蓝牙智能设备数据采集平台化方案

技术背景

随着人们生活水平的提升,对健康的关注意识也随之提高;另外人口结构的老龄化,慢性病发病率升高,以及新冠疫情持久广泛的影响,进一步提高了大众对疾病早期预防、身体数据定期自测、慢性病持续关注等各个层面的重视程度;典型的,比如体温、血氧、血压、体重等高频、普遍使用的自测参数,在一些医疗器械和智能手机APP中实现可独立操作性、实时监测性及便捷性;市场上可穿戴式医疗器械日益种类多样、形态各异,根据功能不同可以分为运动健身类、生活娱乐类、健康医疗类、远程控制类、智能开关类、信息资讯类以及多功能穿戴式医疗器械。

在技术层面近年来,无线通信技术、传感器、柔性电子、生物遥测、体域网等技术的发展,可穿戴医疗器械也早已不局限于智能手环、智能手表等形式,我国国家药品监督管理局批准上市的医疗级可穿戴设备有ECG心电信号测量设备、血压测量设备、血氧测量设备、血糖测量设备;与可穿戴设备兼容的智能手机医疗保健应用程序越来越多,医疗服务供应商对无线连接青睐越来越明显,低功耗蓝牙(BLE)由于其低功耗在智能穿戴终端中应用广泛,智能手表、智能手环,以及其它智能相关的设备,几乎都是依靠这个技术与手机进行无线连接和数据交互的。另外,低功耗蓝牙技术,可以实现短距离通信的最低功耗,这也大大延长可穿戴设备的工作时间。

与国外相比,我国可穿戴式医疗器械相对于较晚,当前市场上的可穿戴式医疗器械主要偏向于运动/睡眠监测功能,其可长时间与人体接触,是理想的监测设备,具有广阔的市场空间。随着我国云计算、大数据和5G的高速发展,医疗器械可穿戴化必是大势所趋,可穿戴式医疗器械必将迎来良好的市场机遇。

然而由于医疗数据具有产品多样化、平台差异性和数据高密度的特点,所以对数据进行有效储存、交互、传递以及跨平台读取就十分有必要,通过可穿戴式医疗器械与医疗数据云平台相联,实现数据的互通共享,将采集到的患者数据通过云平台处理,不仅患者自己可以通过云平台了解相关的诊断结果、治疗方案,医疗机构也同样可以利用云平台的数据制定治疗措施,对患者进行跟踪和交流。

目前穿戴设备几乎都兼容三种平台Android APP, IOS APP, 微信小程序,各自同步实现方式(如图1):

1. Android app 基于Android平台JAVA作为开发语言构建。蓝牙设备数据采集需要根据系统提供的Native BLE SDK 来实现 手机与 外设直接 命令与数据交互; 手机获取到的采集数据需要采用JAVA语言来实现后续处理逻辑; 网络传输,以及传输过程中失败处理 也一并需要考虑在内 等上述提供的6个步骤。

2. IOS APP 基于IOS平台ObjectC作为开发语言构建。 蓝牙设备数据采集需要基于IOS蓝牙开发规范 实现上述提供的6个步骤。 处理流程同Android APP

3. 微信小程序 基于JavaScript语言。 蓝牙设备数据采集,需要基于微信小程序 提供蓝牙API 使用规范实现上述提供的6个步骤,处理流程同以上两者 ;

图1:平台数据采集流程图

存在如下痛点:

  1. 蓝牙交互程序内置于用户APP端

  2. 适配更多开发平台, 就需要重复实现上述6个步骤,代码不具有可移植性和跨平台能力;

  3. 如果有支持新类型蓝牙设备的需求,只能发布新版APP, 提示用户升级安装。蓝牙协议的代码是打包APP中,这种方式通过代码静态分析工具,容易被破解;用户即使只使用一款蓝牙设备,也需要下载一个庞大的APP 。

  4. 修复bug困难(热修复),只能通过版本更新(需要用户介入)才能实现,频繁更新影响用户体验。尤其是 Android平台由于大量企业安卓的系统是自身定制,软件系统之间兼容也存在困难;

总体上来说,由于Android APP/IOS APP平台和开发语言的差异,对开发端和用户端来说,在系统兼容适配、外接蓝牙的安装更新,以及不同平台之间的移植都有不同程度的制约。

新技术的功能特点

基于蓝牙的智能设备数据采集平台化方案,在三种平台(Android APP/ IOS APP/微信小程序)使用同一套蓝牙设备采集代码,应具备以下特点:

  1. 蓝牙交互及控制程序与用户APP解耦, 由云端控制

  2. 可移植和跨平台性:一种蓝牙设备同步程序在其中一个平台开发、调试,正常运行,移植到其他平台依然可以正常运行支持动态加入新类型蓝牙设备,绑定新类型蓝牙设备后立即生效。而不是用户频繁卸载安装新版的APP方式

