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物聯(lián)網(wǎng)中高可靠低功耗長壽命繼電器方案_固態(tài)繼電器

jf_94171069 ? 來源:jf_94171069 ? 作者:jf_94171069 ? 2024-09-23 15:53 ? 次閱讀

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用的固態(tài)繼電器

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用固態(tài)繼電器的原因主要基于固態(tài)繼電器的多個顯著優(yōu)點,這些優(yōu)點使得固態(tài)繼電器成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中控制電路的理想選擇。以下是詳細(xì)的原因分析:

高可靠性和長壽命

機械部件:固態(tài)繼電器采用半導(dǎo)體材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磁繼電器的機械觸點,因此沒有機械磨損和疲勞問題,從而大大提高了其可靠性和使用壽命。這種特性使得固態(tài)繼電器在需要高可靠性和長壽命的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中尤為適用。

耐環(huán)境能力強:固態(tài)繼電器對振動、沖擊、濕度等環(huán)境因素不敏感,能夠在惡劣的工作環(huán)境中穩(wěn)定運行。這對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中可能面臨的復(fù)雜環(huán)境條件尤為重要。

低功耗和快速響應(yīng)

低功耗:固態(tài)繼電器的電流控制電路只需要少量電流即可控制,相比傳統(tǒng)繼電器能夠顯著降低功耗。這對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中需要長時間運行且對能耗有嚴(yán)格要求的設(shè)備來說,是一個重要的優(yōu)勢。

快速響應(yīng):固態(tài)繼電器的響應(yīng)速度非??欤话阒恍枰獛缀撩氲臅r間即可完成開關(guān)動作。這種快速響應(yīng)能力使得固態(tài)繼電器在需要快速切換電路的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

電氣隔離和安全性

電氣隔離:固態(tài)繼電器通常具有輸入和輸出之間的電氣隔離功能,這意味著輸入信號與輸出信號之間沒有直接的電氣連接。這種隔離可以提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力,防止外部干擾對系統(tǒng)造成影響。

安全性高:由于固態(tài)繼電器沒有機械觸點,因此不會產(chǎn)生電弧或火花等潛在的安全隱患。這對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中需要控制易燃易爆或高壓設(shè)備的場景來說尤為重要。

易于集成和控制

易于集成:固態(tài)繼電器體積小、重量輕,易于與其他電子元件集成在一起。這使得固態(tài)繼電器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中能夠方便地與其他設(shè)備或模塊進行連接和集成。

控制靈活:固態(tài)繼電器可以通過數(shù)字信號模擬信號進行控制,使得其控制方式更加靈活多樣。這種靈活性使得固態(tài)繼電器能夠適應(yīng)不同物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的控制需求。

應(yīng)用廣泛

工業(yè)自動化:在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,固態(tài)繼電器可以用于控制機器人、自動化生產(chǎn)線等設(shè)備的開關(guān),實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

智能家居:固態(tài)繼電器還可以用于智能家居系統(tǒng)中,控制家庭電器的開關(guān),如燈光、窗簾、空調(diào)等,實現(xiàn)智能家居控制。

電力電子:在電力電子領(lǐng)域,固態(tài)繼電器可以用于逆變器、變頻器、電磁爐等設(shè)備的控制,提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

其他具體應(yīng)用

自動化和控制系統(tǒng):固態(tài)繼電器廣泛用于自動化和控制系統(tǒng)中,包括工業(yè)自動化、樓宇自動化、機器控制等。它們可以實現(xiàn)對電流的快速、可靠的開關(guān)控制,用于驅(qū)動電動機、執(zhí)行器、電磁閥等設(shè)備。

電力分配和開關(guān)控制:固態(tài)繼電器被用于電力分配系統(tǒng)和開關(guān)控制應(yīng)用。它們可以用于電力開關(guān)、斷路器控制、配電盤控制、電力監(jiān)控等領(lǐng)域,提供高速、可靠的電流開關(guān)功能。

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照明控制:固態(tài)繼電器用于照明控制是常見的應(yīng)用之一。它們可以實現(xiàn)對燈光的開關(guān)控制,包括室內(nèi)照明、戶外照明、舞臺照明等。固態(tài)繼電器的快速響應(yīng)和長壽命使其成為照明控制的理想選擇。

溫度控制和加熱系統(tǒng):固態(tài)繼電器廣泛用于溫度控制和加熱系統(tǒng)中。它們可以實現(xiàn)對加熱元件(如加熱器、熱交換器)的精確開關(guān)控制,用于溫度調(diào)節(jié)、熱處理、熱風(fēng)爐控制等應(yīng)用。

