描述

介紹

世界某些地區(qū)的學(xué)校資源非常有限，健康問題并未優(yōu)先考慮地方預(yù)算決定。

這些學(xué)校的孩子可能正在處理由病毒感染引發(fā)的發(fā)燒，并且在與其他孩子分享病毒后無法被識(shí)別。

該設(shè)備是一種廉價(jià)、移動(dòng)、節(jié)能的方式，可以獲取兒童的生命體征并將重要信息傳輸?shù)街醒胫笓]部健康中心以采取進(jìn)一步行動(dòng)。

動(dòng)機(jī)

從更國際化的角度來看，“無國界醫(yī)生”是緊急情況、流行病和自然災(zāi)害的全球第一響應(yīng)者。他們可以受益于可以鏈接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，該設(shè)備可以像 SigFox 這樣快速、輕松地部署。對(duì)流行病爆發(fā)的信息的快速共享可能是在當(dāng)?shù)囟糁苹蚋鼜V泛傳播疾病方面的區(qū)別。

我們希望該設(shè)備的簡(jiǎn)單性能夠收集空間、時(shí)間和生命體征數(shù)據(jù)，以便在受影響的學(xué)校迅速部署醫(yī)療資源。

請(qǐng)注意，我們使用手指溫度來識(shí)別發(fā)燒的兒童。這可能很棘手，我們還沒有找到正確的參數(shù)來自信地觸發(fā)發(fā)燒警報(bào)。我們希望進(jìn)一步的研究和與社區(qū)的互動(dòng)可以使我們的設(shè)置更接近可靠的系統(tǒng)。

材料

以下是我們用于設(shè)備的材料的快照。考慮到我們使用 MikroE 板時(shí)沒有合適的接口平臺(tái)板。電路板的緊湊格式和 I2C 接口便于連接。

SIGFOX 網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于無法建設(shè)大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施的地區(qū)，SigFox 網(wǎng)絡(luò)是明智的選擇。使用 SigFox Access Station Micro SMBS-T4 可以輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署。

我們使用 PyCom LoPy 4 板與 SigFox 網(wǎng)絡(luò)連接。首先，我們必須按照此處的說明在網(wǎng)絡(luò)上注冊(cè)設(shè)備。

注冊(cè)后，您必須將第一個(gè)有效負(fù)載發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)才能激活設(shè)備。在我們的案例中很困難，因?yàn)槲覀儺?dāng)?shù)氐某擎?zhèn)沒有 SigFox 網(wǎng)關(guān)。必須開車 80 英里才能到達(dá)最近的網(wǎng)關(guān)服務(wù)區(qū)。

現(xiàn)在設(shè)備已被激活，您可以使用 SigFox 后端服務(wù)器訪問消息和設(shè)置。

為了通過 REST Api 訪問您的設(shè)備組，您需要設(shè)置適當(dāng)?shù)臋?quán)限以允許訪問，您可以通過在后端服務(wù)器界面中選擇組來執(zhí)行此操作。

在左右菜單中選擇 API 訪問選項(xiàng)。

該頁面將更新并在右上角顯示一個(gè)新鏈接。點(diǎn)擊它。

Api 訪問創(chuàng)建表單將顯示您可以授予應(yīng)用程序訪問權(quán)限的配置文件。我們?cè)试S通過 REST API 訪問設(shè)備和消息。

按確定后，表單將刷新并顯示訪問組設(shè)置。在里面，您將看到分配的登錄名和密碼，這與您的后端服務(wù)器不同。使用 SigFoxApi 函數(shù)時(shí)將需要這些憑據(jù)。

我們可以在 SigFox -- 訪問數(shù)據(jù)部分訪問我們的設(shè)備消息。

我們都準(zhǔn)備好了，現(xiàn)在讓我們開發(fā)我們的設(shè)備和前端接入點(diǎn)。

設(shè)備

該設(shè)備將體溫讀取為心率，將數(shù)據(jù)保存在 SD 卡中，顯示數(shù)據(jù)并將信息發(fā)送到 SigFox 網(wǎng)絡(luò)，安裝在一個(gè)緊湊的移動(dòng)外殼中。目前，我們使用來自 5 折扣店的 USB 充電電池為設(shè)備供電。

