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描述
什么是安全工作區(qū)
安全工作區(qū)旨在創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),其中一堆AWS IoT EduKit將共享一個(gè)通用接口。該接口將由 BLE(Bluetooth LOW ENERGY) UART 協(xié)議創(chuàng)建。這些設(shè)備可以一次在它們之間共享一個(gè)消息。
當(dāng)一個(gè)設(shè)備(Sender)想要發(fā)送消息時(shí),它會(huì)與其他設(shè)備(Recipient)連接并收集它的GATT屬性。這些屬性是由接收設(shè)備提供的服務(wù)和特性。收集這些屬性后,發(fā)送方設(shè)備可以在該接口上讀取/寫(xiě)入數(shù)據(jù),接收方設(shè)備將監(jiān)聽(tīng)這些數(shù)據(jù)。
一個(gè) android 應(yīng)用程序將作為管理設(shè)備也與該界面相關(guān)聯(lián)。如果任何設(shè)備想要向管理應(yīng)用程序發(fā)送消息,它也是可能的。
為什么選擇安全工作區(qū)
近來(lái),自然災(zāi)害的加劇已成為大多數(shù)國(guó)家的可怕局面。這些自然災(zāi)害包括地震、暴雨造成的山體滑坡、海嘯對(duì)人口地區(qū)造成巨大損失,尤其是附近有工作場(chǎng)所的情況下。此外,我們不能否認(rèn)與這些事件有關(guān)的死亡對(duì)社會(huì)造成沉重打擊的事實(shí)。
有時(shí)辦公室和工作場(chǎng)所不承認(rèn)情況的嚴(yán)重性。即使是天氣預(yù)報(bào)也無(wú)法預(yù)測(cè)影響的確切時(shí)間和情況的嚴(yán)重程度。以下是地震造成可怕情況的一些案例。6.4級(jí)地震使建筑物倒塌| 來(lái)源。以及因大地震而導(dǎo)致14人死亡的倒塌建筑| 來(lái)源。
在大多數(shù)情況下,被困在倒塌建筑物瓦礫下的人可以存活一段時(shí)間,但他們無(wú)法通知外面的人或他們的代表當(dāng)局他們的存在。雖然救援隊(duì)及時(shí)趕到并盡了最大努力,但問(wèn)題是,他們不知道去哪里尋找還活著的人。結(jié)果,那些僅僅幸存下來(lái)的人無(wú)法從倒塌的建筑物中活著逃脫。
即使不僅是辦公室或工作場(chǎng)所,在 Covid-19 期間,許多員工也不得不在家工作。但它也不安全,因?yàn)楫?dāng)任何自然災(zāi)害來(lái)襲時(shí),住宅區(qū)或住宅區(qū)可能會(huì)受到影響。
此外,人為的有缺陷的建筑物和結(jié)構(gòu)故障、建筑物著火而找不到逃生門(mén)的問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致與地震或任何自然災(zāi)害相同的麻煩。拉納廣場(chǎng)事件造成1134人死亡,數(shù)千人受傷| 來(lái)源。過(guò)去十年以來(lái),采礦作業(yè)中發(fā)生的事故也奪走了很多人的生命| 來(lái)源。
這就是 Secure Workspace 發(fā)揮作用的地方。在物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代時(shí)代,藍(lán)牙/低功耗藍(lán)牙 (BLE) 等高級(jí)連接選項(xiàng)使通信選項(xiàng)變得簡(jiǎn)單可靠。小型集成設(shè)備,例如:AWS IoT EduKit具有 IoT 云訪問(wèn)和 BLE UART 通信協(xié)議。因此,可以構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)并將消息從一個(gè)設(shè)備傳遞或接收到另一個(gè)設(shè)備。
每當(dāng)有人陷入不穩(wěn)定的情況或遇到問(wèn)題時(shí),他/她可以通過(guò)向最近的與 BLE 連接的AWS IoT EduKit設(shè)備發(fā)送 SOS 消息來(lái)通知。此外,還將有一個(gè)管理員 android 應(yīng)用程序,它可以搜索活動(dòng)設(shè)備并與之連接并監(jiān)聽(tīng)響應(yīng)。
安全工作區(qū)的特點(diǎn)
- 個(gè)性化注冊(cè):注冊(cè)過(guò)程包括提供姓名、密碼和信息。
