氦水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀開源分享

描述

我們會(huì)做什么？

一種用于測(cè)量飲用水質(zhì)量的 LoRaWAN 設(shè)備，可在大范圍內(nèi)部署。

一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

• 電池壽命一年。
• 防風(fēng)雨耐用。
• 每小時(shí)測(cè)量基本水質(zhì)指標(biāo)。

問題

水質(zhì)測(cè)量成本高昂，獲取、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的后勤工作很復(fù)雜。您要測(cè)量的地方通常是偏僻的。硬件選項(xiàng)包括某種蜂窩設(shè)備，但這是一個(gè)相對(duì)較高的初始成本加上設(shè)備生命周期內(nèi)的經(jīng)常性成本。

那么解決方案是什么？

Helium正在美國(guó)和加拿大推出 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)。它將通過使用他們所謂的熱點(diǎn)來提供大范圍的覆蓋區(qū)域（檢查您所在區(qū)域的覆蓋范圍）。用 LoRa 的說法，這些是 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)或集中器。他們正在為我們的傳感器數(shù)據(jù)提供傳輸。假設(shè)您有覆蓋范圍，那么建立這樣一個(gè)廣域網(wǎng)的大量艱苦工作已經(jīng)為您完成。如果您沒有覆蓋范圍，您可以設(shè)置自己的熱點(diǎn)。運(yùn)行它是有動(dòng)機(jī)的，因?yàn)槟鸀橥ㄟ^的每個(gè)信息包賺取一定數(shù)量的錢。

至于水質(zhì)測(cè)量，我們將使用的傳感器也已經(jīng)簡(jiǎn)化了。

但是什么是 LoRaWAN？

LoRa是物理層，提供長(zhǎng)距離通信，占用 OSI 層1。LoRaWAN是一種通信協(xié)議（OSI 層 2 和 3）。它使用 LoRa 層提供兩種無線通信方式。為什么沒有無線網(wǎng)絡(luò)？因?yàn)?WiFi 最多只能走幾百米（最多），而 LoRa 可以走幾公里（幾百公里）。

好的，聽起來很棒。現(xiàn)在怎么辦？

是時(shí)候在這里發(fā)表免責(zé)聲明了。我擁有μFire LLC。我們制造水傳感器并提供 InfluxDB 托管。毫不奇怪，這些就是本文將使用的設(shè)備和服務(wù)。制作這些小設(shè)備是我工作的一部分。

讓我們做出一些設(shè)計(jì)選擇。

我們需要一個(gè)微控制器。Heltec Automation制作了一系列與 LoRaWAN 兼容的基于 ESP32 的開發(fā)板。我喜歡Wireless Stick Lite ，所以我們將在這個(gè)項(xiàng)目中使用它。

它有：

• 板載鋰電池充電/液位讀取硬件
• WiFi、BLE 和 LoRaWAN 接口
• 低功耗設(shè)計(jì)
• 用于為傳感器供電的可控電源引腳
• 兼容 Arduino

我們需要一些水傳感器。該項(xiàng)目將使用：

• 一個(gè)帶有電導(dǎo)率探頭的隔離式 EC 探頭接口
• 兩個(gè)帶 pH 和 ORP 探針的隔離 ISE 探針接口
• 我們還需要一個(gè)防水溫度傳感器，我們也可以從 μFire 獲得。

把事情放在一起

μFire 傳感器均使用Qwiic / STEEMA QT I2C 連接器。所以這一步非常簡(jiǎn)單。在Heltec 板上，將藍(lán)色線連接到引腳 32，黃色連接到 33，黑色連接到接地引腳，紅色連接到 Vext 引腳。

在我們繼續(xù)之前，快速解釋一下引腳以及它們是如何選擇的。黑色接地引腳沒有什么特別之處，Heltec 板上有一些可供使用。紅線是電源，藍(lán)色和黃色引腳是 SDC 和 SCL。在 ESP32 上，您可以為 I2C 總線選擇任意兩個(gè)引腳，所以我選擇了 32 和 33，因?yàn)樗鼈儧]有用于其他任何用途。紅線連接到 VExt 引腳。