洛皮 4

Pycom LoPy 4是一款支持四重承載 MicroPython 的開發(fā)板，支持 SigFox 網(wǎng)絡(luò)。

使用 SigFox 網(wǎng)絡(luò)需要按照 SigFox 網(wǎng)絡(luò)部分中的說明注冊(cè)設(shè)備。激活后，您可以使用以下類創(chuàng)建通信套接字。

下面的類使用適當(dāng)?shù)膮^(qū)域和頻率初始化 SigFox 無線電，然后創(chuàng)建通信套接字，最后將傳輸方向設(shè)置為上行鏈路。該類包括用于發(fā)送數(shù)據(jù)和關(guān)閉通信套接字的函數(shù)。

from network import Sigfox
import socket
import pycom
import time

class mySigFox():

    def __init__(self):
        self.loadSocket = False

    def loadSigFox(self):
        try:
            # init Sigfox for RCZ1 (Europe) RCZ2 (America, Mexico and Brazil)
            self.sigfox = Sigfox(mode=Sigfox.SIGFOX, rcz=Sigfox.RCZ2)

            # create a Sigfox socket
            self.s = socket.socket(socket.AF_SIGFOX, socket.SOCK_RAW)

            # make the socket blocking
            self.s.setblocking(True)

            # configure it as uplink only
            self.s.setsockopt(socket.SOL_SIGFOX, socket.SO_RX, False)
            self.loadSocket = True

        except Exception as e:
            print(e)


    def sendMsg(self, data):
        self.s.send(data)

    def closeSigFox(self):
        self.s.close()
        self.loadSocket = False

TheSigFox 網(wǎng)絡(luò)每天允許 140 條 12 字節(jié)的消息。我們傳輸 GPS、患者人數(shù)、溫度、BPM、患者編號(hào)和消息塊代碼。數(shù)據(jù)被編碼在兩個(gè)連續(xù)的消息中，格式如下：

第 1 塊，PACKAGE_REPORT

緯度（浮點(diǎn)數(shù)：4 字節(jié)） 經(jīng)度（浮點(diǎn)數(shù)：4 字節(jié)） 患者人數(shù)（短：2 字節(jié)） 塊碼（短：2 字節(jié)）

塊 2，PACKAGE_PATIENT：

我們使用 Python 的 struct 庫將數(shù)據(jù)格式化為要發(fā)送的字節(jié)數(shù)組，如下面的代碼所示。

#Encode GPS and number of patients
ba = bytearray(struct.pack('f',float(0.0)) + struct.pack('f',float(0.0)) + struct.pack('h',patCounter) + struct.pack('h',PACKAGE_REPORT))

#Encode patient temperature and BPM
ba = bytearray(struct.pack("f", max.hr_avg)+struct.pack("f", float(txtTemp))+struct.pack("h", patCheck)+ struct.pack('h',PACKAGE_PATIENT))

There根據(jù) SigFox 的建議，發(fā)送消息之間有 30 秒的延遲。

PyTrack

PyTrack是Pycom多網(wǎng)絡(luò)模塊的擴(kuò)展板，帶有 GPS、加速度計(jì)和 MicroSD 卡。

PyTrack 有一個(gè) I2C 總線，可與支持的內(nèi)部傳感器（GPS、加速度計(jì)、MicroSD）進(jìn)行通信，還有一個(gè)使用引腳 9 和 10（P9、P10）在外部 IO 接頭中定義的 I2C 總線。下面的代碼將第二條 I2C 總線初始化為主機(jī)和 400k 的波特率（注意連接到此總線的傳感器支持此波特率速度）

#Initialize the I2C bus
i2c = I2C(2, I2C.MASTER, baudrate=400000,pins=('P9','P10'))

