你不知道的前端藍牙應用實踐 -- 心率帶

一、背景

最近開啓了減肥計劃，購入了一條心率帶，期望在使用划船機過程中監測心率情況。購入後的情況如下：

心率帶不直接顯示數值，需要連接 APP 或相關設備使用。
官方 APP 僅實時顯示心率數據，無法生成心率統計圖表。

通過咕咚 APP 連接心率帶，開啓運動後可以監測心率變化，但划船機不在支持的運動範圍內。
自己簡單實現了一個划船機節拍器的小程序。

於是萌生了在自己的節拍器小程序內監聽心率數據的想法，即 Taro 小程序中的藍牙應用實踐。

二、簡單瞭解藍牙

對於概念類的知識筆者畢竟不是專業的，感興趣的同學可以通過百科、搜索引擎等渠道進行了解。這裏僅簡單介紹接下來會運用到的一些知識。

中心設備 / 外圍設備

客戶端（中心設備）：在本次實踐中爲筆者的手機。

服務端（外圍設備）：在本次實踐中爲心率帶、耳機等設備。

BLE（Bluetooth Low Energy）

藍牙低能耗技術，實現設備間的連接與通信。顧名思義，能耗與成本都更低，與之相對應的則稱爲經典藍牙。基於筆者的開發目的，本文簡單瞭解設備連接前（GAP）和連接後（GATT）所涉及的兩個協議。

（瞭解更多：藍牙低能耗——百度百科 [1]、一文讀懂藍牙技術從 1.0 到 5.0 的前世今生 [2]）

GAP（Generic Access Profile）

主要用來控制設備連接和廣播。通常是由外圍設備主動、間隔性地廣播設備信息，等待中心設備發現並建立連接。需要注意的是，這種連接方式是獨佔的，在建立連接後，外圍設備將停止廣播。

另一方面，還存在僅向外廣播而不建立連接的 iBeacon 設備。

GATT（Generic Attribute Profile）

定義了兩個設備間的數據傳輸方式。GATT 中有兩個關鍵概念：service（服務）與 characteristic（特徵）。

Service 就是一個獨立的邏輯項，它包含一個或多個 Characteristic。

Characteristic 是 GATT 中最小的邏輯數據單元，其屬性包含 properties，標識該特性是否能夠被 read、write、notify、indicate。notify 與 indicate 的區別在於，indicate 需要有回覆才能發送下一個數據包。

每個服務和特性都具有唯一的 UUID 標識，其中部分是由 Bluetooth SIG 官方定義的， Assigned Numbers | Bluetooth® Technology Website[3]，如設備名、心率數據等常用屬性都是官方定義來統一規範。此外 UUID 也可以由硬件工程師來自定義實現。

（瞭解更多：BLE 相關協議（GAP&GATT）[4]）

三、API 簡介

Taro 中的藍牙 API

Taro.openBluetoothAdapter(option) | Taro 文檔 [5]

初始化藍牙模塊

Taro.openBluetoothAdapter({
      success: function (res) {
        console.log("藍牙環境已啓動：", res);
        setInitStatus(true);
      },
      fail: function (err) {
        if (err.errMsg.includes("fail already opened")) {
          console.log("藍牙環境原先已啓動：", err);
          setInitStatus(true);
        } else {
          console.log("藍牙環境啓動失敗：", err);
          setInitStatus(false);
        }
      },
    });

Taro.getBluetoothDevices(option) | Taro 文檔 [6]

獲取在藍牙模塊生效期間所有已發現的藍牙設備。包括已經和本機處於連接狀態的設備。

 discoverInterval = setInterval(() => {
        Taro.getBluetoothDevices({
          success: async function (res) {
            const canConnectDevices = res.devices.filter(
              (item) =>
                // 信號強度大於-80
                item.RSSI > -80 &&
                // 含有設備名
                !["未知設備", "MBeacon"].includes(item.name)
            );
            console.log("獲取藍牙設備列表成功：", canConnectDevices);

            setDeviceList(() => canConnectDevices);
          },
        });
      }, 2000);

也可以使用 Taro.onBluetoothDeviceFound(callback) | Taro 文檔 [7] 來發現設備。

Taro.createBLEConnection(option) | Taro 文檔 [8]

連接低功耗藍牙設備。

若小程序在之前已有搜索過某個藍牙設備，併成功建立連接，可直接傳入之前搜索獲取的 deviceId 直接嘗試連接該設備，無需進行搜索操作。

 Taro.createBLEConnection({
        deviceId,
        success: function (res) {
          console.log("設備連接成功", res);
          setConnectDeviceId(deviceId);

          Taro.onBLEConnectionStateChange(function (res) {
            // 該方法回調中可以用於處理連接意外斷開等異常情況
            console.log(
              `設備 ${res.deviceId}連接狀態發生變化: ${res.connected}`
            );
            if (!res.connected) {
              setConnectDeviceId("");
            }
          });
        },
      });

