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Halo 正式开源: 使用可穿戴设备进行开源健康追踪

来源：泰然健康网时间：2024年11月28日 03:19

在飞速发展的可穿戴技术领域，我们正处于一个十字路口。市场上充斥着各式时尚、功能丰富的设备，声称能够彻底改变我们对健康和健身的方式。然而，在这些光鲜的外观和营销宣传背后，隐藏着一个令人担忧的现实：大多数这些设备是封闭系统，其内部运行被专有代码和封闭硬件所掩盖。作为消费者，我们对这些设备如何收集、处理及可能共享我们的健康数据一无所知。

这时，Halo 出现了，它是一种旨在让健康追踪更加普惠化的开源替代方案。通过这系列文章，我们将引导你从基础入手，构建并使用完全透明、可定制的可穿戴设备。

需要说明的是，Halo 的目标并不是在抛光度或功能完整性上与消费级可穿戴设备竞争。相反，它提供了一种独特的、动手实践的方式来理解健康追踪设备背后的技术。

我们将使用 Swift 5 来构建对应的 iOS 界面，以及 Python >= 3.10。由于此项目的代码完全开源，你可以随时提交合并请求，或者分叉项目以探索全新的方向。

你将需要：

获取 COLMI R02 实际设备，价格在撰写时为 11 到 30 美金左右。一个安装了 Xcode 16 的开发环境，以及可选的 Apple 开发者计划会员资格。 Python >= 3.10，并安装了 pandas、numpy、torch 当然还有 transformers。

致谢

此项目基于 Python 仓库的代码及我的学习成果构建。

免责声明

作为一名医生，我有法律义务提醒你：你即将阅读的内容并不是医学建议。现在，让我们开始让一些可穿戴设备发出蜂鸣声吧！

配对戒指

在进入代码之前，让我们先了解蓝牙低能耗（BLE）的关键规格。BLE 基于一个简单的客户端-服务器模型，使用三个核心概念：中央设备（Centrals）、服务（Services）和特征（Characteristics）。以下是它们的具体介绍：

中央设备（例如你的 iPhone）负责启动和管理与外设（例如我们的 COLMI R02 戒指）的连接。戒指通过广播自身信息等待手机连接，每次仅支持一台手机连接。服务是戒指上相关功能的集合，例如心率监测服务或电池状态服务。每个服务都有一个唯一标识符（UUID），客户端通过它来找到对应服务。特征是每个服务中的具体数据点或控制机制。例如，它们可能是只读（获取传感器数据）、只写（发送命令）或两者兼有。有些特征还能在其值发生变化时自动通知手机，这对于实时健康监测尤为重要。

当手机连接到戒指时，会定位所需的服务，并与特定特征交互以发送命令或接收数据。这种结构化的方法不仅确保了通信效率，还能延长电池使用时间。了解了这些基础知识后，让我们开始构建吧！

设置 Xcode 项目

创建一个名为 Halo 的新项目，目标平台为 iOS。组织标识符建议使用反向域名格式（如 com.example）。本项目中，我们使用 com.FirstNameLastName。

接下来，为应用启用必要的功能。在 Xcode 中，打开 Signing & Capabilities 选项卡，启用以下 后台模式（Background Modes），以确保应用在后台运行时能够保持与戒指的连接并处理数据。

然后，我们将使用 Apple 提供的最新框架 AccessorySetupKit，用于将蓝牙和 Wi-Fi 配件连接到 iOS 应用。此框架自 iOS 18 推出，替代了传统的广泛蓝牙权限请求方式，专注于为用户明确批准的特定设备提供访问权限。

当用户尝试将 COLMI R02 戒指连接到应用时，AccessorySetupKit 会显示一个系统界面，仅列出兼容的附近设备。用户选择设备后，应用即可与戒指通信，而无需请求完整的蓝牙权限。这大大提升了用户隐私，同时简化了设备连接的管理流程。

打开 Info.plist 文件（可以在左侧边栏中找到，或通过 Project Navigator (⌘1) > Your Target > Info 定位）。添加以下键值条目以支持与 COLMI R02 戒指的配对：

添加 NSAccessorySetupKitSupports，类型为 Array，并将 Bluetooth 作为第一个项目。添加 NSAccessorySetupBluetoothServices，类型为 Array，并将以下 UUID 作为 String 项： 6E40FFF0-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E 0000180A-0000-1000-8000-00805F9B34FB

