para
computação), Eletrônica Digital (conceitos fundamentais de circuitos digitais;
circuitos de temporização e pulsos; conversor A/D e D/A; dispositivos lógicos
programáveis), Projeto Digital (familiarização e utilização de Sistema CAD; fases de
um projeto apresentadas através de casos reais; elaboração de projeto até a fase de
simulação do circuito; discussão dos resultados e análise dos problemas
encontrados).
Como o protótipo envolve software podem ser citadas como disciplinas relacionadas
Informática, Programação de computadores, Sistemas de informação, Estrutura de
dados, Bancos de dados, Sistemas operacionais. São disciplinas relacionadas a
hardware: Instalações elétricas, Resistência dos materiais, Circuitos elétricos,
Microeletrônica;
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3.1 Design Thinking
O Design Thinking é uma metodologia para resolução de problemas que tem as
pessoas como centro do desenvolvimento do projeto (IDEO, 2009). Criado e
desenvolvido a partir dos anos 1960, o método é usado nos meios acadêmicos e
empresariais para diversos tipos de projetos. Tem a característica de ser cíclico com
as etapas ouvir, criar e implementar.
Ouvir: É o momento de aproximação dos interessados para compreender suas
necessidades. Pode ser aplicado de diversas formas como visitas, entrevistas,
pesquisas. Para este projeto, a etapa inicial foi realizada por questionário online.
Criar: Os dados coletados são analisados de forma a se criar padrões e definir
oportunidades. Podem ser usadas ferramentas do tipo mapa conceitual, cartões
insights, diagramas de afinidades ou critérios norteadores, e sessão de
brainstorming (tempestade de ideias). 
Implementar: As ideias abstratas precisam ser validadas e, para isso, necessitam e
ganhar forma material. Nesta fase, essas são transformadas em aplicações
concretas. A implementação tem o objetivo de identificar quais são as capacidades
necessárias para a realização do projeto. Realiza-se um projeto piloto para que
consequentemente se garanta soluções eficazes e permita um processo contínuo de
aprendizado e desenvolvimento.
3.2 Movimento Maker
O Movimento Criador (Maker) é uma evolução do faça-você-mesmo (Do-It-Yourself –
DIY). Os dois possuem a característica de imaginar que qualquer pessoa pode
desenvolver novos dispositivos. O surgimento de equipamentos de fabricação digital
em código aberto aponta uma nova tendência para o Movimento Maker, destaca
artigo “The influence of the maker movement on engineering and technology
education”, assinado por equipe de especialistas chineses da Sichuan Open
University (TAN, YANG, YU, 2016). O natural relacionamento do movimento com a
engenharia e a tecnologia chamaram a atenção de educadores, explicam. O artigo
apresenta uma série de casos de aplicação em cursos de engenharia.
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Figura 3 - Mapa conceitual da educação maker
Fonte: TAN, YANG, YU, 2016
3.3 Aprendizagem baseada em problemas e por projetos (PPBL)
Este método de aprendizagem, do inglês Project and Problem Based Learning
(PPBL), aposta na construção de conhecimento na busca da resolução de um
desafio complexo. O processo envolve pesquisa, elaboração de hipóteses, busca
por recursos e aplicação prática para se chegar a resolução ou um produto final. A
aprendizagem baseada em projeto trabalha com a transdisciplinaridade, autonomia,
criatividade e comunicação interpessoal. Na metodologia PPBL, o foco central é o
aprendizado do aluno, o qual é exposto a diferentes problemas motivadores, que o
fazem procurar formas diferentes para solucioná-los, com isso é trabalhado o
aprendizado cognitivo sobre o tema proposto (Berbel, 1998).
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4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Métodos
O projeto utiliza em seu desenvolvimento os três métodos descritos acima. Ele parte
de protótipo desenvolvido pelo grupo no semestre anterior: a Tomada Wireless
NodeMCU ESP8266. Com base no Design Thinking, o primeiro ciclo nos meses de
março e abril e o segundo em maio e junho. A primeira fase foi ouvir os alunos
através de questionário respondido por 144 pessoas.Os números deram
sustentação para o momento de criação, segunda fase da metodologia.
Foram escolhidos os materiais e em seguida o projeto foi implantado utilizando-se o
módulo Arduino, o módulo relé 220V-5V e outros materiais elétricos. No segundo
ciclo, o protótipofoi apresentado de forma informal a estudantes e a interessados
que fizeram perguntas e propuseram modificações.
O terceiro ciclo se inicia em agosto com mudança no foco produto. Foi feita uma
pesquisa com 130 respostas. O primeiro protótipo usava apenas conexão Wi-Fi
sendo possível ser acessado apenas localmente. A ideia agora é fazer um aplicativo
com banco de dados que fica em computação em nuvem, o chamado CloudMQTT.
Figura 4 – Tomada Wireless NodeMCU ESP8266
Fonte: Autores
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A pesquisa “Os aplicativos ‘smarts’ são realmente espertos?” foi divulgado pelo
Formulários Google e recebeu 130 respostas.