醫(yī)療設(shè)備:固態(tài)繼電器在醫(yī)療設(shè)備中具有重要的應(yīng)用。它們用于控制醫(yī)療設(shè)備的電流開關(guān),包括醫(yī)療成像設(shè)備、手術(shù)器械、實驗室儀器等。

電動交通工具:固態(tài)繼電器也用于電動交通工具中,如電動汽車、電動自行車等。它們可以實現(xiàn)對電動車輛的電流開關(guān)控制,包括電機驅(qū)動、充電控制等功能。

總的來說,固態(tài)繼電器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,由于其快速響應(yīng)、可靠性高和壽命長等優(yōu)點,成為電流開關(guān)控制的重要工具。

綜上所述,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用固態(tài)繼電器的原因主要包括其高可靠性、長壽命、低功耗、快速響應(yīng)、電氣隔離、安全性高、易于集成和控制以及廣泛的應(yīng)用場景等多個方面。這些優(yōu)點使得固態(tài)繼電器成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中控制電路的重要選擇。

本文會再為大家詳解繼電器家族中的一員——固態(tài)繼電器。

固態(tài)繼電器的定義

固態(tài)繼電器是一種完全由固態(tài)電氣元件組成的非接觸式開關(guān),可以以較小的控制信號驅(qū)動大電流負(fù)載。無觸點開關(guān)器件,輸入直流或脈沖信號,中間光耦隔離,輸出從斷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)。由于電氣元件(即開關(guān)晶體管、可控硅等半導(dǎo)體元件)的開關(guān)特性,它可以實現(xiàn)無接觸和無火花的開關(guān)。

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固態(tài)繼電器的原理

從DW1、DW2上取出的削頂正弦信號經(jīng)反相器BG1輸出方波再經(jīng)運算放大器A輸出尖峰脈沖信號。尖峰脈沖加在D3~D6的交流對角線與SCR的控制極和陰極間,D3~D6的直流對角線接在光電耦合器的輸出端。當(dāng)從A、B輸入低壓小電流信號時,二極管發(fā)光,光敏管導(dǎo)通,于是從A運算放大器中輸出的尖峰脈沖觸發(fā)SCR導(dǎo)通,角載RL得電。A、B無信號輸入時,光電耦合器BG2截止,尖峰脈沖通不過而使SCR不能導(dǎo)通。

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固態(tài)繼電器的分類

按控制方式

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開關(guān)控制 循環(huán)控制 相位控制

按負(fù)載輸出方式分類

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根據(jù)控制的負(fù)載性質(zhì),分為直流固態(tài)(輸出用MOS管、IGBT等控制)和交流固態(tài)(輸出用可控硅控制)

按相數(shù)分類

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單相固態(tài)繼電器 三相固態(tài)繼電器。

基于內(nèi)部元件和工作原理的分類

MOSFET SSR:金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)SSR以其高速開關(guān)能力和低功耗而聞名,非常適合快速響應(yīng)時間至關(guān)重要的應(yīng)用。

光隔離SSR:包含一個光耦合器,用于在輸入和輸出之間提供電氣隔離,廣泛用于需要防止電壓尖峰和噪聲的應(yīng)用。

混合SSR:結(jié)合了SSR和機電繼電器的優(yōu)點,保障機電繼電器的可靠性,同時保持SSR的優(yōu)點。

中壓SSR:可處理100V至600V的負(fù)載電壓,適用于工業(yè)自動化和HVAC系統(tǒng)。

高壓SSR:設(shè)計用于控制超過600V的負(fù)載,例如配電箱、光伏逆變器和電動汽車充電站。

單刀雙擲(SPDT)SSR:具有一個輸入和兩個輸出端子,允許在兩個不同負(fù)載之間切換。

按開關(guān)形式分類

常開型

常閉型

按輸入方式分類

電阻限流直流

恒流直流

交流等類型

按隔離型式分類

混合型

變壓器隔離型

光隔離型等多種,其中光隔離型應(yīng)用最多。

按觸發(fā)方式分類

過零觸發(fā)型ACSSR:當(dāng)控制信號輸入后,在交流電源經(jīng)過零電壓附近時導(dǎo)通,故干擾很小。

隨機導(dǎo)通型ACSSR:在交流電源的任一相位上導(dǎo)通或關(guān)斷,在導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾,并且它內(nèi)部的晶閘管容易因功耗大而損壞。

