穿戴式生命体征监测仪：STM32 + MAX30102 + GY906 + MSP20 + GPS + 阿里云

这是一套基于 STM32F103C8T6 的穿戴式多参数健康监测终端，能同时采集心率、血氧、血压、体温，并通过 ATGM336H GPS 模块获取定位，最终经 ESP8266 WiFi 以 MQTT 协议上传到阿里云物联网平台。本地 OLED 实时显示，异常时蜂鸣器 + LED 声光报警。适合作为健康监测、老人看护、户外运动等场景的参考方案。

一、项目背景与功能

系统的核心目标是做一款“戴在身上就能知道身体状态”的小型监测设备：

心率/血氧：MAX30102 光电传感器，基于 PPG + FFT 算法计算心率和血氧饱和度。
体温：GY906（MLX90614）非接触红外测温，测量人体额头/手腕温度。
血压：MSP20 压力传感器，通过 ADC 采集并换算为血压值（kPa）。
GPS 定位：ATGM336H 模块解析 NMEA 语句，获取经纬度。
本地显示：0.96 寸 IIC OLED 显示所有体征数据。
声光报警：心率/血氧/体温/血压任一超阈值，蜂鸣器 + LED 报警。
阈值可调：4 个独立按键设置心率、血氧、体温、血压报警阈值。
远程上云：通过 ESP8266 连接 WiFi，以 MQTT 接入阿里云物联网平台，周期性上报健康数据和位置信息。

二、硬件清单

元器件	数量	说明
STM32F103C8T6 最小系统板	1	主控 MCU，72MHz Cortex-M3
0.96 寸 OLED 显示屏	1	IIC 接口，128×64 分辨率
MAX30102 传感器模块	1	PPG 心率血氧，IIC 接口
GY906（MLX90614）红外测温模块	1	SMBus/IIC 接口
MSP20 压力传感器	1	模拟输出，接 PA0 用于血压估算
ATGM336H GPS 模块	1	串口输出 NMEA 数据
ESP8266 WiFi 模块	1	串口 AT 指令，连接阿里云
有源蜂鸣器	1	PA15 驱动
LED	1	PA12 状态/报警指示灯
独立按键	4	PB12~PB15，上拉输入
DC-005 电源接口	1	5V 输入供电

IO 资源分配

// MAX30102：PA6(SCL)、PA7(SDA)
// GY906：   PB10(SCL)、PB11(SDA)
// OLED：    PB0(SCL)、PB1(SDA)
// MSP20：   PA0（ADC1_CH0）
// GPS：     USART1 PA9(TX)、PA10(RX)，9600bps
// WiFi：    USART2 PA2(TX)、PA3(RX)，115200bps
// WiFi 复位：PA4
// 蜂鸣器：   PA15
// 报警 LED：PA12
// 按键：     PB12(ADD)、PB13(REDUCE)、PB14(SET)、PB15(CHOICE)

三、硬件设计

3.1 原理图

原理图

原理图主要分几个区域：

主控开发板：STM32F103C8T6 最小系统，引出 USART1/2、ADC、多路 IIC 和 GPIO。
电源模块：DC-005 接口 + 330uF/100nF 滤波，5V 转 3.3V 供 MCU 和模块。
MAX30102 模块：IIC 接 PA6/PA7，INT 中断脚接 PA4（与 WiFi 复位复用，实际代码中 INT 由 MAX30102_INTPin_Read 读取）。
GY906 模块：IIC 接 PB10/PB11。
MSP20 压力传感：模拟信号接 PA0。
ATGM336H GPS：串口接 PA9/PA10。
ESP8266 WiFi：串口接 PA2/PA3，RST 接 PA4。
OLED 屏幕：IIC 接 PB0/PB1。
蜂鸣器/LED/按键：常规 GPIO 驱动。

四、软件设计

4.1 主循环初始化

main.c 负责初始化所有外设，然后进入主循环采集 GPS、心率和血氧：

int main(void)
{
    delay_init();
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    SPECIAL_PIN_Init();

    USART1_Init(9600);      // GPS
    Usart2_Init(115200);    // ESP8266 WiFi

    Init_adc();             // MSP20 血压 ADC
    KEY_Init();
    LED_Init();
    BEEP_Init();
    OLED_Init();
    OLED_Clear();
    page_one();             // 显示首页