什么是 Vext 引腳？它是控制器可以打開和關(guān)閉的電源引腳。這對(duì)于電池設(shè)備來說非常有用，因?yàn)槟梢詫⑵潢P(guān)閉，并且連接的傳感器根本不會(huì)消耗任何電力。然后，當(dāng)您想要一些讀數(shù)時(shí)，您將其重新打開。

無論如何，現(xiàn)在只需將 Heltec 板連接到 EC 或 ISE 板，然后以相同的方式連接其他兩個(gè)板。最后要連接的是溫度傳感器。它可以連接到任何板，但對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，它將連接到 EC 板。它只是一個(gè)帶鍵的推入式連接器。

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我們現(xiàn)在剩下一堆傳感器，它們以菊花鏈的形式連接到 Heltec 板上，放在桌面上。我們希望它能夠坐在外面，靠近水，所以這是行不通的。讓我們把它放在一個(gè)盒子里。

做一個(gè)外殼

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我將使用Bud Industries塑料盒。我們需要在盒子的側(cè)面鉆一些孔來安裝傳感器。為此，我們需要一個(gè) 9 mm fortsner 鉆頭。為什么會(huì)有這樣一個(gè)奇怪的特定命名的鉆頭？因?yàn)樗谀@探外殼中使用的軟、低熔點(diǎn)塑料時(shí)起作用。如果你用鏟子鉆頭，你會(huì)弄得一團(tuán)糟。一個(gè)木頭鉆頭會(huì)到處亂跳，即使你認(rèn)為自己鉆了一個(gè)導(dǎo)向孔很聰明。

我用來獲得良好且可重復(fù)的結(jié)果的方法是在 Inkscape 中制作大綱。快速計(jì)算一下，在我們的例子中，我們將為 EC 鉆一個(gè)孔，為 pH 鉆一個(gè)孔，為 ORP 鉆一個(gè)孔，為溫度傳感器鉆一個(gè)孔。我要安裝所有這些東西的一側(cè)是 119 毫米長(zhǎng)，所以將其除以 4，孔之間的距離約為 30 毫米。

做一些 Inkscaping，你可能會(huì)得到這樣的結(jié)果：

打印出來并將它貼在你的盒子上。在中間戳一個(gè)小洞，用記號(hào)筆做記號(hào)，然后鉆出來。小心，慢慢地，并施加最小的壓力，否則你會(huì)熔化或碎裂塑料。如果您在鉆孔時(shí)感到非常無聊并且不要弄得一團(tuán)糟，您就會(huì)知道自己做對(duì)了。

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希望事情進(jìn)展順利，您最終會(huì)得到一個(gè)帶有計(jì)劃孔的外殼，而不是一些昂貴的塑料塊。

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使用隨附的墊圈、六角螺母和墊圈安裝傳感器。從外殼移出時(shí)，墊圈應(yīng)在內(nèi)部接觸外殼，然后是墊圈，然后是外部的六角螺母。這將確保墊圈緊緊地壓在外殼上，防止水進(jìn)入。

溫度傳感器不同。我們將使用PG7 電纜密封套。確保你得到一些包括密封墊圈的東西。

將連接電池的 Heltec 板扔進(jìn)去。您可以使用雙面膠帶、魔術(shù)貼或一些安裝螺釘固定它們。保持它與 USB 電纜連接，以便以后對(duì)其進(jìn)行編程。

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InfluxDB 和 Chronograf

InfluxDB 是一個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫。它易于使用，是傳感器測(cè)量存儲(chǔ)的理想選擇。它還非常方便地附帶了一個(gè)名為 Chronograf 的集成圖形組件。使用這兩者，您可以記錄傳感器信息，然后以任何您想要的方式顯示它。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們將使用 μFire Net 來為我們處理這一切。

如果您愿意，可以自行設(shè)置。這個(gè)項(xiàng)目使用 InfluxDB 版本 2，它與版本 1 有很大不同。如果你走這條路，你還需要一個(gè) MQTT 服務(wù)器。

