【OpenHarmony】医疗传感器模块架构

医疗传感器模块是OpenHarmony系统中负责健康数据采集与处理的核心组件。该模块采用分层架构设计，包含应用层API、框架层、服务层和HDI接口层，支持PPG、ECG、心率等多种医疗传感器。主要功能包括健康数据采集、传感器管理、数据预处理和算法集成，通过严格权限控制确保数据安全。模块采用单例模式、观察者模式等设计模式，实现传感器生命周期管理和数据订阅机制。该模块作为传感器子系统的专用部分，为健康

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fakerth · 2025-10-17 11:51:21 发布

医疗传感器模块架构

1. 模块概述

源码：https://gitee.com/openharmony/sensors_medical_sensor

1.1 功能与目标

主要功能：
医疗传感器模块是OpenHarmony系统传感器子系统的核心组件，专门用于处理健康类传感器数据，主要功能包括：

健康数据采集：采集人体心率、心电图、设备佩戴情况等健康相关数据
传感器管理：管理PPG（光电容积描记）、ECG（心电图）、心率、佩戴检测等医疗传感器
数据预处理：对原始传感器数据进行滤波、校准和预处理
算法集成：集成相关健康算法，提供智能分析能力
权限管理：管理健康数据访问权限，确保数据安全
数据上报：通过回调机制向应用层上报处理后的健康数据
生命周期管理：管理传感器的启用、禁用和数据订阅生命周期

使用场景：

心率监测和健康追踪
心电图数据采集和分析
设备佩戴状态检测
健康数据统计和分析
医疗设备数据采集
健康应用开发

1.2 系统位置

系统架构位置：
医疗传感器模块位于OpenHarmony系统的base/sensors子系统下，是传感器子系统的重要组成部分。

模块关系：

上层对接：为应用层提供统一的医疗传感器API
下层对接：对接HDF框架和传感器驱动模型
横向协作：与权限管理、系统能力管理、IPC通信等模块协作
系统集成：集成到系统能力管理器中，提供系统级医疗传感器服务

核心模块地位：
该模块是传感器子系统的核心模块，专门处理健康类传感器数据，与传统传感器区分开来单独实现，承担着健康数据采集和处理的重要职责。

1.3 设计思路与模式

设计思路：

分层架构设计：采用Framework-Service-HDI分层架构，职责清晰
插件化设计：支持不同类型医疗传感器的插件化集成
数据驱动设计：基于传感器数据流进行实时处理和上报
权限控制设计：严格控制健康数据访问权限
异步处理机制：采用异步回调机制处理传感器数据
生命周期管理：完善的传感器生命周期管理机制

设计模式：

单例模式：MedicalSensorManager、ClientInfo等核心组件采用单例模式
观察者模式：通过回调机制实现数据订阅和通知
工厂模式：传感器对象的创建和管理
适配器模式：HDI连接适配器支持不同硬件接口
代理模式：服务代理模式实现跨进程通信
策略模式：不同传感器类型采用不同的处理策略

1.4 系统框图

2. 模块结构

2.1 源文件与头文件

核心接口文件：

医疗传感器类型定义：

interfaces/native/include/medical_native_type.h - 医疗传感器数据类型定义
interfaces/native/include/medical_native_impl.h - 医疗传感器接口实现
interfaces/plugin/include/medical_js.h - JavaScript接口定义
interfaces/plugin/include/medical_napi_utils.h - NAPI工具类

服务端组件：

services/medical_sensor/include/medical_sensor_service.h - 医疗传感器服务
services/medical_sensor/include/medical_sensor_manager.h - 医疗传感器管理器
services/medical_sensor/include/medical_sensor_data_processer.h - 数据处理器
services/medical_sensor/include/client_info.h - 客户端信息管理

客户端组件：

frameworks/native/medical_sensor/include/medical_sensor_service_client.h - 服务客户端
frameworks/native/medical_sensor/include/medical_sensor_data_channel.h - 数据通道
frameworks/native/medical_sensor/include/medical_sensor_client_stub.h - 客户端存根

HDI连接组件：

services/medical_sensor/hdi_connection/interface/include/sensor_hdi_connection.h - HDI连接接口
services/medical_sensor/hdi_connection/hardware/include/hdi_service_impl.h - HDI服务实现
services/medical_sensor/hdi_connection/adapter/include/hdi_connection.h - HDI连接适配器