We通過允許參數(shù)使用活動(dòng) I2C 總線對(duì)象初始化內(nèi)部屬性，更新了連接到電路板的傳感器的類。此外，還具有掃描 I2C 端口并確認(rèn)設(shè)備已找到并連接的功能。在下面的代碼中，它恰好是顯示器。

def __init__(self, i2c):
    if (i2c != None):
       self.temperature = 0.00
       self.i2c = i2c
       self.isConnected()    

    def isConnected(self):
       if self.i2c != None:
           print("Scanning...")
           # Check I2C devices
           devices = self.i2c.scan() # returns list of slave addresses
           print(devices)
           for d in devices:
               print(d)
               if d == SSD1306_I2C_ADDRESS:
                   print("found display")
                   return True
           print("Not found")
           return False
       else:
           # No check for SPI
           return True

The擴(kuò)展板管理 MicroSD 設(shè)備。我們初始化SD對(duì)象，掛載它并打開日志文件，如下圖。

#Initialize the SD card and file
sd = SD()
os.mount(sd, '/sd')
f = open('/sd/gps-record.txt', 'a')

最后，擴(kuò)展板控制 GPS 傳感器。我們初始化傳感器，查詢坐標(biāo)，格式化并將它們寫入日志文件，如下面的代碼所示。

l76 = L76GNSS(timeout=30)
coord = l76.coordinates()
f.write("{} - {}\n".format(coord, rtc.now()))

顯示的一些代碼發(fā)生在程序的不同部分，我們只是聚集在一起以了解每個(gè)傳感器的過程。

溫度

我們使用來自 Adafruit 的 python 驅(qū)動(dòng)程序，它支持 MAX30205 溫度傳感器，并更新為使用來自 Pycom 的 I2C 功能。

更改如下所示。

readRaw = self.i2c.readfrom_mem(MAX30205_ADDRESS,MAX30205_TEMPERATURE,2)
#I2CreadBytes(MAX30205_ADDRESS,MAX30205_TEMPERATURE, &readRaw[0] ,2); //read two bytes

#I2CwriteByte(MAX30205_ADDRESS, MAX30205_CONFIGURATION, reg | 0x80);
self.i2c.writeto_mem(MAX30205_ADDRESS, MAX30205_CONFIGURATION, bytearray([(reg | 0x80)]))

Adafruit 庫使用不同的函數(shù)來支持 I2C，我們更新調(diào)用以使用 Pycom I2C 實(shí)現(xiàn)，如上所示。該函數(shù)允許設(shè)置寄存器的基地址，然后從設(shè)備寄存器寫入或讀取偏移值。

然后我們使用下面的函數(shù)調(diào)用循環(huán)收集當(dāng)前讀取的溫度。

txtTemp = temp.getTemperature()

心率

我們從https://github.com/zerynth/lib-maxim-max30101獲取 Python 庫并更新為使用 Pycom I2C。我們沒有更改對(duì) I2C 庫上寫入和讀取函數(shù)的每次調(diào)用，而是重載這些函數(shù)并從內(nèi)部調(diào)用活動(dòng)的 I2C 庫。

def write_read(self, reg, nbytes):
   self.i2c.writeto(MAX30101_I2CADDR, bytearray([reg]))
   # data = self.i2c.readfrom_mem(MAX30101_I2CADDR, MAX30205_TEMPERATURE,1)
   data = self.i2c.readfrom(MAX30101_I2CADDR, nbytes)
   # write_read(MAX30101_REV_ID,1)
   return data


def write_bytes(self, addr, reg):
   self.i2c.writeto_mem(MAX30101_I2CADDR, addr, bytearray([reg]))

以下調(diào)用該函數(shù)來檢查脈搏信號(hào)并更新每分鐘節(jié)拍 (BPM) 值的類屬性。

detect_pulse(max)

展示

起始代碼取自 Adafruit python SSD1306，我們創(chuàng)建了一個(gè)類并更新了 128x64 像素案例的代碼。該類更新 I2C 調(diào)用以使用 Pycom 接口。我們還為原始驅(qū)動(dòng)程序添加了大字體支持。

