可穿戴設(shè)備運(yùn)動(dòng)手表智能運(yùn)動(dòng)手表報(bào)告智能手表設(shè)計(jì)_第1頁
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1、電子設(shè)計(jì)大賽題目名稱:可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)手表隊(duì)長(zhǎng)姓名: 學(xué) 校: 聯(lián)系電話: 通訊地址: 郵政編碼: 結(jié)題日期: 2014年9月2日 項(xiàng)目組成員:序號(hào)姓名性別年級(jí)專業(yè)學(xué)號(hào) 摘 要本設(shè)計(jì)是一款智能運(yùn)動(dòng)手表,以微控制器ATmega644PA為控制核心,利用PCF8563時(shí)鐘芯片、三維加速度傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),并使用OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)間功能、顯示溫度、氣壓、海拔高度功能、計(jì)步功能,結(jié)合藍(lán)牙2.1模塊,實(shí)現(xiàn)與安卓手機(jī)的通信功能;團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款安卓APP與智能手表結(jié)合使用,智能手表可以將數(shù)據(jù)傳送到安卓手機(jī),通過APP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行2次處理,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)步數(shù)、卡路里消耗量、運(yùn)動(dòng)距離、

2、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的記錄與分析,能根據(jù)數(shù)據(jù)為使用者提供健康方面的建議。一、 任務(wù)制作具備一定創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用綜合功能的可穿戴軟硬件電子系統(tǒng)(注:以軟件開發(fā)為主的,需結(jié)合外部硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)特定系統(tǒng)功能)2、 系統(tǒng)功能分析我們的主題,決定我們的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能如下:1、顯示時(shí)間、包括年份月份日期、星期以及實(shí)時(shí)時(shí)間;2、顯示溫度、氣壓、海拔高度;3、記錄走路或者跑步步數(shù)并顯示;4、將傳感器數(shù)據(jù)傳送到安卓手機(jī);5、安卓手機(jī)軟件接收數(shù)據(jù),存入數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存;6、安卓手機(jī)軟件分析數(shù)據(jù),根據(jù)用戶設(shè)定,計(jì)算出跑步距離,消耗卡路里等,并儲(chǔ)存數(shù)據(jù),通過分析歷史數(shù)據(jù),得出用戶的運(yùn)動(dòng)狀況,并能給用戶跑步方便的

3、建議。7.記錄睡覺時(shí)的數(shù)據(jù),分析睡眠狀況;8、手機(jī)短信提醒、來電提醒功能。三、產(chǎn)品的對(duì)象 我們的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上在保證原有的手表顯示時(shí)間的基礎(chǔ)之上,加上運(yùn)動(dòng)模塊元素,可以對(duì)用戶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集,配套相應(yīng)APP,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的分析處理。適合廣泛的熱愛運(yùn)動(dòng)的人群使用,以及廣大的旅游愛好者使用。四、方案論證為了完成上面所涉及的各種功能,將整個(gè)電路分成三個(gè)部分:電源模塊、主控模塊、傳感器模塊、顯示模塊和藍(lán)牙模塊。框圖如圖1所示。供電系統(tǒng)顯示部分傳感器模塊主控部分藍(lán)牙模塊 安卓手機(jī) 圖1 原理方框圖考慮到我們的產(chǎn)品作為一款手表,要充分考慮到產(chǎn)品的體積問題,我們?cè)诟鱾€(gè)模塊的選擇上盡可能采用小的部件。在實(shí)現(xiàn)

4、傳統(tǒng)手表的功能的基礎(chǔ)上加入運(yùn)動(dòng)的元素,我們的手表支持運(yùn)動(dòng)的功能,就要考慮手表的實(shí)用性。在數(shù)據(jù)傳輸方面,我們采用藍(lán)牙傳輸方式,將運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙的方式傳輸?shù)轿覀兊囊苿?dòng)終端,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的處理。(1)供電系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)由3.7V鋰電池供電,通過升壓模塊升到5.0V給單片機(jī)以及其他模塊使用。在供電方面的選擇上,因?yàn)橐紤]到手表的體積,我們采用了體積較小的鋰電池。因?yàn)椴捎胦led顯示,而且還支持手表與移動(dòng)終端的通信,這樣在能耗方面就比傳統(tǒng)的手表要大得多,所以選擇可以多次充電的鋰電池是理想的選擇。鋰電池與充放電電路具有保護(hù)電路,保證了產(chǎn)品的安全性。選用的充電器接口為microusb接