2.2 类、结构体、函数与方法

核心类定义：

MedicalSensorService类

class MedicalSensorService : public SystemAbility, public MedicalSensorServiceStub {
    DECLARE_SYSTEM_ABILITY(MedicalSensorService)
public:
    explicit MedicalSensorService(int32_t systemAbilityId, bool runOnCreate = false);
    virtual ~MedicalSensorService() = default;

    void OnDump() override;
    void OnStart() override;
    void OnStop() override;
    int Dump(int fd, const std::vector<std::u16string> &args) override;

    ErrCode EnableSensor(uint32_t sensorId, int64_t samplingPeriodNs, int64_t maxReportDelayNs) override;
    ErrCode DisableSensor(uint32_t sensorId) override;
    ErrCode SetOption(uint32_t sensorId, uint32_t opt) override;
    int32_t GetSensorState(uint32_t sensorId) override;
    ErrCode RunCommand(uint32_t sensorId, uint32_t cmdType, uint32_t params) override;
    std::vector<MedicalSensor> GetSensorList() override;
    ErrCode TransferDataChannel(const sptr<MedicalSensorBasicDataChannel> &sensorBasicDataChannel,
                                const sptr<IRemoteObject> &sensorClient) override;
    ErrCode DestroySensorChannel(sptr<IRemoteObject> sensorClient) override;
    void ProcessDeathObserver(const wptr<IRemoteObject> &object);

private:
    MedicalSensorServiceState state_;
    std::mutex serviceLock_;
    std::mutex sensorsMutex_;
    std::mutex sensorMapMutex_;
    std::vector<MedicalSensor> sensors_;
    std::unordered_map<uint32_t, MedicalSensor> sensorMap_;
    SensorHdiConnection &sensorHdiConnection_;
    ClientInfo &clientInfo_;
    MedicalSensorManager &sensorManager_;
    FlushInfoRecord &flushInfo_;
    sptr<MedicalSensorDataProcesser> sensorDataProcesser_;
    sptr<ReportDataCache> reportDataCache_;
    sptr<IRemoteObject::DeathRecipient> clientDeathObserver_;
};

MedicalSensorManager类

class MedicalSensorManager : public Singleton<MedicalSensorManager> {
public:
    bool SetBestSensorParams(uint32_t sensorId, int64_t samplingPeriodNs, int64_t maxReportDelayNs);
    bool ResetBestSensorParams(uint32_t sensorId);
    ErrCode SaveSubscriber(uint32_t sensorId, uint32_t pid, int64_t samplingPeriodNs, int64_t maxReportDelayNs);
    void StartDataReportThread();
    MedicalSensorBasicInfo GetSensorInfo(uint32_t sensorId, int64_t samplingPeriodNs, int64_t maxReportDelayNs);
    bool IsOtherClientUsingSensor(uint32_t sensorId, int32_t clientPid);
    ErrCode AfterDisableSensor(uint32_t sensorId);
    void InitSensorMap(std::unordered_map<uint32_t, MedicalSensor> &sensorMap,
                       sptr<MedicalSensorDataProcesser> dataProcesser,
                       sptr<ReportDataCache> dataCache);
    uint32_t GetSensorFlag(uint32_t sensorId);
    void GetPackageNameFromUid(int32_t uid, std::string &packageName);

private:
    SensorHdiConnection &sensorHdiConnection_;
    ClientInfo &clientInfo_;
    std::thread dataThread_;
    sptr<MedicalSensorDataProcesser> sensorDataProcesser_;
    sptr<ReportDataCache> reportDataCache_;
    std::unordered_map<uint32_t, MedicalSensor> sensorMap_;
    std::mutex sensorMapMutex_;
};

MedicalSensorServiceClient类

class MedicalSensorServiceClient : public Singleton<MedicalSensorServiceClient> {
public:
    std::vector<MedicalSensor> GetSensorList();
    int32_t EnableSensor(uint32_t sensorId, int64_t samplingPeroid, int64_t maxReportDelay);
    int32_t DisableSensor(uint32_t sensorId);
    int32_t RunCommand(uint32_t sensorId, int32_t cmdType, int32_t parms);
    int32_t TransferDataChannel(sptr<MedicalSensorDataChannel> sensorDataChannel);
    int32_t DestroyDataChannel();
    void ProcessDeathObserver(const wptr<IRemoteObject> &object);
    int32_t SetOption(uint32_t sensorId, uint32_t opt);

private:
    int32_t InitServiceClient();
    void UpdateSensorInfoMap(uint32_t sensorId, int64_t samplingPeroid, int64_t maxReportDelay);
    void DeleteSensorInfoItem(uint32_t sensorId);
    bool IsValidSensorId(uint32_t sensorId);
    std::mutex clientMutex_;
    sptr<IRemoteObject::DeathRecipient> serviceDeathObserver_;
    sptr<IMedicalSensorService> afeServer_;
    std::vector<MedicalSensor> afeList_;
    sptr<MedicalSensorDataChannel> dataChannel_;
    sptr<MedicalSensorClientStub> afeClientStub_;
    std::mutex mapMutex_;
    std::map<uint32_t, MedicalSensorBasicInfo> sensorInfoMap_;
};