該類用作以下代碼。顯示數(shù)據(jù)的循環(huán)包括清除當(dāng)前緩沖區(qū)、添加內(nèi)容（addString、addString2），然后將緩沖區(qū)繪制到顯示器上。

lopyLCD.clearBuffer()
lopyLCD.addString(0, 0,  "GPS:{}    VisteliLabs".format(txtGPS))
lopyLCD.addString(0, 1,  "P Check {} P Count {}".format(patCheck,patCounter))
if (tryHeartRate):
    lopyLCD.addString2(0,2,"{:0.2f}  C".format(txtTemp))
    lopyLCD.addString2(0,5,"{:0.2f} BPM".format(max.hr_avg))
else:
    lopyLCD.addString2(0,3,"{:0.2f}  C".format(txtTemp)) #2
    lopyLCD.addString(0, 7,  "Package: {}".format(packageCounter))
lopyLCD.drawBuffer()

通過顯示來自心率傳感器的動(dòng)畫圖標(biāo)和其他信息，可以改進(jìn)顯示格式。

外殼

附件取自 Thingiverse：Lopy 的簡(jiǎn)單案例。從快照中可以看出，我們做了一些改動(dòng)。外殼左上角的切口用于安裝顯示器，底座上的孔用于支撐 Pycom 板和 I2C 集線器。蓋子也被剪掉了，以便 MikroE 針穿過。使用高速鉆進(jìn)行修改。

把它們放在一起。

現(xiàn)在有趣的部分開始了。下面的快照顯示了組裝 MoBitals 設(shè)備所采取的步驟。

步驟是

• 使用外部 IO 接頭（P9、P10、3V3 Pymodule、GND）將電纜連接到 PyTrack 板，以啟用 I2C 總線 2 服務(wù)。
• 將電路板和 I2C 集線器安裝到外殼中。
• 連接 LoPy 4 板。確保正確對(duì)齊電路板。
• 將溫度和心率 4 click 板連接到外殼蓋上。銷釘應(yīng)該穿過切割。
• 將原理圖所示的相應(yīng)電纜連接到點(diǎn)擊板上。
• 將 I2C Grove 電纜連接到集線器，
• 用蓋子關(guān)閉外殼。在這個(gè)原型上，我們使用橡皮筋固定。外殼不夠深，無法處理我們獲得的 I2C Grove 電纜。這可以通過使用較短的電纜來解決。

您的機(jī)箱應(yīng)該看起來像下面的最后兩個(gè)快照。

一旦設(shè)備連接到電源（我們使用 USB 充電電池），心率傳感器中的 LED 燈就會(huì)將一根手指放在 LED 上方，另一根手指放在溫度傳感器上方（黑色小方塊）。

顯示屏將顯示以下格式：

顯示屏顯示

• 左上角第一行：GPS傳感器狀態(tài)；如果傳感器鎖定在某個(gè)位置，它將顯示 OK，如果它沒有顯示 NG（不好）。
• 右上角第一行：商標(biāo) VisteliLabs :)
• 左上角第二行：檢查的患者人數(shù)（有無發(fā)熱的總和）。
• 右上角第二行：檢測(cè)到發(fā)燒或出現(xiàn)疾病跡象的患者人數(shù)。
• 中央第一行：當(dāng)前讀取的攝氏溫度
• 中央第二行：當(dāng)前每分鐘節(jié)拍讀數(shù)。
• 右下角：發(fā)送的包裹數(shù)量。此屏幕中的一個(gè)包意味著發(fā)送了兩個(gè)有效負(fù)載（報(bào)告和患者）

每次讀取心率傳感器時(shí)屏幕都會(huì)刷新。

一旦達(dá)到發(fā)燒條件（在我們的例子中為 29 攝氏度），就會(huì)開始向 SigFox 網(wǎng)絡(luò)傳輸有效載荷。傳輸由兩個(gè)包（每個(gè) 12 字節(jié)）組成，它們之間有 30 秒的等待時(shí)間。第一個(gè)有效載荷包含 GPS 坐標(biāo)和病人計(jì)數(shù)器；第二個(gè)有效載荷包含當(dāng)前患者的體溫和心跳率。

該設(shè)備將繼續(xù)測(cè)量生命體征，直到手指從傳感器上移開；等待下一位患者的到來。

SigFoxApi——訪問數(shù)據(jù)

