描述

古斯

了解社交距離的游戲。

你要解決什么問題？

保持社交距離對于控制 COVID-19 大流行至關重要。GUS 是一款“了解社交距離的游戲”。它專為在教室環境中使用而設計。該項目的目標是幫助孩子們了解病毒如何在人與人之間傳播，以及社交距離對疾病傳播的影響。

你打算構建什么來解決這個問題？

GUS 是一種可穿戴設備（GUS 徽章），用于模擬疾病的傳播。班上的每個學生都會收到一個 GUS 徽章，它將成為藍牙網狀網絡中的一個節點。老師將有老師的徽章。GUS 希望就可以輕松傳播的看不見的病毒創造切實的概念。

該模擬使用了一個非常粗略的近似值，即病毒如何根據人群成員之間的距離在人群中傳播。它探討了口罩和疫苗接種如何影響病毒的傳播。這就像一個標簽游戲，只是你不知道“它”是誰，也不知道誰被標簽了。

GUS 具有三種操作模式：

• 課堂模式- 在課堂模式下，假設學生坐在網格模式中，就像您通常在課堂上一樣。教師證用于設定初始感染者、佩戴口罩、接種疫苗等初始條件。接下來，教師設置行數以及它們之間的間距。在分析階段，GUS 徽章眼睛的顏色表明誰被感染，誰健康。
• GUS 標簽模式- 在GUS 標簽模式下，GUS 徽章能夠確定它們與其他徽章的接近程度。學生將在正常上學期間佩戴徽章，而 GUS 會跟蹤他們遵守社交距離準則的情況。當兩名學生非常接近時，GUS 會識別出一次接觸事件。在一天結束時，可以分析結果。老師使用老師的徽章來探索班級的社交距離行為。
• GUS Tag Live 模式- 這與 GUS Tag 模式相同，只是徽章會實時顯示誰是健康的，誰是被感染的。當學生離受感染的學生太近時，它會給學生即時反饋。此外，它還制作了更好的演示視頻。

GUS 的目標不是提供課堂課程。目標是為教師提供一個工具來開啟關于社交距離的討論，并以一種有趣的方式進行討論。

目標

• 創建一個有用的教育工具。
• 使用 nRF5340DK
• 了解藍牙 Mesh 網絡。

網絡

GUS 網絡是一個藍牙網狀網絡，由一個教師證卡客戶端節點和兩個或多個 GUS 證卡服務器節點組成。使用 Nordic nRF Mesh 智能手機應用程序完成配置。我建立了九個 GUS 徽章，除了距離檢查外，我發現兩個或九個節點之間沒有性能下降。我的距離檢查方案使用循環法。添加節點會增加網絡流量并降低節點向教師報告的頻率。可以管理的徽章數量的實際限制可能要高得多。

用戶界面

GUS 教師徽章

教師證上的顯示分為三個頁面：Badges 、Config和Analysis 。頂部的三個按鈕用于選擇所需的頁面。

• 掃描- 查詢 GUS 徽章的網狀網絡，并將分配給每個徽章的名稱添加到左側的名稱列表滾動控件。
• 識別- 使所選徽章的“眼睛”閃爍。
• Virus 、Mask和Vaccine是用于設置和顯示所選徽章狀態的復選框。名稱列表中的名稱前面帶有特殊字符，表示病毒（星號）、蒙面（wifi）或疫苗（加號）。
• 編輯名稱顯示一個鍵盤，允許教師為徽章分配新名稱。常用名稱列表用作默認值。

• 下拉控件允許教師在課堂、GUS Tag和GUS Tag Live模式之間進行選擇。
• 行數控件指定班級被組織成課堂模擬的行數。
• 空間編號控件指定用于教室模擬的學生分隔空間。
• 速率數字控件指定感染速率并影響兩種模式。增加感染率會增加感染傳播的速度。1.2 的感染率通常與 COVID-19 病毒有關。

• 錄制按鈕在課堂模式中不顯示。單擊它開始記錄徽章聯系人。在記錄時，“感染”會隨著感染的總數更新。進度條顯示感染百分比。再次單擊錄制將停止錄制。
• << （倒帶）、 > （播放）和 >| （步驟）允許查看課堂模擬或 GUS 標簽模式記錄。GUS 徽章的眼睛從綠色變為紅色，表示感染的傳播。

GUS 徽章

GUS 徽章使用其兩個“眼睛”R、G、B LED 指示其當前狀態：

Left    Right    Description
RGB     RGB      Identify - Flashing in Red, Green, and Blue
Green   Green    Healthy, no mask, no vaccine
Green   Yellow   Healthy, with mask
Blue    Blue     Healthy, with vaccine
Blue    Yellow   Healthy, with mask and vaccine
Red     Red      Infected, no mask and no vaccine
Yellow  Red      Infected, with mask
Blue    Red      Infected, with vaccine
Yellow  Yellow   Infected, with mask and vaccine
Off     Off      Badges are inactive

示范

?