重要结构体：

MedicalSensorInfo结构体

typedef struct MedicalSensorInfo {
    char sensorName[AFE_NAME_MAX_LEN2];   /**< Sensor name */
    char vendorName[AFE_NAME_MAX_LEN2];   /**< Sensor vendor */
    char firmwareVersion[VERSION_MAX_LEN];  /**< Sensor firmware version */
    char hardwareVersion[VERSION_MAX_LEN];  /**< Sensor hardware version */
    int32_t sensorTypeId;  /**< Sensor type ID */
    int32_t sensorId;      /**< Sensor ID */
    float maxRange;        /**< Maximum measurement range of the sensor */
    float precision;       /**< Sensor accuracy */
    float power;           /**< Sensor power */
} MedicalSensorInfo;

SensorEvent结构体

typedef struct SensorEvent {
    int32_t sensorTypeId;  /**< Sensor type ID */
    int32_t version;       /**< Sensor algorithm version */
    int64_t timestamp;     /**< Time when sensor data was reported */
    uint32_t option;       /**< Sensor data options, including the measurement range and accuracy */
    int32_t mode;          /**< Sensor data reporting mode (described in {@link SensorMode}) */
    uint8_t *data;         /**< Sensor data */
    uint32_t dataLen;      /**< Sensor data length */
} SensorEvent;

PpgData结构体

typedef struct PpgData {
    uint32_t reserve : 2;
    uint32_t adcData : 22;
    uint32_t tl : 2;
    uint32_t rx : 2;
    uint32_t phaseGroup : 4;
} PpgData;

HeartRateData结构体

typedef struct HeartRateData {
    /**< 心率值，单位bpm */
    int32_t heartRateBpm;
    /**< 心率状态 */
    int32_t temperatureStatus;
} HeartRateData;

WearDetectionData结构体

typedef struct WearDetectionData {
    /**< 标量 */
    int32_t scalar;
} WearDetectionData;

重要枚举：

MedicalSensorTypeId枚举

typedef enum {
    TYPE_ID_NONE = 0,                   /**< None, for testing only */
    TYPE_ID_PHOTOPLETHYSMOGRAPH = 129,    /**< Photoplethysmography sensor */
    TYPE_ID_ELECTROCARDIOGRAPH = 130,     /**< Electrocardiogram (ECG) sensor */
    TYPE_ID_HEART_RATE = 278,            /**< Heart rate sensor */
    TYPE_ID_WEAR_DETECTION = 280,        /**< Wear detection sensor */
    TYPE_ID_MAX = 0xFFF,      /**< Maximum number of sensor type IDs */
} MedicalSensorTypeId;

SensorMode枚举

typedef enum SensorMode {
    SENSOR_DEFAULT_MODE = 0,   /**< Default data reporting mode */
    SENSOR_REALTIME_MODE = 1,  /**< Real-time data reporting mode to report a group of data each time */
    SENSOR_ON_CHANGE = 2,   /**< Real-time data reporting mode to report data upon status changes */
    SENSOR_ONE_SHOT = 3,    /**< Real-time data reporting mode to report data only once */
    SENSOR_FIFO_MODE = 4,   /**< FIFO-based data reporting mode to report data based on the <b>BatchCnt</b> setting */
    SENSOR_MODE_MAX2,        /**< Maximum sensor data reporting mode */
} SensorMode;

2.3 继承与多态

继承关系：

MedicalSensorService继承自SystemAbility和MedicalSensorServiceStub
MedicalSensorManager继承自Singleton<MedicalSensorManager>
MedicalSensorServiceClient继承自Singleton<MedicalSensorServiceClient>
各种回调类继承自相应的回调接口基类

多态设计：

通过MedicalSensorServiceStub接口实现不同传感器类型的统一管理
通过回调机制支持多种事件类型的统一处理
通过工厂模式实现不同传感器对象的动态创建
通过策略模式实现不同传感器类型的处理策略

2.4 类图

2.5 模块内部依赖框图

3. 模块间交互

3.1 交互描述

与系统模块的交互：

系统能力管理器：通过SAMGR模块注册和管理医疗传感器服务
IPC通信：通过IPC模块实现客户端与服务端的通信
日志系统：通过Hilog模块记录医疗传感器模块的运行日志
权限管理：通过权限管理模块控制健康数据访问权限
HDF框架：通过HDF框架对接底层传感器驱动

