藍牙智能設備數據採集平臺化方案

由於Android APP/IOS APP平臺和開發語言的差異，對開髮端和用戶端來說，在系統相容適配、外接藍牙的安裝更新，以及不同平臺之間的移植都有不同程度的制約。 ...

技術背景

隨著人們生活水平的提升，對健康的關註意識也隨之提高；另外人口結構的老齡化，慢性病發病率升高，以及新冠疫情持久廣泛的影響，進一步提高了大眾對疾病早期預防、身體數據定期自測、慢性病持續關註等各個層面的重視程度；典型的，比如體溫、血氧、血壓、體重等高頻、普遍使用的自測參數，在一些醫療器械和智能手機APP中實現可獨立操作性、實時監測性及便捷性；市場上可穿戴式醫療器械日益種類多樣、形態各異，根據功能不同可以分為運動健身類、生活娛樂類、健康醫療類、遠程式控制制類、智能開關類、信息資訊類以及多功能穿戴式醫療器械。

在技術層面近年來，無線通信技術、感測器、柔性電子、生物遙測、體域網等技術的發展，可穿戴醫療器械也早已不局限於智能手環、智能手錶等形式，我國國家藥品監督管理局批准上市的醫療級可穿戴設備有ECG心電信號測量設備、血壓測量設備、血氧測量設備、血糖測量設備；與可穿戴設備相容的智能手機醫療保健應用程式越來越多，醫療服務供應商對無線連接青睞越來越明顯，低功耗藍牙（BLE）由於其低功耗在智能穿戴終端中應用廣泛，智能手錶、智能手環，以及其它智能相關的設備，幾乎都是依靠這個技術與手機進行無線連接和數據交互的。另外，低功耗藍牙技術，可以實現短距離通信的最低功耗，這也大大延長可穿戴設備的工作時間。

與國外相比，我國可穿戴式醫療器械相對於較晚，當前市場上的可穿戴式醫療器械主要偏向於運動/睡眠監測功能，其可長時間與人體接觸，是理想的監測設備，具有廣闊的市場空間。隨著我國雲計算、大數據和5G的高速發展，醫療器械可穿戴化必是大勢所趨，可穿戴式醫療器械必將迎來良好的市場機遇。

然而由於醫療數據具有產品多樣化、平臺差異性和數據高密度的特點，所以對數據進行有效儲存、交互、傳遞以及跨平臺讀取就十分有必要，通過可穿戴式醫療器械與醫療數據云平臺相聯，實現數據的互通共用，將採集到的患者數據通過雲平臺處理，不僅患者自己可以通過雲平臺瞭解相關的診斷結果、治療方案，醫療機構也同樣可以利用雲平臺的數據制定治療措施，對患者進行跟蹤和交流。

目前穿戴設備幾乎都相容三種平臺Android APP， IOS APP，微信小程式，各自同步實現方式（如圖1）：

1. Android app 基於Android平臺JAVA作為開發語言構建。藍牙設備數據採集需要根據系統提供的Native BLE SDK 來實現手機與外設直接命令與數據交互；手機獲取到的採集數據需要採用JAVA語言來實現後續處理邏輯；網路傳輸，以及傳輸過程中失敗處理也一併需要考慮在內等上述提供的6個步驟。

2. IOS APP 基於IOS平臺ObjectC作為開發語言構建。藍牙設備數據採集需要基於IOS藍牙開發規範實現上述提供的6個步驟。處理流程同Android APP

3. 微信小程式基於JavaScript語言。藍牙設備數據採集，需要基於微信小程式提供藍牙API 使用規範實現上述提供的6個步驟，處理流程同以上兩者；

圖1：平臺數據採集流程圖

存在如下痛點：

藍牙交互程式內置於用戶APP端
適配更多開發平臺，就需要重覆實現上述6個步驟，代碼不具有可移植性和跨平臺能力；
如果有支持新類型藍牙設備的需求，只能發佈新版APP，提示用戶升級安裝。藍牙協議的代碼是打包APP中，這種方式通過代碼靜態分析工具，容易被破解；用戶即使只使用一款藍牙設備，也需要下載一個龐大的APP 。
修複bug困難（熱修複），只能通過版本更新（需要用戶介入）才能實現，頻繁更新影響用戶體驗。尤其是 Android平臺由於大量企業安卓的系統是自身定製，軟體系統之間相容也存在困難；

總體上來說，由於Android APP/IOS APP平臺和開發語言的差異，對開髮端和用戶端來說，在系統相容適配、外接藍牙的安裝更新，以及不同平臺之間的移植都有不同程度的制約。

新技術的功能特點

基於藍牙的智能設備數據採集平臺化方案，在三種平臺（Android APP/ IOS APP/微信小程式）使用同一套藍牙設備採集代碼，應具備以下特點：

藍牙交互及控製程序與用戶APP解耦，由雲端控制
可移植和跨平臺性：一種藍牙設備同步程式在其中一個平臺開發、調試，正常運行，移植到其他平臺依然可以正常運行支持動態加入新類型藍牙設備，綁定新類型藍牙設備後立即生效。而不是用戶頻繁卸載安裝新版的APP方式
具備藍牙功能模塊的熱修複能力：一種快速、低成本修複APP缺陷的地方
解決藍牙協議靜態打包在APP，保護智能設備廠商知識版權