該視頻演示了 GUS 使用紙孩子而不是真實的東西。它經過大量編輯以適應指定的時間限制。它顯示了以下特點：

• 掃描徽章
• 編輯徽章名稱
• 將學生標記為感染病毒
• 配置課堂模式模擬
• 分析模擬
• 用口罩和疫苗標記學生
• 重新運行修改后的模擬
• 配置 GUS Tag Live 模式（在感染發生時顯示感染）
• 記錄學生之間的聯系并查看效果。

構建項目

該項目的代碼可在 github 上找到（參見代碼部分）。GUS 徽章和教師徽章有不同的項目。它還需要安裝Nordic nRF Connect SDK版本 1.5.0（1.5.1 構建但尚未經過測試）。

GUS徽章項目

構建和下載 GUS 徽章代碼就像按照北歐關于構建和編程示例應用程序的說明一樣簡單。只需為項目使用 GUS 徽章文件夾，對于需要瀏覽到GUS 項目文件夾中的board\arm\gus_bl652文件夾的電路板名稱。

GUS教師項目

構建 GUS 教師項目需要幾個額外的步驟：

• 需要修改 SDK 以支持 adaFruit 展示。請按照GUS Teacher 項目中的README.md文件中的注意事項進行操作。
• nRF5340板在使用前可能需要準備。按照SES指令中的網絡示例編程。

之后，可以使用與 GUS 徽章中相同的步驟構建和加載 GUS Teacher 項目，使用 GUS Teacher 作為項目，使用nrf5340dk_nrf5340_cpuapp作為板名。

供應

對 GUS 徽章和教師徽章進行編程后，需要使用nRF Mesh 智能手機應用程序配置網狀網絡。網狀網絡需要：

• 1 個應用程序密鑰
• 1 組名GUS Group

Gus_Teacher 的元素 1 的供應商模型 0x0032 需要以下內容：

• 綁定應用程序密鑰 > 應用程序密鑰 1
• 出版物 > Gus Group
• 訂閱 > Gus Group

每個 Gus 徽章的供應商型號 0x0032 需要以下內容：

• 綁定應用程序密鑰 > 應用程序密鑰 1
• 出版物 > Gus Group
• 訂閱 > Gus Group

硬件

教師徽章

教師徽章的制作是微不足道的。只需將 Adafruit 顯示器插入 nRF5340DK 板上，將 USB 移動電源連接到 J2，為顯示器添加 3D 打印邊框和橡皮筋，您就擁有了高級可穿戴 GUS 教師徽章。

• nRF5340 硬件文檔
• adafruit 觸摸屏技術細節

GUS 徽章

制作 GUS 徽章稍微復雜一些。GUS 徽章建立在 30x35mm pcb 上，并使用 nRF52832 模塊 (Larid BL652)。我本來希望使用 nRF5340 模塊，但在項目開始時可用性受到限制。該電路非常簡單，除了電源和接地之外的所有走線都在一層，這使得我可以輕松構建自己的 PCB。

• J2是調試用的串口接口
• J3 是 JTAG 連接
• 除 TP4 外，其他測試點均未使用，TP4 在接地短路時會導致節點復位（從網狀網絡中移除）。

功耗約為 7-10 毫安，這對于紐扣電池供電的設備來說有點高。然而，CR2032 電池可以提供 220mah 的電量，這對于一節課甚至兩節課來說已經綽綽有余了。可充電電池可能是更好的解決方案。

軟件

藍牙網狀模型

GUS VENDOR MODE 是基于 nRF Connect SDK 網格聊天示例的自定義網格模型。教師徽章是客戶端節點，GUS 徽章是服務器節點。關鍵操作是：

• 登入
• 設置狀態
• 設置名稱
• 請求報告
• 檢查接近度

登錄是第一個需要運行的操作，但可以隨時運行。當點擊 GUI 上的掃描按鈕時會發生這種情況。它為客戶端提供了一種發現所有活動 GUS 徽章節點的地址并檢索與它們關聯的名稱的方法。教師徽章會發布登錄消息，并且所有已配置和活動的徽章都會以他們的名字進行響應。

Teacher          Badge1   Badge2  ...   BadgeN
  Signin----->-----^--------^-------------^       Published signin
     <-------------|                              Reply with name
     <----------------------|                            "
     <------------------------------------|              "

Set-State設置所有徽章或特定徽章的狀態。狀態通常是指健康/感染、戴口罩或接種疫苗，它們點亮 LED 眼睛以反映狀態。還可以識別導致 LED 在有限時間內閃爍的狀態或使 LED 變暗的關閉狀態。在模擬分析開始時，教師徽章向所有 GUS 徽章發布“健康” ，然后更新每個需要不同狀態的徽章的狀態。

Teacher             Badge1   Badge2  ...   BadgeN
  >-SS healthy--->----^--------^-------------^      Published set state healthy
  >-SS masked--->-----^                             Set State Badge1 masked
  >-SS infected->--------------^                    Set State Badge2 infected

Set-Name 更改與徽章關聯的名稱。它響應于在 GUI中點擊編輯名稱而發生。徽章名稱存儲在徽章上，并在登錄時檢索。徽章還包含基于徽章節點地址選擇的常用默認名稱列表（持久性未完全實現）。