第一步是安裝 SigFox 庫以訪問 REST API 接口。使用以下命令

pip install sigfoxapi

您可以在此處找到文檔。

我們使用 sigfoxapi 與 REST API 服務(wù)器進(jìn)行通信，使用 Tk API 作為用戶界面，使用 tkinterTable 顯示消息數(shù)據(jù)，使用 webbrowser 鏈接到用于 GPSlocation 的 Google 地圖服務(wù)。

import tkinter as tk
from tkinter.ttk import *
from sigfoxapi import Sigfox
from webbrowser import *
from tkintertable.Tables import TableCanvas
from tkintertable.TableModels import TableModel

然后我們使用在 SigFox 網(wǎng)絡(luò)部分獲得的登錄名和密碼連接到 SigFox 后端服務(wù)器。該函數(shù)返回一個(gè)用作連接器的對(duì)象。使用此對(duì)象，我們查詢后端以向組返回已注冊(cè)設(shè)備的列表。

#Connect to sigfox backend server
s = Sigfox('login', 'password')
#get a list of the available devices
listDevices = s.devicetype_list()

然后，我們使用列出的設(shè)備的 id 元素來獲取已注冊(cè)設(shè)備的設(shè)備唯一名稱。

devices = {}
devCounter =0
#Extract the device id
for dev in listDevices:
   devices[devCounter] = s.device_list(dev['id'])
   devCounter+=1

然后我們檢索第一個(gè)注冊(cè)設(shè)備收到的所有消息。我們的程序只支持兩個(gè)設(shè)備，因?yàn)檫@就是我們所有的項(xiàng)目預(yù)算。如有必要，該程序可以適應(yīng)更多適配器。

#Get the messages from first device
mes=s.device_messages(devices[0][0]['id'])
data,data1 = createDataSigFox(mes)

The以下代碼不是完整版本。為了顯示接收數(shù)據(jù)的解碼，它已被最小化。

此函數(shù)接收來自已注冊(cè)設(shè)備的消息并解碼有效負(fù)載。我們使用 struct 包來幫助解碼。接收到的數(shù)據(jù)為字符串格式，使用bytearray.fromhex函數(shù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組。然后我們使用 LoPy 4 部分中解釋的數(shù)據(jù)格式。

# PACKAGE_REPORT  = 1
# PACKAGE_PATIENT = 2

def createDataSigFox(sfData):
   data = {}
   data1 = {}


         b = bytearray.fromhex(c['data'])
         dataCode = struct.unpack_from('h', b[10:12], 0)
         if (dataCode[0] != 0):

            for key, value in c.items():
               if (key == 'data'):
                  a = bytearray.fromhex(value)
                  if (dataCode[0] == 1):

                     data[rowName]['Latitude']=struct.unpack_from('f', a[0:4], 0)
                     data[rowName]['Longitude'] = struct.unpack_from('f', a[4:8], 0)

                     data[rowName]['NumPat'] = struct.unpack_from('h', a[8:10], 0)

                  elif (dataCode[0] == 2):
                     data1[rowName]['BPM'] = struct.unpack_from('f', a[0:4], 0)
                     data1[rowName]['Temperature'] = struct.unpack_from('f', a[4:8],0)
                     data1[rowName]['Patient'] = struct.unpack_from('h', a[8:10], 0)

The收到的時(shí)間戳也具有挑戰(zhàn)性。時(shí)間戳作為包含在字符串中的長整數(shù)接收。我們將字符串值轉(zhuǎn)換為整數(shù)，并使用datetime.fromtimestamp函數(shù)來獲取時(shí)間戳對(duì)象。然后為了將值顯示為正常的日期/時(shí)間格式，我們使用 strftime 函數(shù)。

elif (key =='time'):
    mydate = datetime.fromtimestamp(int(value))
    if (dataCode[0] == 1):
       data[rowName]['TImestamp'] = mydate.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")

    elif (dataCode[0] == 2):
       data1[rowName]['TImestamp'] = mydate.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")