固態(tài)繼電器的選型參數(shù)

1、輸入電壓Vi--在規(guī)定的環(huán)境溫度下,施加至輸入端能使固體繼電器正常工作的電壓范圍。

2、輸入電流Ii--在規(guī)定的環(huán)境溫度下,在規(guī)定輸入電壓下,流入固體繼電器輸入回路的電流值。

3、保證接通電壓Vicmin--保證常開型固體繼電器輸出電路接通時施加在輸入端的電壓的最低值。類似于電磁繼電器的動作最大值。該值一般為固體繼電器的輸入電壓范圍的下限值。即在輸入端施加該電壓或大于該電壓時固體繼電器確保接通。

4、保證關(guān)斷電壓Vismax--保證常開型固體繼電器輸出電路關(guān)繼時施加在輸入端的最高值。類似于電磁繼電器釋放電壓最小值。即在輸入端施加該電壓或低于該電壓值時,固體繼電器確保關(guān)繼。

5、反極性電壓Virmax--能夠加在固體繼電器的輸入端上而舉造成永久性損壞的最大允許反極性電壓。該值一般確定為輸入電壓范圍的上限值。

6、偏壓Vcb--在具有多路輸出電路的繼電器或輸入與CMOS電平兼容的繼電器中,需要以偏置電源對輸入控制信號進行放大或轉(zhuǎn)換。該項參數(shù)規(guī)定了使繼電器正常工作的偏置電源電壓范圍。

7、偏流Icb--在規(guī)定的環(huán)境溫度下,在規(guī)定偏壓下,流入固體繼電器偏置回路的電流值。

8、輸出電壓Vlmax--在規(guī)定的環(huán)境溫度下固體繼電器能夠承受的最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電源電壓。一般還應(yīng)規(guī)定,繼電器能正常接通和關(guān)繼的最小值輸出電壓。

9、輸出電流Ilmax--在規(guī)定的環(huán)境溫度下,固體繼電器允許使用的最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流值。一般還應(yīng)規(guī)定,繼電器能正常接通和關(guān)繼的最小輸出電流。

10、輸出電壓降或輸出接通電阻Ron--在規(guī)定環(huán)境溫度下,固體繼電器處于接通狀態(tài),在額定工作電流下,兩輸出端之間的壓降或電阻值。

11、輸出漏電流Iol--在規(guī)定的環(huán)境溫度下,固體繼電器處于關(guān)繼狀態(tài),輸出端為額定輸出電壓時,流經(jīng)負(fù)載的電流(有效)值。

12、接通時間Ton--當(dāng)使常開型固體繼電器接通時,從加輸入電壓至保證接通電壓開始到輸出端電壓(或負(fù)載電壓)達(dá)到其電壓最終變化的90%為止之間的時間間隔。

13、關(guān)繼時間Toff--當(dāng)使常開型固體繼電器關(guān)繼時,從切除輸入電壓至保證關(guān)繼電壓開始到輸出電壓(或負(fù)載電壓)達(dá)到其電壓最終變化的90%為止之間的時間間隔。

14、瞬態(tài)電壓Vins--在規(guī)定的環(huán)境溫度下,處于關(guān)狀態(tài)時固體繼電器輸出端能夠承受的不被擊穿或失去阻繼功能的最大瞬時電壓。

15、過負(fù)載和浪涌電流Isur--按總規(guī)范的規(guī)定,固體繼電器的過負(fù)載為3.5倍額定輸出電流、脈沖寬度100ms、周期1s、循環(huán)10次的浪涌電流值或詳細(xì)規(guī)范所規(guī)定的其它循環(huán)方式的浪涌電流。交流固體繼電器一般還可承受脈沖寬度為50HZ 1個周波(20ms)的8~15倍于額定輸出電流的非重復(fù)浪涌電流。

16、最小額定電流Ilmin--為使交流固體繼電器正常接通,能滿足規(guī)定的直流失調(diào)節(jié)器電壓和波形失真要求的繼電器的最小負(fù)載電流。一般直流固體繼電器出應(yīng)規(guī)定其適用的最小電流。

17、零點交越--具有此零點交越特性的交流固體繼電器,施加輸入電壓后,只在隨后的規(guī)定的零電壓時接通,切除輸入電壓后,只在隨后的規(guī)定的零負(fù)載電流時關(guān)斷,而與輸入電壓施加或切除的時間無關(guān)。