  3. 具备蓝牙功能模块的热修复能力:一种快速、低成本修复APP缺陷的地方

  4. 解决蓝牙协议静态打包在APP, 保护智能设备厂商知识版权

方案的整体架构

经过大量调研,和多种类型蓝牙设备接入代码实战应用发现, 三种平台在接入蓝牙设备读取到的数据之后,后面的数据处理,算法逻辑是相同,只是在 Native BLE SDK部分差异较大。从这个角度来讲,蓝牙同步功能可以抽象为:①手机与蓝牙设备交互部分;②获取蓝牙数据后续处理。

我们引入中间层设计思想:主要目的屏蔽底层差异性,并给上层提供一致的接口;中间层主要是对上层负责,屏蔽底层无规则、无协议、环境复杂的问题;如果把不同平台的差异给屏蔽掉,那么上层就可以专注于解决业务,而不再需要耗费精力去解决差异性。

蓝牙同步架构方案有以下三层(如图2):

原生层: Native BLE SDK部分:与蓝牙设备直接交互,不同平台实现方式,开发语言不同,实现方式也可能不同。抽象大致相同蓝牙通信能力(如表1)

中间层:用于解耦业务层与原生层强依赖,屏蔽平台,语言的差异。位于原生层与业务层之间,对上层提供统一、一致的JS BLE API

业务层:处理蓝牙数据操作,可以认为是对于APP功能中属于业务部分,不同类型蓝牙设备存在不用数据处理规则. 但是不同平台同一类型蓝牙设备notify数据格式是相同的,所以处理逻辑在不同平台是共用的。 改造之后统一业务层使用JavaScript语言开发,运行在JavaScript引擎

表1:实现蓝牙常用的API(18个)

图2:蓝牙同步架构方案

可移植和跨平台的实现

根据面向对象思想,Native BLE SDK部分:与蓝牙设备直接交互,不同平台实现方式,开发语言不同, 实现方式也可能不同;考虑到Native BLE SDK在三种不同平台实现,蓝牙实现方式通过以下三种方式解决:

  1. Android APP 加入JavaScript引擎,实现Java和JavaScript的相互调用。并对Android平台提供支持。 通过JavaScript API接口采用原生平台JAVA代码实现蓝牙18个API, 对上层提供 JavaScript BLE API

  2. IOS APP 加入 JavaScriptCore引擎, JavaScriptCore是Safari的JavaScript引擎,在iOS7之后苹果开放了JavaScriptCore框架,开发者可以通过其提供的OC接口来使用JavaScriptCore。 通过JavaScriptCore接口采用原生平台ObjectC实现蓝牙18个API, 对上层提供 JavaScript BLE API

  3. 微信小程序运行环境JavaScript。只需封装微信提供同Android/IOS相同的JS BLE API即可。仅列举其中初始化蓝牙流程,如图3:

图 3 微信小程序 初始化蓝牙流程

经过以上3种方式,三个平台业务代码都可以运行在各自的 JavaScript引擎中(如图11), 通过调用统一的JS BLE API就可以和蓝牙设备进行命令,数据交互。只需在任意一个平台编写、调试,之后无需任何变动就可以运行在其他平台。一种代码(JavaScript)即可通用,内容为:

-> 连接指定设备

-> 连接成功后,发送交互命令

-> 同步并收集设备通知数据

-> 校验、解析蓝牙数据协议

-> 数据转化业务数据, 业务数据解析,清洗,合并等处理

-> 数据上传云端

蓝牙平台工作流程(如图4):

所有支持的蓝牙设备类型及其对应蓝牙同步程序存储于后台服务端, 当用户绑定对应类型蓝牙设备后。动态获取蓝牙设备程序; 当检测到同步程序版本发生变动后重新获取新的蓝牙同步程序。同步程序下发到APP过程 采用压缩,动态加密,传输加密,多次校验客户端合法性方式保证蓝牙协议安全性。

图4 蓝牙同步数据流程

预期收益

基于蓝牙的智能设备数据采集平台化方案:

a) 蓝牙设备接入效率倍增及平台高扩展性

b) 明确人员职责,数据接入人员与APP研发可以并行研发

c) 多平台只需维护一套代码,降低开发后期维护成本, 提升程序稳定性

d) 不同设备类型之间同步程序物理隔离,其中一个出现错误不影响其他设备正常使用,每个设备都可以自由配置日志信息,方便开发人员快速定位解决问题

e) 用户角度,提升用户体验。不用经常更新APP, 就可以接入新设备,使用新功能

蓝牙厂商角度:保护了蓝牙协议安全性,自身知识产权和利益;

结语

这种基于蓝牙的智能设备数据采集平台化方案,只需一套JavaScript代码方案,实现蓝牙同步可移植,通用;蓝牙同步程序从客户端静态编码在APP转换为后端控制方式,极大降低了蓝牙同步与平台强耦合,提升扩展能力。同时保证了APP快速适用新设备的能力,以及热修复能力。支持APP内蓝牙后台运行, 解决心电贴等设备数据量大场景;

帮助开发者过滤了平台差异,以及开发语言差异方面的顾虑,并且减轻了后期的更新、错误修复等方面维护的工作量和成本;另外,不同平台之间的程序的兼容,稳定能更好的提升用户体验;减少开发端和用户精力投入的基础上,更好的帮助用户实现功能和解决不同场景的问题。

作者:京东健康 于震江

来源:京东云开发者社区

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