- 每個(gè)用戶一臺(tái)設(shè)備:Secure Workspace 旨在在工作場(chǎng)所建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò),每個(gè)員工都有一個(gè)AWS IoT EduKit,他/她可以在緊急情況下發(fā)送 SOS 消息。為此,必須為每個(gè)用戶提供經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的登錄名和用戶配置文件。
- 管理應(yīng)用程序和主動(dòng)搜索:用戶有權(quán)將 SOS 消息直接發(fā)送到管理應(yīng)用程序。此外,在發(fā)生災(zāi)難或威脅事件后,管理員可以搜索活動(dòng)設(shè)備并與之連接。
- 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接:一個(gè)設(shè)備可以使用與管理應(yīng)用程序相同的 BLE UART 協(xié)議向另一臺(tái)設(shè)備發(fā)送消息。
用于安全工作區(qū)的技術(shù)堆棧
- AWS IoT Core:AWS IoT Core 用于偵聽(tīng)來(lái)自設(shè)備的 MQTT 消息并采取相應(yīng)措施。
- AWS DynamoDB:AWS DynamoDB 用于存儲(chǔ)用戶配置文件,例如名稱(chēng)、密碼和消息。
- AWS Lambda函數(shù):AWS Lambda 函數(shù)用作與 AWS IoT Core 事件綁定的無(wú)服務(wù)器計(jì)算機(jī)。當(dāng) MQTT 消息到達(dá)時(shí),我們可以通過(guò) lambda 函數(shù)觸發(fā)一些事件,例如:從 DynamoDB 獲取數(shù)據(jù)并發(fā)送到設(shè)備。
- BLE UART:通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 是最流行的協(xié)議,用于通過(guò)串行端口與計(jì)算機(jī)設(shè)備通信。我們將使用的是 BLE over UART 協(xié)議。集成和偵聽(tīng)數(shù)據(jù)更改或通過(guò)端口寫(xiě)入數(shù)據(jù)很容易。
在繼續(xù)之前閱讀
- AWS 賬戶:本項(xiàng)目教程強(qiáng)烈建議擁有一個(gè) AWS 賬戶。我們可以在老師的幫助下使用 AWS Educate 帳戶。或者,我們可以使用 gmail 地址創(chuàng)建自己的地址,就像我使用 rahulmohoto.icpc@gmail.com 創(chuàng)建的一樣,然后啟動(dòng)AWS 免費(fèi)套餐包。該項(xiàng)目與 AWS 免費(fèi)套餐兼容。
- 設(shè)置角色和策略:在使用 AWS 服務(wù)之前,有必要知道我們正在使用它做什么。角色和策略需要根據(jù)我們的需要來(lái)設(shè)置。否則,把所有事情都做對(duì)不會(huì)得到我們想要的結(jié)果。
- 管理員應(yīng)用:通過(guò)“關(guān)于管理員應(yīng)用的一些注意事項(xiàng)”部分對(duì)應(yīng)用程序有一個(gè)簡(jiǎn)要的了解。
- 關(guān)于代碼:AWS IoT EduKit 和 Android 應(yīng)用程序的代碼可在附加的 GitHub 存儲(chǔ)庫(kù)中找到。
環(huán)境設(shè)置
在我們繼續(xù)之前,我們需要為AWS IoT EduKit設(shè)備設(shè)置環(huán)境。需要關(guān)注的一些關(guān)鍵點(diǎn):
- 該應(yīng)用程序使用 UIFlow MicroPython 固件 1.12 構(gòu)建。構(gòu)建版本 1.8.1。
- 對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目,我將使用Microsoft Visual Studio Code作為我的代碼編輯器。軟件下載鏈接。
- 我們必須為Microsoft Visual Studio Code 安裝一個(gè)插件,它的名稱(chēng)是vscode-m5stack-mpy。按照此鏈接獲取該插件。
- 我的環(huán)境設(shè)置如何 -
- 為了在AWS IoT EduKit設(shè)備中閃存和燒錄固件,使用了另一個(gè)名為M5 Burner的軟件。按照此鏈接獲取該軟件。
- 要了解有關(guān) UIFlow 和 MicroPython 庫(kù)的更多信息,請(qǐng)參閱它們的官方文檔。按照這個(gè)鏈接將直接到他們的官方文件。
安全工作區(qū)如何工作
為了便于理解,我們可以將系統(tǒng)分為兩部分。
- 如果我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在用戶數(shù)據(jù) ->注冊(cè)過(guò)程(第 1.1 節(jié))