至此，初步配置完成！

Ring Session Manager 类

接下来，我们将创建一个 RingSessionManager 类，用于管理所有与戒指的通信。此类的主要职责包括：

扫描附近的戒指连接到戒指发现服务和特征实现数据读写操作第一步：创建 RingSessionManager

首先创建一个新的 Swift 文件（⌘N），命名为 RingSessionManager.swift。以下是类的定义以及需要实现的关键属性：

@Observableclass RingSessionManager: NSObject { // 追踪连接状态 var peripheralConnected = false var pickerDismissed = true // 存储当前连接的戒指 var currentRing: ASAccessory? private var session = ASAccessorySession() // 核心蓝牙对象 private var manager: CBCentralManager? private var peripheral: CBPeripheral?} 第二步：发现戒指

戒指通过特定的蓝牙服务 UUID 进行广播。为了找到它，我们需要创建一个 ASDiscoveryDescriptor 对象，指定其蓝牙服务的 UUID。以下代码完成了这一功能：

private static let ring: ASPickerDisplayItem = { let descriptor = ASDiscoveryDescriptor() descriptor.bluetoothServiceUUID = CBUUID(string: "6E40FFF0-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E") return ASPickerDisplayItem( name: "COLMI R02 Ring", productImage: UIImage(named: "colmi")!, descriptor: descriptor )}()

确保将戒指图片添加到项目资源目录中，或者用合适的占位符替换 UIImage(named: "colmi")!。

第三步：显示戒指选择器

为了让用户选择戒指，我们调用系统内置的设备选择器界面：

func presentPicker() { session.showPicker(for: [Self.ring]) { error in if let error { print("Failed to show picker: (error.localizedDescription)") } }} 第四步：处理戒指选择

当用户从选择器中选定设备后，应用需要处理连接和管理逻辑。以下代码实现了事件处理：

private func handleSessionEvent(event: ASAccessoryEvent) { switch event.eventType { case .accessoryAdded: guard let ring = event.accessory else { return } saveRing(ring: ring) case .activated: // 重新连接已配对戒指 guard let ring = session.accessories.first else { return } saveRing(ring: ring) case .accessoryRemoved: currentRing = nil manager = nil }} 第五步：建立连接

完成选择戒指后，我们需要与其建立蓝牙连接：

func connect() { guard let manager, manager.state == .poweredOn, let peripheral else { return } let options: [String: Any] = [ CBConnectPeripheralOptionNotifyOnConnectionKey: true, CBConnectPeripheralOptionNotifyOnDisconnectionKey: true, CBConnectPeripheralOptionStartDelayKey: 1 ] manager.connect(peripheral, options: options)} 第六步：理解委托方法

在 RingSessionManager 中，我们实现了两个关键的委托协议，用于管理蓝牙通信过程。

中央管理器委托（CBCentralManagerDelegate）
此委托主要处理蓝牙连接的整体状态。

func centralManagerDidUpdateState(_ central: CBCentralManager) { print("Central manager state: (central.state)") switch central.state { case .poweredOn: if let peripheralUUID = currentRing?.bluetoothIdentifier { if let knownPeripheral = central.retrievePeripherals(withIdentifiers: [peripheralUUID]).first { print("Found previously connected peripheral") peripheral = knownPeripheral peripheral?.delegate = self connect() } else { print("Known peripheral not found, starting scan") } } default: peripheral = nil }}

当蓝牙开启时，程序会检查是否有已连接的戒指，并尝试重新连接。
成功连接后：

func centralManager(_ central: CBCentralManager, didConnect peripheral: CBPeripheral) { print("DEBUG: Connected to peripheral: (peripheral)") peripheral.delegate = self print("DEBUG: Discovering services...") peripheral.discoverServices([CBUUID(string: Self.ringServiceUUID)]) peripheralConnected = true}

断开连接时：

func centralManager(_ central: CBCentralManager, didDisconnectPeripheral peripheral: CBPeripheral, error: (any Error)?) { print("Disconnected from peripheral: (peripheral)") peripheralConnected = false characteristicsDiscovered = false}

外设委托（CBPeripheralDelegate）

此委托主要处理与戒指的具体通信。
首先发现戒指的服务：

func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didDiscoverServices error: (any Error)?) { print("DEBUG: Services discovery callback, error: (String(describing: error))") guard error == nil, let services = peripheral.services else { print("DEBUG: No services found or error occurred") return } print("DEBUG: Found (services.count) services") for service in services { if service.uuid == CBUUID(string: Self.ringServiceUUID) { print("DEBUG: Found ring service, discovering characteristics...") peripheral.discoverCharacteristics([ CBUUID(string: Self.uartRxCharacteristicUUID), CBUUID(string: Self.uartTxCharacteristicUUID) ], for: service) } }}

