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硕士学位论文 (专业学位) 姓 名: 杨凯(小) 学 号: 1121170257 所在院系:软件学院 学科门类:计算机科学与技术 学科专业:软件工程 指导教师: 朱宏明 副指导教师: 二 一 四年三 月 基于 数字化智能家居系统的 设计与实现 A in 2010 1121170257 2014 F N 基于杨凯 同济大学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济 大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名: 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名: 年 月 日同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 随着科技的飞速发展,在二十世纪九十年代末,我国引入了数字化家居概念。中国的经济与科技蓬勃发展,人们对居住环境的要求日益提高,对生活体验需求也飞快增长,在这种环境下,家居数字化程度已经成为衡量生活品质的一项指标,数字化家居是社会发展的一个必然趋势。 随着近年来电子终端的迅猛发展 ,平板电脑的功能越来越强大 ,其为人们实现通过手机远程控制家用电器提供了可能。本课题以 作系统为平台 ,设计和实现了通过智能手机远程控制所指定的 家用电器实现其相 关 功能的客户端软件系统。该系统包括两个子系统 ,它们分别是设置子系统和家电控制子系统 ,并且满足通过网关远程控制家用电器的全部流程。 本文以 台应用“ 目标 ,通过软件工程思想为指导 ,分析软件策划方案等方法 ,完成了该款软件的设计和实现。论文主要工作包括 : 应用的各种技术 ,比如 言 ,面设计等。 1 种家用电器的功能需求 ,并相对应的设计了每种设备的编码格式。 用户界面设计的基础上如何设计本应用的界面与交 互操作。介绍了本应用中很多具有独立风格的界面设计与设计思路 ,代码实现上也相应的做了讲解 ,以便有同需求的开发者借鉴与参考。 并且讲述了如何测试网关与日志功能。 关键词 : 智能家居, 面设计网关 I of in 990s, a as as of At of an of of in of it to on of of a to of of As s ,of of of as 1. of OS 2. of 1 of 3. on of OS to my of of my 4. of to of OS 济大学 硕士学位论文 目录 录 第 1 章 引言 . 6 题意义 . 6 能家居的概念 . 6 能家居系统国内外现状和发展 . 7 课题的主要研究内容 . 8 文组织结构 . 8 第 2 章 相关平台、技术介绍与用户设计概述 . 10 台的介绍 . 10 言的介绍与特点 . 11 户界面设计概述 . 13 户界面应用风格 . 13 面特有风格与控件 . 14 第 3 章 智能家居系统的需求分析与设计 . 15 能家居系统总体需求分析 . 15 能家居系统功能需求分析 . 15 能化需求 . 15 扩充性需求 . 15 网功能 . 16 录日志功能 . 16 性能需求 . 16 能家居系统概要设计 . 16 能家居系统的功能 层次划分 . 16 统分层设计结构 . 17 装具体事物的 . 18 制内部逻辑的 . 18 拟展现的 . 20 统分层设计的优缺点分析 . 20 统模块 划分与功能描述 . 21 拟系统场景的概要设计 . 22 家情景模式 . 23 于语音及触摸融合的多模 态交互 . 23 音情景模式 . 23 同济大学 硕士学位论文 目录 任务迁移模式 . 24 能家居框架说明与程序结构设计 . 24 第 4 章 智能家居系统软件设计和实现 . 