無論如何，μFire Net將為您設(shè)置該項(xiàng)目所需的一切。您不需要對(duì)最初提供的設(shè)置進(jìn)行任何更改，但您需要一些信息

• 地址：所有這些都存在的網(wǎng)站地址。
• 組織：當(dāng)您最初登錄時(shí)，您將設(shè)置此項(xiàng)。不要使用空格，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致其他軟件出現(xiàn)問題。
• 存儲(chǔ)桶：登錄后，轉(zhuǎn)到側(cè)面菜單并選擇加載數(shù)據(jù)/存儲(chǔ)桶。單擊右上角的創(chuàng)建存儲(chǔ)桶并記住您給它的名稱。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我調(diào)用了我的wq 。
• Token ：制作bucket后，需要制作token。從菜單中，單擊加載數(shù)據(jù)/令牌，然后單擊生成。您在這里有幾個(gè)選項(xiàng)，對(duì)于最安全的令牌，創(chuàng)建一個(gè)僅對(duì)您創(chuàng)建的存儲(chǔ)桶具有讀/寫訪問權(quán)限的令牌。

氦氣設(shè)置

接下來要設(shè)置的是氦氣方面。您需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Helium 控制臺(tái)帳戶。

單擊左側(cè)的集成鏈接，然后在添加自定義集成部分中選擇 MQTT。

向下滾動(dòng)一點(diǎn)，您會(huì)看到標(biāo)題為Step 2的部分。

這是您需要輸入 MQTT 服務(wù)器信息的地方。對(duì)我來說，我使用的 μFire Net 帳戶是 awesome.ufire.net。我的端點(diǎn)線如下所示：

mqtts://awesome:password@awesome.ufire.net:8883

對(duì)于主題部分，放入helium 。

這一步所做的是告訴 Helium 每次從我們的設(shè)備接收到消息時(shí)發(fā)送一條 MQTT 消息。在下一步中，我們將構(gòu)建一個(gè)小型 Python 腳本，該腳本將訂閱相同的 MQTT 服務(wù)器和主題，解析信息，并將其插入到我們的 InfluxDB 中。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到設(shè)備頁面并單擊添加設(shè)備。

選擇任何名稱。Dev EUI、App EUI 和 App Key 是自動(dòng)生成的，是您稍后需要幾個(gè)步驟才能輸入 Arduino 草圖的信息位。

接下來是創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)簽，因此轉(zhuǎn)到標(biāo)簽頁面并單擊添加標(biāo)簽，給它起任何您想要的名稱，然后在第 2 步中，選擇您創(chuàng)建的 MQTT 集成的名稱。然后單擊創(chuàng)建標(biāo)簽和管理。

在打開的下一個(gè)屏幕上，單擊右上角的將此標(biāo)簽添加到設(shè)備。在列表中檢查您的設(shè)備，然后檢查集成。這會(huì)將集成連接到設(shè)備。

MQTT 網(wǎng)橋

信息流是這樣的：

1. 我們的設(shè)備將發(fā)送傳感器測(cè)量值

2. Helium Hotspot 將接收它們并將它們發(fā)送到他們的服務(wù)器。

3. 在服務(wù)器上，它會(huì)查看配置了哪些集成。在我們的例子中，它會(huì)在我們的服務(wù)器上發(fā)布一條帶有大量信息的 MQTT 消息。它被編碼了，我們還不能用它做任何事情。

4. 一個(gè) python 腳本也將訂閱到我們的 MQTT 服務(wù)器，監(jiān)聽這些消息。它將對(duì)其進(jìn)行解碼，然后將其插入到我們的數(shù)據(jù)庫中。

您需要安裝一些軟件包才能運(yùn)行此腳本。

pip3 install influxdb-client
pip3 install msgpack
pip3 install paho-mqtt

influxdb-client是官方的 InfluxDB Python 客戶端庫。

msgpack有點(diǎn)像 JSON，但是是二進(jìn)制的。他們有一個(gè)很好的網(wǎng)站，比我能更好地解釋它。我選擇使用 MsgPack 而不僅僅是二進(jìn)制包對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，因?yàn)樗试S您將數(shù)據(jù)與源解耦。如果您只是發(fā)送二進(jìn)制打包有效負(fù)載（想想 [4 byte float]-[4 byte long]-[4 byte uint32]），那么您需要知道雙方，這些字節(jié)代表什么。使用 MsgPack，我們可以發(fā)送一條 JSON 格式的消息，如下所示：