发现特征后：

func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didDiscoverCharacteristicsFor service: CBService, error: Error?) { print("DEBUG: Characteristics discovery callback, error: (String(describing: error))") guard error == nil, let characteristics = service.characteristics else { print("DEBUG: No characteristics found or error occurred") return } print("DEBUG: Found (characteristics.count) characteristics") for characteristic in characteristics { switch characteristic.uuid { case CBUUID(string: Self.uartRxCharacteristicUUID): print("DEBUG: Found UART RX characteristic") self.uartRxCharacteristic = characteristic case CBUUID(string: Self.uartTxCharacteristicUUID): print("DEBUG: Found UART TX characteristic") self.uartTxCharacteristic = characteristic peripheral.setNotifyValue(true, for: characteristic) default: print("DEBUG: Found other characteristic: (characteristic.uuid)") } } characteristicsDiscovered = true}

接收数据时：

func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didUpdateValueFor characteristic: CBCharacteristic, error: Error?) { if characteristic.uuid == CBUUID(string: Self.uartTxCharacteristicUUID) { if let value = characteristic.value { print("Received value: (value)") } }}

发送命令后：

func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didWriteValueFor characteristic: CBCharacteristic, error: Error?) { if let error = error { print("Write to characteristic failed: (error.localizedDescription)") } else { print("Write to characteristic successful") }} 完整代码

完整的 RingSessionManager 类代码如下：

import Foundationimport AccessorySetupKitimport CoreBluetoothimport SwiftUI @Observableclass RingSessionManager: NSObject { var peripheralConnected = false var pickerDismissed = true var currentRing: ASAccessory? private var session = ASAccessorySession() private var manager: CBCentralManager? private var peripheral: CBPeripheral? private var uartRxCharacteristic: CBCharacteristic? private var uartTxCharacteristic: CBCharacteristic? private static let ringServiceUUID = "6E40FFF0-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E" private static let uartRxCharacteristicUUID = "6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E" private static let uartTxCharacteristicUUID = "6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E" private static let deviceInfoServiceUUID = "0000180A-0000-1000-8000-00805F9B34FB" private static let deviceHardwareUUID = "00002A27-0000-1000-8000-00805F9B34FB" private static let deviceFirmwareUUID = "00002A26-0000-1000-8000-00805F9B34FB" private static let ring: ASPickerDisplayItem = { let descriptor = ASDiscoveryDescriptor() descriptor.bluetoothServiceUUID = CBUUID(string: ringServiceUUID) return ASPickerDisplayItem( name: "COLMI R02 Ring", productImage: UIImage(named: "colmi")!, descriptor: descriptor ) }() private var characteristicsDiscovered = false override init() { super.init() self.session.activate(on: DispatchQueue.main, eventHandler: handleSessionEvent(event:)) } // MARK: - RingSessionManager actions func presentPicker() { session.showPicker(for: [Self.ring]) { error in if let error { print("Failed to show picker due to: (error.localizedDescription)") } } } func removeRing() { guard let currentRing else { return } if peripheralConnected { disconnect() } session.removeAccessory(currentRing) { _ in self.currentRing = nil self.manager = nil } } func connect() { guard let manager, manager.state == .poweredOn, let peripheral else { return } let options: [String: Any] = [ CBConnectPeripheralOptionNotifyOnConnectionKey: true, CBConnectPeripheralOptionNotifyOnDisconnectionKey: true, CBConnectPeripheralOptionStartDelayKey: 1 ] manager.connect(peripheral, options: options) } func disconnect() { guard let peripheral, let manager else { return } manager.cancelPeripheralConnection(peripheral) } // MARK: - ASAccessorySession functions private func saveRing(ring: ASAccessory) { currentRing = ring if manager == nil { manager = CBCentralManager(delegate: self, queue: nil) } } private func handleSessionEvent(event: ASAccessoryEvent) { switch event.eventType { case .accessoryAdded, .accessoryChanged: guard let ring = event.accessory else { return } saveRing(ring: ring) case .activated: guard let ring = session.accessories.first else { return } saveRing(ring: ring) case .accessoryRemoved: self.currentRing = nil self.manager = nil case .pickerDidPresent: pickerDismissed = false case .pickerDidDismiss: pickerDismissed = true default: print("Received event type (event.eventType)") } }} // MARK: - CBCentralManagerDelegateextension RingSessionManager: CBCentralManagerDelegate { func centralManagerDidUpdateState(_ central: CBCentralManager) { print("Central manager state: (central.state)") switch central.state { case .poweredOn: if let peripheralUUID = currentRing?.bluetoothIdentifier { if let knownPeripheral = central.retrievePeripherals(withIdentifiers: [peripheralUUID]).first { print("Found previously connected peripheral") peripheral = knownPeripheral peripheral?.delegate = self connect() } else { print("Known peripheral not found, starting scan") } } default: peripheral = nil } } func centralManager(_ central: CBCentralManager, didConnect peripheral: CBPeripheral) { print("DEBUG: Connected to peripheral: (peripheral)") peripheral.delegate = self print("DEBUG: Discovering services...") peripheral.discoverServices([CBUUID(string: Self.ringServiceUUID)]) peripheralConnected = true } func centralManager(_ central: CBCentralManager, didDisconnectPeripheral peripheral: CBPeripheral, error: (any Error)?) { print("Disconnected from peripheral: (peripheral)") peripheralConnected = false characteristicsDiscovered = false } func centralManager(_ central: CBCentralManager, didFailToConnect peripheral: CBPeripheral, error: (any Error)?) { print("Failed to connect to peripheral: (peripheral), error: (error.debugDescription)") }} // MARK: - CBPeripheralDelegateextension RingSessionManager: CBPeripheralDelegate { func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didDiscoverServices error: (any Error)?) { print("DEBUG: Services discovery callback, error: (String(describing: error))") guard error == nil, let services = peripheral.services else { print("DEBUG: No services found or error occurred") return } print("DEBUG: Found (services.count) services") for service in services { if service.uuid == CBUUID(string: Self.ringServiceUUID) { print("DEBUG: Found ring service, discovering characteristics...") peripheral.discoverCharacteristics([ CBUUID(string: Self.uartRxCharacteristicUUID), CBUUID(string: Self.uartTxCharacteristicUUID) ], for: service) } } } func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didDiscoverCharacteristicsFor service: CBService, error: Error?) { print("DEBUG: Characteristics discovery callback, error: (String(describing: error))") guard error == nil, let characteristics = service.characteristics else { print("DEBUG: No characteristics found or error occurred") return } print("DEBUG: Found (characteristics.count) characteristics") for characteristic in characteristics { switch characteristic.uuid { case CBUUID(string: Self.uartRxCharacteristicUUID): print("DEBUG: Found UART RX characteristic") self.uartRxCharacteristic = characteristic case CBUUID(string: Self.uartTxCharacteristicUUID): print("DEBUG: Found UART TX characteristic") self.uartTxCharacteristic = characteristic peripheral.setNotifyValue(true, for: characteristic) default: print("DEBUG: Found other characteristic: (characteristic.uuid)") } } characteristicsDiscovered = true } func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didUpdateValueFor characteristic: CBCharacteristic, error: Error?) { if characteristic.uuid == CBUUID(string: Self.uartTxCharacteristicUUID) { if let value = characteristic.value { print("Received value: (value)") } } } func peripheral(_ peripheral: CBPeripheral, didWriteValueFor characteristic: CBCharacteristic, error: Error?) { if let error = error { print("Write to characteristic failed: (error.localizedDescription)") } else { print("Write to characteristic successful") } }}