18、電壓指數(shù)上升率(dv/dt)--在規(guī)定的環(huán)境溫度下,固體繼電器輸入端施加零輸入電壓,輸出端能夠承受的不使其接通的最小電壓上升率??傄?guī)定規(guī)定該值為100V/us,某些產(chǎn)品可達(dá)200~500V/us。

19、絕緣電阻Rins--固體繼電器輸入端與輸出端,輸入端、輸出端與外殼之間加500V直流電壓測量的電阻值。注意,不允許測量同一輸入(或輸出)電路引出端之間的絕緣電阻,測量之前應(yīng)將它們短接。

20、介質(zhì)耐壓--固體繼電器輸入端與輸出端,輸入端、輸出端外殼之間能承受的最大電壓值。注意,不允許測量同一輸入(或輸出)電路引出端之間的介質(zhì)耐壓,測量之前應(yīng)將它們短接。

21、工作濕度--繼電器按規(guī)范安裝或不安裝散熱器時,其正常工作的環(huán)環(huán)境溫度范圍。

22、儲存溫度--在非工作狀態(tài)下,不出現(xiàn)永久性的電性能變化或機械損壞的環(huán)境溫度范圍。

固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點

優(yōu)點:

電磁干擾?。汗虘B(tài)繼電器沒有輸入"線圈",沒有觸點燃弧和回跳,因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關(guān),在零電壓處導(dǎo)通,零電流處關(guān)斷,減少了射頻干擾,減少了電流波形的突然中斷,從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。

高壽命,高可靠:SSR沒有機械零部件,由固體器件完成觸電功能,由于沒有運動的零部件,因此能在高沖擊,振動的環(huán)境下工作,由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性,決定了固態(tài)繼電器的壽命長,可靠性高。

靈敏度高,控制功率小,電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬,驅(qū)動功率低,可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器

快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因為采用固體器件,所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。

缺點:

半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流,因此不能實現(xiàn)理想的電隔離。

電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差,耐輻射能力也較差,如不采取有效措施,則工作可靠性低。

固態(tài)繼電器對過載有較大的敏感性,必須用快速熔斷器或RC阻尼電路對其進行過載保護。固態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度明顯有關(guān),溫度升高,負(fù)載能力將迅速下降。通常用于功率控制的固體繼電器是針對負(fù)載或設(shè)計成交流輸出或設(shè)計成直流輸出,而不設(shè)計成既和用于交流負(fù)載,又可用于直流負(fù)載。

導(dǎo)通后的管壓降大,可控硅或雙相控硅的正向降壓可達(dá)1~2V,大功率晶體管的飽和壓漿液在1~2V之間,一般功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機械觸點的接觸電阻大。

由于管壓降大,導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大,大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器,其輸出功率與環(huán)境和外殼溫度有關(guān),成本也較高。

通常固體繼電器設(shè)計成單刀單擲形式,這樣比較容易實現(xiàn),多組和多組轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)需要用幾個相互連接和適當(dāng)連鎖的固體繼電器,這些固體繼電器基本上是積木式堆疊在一起,形成一個占地較大空間的復(fù)雜裝置。大功率固體繼電器,由于需用散熱片,就進一步增加了所有空間和成本。

固態(tài)繼電器的使用注意事項

電阻性負(fù)載不能超過額定電流的60%。

電感性或容性負(fù)載不能超過額定電流的40%,在控制感性負(fù)載時,一定要考慮負(fù)載的啟動性,盡量選耐電壓高的產(chǎn)品,因為感性負(fù)載有6倍左右 的反峰值電壓。

固態(tài)繼電器導(dǎo)通時,兩端總有壓降,會產(chǎn)生焦耳熱尤其是大電流工作時更加突出,電流10A時必須加裝散熱器,電流大于40A時,需加風(fēng)扇強冷 或水冷。

過流和負(fù)載短路可能造成SSR內(nèi)部可控硅永久性失效,所以必須加裝熔斷器或空氣開關(guān),小容量可選用保險絲。

過壓保護可采用并聯(lián)壓敏電阻,根據(jù)用戶要求也可內(nèi)置壓敏電阻。固態(tài)繼電器是半導(dǎo)體器件的組合裝置。它具有無觸點,壽命長,可靠性高,使用安全,電磁干擾小等優(yōu)點。

直流固態(tài)繼電器的控制電壓范圍通常為3.6~7V,其輸入電流典型值為7mA左右,可與TTL電路兼容。輸入可與CMOS電路兼容的固態(tài)繼電器,其輸入電流一般不超過250μA,但需加偏置電壓。