最后，我們使用 tkinterTable 庫來顯示表格上的數(shù)據(jù)。

一個(gè)挑戰(zhàn)是添加一個(gè)鏈接以在地圖中顯示來自設(shè)備的 GPS 坐標(biāo)。我們使用谷歌地圖來顯示位置。

以下代碼顯示了如何將按鈕附加到表格單元格以執(zhí)行 Web 鏈接并顯示地圖。

x1, y1, x2, y2 = table.getCellCoords(counter, 5)  
btnText = "Btn{}".format(counter)
print(btnText)
linkGMaps[btnText] = tk.Button(table,,,cursor="hand2")
linkGMaps[btnText].pack()
print(linkGMaps)
linkText = "https://www.google.com/maps/?q="+mydata[c]['GPS']
print(linkText)
linkGMaps[btnText].bind("<Button-1>", lambda e,a=linkText: callback(a))
table.create_window(((x1 + x2) // 2, (y1 + y2) // 2), window=linkGMaps[btnText])

真正的時(shí)候到了，在執(zhí)行程序時(shí)，我們會(huì)為每個(gè)設(shè)備獲得一個(gè)帶有兩個(gè)數(shù)據(jù)表的單獨(dú)窗口。設(shè)備名稱顯示在窗口標(biāo)題中。

第一個(gè)數(shù)據(jù)表顯示時(shí)間戳、GPS 坐標(biāo)（請(qǐng)注意，出于隱私目的，我們已刪除坐標(biāo)）、有效載荷時(shí)記錄的發(fā)燒患者數(shù)量、接收到的原始數(shù)據(jù)（有效載荷）和一個(gè)按鈕觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器會(huì)話并在 Google 地圖上顯示位置。

第二個(gè)表顯示了時(shí)間戳、每分鐘的心跳次數(shù)、測(cè)量時(shí)記錄的溫度和患者人數(shù)，以及接收到的原始數(shù)據(jù)。

下面的快照顯示了 Google 地圖上位置 0.0、0.0（緯度、經(jīng)度）的示例。

得到教訓(xùn)。意識(shí)到！

雖然我們希望有一條清晰的發(fā)展道路，但我們沒有那么幸運(yùn)。這是我們必須處理的幾件事。

在pymakr.conf上，我們有時(shí)在將腳本上傳到 LoPy 4 板時(shí)遇到超時(shí)錯(cuò)誤。我們發(fā)現(xiàn)將 safe_boot_on_upload 設(shè)置更改為 true。

{
    "address": "COM26",
    "username": "",
    "password": "",
    "sync_folder": "",
    "open_on_start": true,
    "safe_boot_on_upload": true,
    "py_ignore": [],
    "fast_upload": false
}

我們最初的設(shè)計(jì)包括 LED 燈和可愛的熊爪，以吸引孩子們的注意力，同時(shí)檢查他們的生命體征。但是，LED 所需功率的增加會(huì)在 LoPy 設(shè)備上產(chǎn)生反饋，從而觸發(fā) I2C 總線嚴(yán)重錯(cuò)誤。我們發(fā)現(xiàn)不僅是功耗，而且我們使用 RMT 庫來控制 LED 的脈沖會(huì)干擾 I2C 時(shí)序，或者至少我們是這么認(rèn)為的。

最后，點(diǎn)擊板需要特殊的連接才能正常工作。Fever click 要求接地引腳連接到與 I2C 連接相同的原始引腳上。而且，Heart Rate 4 Click 板需要連接 5 V 和 3V3 電源引腳，否則 LED 將不亮，這就是我們使用 I2C 電源連接器添加滿足額外需求的原因。

未來的工作

添加壓力按鈕以允許進(jìn)行個(gè)人設(shè)置、實(shí)時(shí)溫度閾值和 BPM 刷新率。

通過這個(gè)項(xiàng)目，我們學(xué)到了很多東西。從需要像無國界醫(yī)生這樣的第一響應(yīng)者到將 MikroE 板連接到不合規(guī)板的復(fù)雜性。

我們希望這個(gè)項(xiàng)目可以激發(fā)更多應(yīng)急人員和當(dāng)?shù)貙W(xué)校可以用來幫助兒童的設(shè)備。

謝謝閱讀。