Taro.getBLEDeviceServices(option) | Taro 文檔 [9]

獲取藍牙設備所有服務 (service)。

Taro.getBLEDeviceServices({
  // 這裏的 deviceId 需要已經通過 createBLEConnection 與對應設備建立鏈接
  deviceId,
  success: function (res) {
    console.log('device services:', res.services)
  }
})

Taro.getBLEDeviceCharacteristics(option) | Taro 文檔 [10]

獲取藍牙設備某個服務中所有特徵值 (characteristic)。

Taro.getBLEDeviceCharacteristics({
  // 這裏的 deviceId 需要已經通過 createBLEConnection 與對應設備建立鏈接
  deviceId,
  // 這裏的 serviceId 需要在 getBLEDeviceServices 接口中獲取
  serviceId,
  success: function (res) {
    console.log('device getBLEDeviceCharacteristics:', res.characteristics)
  }
})

Taro.readBLECharacteristicValue(option) | Taro 文檔 [11]

讀取低功耗藍牙設備的特徵值的二進制數據值。注意：必須設備的特徵值支持 read 纔可以成功調用。

接口讀取到的信息需要在 onBLECharacteristicValueChange 方法註冊的回調中獲取。

Taro.notifyBLECharacteristicValueChange(option) | Taro 文檔 [12]

啓用低功耗藍牙設備特徵值變化時的 notify 功能，訂閱特徵值。注意：必須設備的特徵值支持 notify 或者 indicate 纔可以成功調用。

另外，必須先啓用 notifyBLECharacteristicValueChange 才能監聽到設備 characteristicValueChange 事件

Taro.onBLECharacteristicValueChange(callback) | Taro 文檔 [13]

監聽低功耗藍牙設備的特徵值變化事件。必須先啓用 notifyBLECharacteristicValueChange 接口才能接收到設備推送的 notification。

WEB 藍牙 API

此處貼一些資料，感興趣可自行閱讀

Web Bluetooth API - Web APIs | MDN[14]

通過 JavaScript 與藍牙設備通信 [15]

四、設備名稱（Device Name）詳解

首先 getBLEDeviceServices 獲取到服務列表：

查詢資料

可知 0x1800 是我們需要的服務。getBLEDeviceCharacteristics 獲取其特徵列表：

查詢資料

可知 0x2A00 是我們需要的特徵。此時可以看到 read 屬性爲 true，我們通過 onBLECharacteristicValueChange 和 readBLECharacteristicValue 讀一下數據看看。

  Taro.onBLECharacteristicValueChange(function (characteristic) {
      const buffer = characteristic.value
      const unit8Array = new Uint8Array(buffer);
      console.log("unit8Array: ", unit8Array);
      
      // 轉字符串
      const encodedString = String.fromCodePoint.apply(null, unit8Array);
      console.log('設備名：', encodedString)
  });
  
  Taro.readBLECharacteristicValue({
    deviceId,
    serviceId: DeviceNameService,
    characteristicId: DeviceNameCharacteristics,
  });

得到輸出，某米耳機：

大家應該已經發現，給到的特徵值其實是 ArrayBuffer 格式。

（瞭解更多：談談 JS 二進制: File、Blob、FileReader、ArrayBuffer、Base64 - 掘金 [16]）

此時需要我們將其轉化爲字符串。除了上面的方法外，還可以先轉 16 進制，再轉字符串：

// 轉16進制
 const hexString = Array.prototype.map
    .call(unit8Array, function (bit) {
      return ("00" + bit.toString(16)).slice(-2);
    })
    .join("");
 console.log("hexString: ", hexString);
  
 // 16進制轉字符串
 const hex2String = (hexString:string) => {
     if (hexString.length % 2) return "";
     var tmp = "";
     for (let i = 0; i < hexString.length; i += 2) {
        tmp += "%" + hexString.charAt(i) + hexString.charAt(i + 1);
     }
     return decodeURI(tmp);
 }

五、心率測量（Heart Rate Measurement）詳解

同樣，首先我們拿到了所需的服務和特徵如下。

export const HEART_RATE_SERVICE_UUID =
    "0000180D-0000-1000-8000-00805F9B34FB";
export const HEART_RATE_CHARACTERISTIC_UUID =
     "00002A37-0000-1000-8000-00805F9B34FB";

在設備連接後，通過 onBLECharacteristicValueChange 和 notifyBLECharacteristicValueChange 訂閱特徵值變化。

export const blueToothGetHeartRate = (
  deviceId: string,
  onHeartRateChange: (newHeartRate: number) => void
) => {
  Taro.onBLECharacteristicValueChange(function (characteristic) {
    const heartRateValue = getHeartRateValue(characteristic.value);
    onHeartRateChange(heartRateValue);
  });
  Taro.notifyBLECharacteristicValueChange({
    state: true, // 啓用 notify 功能
    deviceId,
    serviceId: HEART_RATE_SERVICE_UUID,
    characteristicId: HEART_RATE_CHARACTERISTIC_UUID,
  });
};