5、口,能夠與眾多的電源設(shè)配器使用,增加了產(chǎn)品使用的普遍性。(2)控制方式的選擇方案一:采用AT89C51作為控制器采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。AT89C51價(jià)格低廉,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且資料豐富;但是51單片機(jī)系統(tǒng)資源有限,8位控制器,運(yùn)算能力有限,且沒有內(nèi)置AD/DA轉(zhuǎn)換器,需要外接大量外圍電路,而且程序的編寫相對(duì)復(fù)雜。方案二:采用ATmega644PA作為控制器采用ATmega644PA單片機(jī)進(jìn)行控制。ATmega328單片機(jī)具有強(qiáng)大功能的8位微控制器,它內(nèi)部集成8路10為ADC,可以直接用于傳感器數(shù)據(jù)采集,以及數(shù)字控制輸出;采用ATmega644PA單片機(jī),能將相當(dāng)一部分外圍器件結(jié)合到一起

6、,使用方便,抗干擾性能提高。因此,我們選用方案二。(3)開發(fā)環(huán)境的選擇方案一:AVRstdio開發(fā)環(huán)境AVRstdio是ALMEL公司的一個(gè)免費(fèi)集成開發(fā)環(huán)境,只支持匯編語言。方案二:Arduino開發(fā)環(huán)境Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple i/o接口板并且具有使用類似Java,C語言的IDE集成開發(fā)環(huán)境。Arduino的理念是開源。針對(duì)周邊I/O設(shè)備的Arduino編程,很多常用的I/O設(shè)備都已經(jīng)帶庫(kù)文件或者樣例程序,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改,即可編寫出比較復(fù)雜的程序。因此,我們選用方案二。(4)傳感器的選擇1. MPU6050智能手表的記步功能可以通過兩種不同方式來實(shí)

7、現(xiàn),方式A: 通過GPS傳感器采集GPS數(shù)據(jù),通過分析采集GPS采集回來的經(jīng)緯度信息,計(jì)算得出運(yùn)動(dòng)距離,再根據(jù)用戶設(shè)定的步長(zhǎng),來反推步數(shù);這種方式除了可以計(jì)步,還能記錄實(shí)時(shí)位置,但是這種方式出來的結(jié)果可能不太準(zhǔn)確,特別是當(dāng)跑步距離較短的時(shí)候,精準(zhǔn)定位難度大,距離計(jì)算難道大。方式B:通過3D加速度傳感器采集加速度數(shù)據(jù),步行運(yùn)動(dòng)中,垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時(shí)間大致為一個(gè)正弦曲線,而且在某點(diǎn)有一個(gè)峰值,其中垂直方向的加速度變化最大,通過對(duì)軌跡的峰值進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算和加速度閾值決策,即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶運(yùn)動(dòng)的步數(shù),還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。這種方式計(jì)算出來的步數(shù)比較準(zhǔn)確,方法簡(jiǎn)單,所以我們采用方式B,傳

8、感器用的是MPU6050傳感器。2. BMP180可用量程:300hPa至1100hPa (對(duì)應(yīng)海拔-500m到+9000m)絕對(duì)精度最低可以達(dá)到0.03hPa,另外還能測(cè)量溫度值;此傳感器可用來采集氣壓和溫度,顯示到屏幕上。(5)顯示模塊顯示模塊考慮LCD顯示或者OLED顯示,分析如下:1.OLED是主動(dòng)放光顯示器件,可以實(shí)現(xiàn)比LCD更高的效率,更好的視角。LCD由于開口率,5層透光光學(xué)結(jié)構(gòu)限制,其發(fā)光的有效率始終超不過10。2.OLED是元器件的主動(dòng)發(fā)光器件,就像做集成電路二極管一樣,可以做的像素很小,所以分辨率可以很大,加上材料高分子有機(jī)材料,能夠做成很薄很輕的設(shè)計(jì),這是主要的優(yōu)點(diǎn),適合

9、用于體積要求較高的可穿戴電子設(shè)備。綜合上面分析所以我們選擇體積小、省電、實(shí)用性大的OLED模塊。(6)通信模塊通信方式的選擇可以有多種,例如有線傳輸和無線傳輸,考慮到用戶使用體驗(yàn),決定采用無線傳輸方式,而無線傳輸方式中適合單片機(jī)與安卓智能手機(jī)通信的有藍(lán)牙通信和WIFI通信。 wifi通信模塊適合大數(shù)據(jù)量的傳輸,而且傳輸?shù)乃俣纫草^快,最大的的弱點(diǎn)就是功耗高,其穩(wěn)定性也不夠高,而藍(lán)牙技術(shù)也比較成熟,在短距離傳輸方面其穩(wěn)定性要好,而且其功耗也相對(duì)較小,可以很方便的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。作為我們的智能可穿戴的設(shè)備,我們盡可能要尋找低功耗的模塊,而且我們的設(shè)備主要是傳送用戶的運(yùn)動(dòng)信息,信息量不是很大,所需要傳