{"batt":3.7,"ec_uS":500}

然后我們可以在我們的 MQTT 腳本中對(duì)其進(jìn)行解碼并得到相同的東西，而不僅僅是一堆隨機(jī)字節(jié)。它不僅僅是二進(jìn)制信息，但我認(rèn)為權(quán)衡是值得的。

paho-mqtt是我正在使用的 MQTT 庫。

將此要點(diǎn)復(fù)制到您的計(jì)算機(jī)上（或任何您想運(yùn)行它的地方）。

您需要編輯幾行。

ufire_server到你的 InfluxDB 服務(wù)器，我的線路看起來像awesome.ufire.net

mqtt_port到您的 MQTT 端口。我的是8883。

mqtt_username到您的 MQTT 用戶名

mqtt_password您的 MQTT 密碼

influx_bucket到 InfluxDB 存儲(chǔ)桶，您應(yīng)該從幾步后記起

influx_token從幾步后到你的 InfluxDB 令牌

從上面的influx_organization到您的 InfluxDB 組織名稱

進(jìn)行這些更改后，運(yùn)行它：

python3 helium-influx-bridge.py

您可能有興趣在后臺(tái)運(yùn)行它，請(qǐng)使用：

nohup python3 helium-influx-bridge.py &

該腳本是為基于 Linux 的系統(tǒng)編寫的。如果你想在 Windows 上運(yùn)行它，你需要修改SSL 證書路徑。它還假設(shè) MQTT 服務(wù)器與 InfluxDB 服務(wù)器相同，只是端口不同。

請(qǐng)記住，這需要始終運(yùn)行，否則我們無法獲得傳感器測(cè)量結(jié)果。你可能想把它變成某處機(jī)器上的服務(wù)。

進(jìn)入代碼

該項(xiàng)目將基于 Arduino，因此如果您不喜歡使用我選擇的微控制器，您可以將其切換到其他任何東西（如 TTGO LoRa32 或 Heltec CubeCell），只需少量代碼更改。

首先，您需要在 Arduino IDE 中設(shè)置 Heltec 板。遵循Heltec 的指示。氦氣也有說明。

接下來，獲取 Heltec 的 LoRaWAN 庫， 按照他們的說明進(jìn)行操作。您需要進(jìn)行更改，因此請(qǐng)?jiān)L問 Arduino 庫目錄中的 ESP32_LoRaWAN 文件夾。打開ESP32_LoRaWAN.cpp并更改以下行：

這個(gè)：

#define LORAWAN_DEFAULT_DATARATE                    DR_5

對(duì)此：

#define LORAWAN_DEFAULT_DATARATE                    DR_3

和這個(gè)：

channelsMaskTemp[0] = 0x00FF;
channelsMaskTemp[1] = 0x0000;
channelsMaskTemp[2] = 0x0000;
channelsMaskTemp[3] = 0x0000;
channelsMaskTemp[4] = 0x0000;
channelsMaskTemp[5] = 0x0000;

對(duì)此：

channelsMaskTemp[0] = 0xFF00;
channelsMaskTemp[1] = 0x0000;
channelsMaskTemp[2] = 0x0000;
channelsMaskTemp[3] = 0x0000;
channelsMaskTemp[4] = 0x0000;
channelsMaskTemp[5] = 0x0000;

這些更改會(huì)切換設(shè)備用于發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率和數(shù)據(jù)速率。