此時我們已經能夠獲取到心率帶發送的心率數據如下。

但是此時如果按照上文解析設備名稱的方式，將其轉化爲字符串，將得到一串亂碼。

所以需要根據協議文檔（https://www.bluetooth.com/specifications/specs/heart-rate-service-1-0/）來解讀這幾個數據。

標誌字段：

二進制：10110、十進制：22、十六進制：16
其中位 0 爲心率格式位，決定心率數據是 uint8（位 0 === 0）還是 unit16（位 0 === 1）
位 1、位 2 爲傳感器接觸狀態位。11 表示支持皮膚接觸檢測且接觸正常。
位 3 爲能量消耗狀態位，0 表示能量消耗字段不存在.
位 4 爲 RR-Interval 狀態位，1 表示存在一個或多個 RR-Interval 值。

心率數值：

二進制：1100101、十進制：101、十六進制：65
當心率小於 255 時，unit8 足以。但如果需要支持更高的心率值（某些動物），則需要爲 unit16
此時我們根據標誌字段 0，已經能夠獲取到需要的心率值：101。那麼還剩下兩個字段代表什麼意思呢？

RR-intreval 心率間隔：

從前面的標誌字段分析中，我們發現該設備不支持能量消耗狀態但支持 RR-interval。且 RR-interval 可能是一位也可能是多位。那麼我們該怎麼讀取這個數字呢？
首先我們顧名思義，心率間隔就是兩次心跳間的間隔時長，從上面的心率值推算：
60*1000/101 ≈594ms
接下來看這兩個數字。
二進制：1010010、十進制：82、十六進制：52
二進制：10、十進制：2、十六進制：02
嘗試 2*256+82 = 594，謎團解開了～

六、總結與疑惑

至此整個藍牙心率設備數據獲取的實現就完成了，可以在使用節拍器的同時監控自身的心率數據了。

整體來說整個開發過程還是比較簡單的，畢竟 API 文檔描述的非常清晰，主要時間耗費在解讀心率數據這個過程，後來知道應該從協議文檔出發解讀就好說了。

由於是在業餘時間實現的上述能力，開發過程中存在不少疑惑沒來得及研究。這裏先拋兩個問題出來，希望瞭解相關知識的同學能夠不吝賜教。

在 arraybuffer 轉 16 進制過程中("00" + bit.toString(16)).slice(-2);，爲什麼要先"00" +，然後再.slice(-2)？直接bit.toString(16)是否可行？
針對某米耳機，筆者暫時沒有在服務和特徵中找到電量信息相關的數據，那麼手機設備又是如何獲取到耳機電量的呢？
猜測電池服務和特性分別是0x180F Battery service 和 0x2A19 Battery Level ，但上圖耳機返回的 service 列表中沒找到該服務。

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以上便是本次分享的全部內容，希望對你有所幫助 ^_^

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參考資料

[1]

藍牙低能耗——百度百科: https://baike.baidu.com/item/%E8%93%9D%E7%89%99%E4%BD%8E%E8%83%BD%E8%80%97

[2]

一文讀懂藍牙技術從 1.0 到 5.0 的前世今生: https://zhuanlan.zhihu.com/p/37717509

[3]

Assigned Numbers | Bluetooth® Technology Website: https://www.bluetooth.com/specifications/assigned-numbers/

[4]

BLE 相關協議（GAP&GATT）: https://www.jianshu.com/p/62eb2f5407c9

[5]

Taro.openBluetoothAdapter(option) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth/openBluetoothAdapter

[6]

Taro.getBluetoothDevices(option) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth/getBluetoothDevices

[7]

Taro.onBluetoothDeviceFound(callback) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth/onBluetoothDeviceFound

[8]

Taro.createBLEConnection(option) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth-ble/createBLEConnection

[9]

Taro.getBLEDeviceServices(option) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth-ble/getBLEDeviceServices

[10]

Taro.getBLEDeviceCharacteristics(option) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth-ble/getBLEDeviceCharacteristics

[11]

Taro.readBLECharacteristicValue(option) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth-ble/readBLECharacteristicValue

[12]

Taro.notifyBLECharacteristicValueChange(option) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth-ble/notifyBLECharacteristicValueChange

[13]

Taro.onBLECharacteristicValueChange(callback) | Taro 文檔: https://docs.taro.zone/docs/apis/device/bluetooth-ble/onBLECharacteristicValueChange

[14]

Web Bluetooth API - Web APIs | MDN: https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/Web_Bluetooth_API

[15]

通過 JavaScript 與藍牙設備通信: https://web.dev/i18n/zh/bluetooth/

[16]

談談 JS 二進制: File、Blob、FileReader、ArrayBuffer、Base64 - 掘金: https://juejin.cn/post/7148254347401363463#heading-9

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