班宇晨、尉海东、夏广泽、宋东明（临沂大学自动化与电气工程学院）于《工业控制计算机》2026年第39卷第4期发表了一项关于便携式生理参数监测系统的原创性研究。该研究题为“基于STM32的便携式心率血氧监测系统设计”，旨在开发一款高精度、低功耗、适用于家庭健康管理与可穿戴场景的实时生理参数监测装置。
本研究的学术背景根植于生物医学工程与嵌入式系统交叉领域，具体聚焦于智能健康监护技术。心率和血氧饱和度是评估心血管与呼吸循环功能的核心生命体征，其持续、便捷的监测对于疾病早期预警、慢性病管理及日常健康评估具有重要意义。然而，传统的医疗监测设备通常存在体积庞大、操作复杂、成本高昂等问题，难以普及到家庭或个人日常使用场景。因此，开发一种能够实现动态追踪与异常预警的便携式监测系统成为当前的研究热点。本研究基于光电容积脉搏波描记法（Photoplethysmography，简称PPG）这一成熟的无创检测原理，旨在集成先进的微控制器与生物传感器，构建一个集信号采集、处理、显示、传输与预警于一体的完整系统，以期为慢性病早期筛查与健康风险评估提供一种创新的技术解决方案。本研究的具体目标包括：设计并实现一个基于STM32微控制器的硬件平台；集成MAX30102传感器实现心率与血氧信号的同步采集；开发相应的嵌入式软件与上位机应用程序；并通过实验验证系统的测量精度、稳定性与实时性。
本研究的工作流程系统而完整，涵盖了从原理分析、系统设计、软硬件实现到实验验证的全过程，主要包括以下五个主要环节：
第一环节是系统总体设计与原理确立。研究首先明确了系统的功能需求：心率监测、血氧饱和度监测、数据传输、异常预警和数据管理。系统被设计为一款预设程序的智能手环形态。其核心监测原理采用光电容积脉搏波描记法（PPG）。该方法利用特定波长的LED光照射活体组织（如指尖或手腕），血液中的血红蛋白（包括氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb）对光的吸收会随心脏搏动引起的血液容积周期性变化而变化。通过光电探测器接收反射或透射光信号并转化为电信号，分析此信号的周期性即可得到心率。同时，由于HbO2和Hb对不同波长光（通常为红光和红外光）的吸收特性存在差异，通过计算两种光信号吸收强度的比值，即可推导出血氧饱和度（SpO2），其理论计算公式为 SpO2 = CHbO2 / (CHbO2 + CHb) × 100%，其中C代表浓度。基于此原理，研究团队规划了系统的整体架构，包括硬件六大核心模块和软件分层协同设计，形成了如图1所示的系统设计框图。
第二环节是硬件系统的详细设计与实现。这是研究的核心工程部分，研究者采用了模块化设计方法，构建了由六大功能模块组成的硬件平台。（1）主控模块：采用STM32F103C8T6单片机作为系统核心，负责整体调度、数据融合、运算及控制指令下达。其高性能处理核心和丰富的外设接口为多模块协同工作提供了基础。（2）心率血氧监测模块：采用MAX30102集成式光电传感器。该模块集成了红光LED、红外LED、光电探测器、光学滤光片及低噪声模拟前端，构成了一个完整的反射式PPG检测系统。它通过I2C总线协议与主控芯片通信，负责原始生理信号的采集。研究特别强调了其硬件设计在确保信号质量方面的考量，如定制光学滤光片和低噪声前端处理，以实现高精度测量。（3）蓝牙无线通信模块：采用HC-05模块，用于在嵌入式系统与上位机（如智能手机）之间建立无线数据传输通道。研究详细说明了其工作模式（自动连接模式），以及如何通过STM32的HCI指令集进行配置，以确保数据传输的稳定性和实时性。（4）定位模块：采用HT2828Z3G5L传感器，支持北斗/GPS双模定位，用于记录用户的位置信息，在紧急情况下可提供位置求救服务。（5）显示模块：采用OLED显示屏，利用其自发光、低功耗的特性，实时显示心率、血氧饱和度及定位信息。（6）声光报警模块：由蜂鸣器和LED指示灯构成，当监测数据超出预设正常阈值时，由STM32触发声光报警，提供即时警示。（7）电源管理模块：采用3.7V锂聚合物电池供电，并设计了包含TP4056充电管理芯片的多级电压转换电路，为各模块提供稳定电压并具备电量监测与保护功能。在硬件集成阶段，研究团队通过PCB焊接工艺将各模块与主控模块连接，完成了物理平台的搭建。
第三环节是软件系统的开发。软件系统采用嵌入式端与上位机协同的架构，分为内部（下位机）程序开发和上位机应用程序开发两大部分。（1）内部程序开发：在STM32上运行的嵌入式程序流程如图2所示。系统上电初始化后，主程序通过I2C协议周期性（定时中断触发）从MAX30102传感器寄存器中读取原始数据。随后，程序对原始信号进行预处理，包括信号滤波（以消除运动伪影和环境噪声）和特征提取（识别脉搏波峰值以计算心率，计算红光与红外光吸收率比值以推算血氧饱和度）。处理后的数据一方面通过OLED驱动接口进行本地实时显示，另一方面通过串口发送至蓝牙模块，无线传输至上位机。同时，程序持续判断心率与血氧值是否超出安全阈值，若超出则控制声光报警模块工作。（2）上位机App设计方案：研究团队使用图形化编程工具App Inventor开发了上位机应用程序。该App具备蓝牙连接管理、数据接收、实时显示、历史数据存储与分析、以及异常报警推送等功能。它为用户提供了一个直观的健康数据管理界面和远程预警平台。