26 能家居系统软件的二级编码设计 . 26 级平台与客户端通讯协议设计 . 26 户端请求格式 . 26 二级平台反馈数据格式 . 27 级平台和二级平台间通讯协议设计 . 28 级平台发送二级平台的数据格式 . 28 署安装表 . 28 二级平台各个软件模块设计与实现 . 29 户远程登录模块设计与实现 . 29 现 . 31 奖机实现 . 31 水器实现 . 31 波炉实现 . 32 烟机与电磁炉实现 . 32 风扇界面实现 . 33 理与界面层 . 33 第 5 章 网络通信与日志模块的详细设计与实现 . 34 络通信模块实现 . 34 络通信架构 . 34 理类 网络通信 . 35 输层 . 36 码层 . 37 志模块实现 . 37 志界面 . 38 志与 理类 . 38 志内容 . 38 志目录 . 39 第 6 章 智能家居系统的测试 . 40 拟网关测试 . 40 试操作系统 . 41 存泄露测试 . 45 试环 境和方法 . 51 能测试 . 52 同济大学 硕士学位论文 目录 V 能测试 . 54 第 7 章 结束语 . 51 文工作总结 . 51 题和展望 . 51 致谢 . 52 参考文献 . 53 个人简历、在读期间发 表的学术论文与研究成果 . 54 同济大学 硕士学位论文 基于 旅游信息管理系统 设计与实现 6 第 1 章 引言 题意义 随着科技的飞速发展,在二十世纪九十年代末,我国引入了数字化家居概念。中国的经济与科技蓬勃发展,人们对居住环境的要求日益提高,对生活体验需求也飞快增长,在这种环境下,家居数字化程度已经渐渐成为衡量生活品质的一项指标,数字化趋势在社会发展过程中相当显著。 数字化家居是以单个的家庭住宅或以小区整体为基础,综合计算机软件硬件技术、自动化控制技术、监控与安全防范技术、网络通信技术、综合布线 技术、视频音频技术、系统集成、布置工程、及售后服务等等,将与生活单元内息息相关的子系统有机结合在一起 。 以此构筑安全、快速、高效、便捷、节约、舒适、健康、环保的一个庞大的日常生活管理系统,为人们实现舒适宜人、便捷安全、节约环保、具艺术价值与高层品味的家居生活空间。在与普通家居比较的过程中可以发现,数字化家居首先具备普通家居原有的传统功能,其次它更将曾经静止的结构升华为具有能动性的、似乎是拥有智商一般的工具,在生活中更系统地服务人们,提拱赏心悦目的视觉效果、灵动的声音和光线效果、全方面的消息交互机制等等。 能家居的概念 二十世纪八十年代初期,大批家用 品面向市场,一种叫“住宅电子化( 的现象诞生。到了八十年代中,“住宅自动化( 概念又应运而生。住宅自动化是指融合家电、通讯与安防三大独立的功能模块为一体。八十年代末,在计算机信息技术和通信技术的飞速发展的步伐下,一种商用系统将家居中家电、通讯、安防通过总线技术进行数据监控、集中管理,称为“ 即为当今数字化家居的原型。 1984 年 世界上第一栋智能楼宇诞生在美国,在早期技术中,它较早地使用数 字交换机系统、安全防范系统、中心数据库以及其它自动化设备。 2010 年,在国外的这一时期,先进国家尤其是欧美地区国家的数字化家居已经风靡一时,美国市场的公司基本都有展厅中心演示数字化家居的功能。而在国内,这个概念才处于萌芽时期。“数字化家居”首先在技术专业圈内持续升温,进而在房地产领域被进一步炒作热门,将“智能”视为优秀房产的卖点。在科技与市场的带动下,国内出现了与数字化家居概念相关的形形色色产品,它们虽非真正意义上的数字化家居,但也从侧面推动 了家居智能化的进程。 自 2010 年以来,中国人对数字化家居产品或工程上的精心研究和理性思考,不但修正了数字化家居真正的概念和意义,更从技术和服务以及整个行业的角度上,正确地调整了数字化家居发展的步伐。 同济大学 硕士学位论文 基于 旅游信息管理系统 设计与实现 7 图 1智能家居的整体构思。 