轉(zhuǎn)到此Gist并將其復(fù)制/粘貼到 Arduino IDE 中的新項(xiàng)目中。

首先，您需要進(jìn)行一些更改。

返回 Helium 的設(shè)備頁面，找到您在幾步前創(chuàng)建的設(shè)備。點(diǎn)擊它，你會(huì)看到這個(gè)。

如果單擊小對(duì)角箭頭，它將展開一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字。

確保您看到顯示msb ，然后單擊復(fù)制圖標(biāo)。將其復(fù)制到 Arduino 草圖中作為DevEui[]的值。

對(duì)AppEui[]和AppKey[]執(zhí)行相同的操作。

現(xiàn)在在“工具”菜單中選擇一些東西。確保為 Board 選擇“Wireless Stick Lite”，為 LoRaWAN Region 選擇“REGION_US915”。

上傳草圖并運(yùn)行它。打開您的串行終端，您會(huì)看到一些關(guān)于訪問網(wǎng)站并獲取許可證密鑰的信息。按照說明將輸出粘貼到license[4]中。重新上傳，您將看到設(shè)備加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的一系列嘗試。在事情取得進(jìn)展之前，通常需要進(jìn)行幾次嘗試。

設(shè)備連接后，您應(yīng)該會(huì)在設(shè)備頁面下的 Helium 控制臺(tái)中看到一些活動(dòng)。

您應(yīng)該會(huì)看到 MQTT 腳本的輸出。

現(xiàn)在我們可以設(shè)置 InfluxDB

InfluxDB 儀表板

現(xiàn)在有一些 InfluxDB 和 Chronograf 基礎(chǔ)知識(shí)可以讓您制作自己的儀表板。

Chronograf 由儀表板組織。儀表板是可視化的集合，稱為單元格，您可以在網(wǎng)格中組織這些單元格。可視化可以是折線圖、儀表、熱圖或其他一些。您可以自定義一些選項(xiàng)，然后將它們添加到儀表板。在儀表板中，您可以調(diào)整大小和移動(dòng)它。

因此，首先，通過單擊左側(cè)的儀表板圖標(biāo)并單擊右上角的創(chuàng)建儀表板來創(chuàng)建一個(gè)新儀表板。接下來，單擊添加單元格。

這是你經(jīng)常點(diǎn)擊的地方。看看這張照片：

FROM 列表顯示所有存儲(chǔ)桶（數(shù)據(jù)庫），然后您會(huì)看到一系列過濾器以獲取您想要的數(shù)據(jù)。

• 第一個(gè)過濾器選擇我們感興趣的記錄集。在我們的 MQTT 橋中，我們稱之為wq 。
• 單擊wq后，您可以看到wq的所有測(cè)量值，但請(qǐng)注意我是如何將第二個(gè)過濾器更改為eui的。您可以為幾個(gè)不同的設(shè)備使用相同的wq記錄。在 LoRaWAN 術(shù)語中，EUI 是設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)符，因此我們?cè)?MQTT 步驟中添加了一個(gè)eui字段來做到這一點(diǎn)。我只有一個(gè)設(shè)備，所以我只有一個(gè)選擇，但如果你有多個(gè)，你可以選擇你想要測(cè)量的設(shè)備。
• 在下一個(gè)過濾器中，您可以選擇我們的設(shè)備進(jìn)行的所有單獨(dú)測(cè)量。
• 單擊提交，您將獲得一個(gè)圖表。

從這里，您可以單擊自定義按鈕并查看單元格外觀的選項(xiàng)。當(dāng)您滿意時(shí)，單擊綠色對(duì)勾，它將被添加到我們創(chuàng)建的儀表板中。

您現(xiàn)在可以單擊并拖放，直到獲得您喜歡的東西。

您可以做一些簡(jiǎn)單的事情，您可以將儀表板拆分為：

• 歷史：帶有過去幾小時(shí)、幾天或幾周的圖表
• 即時(shí)：在儀表中顯示最近的測(cè)量值
• 車隊(duì)狀態(tài)：您還可以通過跟蹤傳感器的電池電量、RSSI 和 SNR 來監(jiān)控傳感器的健康狀況。