- 如果我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中存在用戶數(shù)據(jù) -> Dashboard Operations(Section:1.2)
1.1 未找到用戶數(shù)據(jù)時(shí)的注冊(cè)流程
注冊(cè)背后發(fā)生了什么:
- 第 1.1.1 節(jié):檢查現(xiàn)有用戶數(shù)據(jù)
- 第 1.1.2 節(jié):在完成鍵盤(pán)輸入姓名、密碼和消息后進(jìn)行注冊(cè)
1.1.1 如何檢查用戶數(shù)據(jù)是否存在于 DynamoDB
要檢查 DynamoDB 上是否存在用戶數(shù)據(jù),我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)可以調(diào)用觸發(fā)器的事件。作為回報(bào),我們將獲得來(lái)自 DynamoDB 的記錄。對(duì)于我們需要執(zhí)行的任務(wù),沒(méi)有可用的操作,例如:在“AWS IoT Core 規(guī)則”部分從 DynamoDB 獲取數(shù)據(jù)。
為此,我們可以做的是創(chuàng)建一個(gè)AWS Lambda 函數(shù)。 Lambda 函數(shù)用作無(wú)服務(wù)器計(jì)算機(jī),它可以在觸發(fā)某種事件時(shí)執(zhí)行任務(wù)。對(duì)于我們的案例,我們將使用格式化的 MQTT 消息來(lái)觸發(fā)事件。在輸出中,我們還將獲得一個(gè) MQTT 響應(yīng),但加載了我們想要從 DynamoDB 獲得的記錄的 JSON 數(shù)據(jù)。
讓我們關(guān)注列出的 lambda 函數(shù)中的“SendMQTTtoCORE2AWS”函數(shù)。
# SendMQTTtoCORE2AWS Lambda Function
# Python 3.8
...
# TODO implement
client = boto3.resource("dynamodb")
table = client.Table("Save_User_Data")
data = table.scan()["Items"]
client = boto3.client('iot-data', region_name='us-west-2', endpoint_url='https://a25wmxf9jzsaoa-ats.iot.us-west-2.amazonaws.com')
# Change topic, qos and payload
response = client.publish(
topic='env/core',
qos=0,
payload=json.dumps(data[0]["User_Data"])
)
...
不僅是一個(gè) lambda 函數(shù),我們還需要一個(gè)IoT 規(guī)則,它可以作為觸發(fā)器來(lái)調(diào)用該函數(shù)。這是我的 IoT 規(guī)則“Fetch_Data”來(lái)調(diào)用“ SendMQTTtoCORE2AWS” lambda 函數(shù)。
“Fetch_Data”規(guī)則是什么:
- 關(guān)于規(guī)則:該規(guī)則的作用是調(diào)用 lambda 函數(shù)“SendMQTTtoCORE2AWS”,從 DynamoDB 中獲取數(shù)據(jù)并作為 MQTT 消息發(fā)送到設(shè)備。
- 事件觸發(fā):
SELECT Tag FROM 'env/msg' WHERE Tag = "Fetch_Data"
- 行動(dòng):調(diào)用 lambda 函數(shù)。
AWS IoT EduKit發(fā)生了什么:
# UiFlow MicroPython 1.12 Firmware
# .. Dictionary["Tag"]="Fetch_Data" this is must otherwise, SQL query won't match
...
aws = AWS(things_name='AWS_CORE2', host='a25wmxf9jzsaoa-ats.iot.us-west-2.amazonaws.com', port=8883, keepalive=60, cert_file_path="/flash/res/certificate.pem.crt", private_key_path="/flash/res/private.pem.key")
aws.start()
aws.publish(str('env/msg'),str((json.dumps((Dictionary)))))
...