10、送的距離也不是很大,不需要wifi的無線局域網(wǎng),我們的要求是能夠穩(wěn)定的傳送,所以藍(lán)牙模塊是我們比較理想的選擇。五、硬件電路在硬件的選擇上,我們均采用了與arduino開發(fā)環(huán)境兼容的microduino系列模塊作為我們的主要硬件電路。之所以選擇該系列的模塊,是因?yàn)镸icroduino系列模塊體積小、可層疊式搭配使用,總體積將在3CM*3CM*3CM之內(nèi)。在我們的設(shè)計(jì)的手表的可接受范圍之內(nèi),總的電路的體積不會(huì)太大。Microduino系列模塊有常見的各種配套模塊,基本符合智能運(yùn)動(dòng)手表的需要的硬件支持。1.核心模塊選擇了搭載了Atmel ATmega644PA的Microduino-Core+,該模

11、塊具備了Digital I/O 數(shù)字輸入/輸出端共 023,A0A7。Analog I/O 模擬輸入/輸出端共 A0A7 。支持六路PWM輸出端口,支持ISP下載功能。三路路外部中斷。主控芯片的最小系統(tǒng):2.采用Microduino系列的矢量傳感器模塊,集成了磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度傳感器,氣壓傳感器,三軸加速度傳感器以及三軸陀螺儀,并且可通過I2C接口與Core/Core+核心模塊通信。利用該模塊所具有的傳感器,就可以實(shí)現(xiàn)我們的對(duì)溫度、氣壓、海拔以及運(yùn)動(dòng)步數(shù)的測(cè)量。磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器(HMC5883L)3.三軸加速度+三軸陀螺儀傳感器(MPU6050),此模塊為實(shí)現(xiàn)手表計(jì)步等功能的主要模塊,通過讀取加速度數(shù)

12、據(jù),可以得到運(yùn)動(dòng)時(shí)的震動(dòng)曲線,通過對(duì)曲線的分析可以得出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。另外,若用戶睡眠時(shí)戴著手表,我們能通過讀取加速度數(shù)據(jù)來判斷使用者的睡眠狀況。4.Microduino-BT模塊是一塊支持藍(lán)牙串口透明傳輸模塊,利用該模塊可以實(shí)現(xiàn)我們的運(yùn)動(dòng)手表與移動(dòng)終端設(shè)備的通信,把數(shù)據(jù)傳給手機(jī),通過手機(jī)端的APP對(duì)用戶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而反映出用戶的運(yùn)動(dòng)狀況。藍(lán)牙與手機(jī)的通信電路圖:5.Microduino-RTC時(shí)鐘模塊是基于 PCF8563芯片的時(shí)鐘模塊,模塊還附加AT24c32芯片,提供額外的EEPROM功能。IIC接口通信。 超級(jí)電容提供了一定的掉電計(jì)時(shí)能力。PCF8563使用一個(gè)外部晶體和電容,并有

13、1個(gè)中斷輸出,可以定時(shí)觸發(fā)中斷,用途十分廣泛。顯示模塊Microduino - OLED 12864 是基于 SSD1306 的 0.96 吋 12864 OLED 顯示模塊。采用I2C接口,3.3V 電源。Microduino-USB2TTL/zh方便與計(jì)算機(jī)的通信,通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的燒寫,方便系統(tǒng)的更新以及算法的優(yōu)化。用Arduino實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的框圖如圖2所示:按鍵1復(fù)位鍵按鍵2采集電路D15D14D16ATmega644PA 溫度氣壓CPU發(fā)出指令內(nèi)置ADC加速度RX TXD2-D5 藍(lán)牙通信電路顯示電路 圖2 用ATmega644PA實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的方框圖六、軟件的設(shè)計(jì)(1)單