方案的整體架構

經過大量調研，和多種類型藍牙設備接入代碼實戰應用發現，三種平臺在接入藍牙設備讀取到的數據之後，後面的數據處理，演算法邏輯是相同，只是在 Native BLE SDK部分差異較大。從這個角度來講，藍牙同步功能可以抽象為：①手機與藍牙設備交互部分；②獲取藍牙數據後續處理。

我們引入中間層設計思想：主要目的屏蔽底層差異性，並給上層提供一致的介面；中間層主要是對上層負責，屏蔽底層無規則、無協議、環境複雜的問題；如果把不同平臺的差異給屏蔽掉，那麼上層就可以專註於解決業務，而不再需要耗費精力去解決差異性。

藍牙同步架構方案有以下三層（如圖2）：

原生層: Native BLE SDK部分：與藍牙設備直接交互，不同平臺實現方式，開發語言不同，實現方式也可能不同。抽象大致相同藍牙通信能力（如表1）

中間層：用於解耦業務層與原生層強依賴，屏蔽平臺，語言的差異。位於原生層與業務層之間，對上層提供統一、一致的JS BLE API

業務層：處理藍牙數據操作，可以認為是對於APP功能中屬於業務部分，不同類型藍牙設備存在不用數據處理規則. 但是不同平臺同一類型藍牙設備notify數據格式是相同的，所以處理邏輯在不同平臺是共用的。改造之後統一業務層使用JavaScript語言開發，運行在JavaScript引擎

表1：實現藍牙常用的API（18個）

圖2：藍牙同步架構方案

可移植和跨平臺的實現

根據面向對象思想，Native BLE SDK部分：與藍牙設備直接交互，不同平臺實現方式，開發語言不同，實現方式也可能不同；考慮到Native BLE SDK在三種不同平臺實現，藍牙實現方式通過以下三種方式解決：

Android APP 加入JavaScript引擎，實現Java和JavaScript的相互調用。並對Android平臺提供支持。通過JavaScript API介面採用原生平臺JAVA代碼實現藍牙18個API，對上層提供 JavaScript BLE API
IOS APP 加入 JavaScriptCore引擎， JavaScriptCore是Safari的JavaScript引擎，在iOS7之後蘋果開放了JavaScriptCore框架，開發者可以通過其提供的OC介面來使用JavaScriptCore。通過JavaScriptCore介面採用原生平臺ObjectC實現藍牙18個API，對上層提供 JavaScript BLE API
微信小程式運行環境JavaScript。只需封裝微信提供同Android/IOS相同的JS BLE API即可。僅列舉其中初始化藍牙流程，如圖3：

圖 3 微信小程式初始化藍牙流程

經過以上3種方式，三個平臺業務代碼都可以運行在各自的 JavaScript引擎中（如圖11），通過調用統一的JS BLE API就可以和藍牙設備進行命令，數據交互。只需在任意一個平臺編寫、調試，之後無需任何變動就可以運行在其他平臺。一種代碼（JavaScript）即可通用，內容為：

-> 連接指定設備

-> 連接成功後，發送交互命令

-> 同步並收集設備通知數據

-> 校驗、解析藍牙數據協議

-> 數據轉化業務數據，業務數據解析，清洗，合併等處理

-> 數據上傳雲端

藍牙平臺工作流程（如圖4）：

所有支持的藍牙設備類型及其對應藍牙同步程式存儲於後臺服務端，當用戶綁定對應類型藍牙設備後。動態獲取藍牙設備程式；當檢測到同步程式版本發生變動後重新獲取新的藍牙同步程式。同步程式下發到APP過程採用壓縮，動態加密，傳輸加密，多次校驗客戶端合法性方式保證藍牙協議安全性。

圖4 藍牙同步數據流程

預期收益

基於藍牙的智能設備數據採集平臺化方案：

a) 藍牙設備接入效率倍增及平臺高擴展性

b) 明確人員職責，數據接入人員與APP研發可以並行研發

c) 多平臺只需維護一套代碼，降低開發後期維護成本，提升程式穩定性

d) 不同設備類型之間同步程式物理隔離，其中一個出現錯誤不影響其他設備正常使用，每個設備都可以自由配置日誌信息，方便開發人員快速定位解決問題

e) 用戶角度，提升用戶體驗。不用經常更新APP，就可以接入新設備，使用新功能

藍牙廠商角度：保護了藍牙協議安全性，自身知識產權和利益；

結語

這種基於藍牙的智能設備數據採集平臺化方案，只需一套JavaScript代碼方案，實現藍牙同步可移植，通用；藍牙同步程式從客戶端靜態編碼在APP轉換為後端控制方式，極大降低了藍牙同步與平臺強耦合，提升擴展能力。同時保證了APP快速適用新設備的能力，以及熱修複能力。支持APP內藍牙後臺運行，解決心電貼等設備數據量大場景；

幫助開發者過濾了平臺差異，以及開發語言差異方面的顧慮，並且減輕了後期的更新、錯誤修複等方面維護的工作量和成本；另外，不同平臺之間的程式的相容，穩定能更好的提升用戶體驗；減少開髮端和用戶精力投入的基礎上，更好的幫助用戶實現功能和解決不同場景的問題。