**請(qǐng)參閱此處了解如何設(shè)置 DynamoDB 表和存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)
**請(qǐng)參閱此處了解如何使用 python 創(chuàng)建 Lambda 函數(shù)
**請(qǐng)參閱此處了解如何在 AWS 上發(fā)布和訂閱 MQTT
這樣,我們可以從 dynamoDB 獲取數(shù)據(jù)并將其作為 MQTT 消息發(fā)送到AWS IoT EduKit。
搜索現(xiàn)有數(shù)據(jù)并在設(shè)備部分獲取結(jié)果已完成。現(xiàn)在,我們可以進(jìn)入下一部分,即將數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù),我們剛剛通過(guò)鍵盤(pán)提供。
1.1.2 當(dāng)我們完成姓名、密碼和留言的數(shù)據(jù)輸入時(shí)
在我們完成名稱(chēng)、消息和密碼的輸入后,將使用該名稱(chēng)、消息和密碼創(chuàng)建一個(gè)字典[一個(gè)保存鍵和值對(duì)的 python 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)]。
# Uiflow MicroPython 1.12 Firmware
...
DictionaryOfSendingInfo={"Name_Data":listOfInputs[0],"Password":listOfInputs[1],"Message":listOfInputs[2],"Tag":"Send_Data"}
...
稍后,字典被發(fā)送到 AWS DynamoDB 并作為記錄存儲(chǔ)在表下Save_User_Data.
但是,要在 DynamoDB 上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)這樣的操作,必須觸發(fā)一些事件。因此,我們需要在AWS IoT Core 中為此制定規(guī)則。
這些是我的物聯(lián)網(wǎng)規(guī)則。目前,我們只關(guān)注“Save_Data”規(guī)則。
什么是“Save_Data”規(guī)則:
- 關(guān)于規(guī)則:此規(guī)則的功能是在 DynamoDB 上插入設(shè)備數(shù)據(jù)(MQTT 消息),從AWS IoT EduKit 發(fā)送。
- 事件觸發(fā):
SELECT Name_Data, Password, Message, Tag FROM 'env/msg' WHERE Tag = "Send_Data"
- 行動(dòng):在 DynamoDB 表中插入一條消息。
**請(qǐng)參閱此處了解如何設(shè)置 DynamoDB 表和存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)
AWS IoT EduKit發(fā)生了什么:
# UiFlow MicroPython 1.12 Firmware
# .. Dictionary["Tag"]="Send_Data" this is must otherwise, SQL query won't match
...
aws = AWS(things_name='AWS_CORE2', host='a25wmxf9jzsaoa-ats.iot.us-west-2.amazonaws.com', port=8883, keepalive=60, cert_file_path="/flash/res/certificate.pem.crt", private_key_path="/flash/res/private.pem.key")
aws.start()
aws.publish(str('env/msg'),str((json.dumps((Dictionary)))))
...
這樣,字典數(shù)據(jù)(名稱(chēng)、密碼和消息)將作為 MQTT 消息(JSON 有效負(fù)載)傳輸并存儲(chǔ)在 DynamoDB 上。如果沒(méi)有找到現(xiàn)有數(shù)據(jù),這就是用戶注冊(cè)部分的全部?jī)?nèi)容。
**請(qǐng)參閱此處了解如何在 AWS 上發(fā)布和訂閱 MQTT
1.2 找到用戶數(shù)據(jù)時(shí)的儀表板操作
儀表板背后發(fā)生了什么
-
Profile view and edit button:
與之前一樣,使用“SendMQTTtoCORE2AWS” Lambda 函數(shù)從 AWS DynamoDB 獲取數(shù)據(jù)。如果按下配置文件視圖按鈕,則可以在“配置文件視圖頁(yè)面”上看到輸出。如有必要,我們可以從這里編輯注冊(cè)的數(shù)據(jù)。要編輯數(shù)據(jù),我們需要另一個(gè)事件,這與我們之前在 DynamoDB 中所做的插入操作不同。現(xiàn)在,我們將不得不創(chuàng)建另一個(gè)規(guī)則,可以編輯之前保存的數(shù)據(jù)。
為了達(dá)到我們的目的,我們將使用這個(gè) lambda 函數(shù)“EditFunctionDynamoDB”。
# EditFunctionDynamoDB Lambda Function
# Python 3.8
...
