多功能心率血氧監測系統

2025-03-18 00:00:00徐爭超楊蕾徐榕冶王寅卜

物聯網技術 2025年6期

摘要：在后疫情時代，公眾對健康的關注度有了顯著提升，特別是對于那些疫情后更易患上其他疾病的人群，持續對心臟功能進行監控變得尤為重要。為此，設計了一款面向心率及血氧的健康監測系統。系統核心包括采用血氧采集模塊、血壓采集模塊和溫度感應模塊實時記錄血壓、血氧水平、心跳速率及體溫，并支持波形數據的即時采集與分析。與傳統設備相比，該系統實現了多功能集成，方便用戶對健康狀況進行全面監測。

關鍵詞：血氧監測；血壓監測；可穿戴設備；MKB0805；STM32；MAX30102

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.032

0 引言

隨著全球人口老齡化進程的不斷加速，各種慢性疾病和代謝性疾病的高發問題愈發嚴重，人們對于自身健康的關注程度與日俱增。尤其在經歷了某些突發事件后，人們更加意識到自身健康的重要性。因此，越來越多的人們希望能夠實時了解自己的身體狀況，及時掌握如血氧、血壓和心率等生命特征數據。這些數據不僅可以反映出身體的基本代謝狀態和心血管方面的健康情況，而且對于發現疾病的早期征兆、預防疾病的發生以及尋求醫療幫助至關重要[1]。

近年來，隨著人們健康意識的增強以及科學技術的進步，針對個體健康狀況的實時監控需求顯著上升。這促使簡單的生理參數跟蹤向復雜的多參數監測系統轉變。基于醫療物聯網的醫療可穿戴設備，因其部署迅速、應用多樣以及穩定性高等特點，成為了實現人體健康檢測的理想選擇[2]。因此，提供一種集成多種生理參數檢測功能的可穿戴設備，用于對個人健康狀況和慢性病進行連續在線監測，已經成為當前健康管理領域中的一項緊迫任務。

1 硬件設計與分析

本系統主要包括血壓檢測模塊、血氧采集模塊、心率測量模塊、體溫檢測模塊以及數據顯示模塊。血氧采集模塊檢測人體的PPG（光電容積脈搏波）信號峰值，通過分析峰值和模塊中紅外信號對應的AC（交流成分）/DC（直流成分）來計算血氧飽和度的比例。血壓檢測模塊可以檢測出血壓信息、PPG、ECG（心電圖）波形等。上述模塊采集的數據都會被發送給STM32單片機進行處理、分析，之后單片機將處理過的數據輸出到顯示模塊或通過串口發送給電腦端。系統設計框圖如圖1所示。

1.1 控制器模塊

STM32F103ZET6是一款功能強大的單片機，內嵌有一個8 MHz的RC振蕩器，具有串行單線調試和JTAG兩種調試模式，便于用戶根據實際需求選擇，但推薦使用SWD模式。該模塊擁有8個定時器，包括3個16位定時器，每個定時器有4個通道，支持精確計時，還有2個I2C接口和3個USART接口，支持各類通信接口和總線協議?？傮w而言，STM32F103ZET6是一款適用于不同應用領域的性能穩定、功能全面的控制器。

1.2 血壓檢測模塊

血壓測量模塊選用高科公司出品的MKB0805，這款傳感器由 YK1801脈搏傳感器芯片、HR6707脈搏芯片、HR6816增益芯片以及SFB9712算法芯片構成[3-4]。脈搏傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記（PPG）方式感測并提取人體脈搏信號，經過 HR607和HR6816的模擬處理和 SFB9712的算法分析后，輸出血壓、ECG等生理信號。

1.3 血氧檢測模塊

MAX30102是一個集成脈搏血氧儀和心率監測儀生物傳感器的模塊。此模塊內置有紅光LED、紅外光LED、光電檢測器、光學組件[5-6]，具有擁有環境光干擾抑制功能的低噪聲電路，該模塊使用反射式LED技術，可實現快速且可靠的心率和血氧測量[7]。

1.4 溫度模塊及顯示模塊

溫度模塊選用WD3703，這是一款包含PT1000傳感器的高精度溫度測量設備，能夠快速、精準地測定環境溫度。其應用范圍廣泛，包括醫療、建筑、新能源技術等多個領域。顯示模塊采用的OLED屏幕無背光設計，利用化學材料發光，優點是畫質清晰、反應速度快，且工作電壓要求不高，高效節能，屏幕小巧輕便，價格低廉，適合攜帶，顯示的信息較為豐富。屏幕陽極為ITO玻璃電極，陰極為金屬。