Teacher             Badge1   Badge2  ...   BadgeN
  >-Set Name Bjorn ->----------^                    Name of Badge2 changed to Bjorn

請求報告是一項復雜的操作，它結合了從徽章中檢索聯系信息以及啟動附近的徽章檢查。當處于 GUS 標記模式時，它會響應點擊 GUI 中的“記錄”按鈕而發生。當徽章收到報告請求消息時，它會發送包含六個最近最重要聯系人列表的回復。然后，它會清除其聯系人列表并向所有其他徽章發布“檢查接近度”消息。任何看到Check Proximity消息的徽章都會將發件人的地址和消息的 RSSI 添加到自己的聯系人列表中。到教師徽章發送報告請求時對于每個 GUS 徽章，每個 GUS 徽章都有機會查看它們是否與其他任何徽章接觸。教師的徽章在錄制時以每五秒一次的速率發送報告請求，從而有時間進行近距離檢查。如果網絡中有 10 個 GUS 徽章，則需要 5 * 10 = 50 秒才能從所有徽章中檢索報告。

Teacher          Badge1   Badge2  ...   BadgeN
  Report Req->-----^                             Report requested from Badge1
     <-------------|                             Badge1 replies with contacts
                 Proximity--^-------^-----^      Badge1 publishes Proximity, all other
                                                   badges record contact if received.
  Report Req->--------------^                    Report requested from Badge2
     <----------------------|                    Badge2 replies with contacts
                   ^-Prox-<-|->-Prox--^---^      Badge2 publishes Proximity, all other
                                                   badges record contact if received.
...
  Report Req->----------------------------^      Report requested from BadgeN
     <-------------|                             BadgeN replies with contacts
                   ^--------^------Prox-<-|      BadgeN publishes Proximity, all other
                                                   badges record contact if received.
...                                              The process repeats while recording

關于藍牙 Mesh 的一條評論，我很難理解如何做我需要做的事情。看起來應該很簡單的問題，例如客戶端如何確定服務器節點的地址卻很難找到。幸運的是，北歐團隊能夠提供幫助。但似乎這樣的答案應該可以通過網絡搜索找到。

圖形用戶界面

GUI 使用LVGL庫，初始代碼主要來自 LVGL Widgets 演示。它使用消息隊列來保持響應而不影響代碼的其他部分。使用 Visual Studio 2019 在模擬器中運行代碼大大加快了 GUI 的開發。采用了許多快捷方式來加快開發速度，例如使用按鈕偽造選項卡對話框，而不是在嘗試使用選項卡式小部件時嘗試找到崩潰的根源。此外，與使用容器和填充物等適當的定位設備不同，控制位置和大小是硬編碼的。所以 GUI 實現并不是如何使用 LVGL 創建 GUI 的一個很好的例子。但結果看起來相當體面且反應靈敏（多虧了快速處理器）。

模擬

該模擬假設您的感染風險與與感染者的距離的平方成反比。而且風險是累積的，戴口罩大大降低了感染者戴口罩的風險，但只能適度保護口罩佩戴者，接種疫苗的人不會被感染，傳播病毒的機會也會降低。

模擬代碼有自己的消息隊列。該代碼保留一個活動徽章列表，其中包含初始感染狀態、蒙面、接種疫苗和病毒總暴露等信息。它還維護了任意兩個徽章之間的聯系人列表以及它們之間的距離，這會影響曝光級別。聯系人列表可能會變得相當大，可能會影響響應時間。計算總曝光的算法有時需要多次遍歷聯系人列表，這也會影響響應時間。然而，nRF5340 在滿足處理需求方面沒有問題，而且我從未注意到任何減速。

兩種操作模式，課堂和GUS 標簽模式都使用相同的聯系人列表和大部分相同的代碼。由于首先開發了Classroom代碼，因此它采用了更復雜的方法來處理聯系信息。實施GUS Tag模式代碼后，聯系人列表最終按時間組織得比最初預期的要好得多，從而簡化了處理過程。課堂模式代碼的代碼可以簡化，但到目前為止似乎沒有必要。

未來的擴展

如果有更多的時間，可以添加更多的功能。在GUS Tag 的當前實現中，直到分析階段才知道誰被感染或誰被感染。如果徽章離得太近或剛剛被感染，一項簡單的修改將使徽章實時響應。聯系人列表包含所有發生的接觸，因此可以嘗試不同的場景，即人們現在戴著口罩或最初感染了不同的人。還可以搜索特定徽章已進行的所有聯系或哪個徽章已進行了最多的聯系。如果徽章中的處理器升級到 nRF5340，則可以添加徽章之間的方向，允許教師徽章以圖形方式繪制徽章與時間的關系圖。

其他詳情

制作 PCB 本身就是一個有趣的小項目。KiCad 用于進行布局以及我們為簡化焊接和銑削所做的幾件事，例如移除 nRF532830 模塊不需要的焊盤和使 PCB 走線更粗。我關注了TeachingTech 的 YouTube 視頻，介紹了從布局到工廠的過程。這是一個 1:15 分鐘的 PCB 制作視頻。實際時間不到5分鐘。

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