外部库依赖：

系统框架：SAMGR、IPC、权限管理等系统框架
工具库：c_utils、eventhandler、napi等基础库
传感器驱动：drivers_interface_sensor、drivers_peripheral_sensor等驱动接口

异步处理机制：

使用线程池进行异步数据处理
通过回调机制处理传感器数据上报
支持多种数据上报模式（实时、按需、FIFO等）
采用事件驱动机制处理传感器状态变化

3.2 事件驱动机制

事件类型：

传感器数据变化事件
传感器启用/禁用事件
客户端连接/断开事件
权限状态变化事件
传感器状态变化事件

事件处理流程：

注册事件监听器
接收传感器或系统事件通知
解析事件参数
更新内部状态
通知相关回调
执行相应的处理逻辑

3.3 外部依赖框图

4. 状态机转换图

4.1 状态机模型

医疗传感器模块的状态机包含以下主要状态：

服务状态：

STATE_STOPPED - 服务停止
STATE_RUNNING - 服务运行中

传感器状态：

SENSOR_DISABLED - 传感器禁用
SENSOR_ENABLED - 传感器启用
SENSOR_SUSPENDED - 传感器暂停
SENSOR_ERROR - 传感器错误

数据上报状态：

REPORT_IDLE - 上报空闲
REPORT_ACTIVE - 上报活跃
REPORT_PAUSED - 上报暂停
REPORT_ERROR - 上报错误

客户端状态：

CLIENT_DISCONNECTED - 客户端断开
CLIENT_CONNECTED - 客户端连接
CLIENT_SUBSCRIBED - 客户端订阅
CLIENT_UNSUBSCRIBED - 客户端取消订阅

4.2 状态切换规则

服务启动流程：

服务初始状态为STATE_STOPPED
收到启动事件后，进入STATE_RUNNING状态
初始化各个子模块和传感器管理器
注册到系统能力管理器

传感器状态转换：

传感器初始状态为SENSOR_DISABLED
收到启用请求时，进入SENSOR_ENABLED状态
收到暂停请求时，进入SENSOR_SUSPENDED状态
发生错误时，进入SENSOR_ERROR状态
收到禁用请求时，回到SENSOR_DISABLED状态

数据上报状态转换：

数据上报初始状态为REPORT_IDLE
有客户端订阅时，进入REPORT_ACTIVE状态
暂停上报时，进入REPORT_PAUSED状态
发生错误时，进入REPORT_ERROR状态
无客户端订阅时，回到REPORT_IDLE状态

客户端状态转换：

客户端初始状态为CLIENT_DISCONNECTED
连接服务时，进入CLIENT_CONNECTED状态
订阅传感器时，进入CLIENT_SUBSCRIBED状态
取消订阅时，进入CLIENT_UNSUBSCRIBED状态
断开连接时，回到CLIENT_DISCONNECTED状态

事件触发条件：

服务启动/停止事件
传感器启用/禁用事件
客户端连接/断开事件
数据订阅/取消订阅事件
权限状态变化事件

4.3 状态机转换图

5. 接口设计

5.1 公共接口

医疗传感器服务接口：

启用传感器

ErrCode EnableSensor(uint32_t sensorId, int64_t samplingPeriodNs, int64_t maxReportDelayNs);

功能：启用指定的医疗传感器
参数：
- sensorId - 传感器ID
- samplingPeriodNs - 采样周期（纳秒）
- maxReportDelayNs - 最大上报延迟（纳秒）
返回值：操作结果码
权限要求：ohos.permission.READ_HEALTH_DATA
异常处理：权限不足时返回错误码

禁用传感器

ErrCode DisableSensor(uint32_t sensorId);

功能：禁用指定的医疗传感器
参数：sensorId - 传感器ID
返回值：操作结果码
异常处理：传感器不存在时返回错误码

设置传感器选项

ErrCode SetOption(uint32_t sensorId, uint32_t opt);

功能：设置传感器选项
参数：
- sensorId - 传感器ID
- opt - 选项值
返回值：操作结果码
异常处理：选项无效时返回错误码

获取传感器状态

int32_t GetSensorState(uint32_t sensorId);

功能：获取传感器状态
参数：sensorId - 传感器ID
返回值：传感器状态值
异常处理：传感器不存在时返回错误状态

执行传感器命令

ErrCode RunCommand(uint32_t sensorId, uint32_t cmdType, uint32_t params);

功能：执行传感器命令
参数：
- sensorId - 传感器ID
- cmdType - 命令类型
- params - 命令参数
返回值：操作结果码
异常处理：命令无效时返回错误码