2 軟件設計與流程

系統主流程如圖2所示，包括系統的時鐘樹配置、中斷系統設置、延時程序設置等，并在主函數中添加了板級初始化，包括實驗板子模塊的初始化。完成初始化后使用者便可采集體溫值、血氧值、血壓值，系統將傳感器獲得的模擬信號轉化為數字信號并發送給控制器，經控制器傳送至OLED顯示模塊。與此同時，通過串口的協議處理，數據上傳完成后可在電腦端查看其波形。

2.1 血氧、心率檢測流程

血氧檢測由MAX30102傳感器完成，系統首先對傳感器采集的原始信號進行濾波處理，在去除高頻和低頻噪聲后，提取出心跳峰和心跳谷的位置。對于每個心跳谷，通過相鄰波谷的間隔分析得出心率[8-10]，接著計算出在該區間內紅光和紅外線信號的直流分量和交流分量。最后，將紅光和紅外線信號的交流分量比值（R值）映射到一個查找表中，得到相應的血氧飽和度值。如果計算出的R值不在有效范圍內，則血氧飽和度值為無效值-999。

2.2 血壓檢測流程

血壓的檢測以及波形的處理由MKB0805傳感器完成，該傳感器能實現對心率的測量，當傳感器放置在手腕處時，動脈血液的流動會影響射向皮膚的LED光的反射。反射的光可被儀器感應并轉化為AC信號，該信號為PPG脈搏信號，可反映人體脈搏的基本信息，再經過模擬前端芯片和算法芯片對脈搏信號做進一步處理后，輸出最終的PPG、ECG、血壓值等信息。血壓值通過芯片對血液流動時產生的收縮壓和舒張壓進行分析計算后得到。在該過程中，動脈的收縮和擴張就像一臺全自動測量器，通過監測可以觀察到心臟每次跳動時動脈血液流動引起的血管體積發生的周期性變化。

3 實物測試

在進行心率測量時，為確保測量精度，血壓傳感器應放置于手腕處并使用橡皮筋緊固，防止傳感器與皮膚接觸不充分而導致較大的測量誤差。在測量血氧時，需要確保傳感器與手指緊密貼合，以保證測量結果的準確性。溫度傳感器在未與人體接觸狀態下顯示的溫度為環境室溫，當與皮膚接觸后，開始測量體溫。通過圖示3中OLED屏幕可以看到被測者的生理指標：血壓為132/74 mmHg（毫米汞柱），其中被測者的收縮壓（高壓）為132 mmHg，舒張壓（低壓）為74 mmHg，處于正常范圍；心率為76次/min；當前環境下的室溫為32.9 ℃；血氧飽和度為98%。

此外，利用串口協議實現數據上傳后可在電腦端顯示測試結果如圖4所示?？梢钥吹诫娔X端展示了心電圖（ECG）波形和脈搏波（PPG）波形，以及采集的其他生理特征數據。這種可視化展示和數據采集功能為醫療工作人員提供了一種直觀且有效的監測和評估被測者心血管健康狀況的方式。

4 結語

該系統將多個檢測功能集成到一個平臺上，為用戶提供全面監測健康狀況的方案。它能夠準確測量血壓、血氧和體溫等關鍵生理參數，并且能持續輸出穩定的波形數據。這種技術的優勢在于其非侵入性、便捷性以及能夠實時監測心率和血壓等重要生命體征的能力。通過對PPG和ECG信號的進一步分析，可以提取出更多有關心臟健康狀態的信息，比如心率變異性（HRV）、心跳間期（IBI）等，這些信息對于評估心血管健康狀況、預防心臟疾病具有重要價值。

參考文獻

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[8]趙錦程. 基于多功能傳感器的健康檢測系統研究[D].青島：青島大學，2022.

[9]王世豪，臧衍樂，祝雙武. 具有心率血氧檢測功能的智能服裝設計 [J]. 毛紡科技，2022，50（11）：38-44.

[10]王海強. 多參數檢測及健康管理系統的設計與實現[D].長春：長春理工大學，2023.

作者簡介：徐爭超（1997—），男，在讀碩士研究生，研究方向為計算機視覺、深度學習。