client = boto3.resource("dynamodb")
table = client.Table("Save_User_Data")
response = table.update_item(
Key={
'Record_Time': data[0]["Record_Time"],
},
UpdateExpression="set User_Data.Name_Data=:n, User_Data.Message=:m, User_Data.Password=:p, User_Data.Tag=:t",
ExpressionAttributeValues={
':n': event["Name_Data"]
':m': event["Message"],
':p': event["Password"],
':t': event["Tag"]
},
ReturnValues="UPDATED_NEW"
)
...
但要調(diào)用該函數(shù),必須有一條關(guān)于“AWS IoT Core”的規(guī)則。在這里,我們將使用“Edit_Data”規(guī)則。
什么是“Edit_Data”規(guī)則:
- 關(guān)于規(guī)則:此規(guī)則的功能將更新AWS DynamoDB 上的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。
- 事件觸發(fā):
SELECT Name_Data, Password, Message, Tag FROM 'env/msg' WHERE Tag = "Edit_Data"
- 行動(dòng):調(diào)用 lambda 函數(shù)“EditFunctionDynamoDB”。
有了這個(gè),我們可以更新之前保存在 AWS DynamoDB 上的記錄。現(xiàn)在,我們進(jìn)入下一節(jié)。
-
SOS button:
在緊急情況下,我們可以使用此按鈕將之前存儲(chǔ)的 SOS 消息直接發(fā)送到附近的設(shè)備。將使用BLE UART 進(jìn)行通信。
# UiFlow Micropython 1.12 Firmware
...
uart_ble = ble_uart.init(user_info["Name_Data"])
uart_ble.write(message)
...
等待??!
我們已經(jīng)到了可以向AWS IoT EduKit設(shè)備或管理應(yīng)用程序發(fā)送 SOS 消息的地步。所以,我們分成兩個(gè)部分。
- 發(fā)送到另一個(gè)AWS IoT EduKit設(shè)備(第 2.1 節(jié))
- 發(fā)送給管理員android 應(yīng)用程序(第 2.2 節(jié))
雖然,在這兩種情況下,通過(guò) BLE UART 發(fā)送消息是相同的,但接收設(shè)備不同。這就是為什么區(qū)分它們,將使我們更好地理解。
2.1 兩臺(tái) AWS IoT EduKit 設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信
來(lái)自發(fā)件人:
# Sample Code Snippet
# UiFlow Micropython 1.12 Firmware
# From Sender
from ble import ble_uart
...
uart_ble = ble_uart.init("Device 1")
uart_ble.write(message)
...
致收件人:
# Sample Code Snippet
# UiFlow Micropython 1.12 Firmware
# Receive data on recipient
from ble import ble_uart
label0 = M5Label('Received Data', x=133, y=99, color=0x000, font=FONT_MONT_14, parent=None)
...
def on_recv():
# global params
global label0
# Show the received text and make an alarm
speaker.playWAV("res/Alarm.wav")
label0.set_text(str(uart_ble.read()))
...
2.2 向管理應(yīng)用程序發(fā)送 SOS 消息
來(lái)自發(fā)件人:
# UiFlow Micropython 1.12 Firmware
# From Sender
from ble import ble_uart
...
uart_ble = ble_uart.init(user_info["Name_Data"])
uart_ble.write(message)
...
致收件人:
// Java 8 Android API - 23
// On recipient
...
if(Read.equals(characteristic.getUuid().toString()))
{
value = characteristic.getStringValue(0);
Log.w(TAG, "Value--> "+ value);
// receives data when GATT characteristics match with device service UUID
...