第四环节是系统集成与初步调试。在完成软硬件开发后，研究团队进行了系统联调。他们将编译好的固件通过Keil MDK-ARM开发环境下载到STM32单片机中。系统启动后，成功完成了I2C设备初始化、定时器配置，并实现了传感器数据的周期性采集、显示与蓝牙传输。初步验证表明，OLED模块能够以1 Hz的刷新率稳定显示数据，硬件平台与基础功能运行正常。图3展示了系统的实物图。
第五环节是系统的性能测试与分析。这是验证研究目标是否达成的关键实验环节。研究设计了一项对比实验来评估系统的监测精度和稳定性。实验对象（研究样本）为6名年龄在20-30岁之间的志愿者（3男3女）。测试方法为：在静止状态下，使用本研究开发的系统与一款市售智能手环（作为对比对象）同时对每位志愿者进行测量。每位志愿者独立进行5次测试，每次间隔10分钟，最终取5次测量结果的平均值作为该志愿者的最终数据。实验采集了心率和血氧饱和度两项关键参数。数据处理方面，研究者计算了本系统测量值与对比手环测量值之间的偏差。实验结果以表格形式呈现（表1和表2）。数据显示，对于所有志愿者，本系统测得的心率与对比手环的偏差均控制在±1次/分钟（bpm）以内；血氧饱和度的测量偏差均控制在±1%以内。这些偏差数据表明，本系统的测量精度达到了临床可接受的要求。此外，报告指出系统在整个测试过程中刷新率稳定在1Hz，未出现数据丢失或通信中断，验证了其可靠性与实时监测能力。
本研究获得了一系列明确的结果。在硬件与基础功能调试环节，成功实现了各模块的协同工作，OLED显示稳定，初步验证了平台可行性。在核心的性能测试环节，对比实验数据提供了强有力的量化结果：心率检测偏差为±1 bpm，血氧饱和度检测偏差为±1%。这两组关键数据直接证实了系统在静态测量场景下的高精度特性，满足了预设的设计目标。系统刷新率稳定在1Hz且无数据丢失的结果，则从另一个维度证明了系统的稳定性和实时性。这些结果之间存在清晰的逻辑递进关系：硬件平台的正确搭建与基础软件流程的畅通（第三、四环节的结果）是进行高精度数据采集的前提；而最终的性能测试结果（第五环节）则是对整个系统设计（从原理、硬件到软件算法）有效性的最终检验和量化证明。所有结果共同支撑了研究的核心结论——成功设计并实现了一个符合临床精度要求的便携式实时监测系统。
基于上述工作与结果，本研究得出结论：成功设计并实现了一种基于STM32的便携式心率血氧监测系统。该系统集成度高，通过模块化硬件设计和协同式软件架构，实现了心率、血氧饱和度、位置信息的采集、显示、无线传输与阈值预警功能。实验测试表明，其测量精度（心率±1 bpm，血氧±1%）符合临床监测要求，且系统运行稳定可靠。该研究的价值体现在多个层面：在科学价值上，它展示了如何将PPG原理、嵌入式系统设计、无线通信技术及移动应用开发进行有效集成，为可穿戴健康设备研发提供了一个具体的技术实现范例。在应用价值上，该系统体积小、成本相对较低、操作简便，有望应用于家庭健康监护、老年人慢性病管理、运动员训练监测及户外应急医疗等多个场景，有助于推动健康管理从医院中心化模式向分布式、个性化模式的转变。
本研究的亮点突出。首先，在研究成果方面，成功研制出一款功能完整的原型设备，并通过与市售产品的对比实验，以具体数据（±1 bpm， ±1%）验证了其优异的测量精度，这是该研究最直接的贡献。其次，在系统设计的新颖性与特殊性方面，研究并非单一功能实现，而是构建了一个集生理参数监测、定位、无线通信、本地显示与远程管理于一体的多功能系统，体现了较高的集成度。软件上采用嵌入式端与上位机App协同的架构，兼顾了实时性与数据分析深度。再者，在研究对象的特殊性方面，研究明确针对“便携式”、“可穿戴”场景，解决了传统医疗设备在此场景下的应用瓶颈，具有明确的市场导向和应用针对性。
此外，文档中还包含一些有价值的细节。例如，在硬件描述中，研究者强调了MAX30102传感器模块中定制光学滤光片和低噪声模拟前端对提升精度的作用，以及I2C总线在复杂电磁环境下的高可靠性（误码率低于10^-6）。在软件描述中，提到了对原始信号进行“信号滤波和特征提取”的预处理步骤，这是确保算法精度的关键，虽然文中未展开具体算法细节（如使用何种滤波算法、如何识别脉搏波），但指出了数据处理流程。在测试部分，研究者不仅关注精度，还注意到了系统在不同性别受试者中表现的一致性，以及通过多次测量取平均值的方法来确保数据稳定性，这些体现了研究的严谨性。最后，研究者也客观指出了当前系统的局限性，如测试规模较小、环境较为单一，难以验证长期稳定性，并为后续研究指出了方向：扩大测试范围、优化算法设计以进一步提升可靠性。这些内容共同构成了一项较为完整、从设计到验证的工程应用型学术研究。