Figura 5 - Gráfico em pizza sobre aplicativos
Fonte: Gráficos feitos pelos autores através do Formulários Google 
Figura 6 - Gráfico em pizza sobre a Internet das Coisas
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Figura 7 – Gráfico em barra sobre as placas prototipagem eletrônica
Figura 8 – Gráfico em pizza sobre os programas de controle residencial
Figura 9 – Gráfico em pizza sobre as casas “automatizadas”
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Figura 10 – Gráfico em barra sobre o controle remoto
4.2 Materiais
O protótipo é formado por 15 itens elétricos e eletrônicos. A parte principal é o
módulo NodeMCU, plataforma open source de Internet das Coisas. Ele é feito a
partir do módulo ESP8266, lançado em 2013 pela a empresa chinesa Espressif. Em
outubro de 2014, o desenvolvedor Huang R publica o primeiro arquivo do nodemcu-
firmware no GitHub. O diferencial do ESP8266 é ter uma conexão Wi-Fi com
protocolo TCP/IP integrado. Outros atrativos são o fato de ser de baixo custo, sendo
a maioria de seus fabricantes localizados na China, e de tamanho reduzido. O
ESP8266 é capaz de hospedar uma aplicação firmware e disponibilizar as
configurações a outros microcontroladores. 
Figura 11 - NodeMCU ESP8266 Wi-Fi Lolin 5V
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Figura 12 - Pinagem do NodeMCU apresentada no Developer Kit
Fonte: NodeMCU
O microcontrolador ESP8266 possui 2 pinos GPIOs (General Purpose Input/Output -
Entrada e saída de uso geral), que se trata do conjunto de portas programáveis que
fazem a comunicação de entrada e saída de sinais digitais. No NodeMCU, são 11
pinos GPIOs. O GND (Graduated Neutral Density Filter) é o pino de sinal terra, RX e
TX são respectivamente os pinos digitais de comunicação serial 0 e 1, RST é o pino
de Reset. O NodeMCU pode alimentar módulos em 5V e 3,3V. O módulo é
encontrado em valores entre R$ 20 a 30. A placa dispõe ainda de suporte às redes
802.11 B/G/N, alcance aproximado de 100 metros com até 5 conexões simultâneas.
Como a ferramenta envolve o conceito de Internet das Coisas, optou-se por se
trabalhar com o acionamento de relé elétrico de 220V. Como parte do protótipo,
estão incluídos materiais elétricos simples como caixa interruptor, cabos elétricos de
10mm, carregador USB 5V, cabo USB mini, jumpers fêmea-fêmea.
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5 PROTÓTIPO
5.1 Tomada Wireless NodeMCU ESP8266
O protótipo é um conjunto de 15 peças que chegam de forma desmontada. A
imagem abaixo mostra como os elementos são dispostos dentro da caixa.
Figura 13 - Protótipo Tomada Wireless NodeMCU ESP8266
Fonte: Autores
O protótipo tem seu site, na qual é explicado como ele funciona.:
https://danielroncaglia.wixsite.com/tomadawireless.
A publicação desenvolvida como parte do projeto está em formato blog a
apresentada o vídeo explicativo de como se monta o dispositivo. Também é
disponibilizado o código do programa.
A intenção agora no quarto ciclo do projeto é desenvolver o aplicativo. Atualmente
ele ainda não funciona de forma remota.
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Figura 14: Reprodução do site https://danielroncaglia.wixsite.com/tomadawireless
Fonte: Autores
Figura 15: Reprodução da página publicada através do código
Fonte: Autores
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8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BERBEL, N. N. “Problematization” and Problem-Based Learning: different words or
different ways? Interface - Comunicação, Saúde, Educação, v.2, n.2, 1998.
MARTINS, H. Governo espera que internet das coisas aporte US$ 50 bi na
economia. Agência Brasil, 20 de setembro de 2017
<http://agenciabrasil.ebc.com.br/pesquisa-e-inovacao/noticia/2017-09/governo-
espera-que-internet-das-coisas-aporte-us-50-bi-na>
GUBBI, J., BUYYA, R., MARUSIC, S., PALANISWAMIA, M. Internet of Things (IoT):
A Vision, Architectural Elements, and Future Directions. The University of Melbourne,
2013. <http://www.buyya.com/papers/Internet-of-Things-Vision-Future2013.pdf>.
IDEO. HCD - Human Centered Design. Kit de ferramentas. Palo Alto. Ideo, 2009.
Disponivel em: <http://www.designkit.org/resources/1> Acesso em 14 Jun. 2017.
MIDDLETON, P. Gartner Says 8.4 Billion Connected "Things" Will Be in Use in 2017,
Up 31 Percent From 2016. <http://www.gartner.com/newsroom/id/3598917> Acesso
em 07/02/2017.
OLIVEIRA, S. Internet das Coisas com ESP8266, Arduino e Raspberry Pi. São
Paulo, Novatec, 2017.
RIBEIRO, L. R. C. A Aprendizagem Baseada em Problemas (PBL): uma Implantação
na Educação em Engenharia na Voz dos Atores. Tese de Doutorado. Universidade
Federal de São Carlos.2005. 
RODRIGUES, A. M. P.; CÂMARA, J. F.; NUNES, V. W. Movimento Maker: uma
proposta educacional inovadora. 2a ed. Rio de Janeiro: Revista do Seminário Mídias
& Educação do Colégio Pedro II. 2016. Disponível em
<http://www.cp2.g12.br/ojs/index.php/midiaseeducacao/article/view/942> Acesso em
18/06/2017.
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SOUZA, A. M. C. Uma nova arquitetura para Internet das Coisas com análise e
reconhecimento de padrões e processamento com Big Data. Tese de Doutorado,
Universidade de São Paulo, 2015.
TAN, M., YANG, Y., YU, P. The influence of the maker movement on engineering and
technology education, World Transactions on Engineering and Technology
Education. Sichuan Open University, China, 2016.
WEISER, M. The computer for the 21st century. Sigmobile Mob. Comput, New York,
1991.<https://www.ics.uci.edu/~corps/phaseii/Weiser-Computer21stCentury-
SciAm.pdf> Acesso em 02/07/2017.
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