能家居系统 国内外 现状和发展 自从 1984 年在美国第一座智能建筑面世后,美国、加拿大、欧洲以及东南亚等经济相对发达国家相继提出各种数字化家居解决方案,它们在世界各地都有着广泛的应用。 1988 年,第一个适用于家居环境的电气设计标准在美国电子工业协会提出 ,即家庭自动化系统与通讯标准(家庭总线系统标准, 1998 年在新加坡举办的“ 98 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上所展示的一种被称为“未来之家”的数字化家居模式,主要包括对讲功能、水、电、气抄送功能、监控与安全防范功能、留言处理功能、家用电器控制管理功能、有线电视和网络功能、智能布线功能等等。目前为止,新加坡 30 个生活小区中 5000户左右的家庭采用了上述模式;而美国,已有近 40000 个家庭安装了类似的数字化家居系统。五年之后,三星在中国和韩国两个国家同一时间发布一个由经机顶盒 以及电话和宽带,将游戏设施、控制设施、信息管理以及安全防范设施四个系统集成为一个丰富的智能系统。 数字化家居已经走进中国家庭,连同它的安全、它的舒适、它的高效生活方式都成为了人们的一种追求。在 2010 年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中,建设数字化小康小区被作为示范列入国家重点发展方向,据悉,国家将投资 15 个亿支持该项目的实施,而目前建设部已批准 7 个普及型网络社区, 30 个网络社区包括 30000 户数字化家居家庭将落户北京。 2010 年,我国拥有大于 70%的家庭具备因特网 入网设备。正如建设部所要求,“到 2010 年,大中城市中 60%的住宅要实现数字化”。 然而,自 2011 年数字化家居开始在国内急剧升温以来,无论是房地产商的对其过分炒作,还是关键技术没有到位而引发的一系列问题,我们国家智家家居发展仍然面临诸多难题。 1、产品混乱 不同的开发商,只要在其产品的基础之上添加一些简单的远程操作功能,即称其产品为一款数字化家居系统。一个家庭住宅内出现多个相互独立、信息专有、功能重复的数字化家居系统往往令用户无所适从。 同济大学 硕士学位论文 基于 旅游信息管理系统 设计与实现 8 2、产品不稳定 国内数字化家居行业发展为时 尚少,国家又没有出台相关的统一标准,在这样的市场环境下,很多中型小型企业孤立地各自为政,在抢占市场的紧张时间中容易受炒作影响而不注重调研市场真正的需求,一味尽可能地缩短研发时间,最后生产出系统稳定性差容易崩溃、相互不兼容甚至相互干扰、不易检测和修正及扩展的数字化家居系统。这样的系统没有任何的品质保障,它所具有的智能性已经失去原有的意义,只会给用户带来负面的影响。 课题的主要研究内容 本课题主要的目标是在基于 台的 备上设计一套智能家居软件 ,首要目标是设计一款将住宅内的基本家用 电器 ,比如豆菜机、热水器、电磁炉、油烟机、微波炉等设备的控制功能集中于 的软件 ,从而达到通过 板电脑远程控制家居的各种设备的目标 ,是一种以智能家居概念为主的软件设计。 除了软件端的设计外 ,整体系统还包括 以下几个方面: 1 二维用户管理模型 对二维用户管理模型进行研究,并将其应用于本系统的设计和开发。 2 系统需求分析 对本系统的需求进行全面分析。需求分析获得了越来越多的重视,对于软件开发总体过程来说,这是控制风险以及保证软件质量最关键的一环。这里对需求分析展开深入讨论,详细给出了包括功能需求和非功能 需求的分析。 网关用來支持整个体系的通讯 ,大致的流程是先接收并解析软件端发来的数据 ,然后向所要控制的设备的 讯模块发送命令 ,从而达到控制设备的目的。 4. 系统实现 整个系统的设计除了软件方面和网关的设计外 ,也包括硬件 ,也就是设备的设计 。在有关技术的支持下,给出了系统实现的主要部分。描述了界面设计,给出了主要功能的代码。