最后一步：将其应用到我们的应用程序中

在 ContentView.swift 中粘贴以下代码，作为主界面的一部分：

import SwiftUIimport AccessorySetupKit struct ContentView: View { @State var ringSessionManager = RingSessionManager() var body: some View { List { Section("MY DEVICE", content: { if ringSessionManager.pickerDismissed, let currentRing = ringSessionManager.currentRing { makeRingView(ring: currentRing) } else { Button { ringSessionManager.presentPicker() } label: { Text("Add Ring") .frame(maxWidth: .infinity) .font(Font.headline.weight(.semibold)) } } }) }.listStyle(.insetGrouped) } @ViewBuilder private func makeRingView(ring: ASAccessory) -> some View { HStack { Image("colmi") .resizable() .aspectRatio(contentMode: .fit) .frame(height: 70) VStack(alignment: .leading) { Text(ring.displayName) .font(Font.headline.weight(.semibold)) } } }} #Preview { ContentView()}

如果一切配置正确，你现在可以构建并运行应用。当点击“Add Ring”按钮时，将弹出一个界面，显示附近的兼容设备（包括 COLMI R02 戒指）。选择设备后，应用即可完成连接。

连接演示

在后续的文章中，我们将进一步探索如何与戒指交互，包括读取电池电量、获取传感器数据（如 PPG 和加速度计），并基于这些数据开发实时心率监测、活动追踪及睡眠检测功能。敬请期待！

英文原文: https://hf.co/blog/cyrilzakka/halo-introduction

原文作者: Cyril, ML Researcher, Health AI Lead @ Hugging Face

译者: Lu Cheng, Hugging Face Fellow

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