开源脉搏血氧仪：Arduino Nano + MAX30102 + OLED 监测心率血氧

项目背景

COVID-19 导致血氧监测需求激增，商用指夹式血氧仪一度短缺。本项目开源一个低成本、可自制的脉搏血氧仪，基于 Arduino Nano、MAX30102 传感器和 128x64 OLED 显示，外壳 3D 打印。声明：本设备仅供学习/参考，不能替代医疗级设备，读数仅供参考，不作为诊断依据。

核心硬件

• MAX30102：Maxim 集成光学心率/血氧传感器，内置绿光/红光/IR LED、光电二极管、环境光抵消、18-bit ADC，I2C 接口 (地址 0x57)，工作电压 3.3V/5V 兼容
• DFRobot Gravity I2C OLED-2864：128x64 像素，SSD1306 驱动，I2C 地址 0x3C，4 线即插即用
• Arduino Nano：ATmega328P，SRAM 2KB，勉强存放 50 组 32-bit 采样数据 (代码中 Uno 兼容模式截断为 16-bit)
• 3D 打印外壳：上盖、底座、传感器固定座、OLED 窗口，PLA 材质，70-80% 填充

接线极简 (I2C 总线并联)

INT 引脚悬空。巧板焊接时注意走线整齐，避免干扰 I2C 通信。

软件库依赖

• Wire.h (内置)
• MAX30105.h (SparkFun MAX3010x 库)
• spo2_algorithm.h (Maxim 官方算法，计算 HR/SpO2)
• SSD1306Ascii.h / SSD1306AsciiWire.h (轻量级 OLED 文本库)

库管理器搜索 “MAX30105” “SSD1306Ascii” 安装；spo2_algorithm.h 需手动放入库目录或同目录下。

算法流程

1. 初始化传感器：particleSensor.setup(55, 4, 2, 200, 411, 4096) (LED 电流 55mA, 采样率 400Hz, 脉宽 411μs, ADC 4096)
2. 采集前 50 组样本建立基线
3. 调用 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation() 计算初始 HR/SpO2
4. 进入循环：滑动窗口丢弃前 25 组，采集 25 组新样本 (约 1 秒)
5. 重新计算 HR/SpO2，校验 validHeartRate 和 validSPO2
6. 有效则 OLED 显示，无效显示 “Not valid”

关键代码片段

#include <Wire.h>
#include "MAX30105.h"
#include "spo2_algorithm.h"
#include "SSD1306Ascii.h"
#include "SSD1306AsciiWire.h"

MAX30105 particleSensor;
SSD1306AsciiWire oled;

#if defined(__AVR_ATmega328P__)
uint16_t irBuffer[50], redBuffer[50];  // Uno/Nano 截断为 16-bit
#else
uint32_t irBuffer[50], redBuffer[50];
#endif

int32_t spo2, heartRate;
int8_t validSPO2, validHeartRate;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  oled.begin(&Adafruit128x64, 0x3C);
  oled.setFont(Arial14);
  if (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_FAST)) {
    Serial.println("MAX30105 not found");
    while (1);
  }
  particleSensor.setup(55, 4, 2, 200, 411, 4096);
}

void loop() {
  // 首次 50 样本校准
  for (byte i = 0; i < 50; i++) {
    while (!particleSensor.available()) particleSensor.check();
    redBuffer[i] = particleSensor.getRed();
    irBuffer[i] = particleSensor.getIR();
    particleSensor.nextSample();
  }
  maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, 50, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate);

  while (1) {
    // 滑动窗口
    for (byte i = 25; i < 50; i++) {
      redBuffer[i - 25] = redBuffer[i];
      irBuffer[i - 25] = irBuffer[i];
    }
    // 采集 25 新样本
    for (byte i = 25; i < 50; i++) {
      while (!particleSensor.available()) particleSensor.check();
      redBuffer[i] = particleSensor.getRed();
      irBuffer[i] = particleSensor.getIR();
      particleSensor.nextSample();
    }
    maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, 50, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate);
    printToScreen();
  }
}

void printToScreen() {
  oled.clear(); oled.setCursor(0, 0);
  if (validSPO2 && validHeartRate) {
    oled.print(F("HR: ")); oled.println(heartRate);
    oled.print(F("SPO2: ")); oled.println(spo2);
  } else {
    oled.print(F("Not valid"));
  }
}

使用方法

1. 组装硬件，上传代码
2. 手指平放于 MAX30102 传感器窗口，轻合上盖 (避免环境光、施压过大影响读数)
3. 接入 5V 供电 (USB 移动电源即可)
4. 等待约 10 秒稳定，OLED 显示心率 (BPM) 和血氧饱和度 (%)
5. 若长期显示 “Not valid”，调整手指位置、压力或环境光

已知局限与改进方向

• 算法对运动伪影敏感，需静止测量
• Arduino Nano SRAM 限制采样精度，升级 ESP32/STM32 可用完整 32-bit 算法
• 增加电池供电管理 (TP4056 + 3.7V 锂电)、充电指示
• 加入数据记录 (MicroSD) 或蓝牙传输至手机 App
• 外壳优化：增加弹簧结构自适应手指粗细，改善贴合度

文件资源

• 3D 打印 STL：项目附件区下载
• 完整代码及库：GitHub (示例链接)