对于几大大模块都进行了具体实现的讨论。 文组织结构 本论文共分七章。 第一章绪论。主要内容为课题背景、课题内容、本课题内承担的任务以及论文总体结构。 第二章相 关技术介绍与基于 台的用户界面设计。介绍了本软件所涉及平台、技术与内容 (台、 言、基于 台的用户界面设计 )的具体介绍。 第三章智能家居系统需求分析与整体设计。主要包含了总体需求、具体功能需求中的上层视图、网络通信以及円志模块、系统流程图和系统用例图。同时也分析了智能家居的整体设计 ,其中有架构设计、界面设计 ,软件结构设计中的模块结构设计、各个模块功能的描述及智能家居系统整体设计。 第四章上层视图模块的详细设计与实现。主要内容为上层视图的详细设计。主要阐述了总体的设计思 想 ,本人对界面交互的理解与设计 ,其中细致的描述了各种控件的设计与整体界面之间的联系。 第五章网络通信模块与円志模块的详细设计与实现。包含了网络通讯的详细设计 ,描述如何打包数据 ,向网关发送、网关的工作原理 ,发送与接收功能的实现等。円志功能的设计与同济大学 硕士学位论文 基于 旅游信息管理系统 设计与实现 9 实现则讲述了保存与查询功能的实现。 第六章智能家居系统的测试改进与结束语。主要内容是系统整体测试所产生的 改进。 第七章进行了论文工作的总结 ,对问题的改正与展望。 同济大学 硕士学位论文 基于 数字化智能家居系统的设计与实现 10 第 2 章 相关平台、技术介绍与用户界面设计概述 台的介绍 苹果股份有限公司 ),原称苹果电脑公司 ,相信没有人会不知道 ,如今 ,苹果不仅是全球第一大手机生产商 ,还是全球最大的 商 ,同时也是世界上市值最大的上市公司 ,其核心业务便是电子科技产品。苹果在 70 年代设计了一台个人电脑 ,名为 I,这台电脑也成为了个人电脑发展史上重要的一笔 ,其后苹果投入大量科研力量创造出了 脑 ,使其在 80 年代可以得到持续的发展。苹果公司有很多知名的产品 ,比如作为先驱的 脑、 种类型的音乐播放器、开创了软件产品规 范新河的 店、台式机新理念的 体机、如今已经成为潮流人士人手一部的 机和移动新体验 板电脑等。 苹果公司在高科技企业中以创新而闻名 ,近些年 ,以 乐播放器为 端 ,秉承着苹果公司前任总裁 ,己故的科技先驱乔布斯先生的创造理念 ,所延伸出的具有苹果特色的 机与 板电脑 ,为苹果公司本身也为全世界人民创了一个移动终端的新格局 ,可以说 ,苹果公司在全世界科技发展的历史中 ,画上了浓重的一笔。 苹果公司 有 备的核心操作系统。 2007 年 1 月 9 日 ,苹果在 会上公布了这个系统 ,最初仅仅是为 准备的 ,后来陆续升级到板电脑以及 V 等苹果前端科研产品上。与 S X 操作系统一样 ,是以 基础 ,属于类 商业操作系统 ,用来 发 需的工具与技术都是基于 S X 系统的 (比如 X 工具 ),下文我们会有介绍 ,尽管依靠于 S X 系统 ,但 需要 用的 发经验 ,而且 ,件开发工具包 (提供了一切你需要开始创造 用的条件。为了更深入的了解 特性 ,我们先介绍一下与之关系紧密的开发工具与 发语言。 程所需的所有接口、工具以及各种具有苹果风格的资源全都包含于 个框架对应一个目录 ,并且包含着一个动态共享库以及自动生成这个库所需的各种资源 (例如头文件以及帮助应用程序等 )。若要使用某个框架 ,必须将其链接到对应的应用程序所处的工程上 ,另外 ,还需要告知 何找到框架的头文件以及其他资源。 提供了一整套开发工具 (以上版本 )来帮助我们进行 用程序的 7T?发。在这些工具包括 : 1. X 苹果公司向开发人员提供的集成 发环境 ,为了用于 发 S X 的应用程序。 X 身是继承 司的 具 ,特点是编译速度极快 ,操作快速而轻松。从 始 ,允许用户开发基于 备应用程序 ,并且可以部署开发的应用到 备上。 