關(guān)于管理員申請(qǐng)的一些注意事項(xiàng)
- 在儀表板部分,我們可以添加設(shè)備以立即連接和監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)變化。
- 搜索后單擊可用設(shè)備列表中的特定設(shè)備,將彈出一個(gè)對(duì)話框。在那里可以看到兩個(gè)選項(xiàng)。選擇連接:立即連接設(shè)備。添加到收藏夾:這會(huì)將設(shè)備添加到收藏夾列表。所有這些數(shù)據(jù)都將存儲(chǔ)在Firebase 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
- 應(yīng)用程序如何與 FireBase 交互:
- 現(xiàn)在,我的AWS IoT EduKit設(shè)備的 GATT 特性 - “READ”已硬編碼在 android 項(xiàng)目中(我們需要為另一臺(tái)設(shè)備更改它)。因此,現(xiàn)在只能使用該特定設(shè)備讀取/接收消息。當(dāng)我們想通過(guò) BLE 與某個(gè)設(shè)備連接時(shí),我們必須知道該設(shè)備提供了哪些 GATT(通用屬性配置文件)服務(wù),以及確認(rèn)了哪些特征。由于現(xiàn)在這是硬編碼的,它將適用于一對(duì)一的連接,但對(duì)于多個(gè)設(shè)備,這種方法必須是動(dòng)態(tài)的。
視頻演示
在這里,重要的討論主題將是:
- “安全工作區(qū)”應(yīng)用程序如何在AWS IoT EduKit 上運(yùn)行。
- 管理應(yīng)用程序如何在 Android 設(shè)備上運(yùn)行。
- BLE over UART 協(xié)議如何建立通信并將消息從AWS IoT EduKit發(fā)送到 android 設(shè)備。
為什么我們?nèi)绱藢?zhuān)注于 BLE 連接
BLE,或者簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),低功耗藍(lán)牙連接提供了兩個(gè)設(shè)備之間的短距離通信協(xié)議。連接后,兩個(gè)設(shè)備都可以共享數(shù)據(jù)。它們中的任何一個(gè)都可以充當(dāng)發(fā)送者(服務(wù)器),而另一個(gè)可以充當(dāng)接收者(客戶端)。而且它不需要任何集中式服務(wù)器來(lái)相互連接。
直到兩個(gè)設(shè)備都有足夠的電池來(lái)打開(kāi)它們的 BLE 模塊,它們才能進(jìn)行通信。當(dāng)任何自然災(zāi)害發(fā)生時(shí),首先斷開(kāi)的是互聯(lián)網(wǎng)連接。出于這個(gè)原因,我們無(wú)法與他人交流并告知他們我們正在經(jīng)歷的絕境。但是有了BLE,就可以尋求幫助。
這就是為什么 BLE 是 Secure Workspace 的支柱。
未來(lái)的工作
目前,Secure Workspace已通過(guò)一對(duì)一設(shè)備(與另一臺(tái) AWS IoT EduKit設(shè)備或管理應(yīng)用程序)進(jìn)行測(cè)試和運(yùn)行,以傳輸 SOS 消息。但是,網(wǎng)絡(luò)范式中會(huì)有很多這樣的AWS IoT EduKit設(shè)備。所以,應(yīng)該有一些操作來(lái)知道哪一個(gè)要發(fā)送數(shù)據(jù)。
因此,構(gòu)建輪詢操作將是成功實(shí)施 Secure Workspace 的下一個(gè)任務(wù)。
結(jié)論
對(duì)于建筑基礎(chǔ)設(shè)施脆弱的第三世界國(guó)家來(lái)說(shuō),像安全工作空間這樣的項(xiàng)目非常需要,以應(yīng)對(duì)不斷增加的自然災(zāi)害/災(zāi)難,因?yàn)樗梢詫?duì)尋找幸存者產(chǎn)生良好的影響,并且當(dāng)這些災(zāi)難發(fā)生在工作場(chǎng)所或家。
試圖使項(xiàng)目文檔盡可能詳細(xì),并在每個(gè)部分之后附加有用的鏈接。希望能幫助到你 :)
?
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