获取传感器列表

std::vector<MedicalSensor> GetSensorList();

功能：获取所有医疗传感器列表
返回值：传感器列表
异常处理：无异常

传输数据通道

ErrCode TransferDataChannel(const sptr<MedicalSensorBasicDataChannel> &sensorBasicDataChannel,
                            const sptr<IRemoteObject> &sensorClient);

功能：传输数据通道
参数：
- sensorBasicDataChannel - 数据通道
- sensorClient - 传感器客户端
返回值：操作结果码
异常处理：通道无效时返回错误码

销毁传感器通道

ErrCode DestroySensorChannel(sptr<IRemoteObject> sensorClient);

功能：销毁传感器通道
参数：sensorClient - 传感器客户端
返回值：操作结果码
异常处理：客户端无效时返回错误码

医疗传感器客户端接口：

获取传感器列表

std::vector<MedicalSensor> GetSensorList();

功能：获取所有医疗传感器列表
返回值：传感器列表
异常处理：无异常

启用传感器

int32_t EnableSensor(uint32_t sensorId, int64_t samplingPeroid, int64_t maxReportDelay);

功能：启用指定的医疗传感器
参数：
- sensorId - 传感器ID
- samplingPeroid - 采样周期
- maxReportDelay - 最大上报延迟
返回值：操作结果码
异常处理：启用失败时返回错误码

禁用传感器

int32_t DisableSensor(uint32_t sensorId);

功能：禁用指定的医疗传感器
参数：sensorId - 传感器ID
返回值：操作结果码
异常处理：禁用失败时返回错误码

执行传感器命令

int32_t RunCommand(uint32_t sensorId, int32_t cmdType, int32_t parms);

功能：执行传感器命令
参数：
- sensorId - 传感器ID
- cmdType - 命令类型
- parms - 命令参数
返回值：操作结果码
异常处理：命令执行失败时返回错误码

传输数据通道

int32_t TransferDataChannel(sptr<MedicalSensorDataChannel> sensorDataChannel);

功能：传输数据通道
参数：sensorDataChannel - 数据通道
返回值：操作结果码
异常处理：通道传输失败时返回错误码

销毁数据通道

int32_t DestroyDataChannel();

功能：销毁数据通道
返回值：操作结果码
异常处理：销毁失败时返回错误码

设置传感器选项

int32_t SetOption(uint32_t sensorId, uint32_t opt);

功能：设置传感器选项
参数：
- sensorId - 传感器ID
- opt - 选项值
返回值：操作结果码
异常处理：选项设置失败时返回错误码

JavaScript接口：

订阅传感器数据

function on(type: MedicalSensorType.TYPE_ID_PHOTOPLETHYSMOGRAPH, callback: Callback<PpgResponse>, options?: Options): void;

功能：订阅医疗传感器数据
参数：
- type - 传感器类型
- callback - 数据回调函数
- options - 可选参数
权限要求：ohos.permission.READ_HEALTH_DATA
异常处理：权限不足时抛出异常

取消订阅传感器数据

function off(type: MedicalSensorType.TYPE_ID_PHOTOPLETHYSMOGRAPH, callback?: Callback<PpgResponse>): void;

功能：取消订阅医疗传感器数据
参数：
- type - 传感器类型
- callback - 数据回调函数（可选）
异常处理：无异常

5.2 数据交换接口

IPC接口定义：

使用系统能力接口进行跨进程通信
支持MedicalSensorInfo结构体的序列化传输
提供异步回调机制

数据格式：

PpgData结构体支持PPG传感器数据传输
HeartRateData结构体支持心率数据传输
WearDetectionData结构体支持佩戴检测数据传输
SensorEvent结构体支持通用传感器事件传输

5.3 接口调用时序图

6. 总结

医疗传感器模块是OpenHarmony系统传感器子系统的重要组件，专门用于处理健康类传感器数据。该模块采用分层架构设计，为系统和应用提供统一的医疗传感器能力接口。

主要特点：

专门处理健康类传感器数据
支持多种医疗传感器类型（PPG、ECG、心率、佩戴检测等）
完善的权限控制机制
高效的异步数据处理能力
灵活的传感器生命周期管理
统一的数据上报接口

技术优势：

基于HDF框架的驱动模型
完善的错误处理和异常管理
支持多种数据上报模式
高效的跨进程通信机制
灵活的传感器配置选项

该模块为OpenHarmony系统的健康应用提供了坚实的基础，支持各种健康数据采集需求，是构建智能健康应用的重要基础设施。通过分层设计和统一接口，为开发者提供了灵活、高效、易用的医疗传感器开发能力。

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