固態(tài)繼電器的輸出電壓通常是指加至繼電器輸出端的穩(wěn)態(tài)電壓。而瞬態(tài)電壓則是指繼電器輸出端可以承受的最大電壓。在使用中,一定要保證加至繼電器輸出端的最大電壓峰值低于繼電器的瞬態(tài)電壓值。在切換交流感性負(fù)載、單相電機和三相電機負(fù)載,或這些負(fù)載電路上電時,繼電器輸出端可能出現(xiàn)兩倍于電源電壓峰值的電壓。對于此類負(fù)載,選型時應(yīng)給固態(tài)繼電器的輸出電壓留出一定余量。

對于感性負(fù)載和容性負(fù)載,當(dāng)交流固態(tài)繼電器在關(guān)斷時,有較大的dv/dt (電壓指數(shù)上升率)加至繼電器輸出端,為此應(yīng)選用dv/dt較高的固態(tài)繼電器。

固態(tài)繼電器的輸出電流通常是指流經(jīng)繼電器輸出端的穩(wěn)態(tài)電流。但是由于感性負(fù)載、容性負(fù)載引起的浪涌電流問題以及電源自身的浪涌電流問題,在選型時應(yīng)當(dāng)給固態(tài)繼電器的輸出電流留出一定余量。

固態(tài)繼電器的廠商

德力西:中國的一家知名品牌,提供低壓配電以及工業(yè)自動化領(lǐng)域的全面解決方案。

歐姆龍(OMRON):日本的一家全球知名的自動化控制及電子設(shè)備制造商,其固態(tài)繼電器產(chǎn)品在市場上具有較高的知名度。

菲尼克斯(Phoenix Contact):德國的一家知名電氣連接、電子接口和工業(yè)自動化技術(shù)的制造商,其固態(tài)繼電器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化領(lǐng)域。

昌得:這也是中國的一家知名品牌,專注于固態(tài)繼電器的研發(fā)和生產(chǎn)。

Celduc(法國賽德):這是一家法國公司,專注于電氣工程和電子產(chǎn)品的制造,是固態(tài)繼電器領(lǐng)域的專家之一。

此外,還有松下(Panasonic)、泰科TE)、施耐德(Schneider)、西門子(SIEMENS)等國際知名品牌也生產(chǎn)固態(tài)繼電器產(chǎn)品。在國內(nèi),除了上述提到的品牌外,還有一些軍品廠家如桂林航天電子有限公司、北京科通、貴州航天電器、振華群英無線電器材廠等也生產(chǎn)固態(tài)繼電器。而宏發(fā)、正泰、三友等則是國內(nèi)知名的民用固態(tài)繼電器生產(chǎn)廠家。

供應(yīng)商A:德力西集團有限公司

https://www.delixi.com/

1、產(chǎn)品能力

(1)主推型號1:CDG1

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

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德力西CDG1單相固態(tài)繼電器產(chǎn)品采用半導(dǎo)體元件組裝固化而成的一種新穎的無觸點開關(guān)。產(chǎn)品具有開關(guān)速度快、工作頻率高、噪聲低和動作穩(wěn)定,無火花等一系列優(yōu)點。不僅替代了機電式繼電器而且應(yīng)用于數(shù)字程控裝置、電機控制裝置、調(diào)溫裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及計算機終端接口電路,適用于動作頻繁防爆耐潮和耐蝕的特殊場合。由外殼、電子線路板、阻燃工程塑料外殼、金屬散熱底板、可控硅組成。采用專用光電耦合器隔離,具有工作穩(wěn)定、開關(guān)速度快、工作頻率高、噪聲低、功耗低、外形美觀、安裝使用方便等優(yōu)點。

參數(shù)詳情:

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硬件參考設(shè)計

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奇跡物聯(lián)的業(yè)務(wù)服務(wù)范圍:基于自研的NB-IoT、Cat1、Cat4等物聯(lián)網(wǎng)模組,為客戶物聯(lián)網(wǎng)ODM/OEM解決方案服務(wù)。我們的研發(fā)技術(shù)中心在石家莊,PCBA生產(chǎn)基地分布在深圳、石家莊、北京三個工廠,滿足不同區(qū)域&不同量產(chǎn)規(guī)模&不同產(chǎn)品開發(fā)階段的生產(chǎn)制造任務(wù)。跟傳統(tǒng)PCBA工廠最大的區(qū)別是我們只服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)客戶。

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