14、片機(jī)程序框圖開始 初始化省電界面是否按鍵1按下?時(shí)間界面按鍵1?否是按鍵1?環(huán)境顯示界面是否是連續(xù)計(jì)步,顯示計(jì)步界面按鍵2按下?否按鍵1?否是否藍(lán)牙串口是發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)端(2)一、安卓手機(jī)客戶端程序功能框圖藍(lán)牙連接手表制定運(yùn)動(dòng)計(jì)劃健康資訊查看歷史數(shù)據(jù)0. 內(nèi)置自動(dòng)提醒功能1. 登陸界面a) 動(dòng)態(tài)添加用戶選項(xiàng)b) 點(diǎn)擊用戶選項(xiàng)進(jìn)行登陸2. 主界面a) 今日計(jì)劃p1. 展示每日的建議以及統(tǒng)計(jì)量p2. 展示每周的計(jì)劃要求以及統(tǒng)計(jì)量p3. 完成度的統(tǒng)計(jì)p4. 分享功能b) 計(jì)劃制定p1. 自定義鍛煉計(jì)劃共4種方案/ 1 /以鍛煉時(shí)間為基準(zhǔn)設(shè)置每周的運(yùn)動(dòng)時(shí)間(小時(shí))詳情:考慮到以天為單位的鍛煉計(jì)劃缺乏彈

15、性,以周為單位的鍛煉計(jì)劃更加合理。而且周六日的空閑時(shí)間會(huì)比較多,所以在今日計(jì)劃的建議中分配的權(quán)重會(huì)相對(duì)工作日更大。/ 2 /以跑步距離為基準(zhǔn)設(shè)置每周的跑步距離(公里)詳情:考慮到以天為單位的鍛煉計(jì)劃缺乏彈性,以周為單位的鍛煉計(jì)劃更加合理。而且周六日的空閑時(shí)間會(huì)比較多,所以在今日計(jì)劃的建議中分配的權(quán)重會(huì)相對(duì)工作日更大。/ 3 /以降低體重為基準(zhǔn)設(shè)置計(jì)劃減低的體重(斤)設(shè)置此計(jì)劃用時(shí)(天)詳情:考慮到減肥具有很強(qiáng)的目的性,所以提供降低的體重和計(jì)劃用時(shí)兩個(gè)選項(xiàng)讓用戶進(jìn)行選擇。然后在后臺(tái)利用“動(dòng)態(tài)體重估測(cè)模型”(見下)進(jìn)行模擬,提供參考價(jià)值高的建議/ 4 /以消耗的卡里路為基準(zhǔn)設(shè)置每天需要通過運(yùn)動(dòng)消耗

16、的卡路里(卡路里)詳情:考慮到選擇此選項(xiàng)的人會(huì)對(duì)卡路里的攝入比較關(guān)心,所以我們以天為一個(gè)設(shè)置單位。p2. 已制定的計(jì)劃展示已制定的計(jì)劃c) 歷史記錄手段:讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)p1. 展示最近一周(從本周一開始展示)的記錄/ 1 /分類方法:歷史記錄最近一周內(nèi)每天的總統(tǒng)計(jì)每天的每個(gè)時(shí)間端的統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間段的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及各種細(xì)節(jié)/ 2 /獲取最近一周的天氣情況結(jié)合智能手表中的藍(lán)牙數(shù)據(jù),動(dòng)態(tài)顯示天氣的情況p2. 一周前的記錄按照月份進(jìn)行組織設(shè)計(jì)同上,不過進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。d) 健康資訊p1. 自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至一個(gè)講解跑步鍛煉相關(guān)的知識(shí)的網(wǎng)站3. 賬號(hào)管理界面a) 查看本機(jī)的賬號(hào),進(jìn)行更刪改查b) 跳轉(zhuǎn)至賬號(hào)注冊(cè)界面4

17、. 賬號(hào)注冊(cè)界面a) 輸入基本數(shù)據(jù)b) 把用戶與智能手表進(jìn)行綁定c) 把用戶的基本信息寫入用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)5. 數(shù)據(jù)同步界面a) 利用藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步b) 將獲得的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)七、算法亮點(diǎn)1. 動(dòng)態(tài)體重估測(cè)模型:對(duì)體重變化進(jìn)行非線性模擬對(duì)有需要減肥的朋友提供更靠譜的指導(dǎo)使用固定的減少飲食或增加運(yùn)動(dòng)的減肥策略,減肥效果會(huì)越來越差,因?yàn)闇p重的效果并非線性遞減,而是逐漸趨緩的。告訴你想在X天內(nèi)減肥Y千克,飲食跟運(yùn)動(dòng)習(xí)慣該如何調(diào)整,可不是簡(jiǎn)單的1千克含幾千卡熱量所以減肥幾千克要少吃幾千卡這種簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算。模型以及算法的詳細(xì)說明:2. 計(jì)步算法: 我們利用了其三軸加速計(jì)(x,y,z軸代表方向如圖)的