在這一點(diǎn)上，我們完成了！

可選：添加顯示

我們已經(jīng)到了我們的堆?？梢哉９ぷ鞯牡夭剑⑶椅覀冇幸粋€(gè)最小的可行產(chǎn)品。雖然有一些簡(jiǎn)單的補(bǔ)充。讓我們添加一個(gè)屏幕，這樣我們就可以查看我們的盒子并查看測(cè)量結(jié)果。

由于我們要使用電池供電，因此電子紙顯示器是最佳選擇。它們不使用任何電流，除非您正在積極更新顯示器并且在陽光下易于閱讀。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我選擇了這款Waveshare 2.9" E-Paper顯示器。

請(qǐng)記住，這個(gè)項(xiàng)目使用的是 Heltec Wireless Stick Lite。它有一個(gè)板載 LoRa 調(diào)制解調(diào)器，通過芯片的 SPI 接口進(jìn)行通信。我們將使用相同的 SPI 引腳來連接我們的顯示器。我上面鏈接的電路板帶有您需要的所有電線。

連接：

• 顯示 VCC 到 Heltec 3.3v
• 顯示 GND 到 Heltec GND
• 顯示 DIN 到 Heltec 27
• 顯示 CLK 到 Heltec 5
• 顯示 CS 到 Heltec 18
• 顯示 DC 到 Heltec 10
• 顯示 RST 到 9
• 向 Heltec 12 顯示 BUSY

引腳編號(hào)使用引腳分配圖中的灰色輪廓編號(hào)。

連接后，創(chuàng)建一個(gè)新的 Arduino IDE 項(xiàng)目。在此處復(fù)制主文件，并添加另一個(gè)名為 paper.h 的新選項(xiàng)卡，然后從Gist復(fù)制paper.h文件。

打開 paper.h 并單擊最頂部此行旁邊的注釋中的鏈接以安裝 GxEPD2 庫。

#include   // click to install: http://librarymanager/All#GxEPD2

如果你看一下代碼，它幾乎完全一樣。大部分工作都是在 paper.h 中完成的。上傳草圖，您應(yīng)該有一個(gè)在每個(gè)時(shí)間間隔更新的顯示。

可選：添加太陽能充電

我們?cè)O(shè)備的另一個(gè)簡(jiǎn)單補(bǔ)充是添加一個(gè)小型太陽能電池板來為電池充電。我在速賣通上找到了一個(gè)太陽能電池板唇形充電電路。

連接很容易。太陽能電池板線連接 SOLAR - 和 +，BATT IN - 和 + 連接到電池，SYS OUT - 和 + 連接到 Heltec 板底部的電池連接器。您可能需要更換小的 2 針連接器才能連接所有東西。Heltec 板使用 SH2.5 連接器連接電池，大多數(shù)太陽能電池板充電電路使用 PH2。

可選：添加空氣溫度和濕度

您可能對(duì)空氣溫度和濕度感興趣。添加這些測(cè)量值很容易。給自己一個(gè)SH20傳感器并將其連接到一個(gè)開放的 Qwiic 連接器。

有很多例子來展示如何使用這個(gè)傳感器。您也可以輸入VPD 和露點(diǎn)。

看看這些例子，你需要一些明顯的東西，比如#include 和類初始化行。您需要在有效負(fù)載中添加一行。你的可能看起來像這樣：

payload["temp_C"] = sht20.temperature();
payload["hum_RH"] = sht20.humidity();

您還需要修改 ArduinoJson 變量。訪問他們的網(wǎng)站并使用他們的助手為您完成所有工作。

額外：更多用途

正如您可能已經(jīng)猜到的那樣，此設(shè)置不僅僅用于監(jiān)測(cè)您的飲用水。

其他用途可能是：

• 水培法或魚菜共生法：測(cè)量 EC、pH 和溫度至關(guān)重要。也許你不會(huì)關(guān)心 ORP。
• 游泳池或水療中心：在這里監(jiān)測(cè) pH 和 ORP 會(huì)很好。ORP 可用于幫助管理您的氯使用。EC在這里可能用處不大。
• 施肥：接近水培，但更多的是大型農(nóng)場(chǎng)環(huán)境。這可能會(huì)使 LoRaWAN 的使用更加有益，允許在大范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控。