基于ESP32-C3的低功耗便携式血氧与心率监测系统

项目名称

基于ESP32-C3的低功耗便携式血氧与心率监测系统

项目背景

随着全球人口老龄化加剧和慢性疾病（如心血管疾病、呼吸系统疾病）发病率上升，健康监测设备逐渐从医院场景向家庭场景渗透。血氧饱和度（SpO₂）和心率（HR）是评估人体生理状态的核心指标：

• 血氧饱和度反映血液中氧气含量，正常值范围为95%-100%，低于90%可能提示低氧血症（常见于肺炎、睡眠呼吸暂停等）。
• 心率是心血管健康的关键指标，静息心率异常（如持续＞100 BPM或＜60 BPM）可能暗示心律失常或代谢异常。
• 

项目动机

1. 技术普惠性

   • 利用开源硬件（ESP32-C3）与成熟光学传感器（MAX30102），将专业医疗设备成本降低至消费级（BOM成本＜30）。
   • 通过算法优化，在非专业环境下实现医疗级精度（误差＜±2%）。

2. 用户场景创新

   • 家庭健康管理：为老年人、慢性病患者提供每日自主监测。
   • 运动健康：实时追踪运动员/健身爱好者的血氧与心率变化。

3. 技术验证目标

   • 验证ESP32-C3在低功耗传感器数据处理中的可行性（对比传统STM32方案）。
   • 探索MAX30102光电信号在动态环境（如运动、弱灌注）下的抗干扰算法。

核心技术选型

1. 硬件架构

硬件创新点：

• 动态功耗控制：根据用户操作自动切换传感器采样率（如静止时50Hz，运动时100Hz）。
• 信号完整性设计：在MAX30102与ESP32-C3间增加RC低通滤波器（截止频率50Hz），抑制高频噪声。

2. 关键算法细节：

• 动态阈值心跳检测：
  基于红外信号的一阶导数计算斜率，结合自适应阈值（公式：threshold = 0.5 × (signal_max − signal_min)），解决运动伪影干扰。
• 血氧饱和度计算：
  使用红光（R）与红外光（IR）的交流/直流分量比（公式：R = (AC_R / DC_R) / (AC_IR / DC_IR)），通过预标定曲线（R-SpO₂映射表）转换为血氧值。

项目实现功能

1. 核心功能

   • 实时显示心率与血氧（70%~100%）数值。
   • 异常值警报（OLED闪烁）。

2. 性能指标

   参数	指标
   测量精度	心率±1 BPM，血氧±2%
   续航时间	＞48小时（500mAh电池）
   响应延迟	＜5秒

应用场景与用户价值

1. 家庭健康监测

   • 目标用户：老年人、COPD患者、孕妇。
   • 案例：夜间连续监测血氧，预警睡眠呼吸暂停综合征（SAS）。

2. 运动健康管理

   • 目标用户：登山者、马拉松运动员。
   • 案例：高海拔环境下实时监测血氧下降，预防高原反应。

未来计划

1. 云端数据展示与存储

项目意义

本项目的核心价值在于将专业医疗检测能力“平民化”，通过高性价比方案解决公共卫生资源分配不均的问题。其技术路径为后续可穿戴设备开发提供了参考范式，尤其在低功耗设计与信号处理领域具有普适性意义。