18、特性來分析。分別用以檢測(cè)人步行中三個(gè)方向的加速度變化。  用戶在水平步行運(yùn)動(dòng)中,垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化,如圖所示,在步行收腳的動(dòng)作中,由于重心向上單只腳觸地,垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢(shì),之后繼續(xù)向前,重心下移兩腳觸底,加速度相反。水平加速度在收腳時(shí)減小,在邁步時(shí)增加。因?yàn)橛脩粼谶\(yùn)動(dòng)中可能手平持設(shè)備或者將設(shè)備置于口袋中,所以設(shè)備的放置方向不定,為此我們通過計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長(zhǎng)度,獲得一條步行運(yùn)動(dòng)的正弦曲線軌跡。第二步是峰值檢測(cè),我們記錄了上次矢量長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)方向,通過矢量長(zhǎng)度的變化,可以判斷目前加速度的方向,并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較,如果是相反的

19、,即是剛過峰值狀態(tài),則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步,否則舍棄。通過對(duì)峰值的次數(shù)累加可得到用戶步行步伐。最后是去干擾,手持設(shè)備會(huì)有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài),或是我們俗稱的手抖,或者某個(gè)惡作劇用戶想通過短時(shí)快速反復(fù)搖動(dòng)設(shè)備來模擬人走路,這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除,會(huì)影響記步的準(zhǔn)確值,對(duì)于這種干擾,我們可以通過給檢測(cè)加上閾值和步頻判斷來過濾。算法如下:for (int m=0;m<N_FFT;m+) accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); /讀取6050數(shù)據(jù) Ax=ax/16384.00; A

20、y=ay/16384.00; Az=az/16384.00; data_of_N_FFTm.real = sqrt(Ax*Ax)+(Ay*Ay)+(Az*Az);/輸入采樣數(shù)據(jù) data_of_N_FFTm.imag = 0; FFT();/進(jìn)行 FFT計(jì)算 /進(jìn)行低通濾波,濾掉高頻部分for(intii=20;ii<N_FFT;ii+)data_of_N_FFTii.imag=0;data_of_N_FFTii.real/*IFFT();/進(jìn)行 IFFT計(jì)算 data_of_N_FFTN_FFT.real =data_of_N_FFTN_FFT-1.real;/輸入采樣數(shù)據(jù) stepc

21、=stepc+countstep(N_FFT);int countstep( int n)int count=0; int maxi=0,mini=0;double dataMAX=IFFT_RESULT(0); double dataMIN=IFFT_RESULT(0);double theTop=IFFT_RESULT(0); double theLow=IFFT_RESULT(0);/bool findTop=0,findLow=0;for(int i=1;i<n-1;i+)if(IFFT_RESULT(i)>=dataMAX)/求波峰 dataMAX=IFFT_RESULT

22、(i); if(IFFT_RESULT(i+1)<dataMAX) /在這個(gè)數(shù)據(jù)比上一個(gè)最大值還大時(shí),看下一個(gè)值是不是比這個(gè)值小,小的話這里的就是波峰 / if(i>n-1) count=count+1; theTop=dataMAX; maxi=i;dataMIN=IFFT_RESULT(i);/%重新設(shè)置比較的起點(diǎn) if(IFFT_RESULT(i+1)<=dataMIN)dataMIN=IFFT_RESULT(i); mini=i+1; if(IFFT_RESULT(i+2)>dataMIN) /%在這個(gè)數(shù)據(jù)比上一個(gè)最小值還小時(shí),看下一個(gè)值是不是比這個(gè)值大,大的話

23、這里的就是波谷 if(abs(dataMIN-theTop)>0.35 && abs(maxi-mini)>15 ) /這個(gè)閥值目前還沒通過實(shí)驗(yàn)確定,算法也太過簡(jiǎn)單待完善 count=count+2; dataMAX=IFFT_RESULT(i);/%重新設(shè)置比較的起點(diǎn) return count;八、產(chǎn)品的外包裝在產(chǎn)品的包裝上,在保證了把我們的電路包裝在一個(gè)包裝殼的前提下,我們追求我們的外包裝的美觀,以及能夠保證電路系統(tǒng)能夠充分的散熱,我們對(duì)電路的各部分進(jìn)行了測(cè)量,通過proe繪制了我們的外殼的零件圖,并最終通過3d打印,把我們的產(chǎn)品的外包裝設(shè)計(jì)了出來。產(chǎn)品最終的效果圖如下:九、產(chǎn)品的測(cè)試我們

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