X 够和 S X 里众多其它的工 具协作 ,例如综合用户界面结构应用程序 ;编译器 ;还有调试工具 ,如 X 更新非常快 ,短时间内 ,苹果的工程师们便将每一个版本的 X 进行了改朝换代一般的改进 ,从界面编辑器 )的独立到融合 (本或 本 ),再到现在以独立的应用直接替代原先的安装包模式 (本 ?本 ),X 个苹果平育而生的编程工具 ,让很多编写苹果开发教材的人头疼不已 ,因为书还没出版 ,里面的内容就已经过时了。 2. 拟器一他 们是 S X 平台应用程序 ,主要特点是对 术找进同济大学 硕士学位论文 基于 数字化智能家居系统的设计与实现 11 行模拟 ,简单来说 ,有了它我们就可以在基于 心的 脑上测试我们编写的用程序了 ,并且所呈现出来的外观也与真实的设备一样。 考库一在 X 选择 可以看到这个包含了 档参考库。如果文档库有更新 ,则更新会被自动下载到本地。我们也可以选择下载各个版本的文档说明 ,包括不久之前的老版本。另外 ,我们也可以直接通过网络直接在苹果的开发者官 方网站上查阅相关的说明文档。 下面 ,我们转回主题 ,来看看 系统架构 (如图 2示 )。 系统架构可以分为四个层次 :核心操作系统层 (S 核心服务层 (媒体层 (可轻触层 ( 图 2层架构 下面我们分别来介绍一些每个层的特点 : 是 中最核心的部分就是 用程序界面上的各种组件 ,全部由它来提供呈现。除此之外 ,它还负责处理屏幕上的多点触摸事件、文字的输出、图片与网页的显示、相机或文件的存取 ,以及加速感应的部分等。 名字中我们可以看出 ,提供了图片、音乐、影片等多媒体功能的实现。 包含了 所以叫 是因为它提供了一系列处理字串、排列、组合、円历、时间等基本功能。 4 S 是从 础上所改写的 ,它是开源、符合 准的一个心。这一层包含并且提供了整个 大部分基础功能 ,比如 :硬件驱动、程序管理、内存管理、 网络 (线程管理 (文件系统以及标准输入输出等等 ,所有这些功能都会通过 C 语言的 提供。此外 ,值得一提的是 ,这一层是最具有 彩的 ,如果用户需要把 所开发的程序移植到 ,多半就会使用到 S 的 言的介绍与特点 绍 基于 的编程语言 ,它是扩充 C 的面向对象编程语言 2。在 和 C+语句 ,它可以调用 C 的函数 ,也可以通过 C+对象访问方法。它主要同济大学 硕士学位论文 基于 数字化智能家居系统的设计与实现 12 使用于 S X 和 两个使用 准的系统 ,而在 以在 作的系统写与编译 ,因为 含了 1980 年代初布莱德 ?科斯 (其公司 明 了 言。 非常“实际”的语言。它使用一个用 C 写成、很小的运行库 ,往往只会令应用程序的大小增加 很小 ,和大部分 00 系统使用极大的 和取代了整个系统的运作正好相反。由于近些年 的火热程度円益递增 ,市场占有率脱颖而出 ,2012 年 4 月 ,在 界编程语言排行榜中 ,经从原来的第八一路飘升 ,超越了 C#,占据了第四的位置。下面 ,我们简单的举例介绍一下基于 程的 言的自身特性 : 很多 命名中都以 头 ,这里面有一个小故事。 1985 年 ,乔布斯一度离 苹果自己开 创了 司 ,在这期间 ,择了 为操作系统 ,创建了 具包 ,而它的命名规则就是以 头 ,但是最后这个工具包在商业上未获得成功。当乔布斯再次回到苹果时 ,他顺其自然的弓丨进了 改名 到了 程人员的广泛认可 ,从此 ,里面的 名规则也被保留了下来。这里我们再介绍几个 有类的基类 ,它提供了内存管理、判断是否相同等功能。 用 来操作字符串 ,而不是使用 C/C+中的 不字符串的方法不同于 C,它在一个字符串前面加一个 符号。 可变字符串。 子类 ,实际应用中可以把 量赋给 组类。在数组中 ,必须以 束。可以用 ., 参数调用构造函数来初始化 其中 示结尾符号。 一个静态数组 ,不能往该数组动态添加元素。 但可以使用 动态管理数组。 样是 子类。 作用同 的字典类相同 ,提供了“键 的集合。比如 :使用字典类实现员工编号到员工姓名的存放。编号是一个键 (唯一性 ),姓名是值。 不可修改的字典 ,如果想使用可修改的字典 ,则得使用 动态地添加和删除元素。 消息传递机制是 最大亮点。 ,对象不调用方法 ,而是互相传递消息 ,在 与消息的关系较为松散 ,所有方法都被视为对消息的回应 ,而调用方法则视为对类发送消息。当你想调用这个方法时 ,你可以通过向对象通信 ,通信内容是方法签名和方法要求参数信息。 ; 比如上述代码 ,信息是用中括号 (和 )包裹的。中括号可以认为是如何调用方法 ,在中括号里面 ,接收信息的对象在左边 ,信息 (包括信息要求的参数 )在右边。下方的举例 ,便是发送信息变量名为 对象的代码。 为了避免声明多个局部变量来保存临时结果 ,许你嵌套信息。来自每个嵌套信息中的返回值 ,可以被用做参数、目标、或另一 个信息。这就是嵌套方法调用。首先 硕士学位论文 基于 数字化智能家居系统的设计与实现 13 本身调用 法。这是相对低等级的调用 ,用于分配内存并实例化对象。第二个部分是调用新对象的 常实现一些基本的设置 ,例如创建实例变量。对于使用类的用户来说实现细节是不知道的。 ; 如上面的例子代码 ,你可以用信息来代替前面例子中任意使用过的变量。这个例子是说将 象和 法通信之 后的参数再用 法格式化为 型。 为一个 特色的语法功能之一 ,是一种 言中的扩展机制。当你想要为某个 增 通常会扩充 (继承 )它。然而这不一定是个完美解决方法 ,特别是你想要重写一个 某个功能 ,但你却没有源代码时。 许在现有的 入新功能 ,但不需要继承它。 言也有类似的功能。 建立十分有用。因为 没有像 种 概念 ,所以必须要使用 达成这种功能。同一个 能有一个同名的 他的 加上不同的、独一无二的名字。很多的特性我们可以在苹果中文开发社区 了解到 6。 户界面设计概述 现如今 ,在各品牌手机终端系统群雄逐鹿的时代 ,承了苹果公司一如既往的设计 理念 体验与创新 ,再加上自身软硬件的互相辉映 ,受到了用户很大的青睐。这里介绍的隐喻、手势操作等 ,都是 面设计的独到之处。 台也为用户提供了绵丽的用户界面和灵活的多应用程序间切换能力 ,给用户提供了空前亲密、直观和有趣的使用方式。下面先介绍一下 作系统的应用风格。 户界面应用风格 按照视觉、行为特性、数据模型、用户体验等方面 ,义了三种应用风格 :高效应用、工具类应用、侵入式应用。下面本文将介绍 用的三种风格。 高效应用的核心就是使 用户使用时可以达到很高的效率。比如那些于 R 常工作有关的功能 :邮件、聊天、媒体管理还有分享等。用户使用此类应用时会自然而然的形成连贯的动作 ,比如快速查看、跳转、执行并完成 ,而一个简单的界面是达到目的的基础。这类应用一般都附带自然的层级结构。所以 ,表格视图 (8可以在这类软件里大派用场。 在高效应中典型的 W 户的交互模型包括 : 随后在此等级进行任务。 通常每个视图 显示一层内容。用户的交互界面常常简单、整洁 ,并由标准的视图和控件组成。在 宇持设备的所有类型应用中 ,高效应用更适合于偏好设置、配置、设置应用。这是因为高效应用的适用环境具有大量的信息。 工具类应用面向很少需要用户输入的简单任务。用户适用工具类应用來査看快速统计信息或针对有限的对象执行简单的任务。 同济大学 硕士学位论文 基于 数字化智能家居系统的设计与实现 14 具类应用有以下几个特点 : 并且提供简单的视图和控件 (通常采用标准的试图和控件 ); 用户通 常不需要层级查看。典型特色是每一个视图提供同样的数据组织和层级深度 ,可以来自于不同的数据源 ; 用户打 应用浏览汇总信息 ,可以提供修改设置或信息源的功能。工具类应用可能需要支持经常性的更改设置或变更信息源 ,因此他们经常会在主视图背面提供这些设置。

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