    IIC_GPIO_INIT();        // MAX30102 IIC
    MAX30102_GPIO();
    Max30102_reset();
    MAX30102_Config();

    Mlx96014_Configuration();   // GY906 初始化

    WiFi_ResetIO_Init();
    MQTT_Buff_Init();
    AliIoT_Parameter_Init();    // 阿里云 MQTT 参数

    TIM1_Time_Init(99, 7199);   // 10ms 中断
    TIM4_Init(300, 7200);       // 30ms 中断，MQTT 保活

    while (1)
    {
        if (ceshi_status)
            blood_Loop();           // 采集心率和血氧

        parseGpsBuffer();           // 解析 GPS NMEA
        printGpsBuffer();

        // 根据 NMEA 中的格式把经纬度转换为 double
        if (Save_Data.longitude[5] == '.')
            jingdu = ...;
        else if (Save_Data.longitude[4] == '.')
            jingdu = ...;

        if (Save_Data.latitude[5] == '.')
            weidu = ...;
        else if (Save_Data.latitude[4] == '.')
            weidu = ...;

        if (show_mode == 1)         // GPS 页面显示经纬度
        {
            OLED_ShowNum(72, 0, (u8)jingdu, 3, 16);
            OLED_ShowNum(104, 0, (u16)(jingdu * 100) % 100, 2, 16);
            OLED_ShowNum(72, 2, (u8)weidu, 3, 16);
            OLED_ShowNum(104, 2, (u16)(weidu * 100) % 100, 2, 16);
        }
        Delay_Ms(500);
    }
}

4.2 MAX30102 心率血氧检测

MAX30102 通过 IIC 读取 FIFO 中的红光/红外光数据，然后做 FFT 频谱分析提取脉搏波频率，从而计算心率和血氧：

void blood_data_update(void)
{
    g_fft_index = 0;
    while (g_fft_index < FFT_N)
    {
        while (MAX30102_INTPin_Read() == 0)
        {
            max30102_read_fifo();
            if (g_fft_index < FFT_N)
            {
                s1[g_fft_index].real = fifo_red;   // 红光
                s2[g_fft_index].real = fifo_ir;    // 红外光
                g_fft_index++;
            }
        }
    }
}

void blood_data_translate(void)
{
    // 1. 去直流分量
    // 2. 移动平均滤波
    // 3. FFT 变换
    FFT(s1);
    FFT(s2);

    // 4. 求幅值并累加 AC 分量
    for (i = 1; i < FFT_N; i++)
    {
        ac_red += s1[i].real;
        ac_ir  += s2[i].real;
    }

    // 5. 找最大谱线索引，换算为心率
    s1_max_index = find_max_num_index(s1, 30);
    Heart_Rate = 60.00 * ((100.0 * s1_max_index) / 512.00);
    g_blooddata.heart = Heart_Rate;

    // 6. 根据 R 值计算血氧
    R = (ac_ir * dc_red) / (ac_red * dc_ir);
    sp02_num = -45.060 * R * R + 30.354 * R + 94.845;
    g_blooddata.SpO2 = sp02_num;
}

心率和血氧结果会分别更新到全局变量 heart_shuju 和 spo2_shuju，供显示和上传使用。

4.3 GY906 体温采集

GY906（MLX90614）通过 SMBus 协议读取人体表面温度，代码中使用软件模拟时序：

// 初始化 PB10/PB11 为开漏输出
void Mlx96014_Configuration(void)
{
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;  // SCL
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;  // SDA
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    SDA_H; SCL_H;
}

// 在 TIM1 中断中每 10ms 读取一次，500ms 取平均
people_temp = temp_zong / 50;

4.4 MSP20 血压采集

MSP20 是压力传感器，输出模拟电压与压力成比例。代码使用 ADC1 通道 0 + DMA 循环采集：

void Init_adc(void)
{
    // PA0 模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // DMA1 通道 1 循环传输 1 个半字
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1;
    DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);

    // ADC1 连续转换
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}

在 TIM1 中断中，把 ADC 值累加后换算为 kPa：

ADC_ConvertedValueLocal = (float)ADC_ConvertedValue[0] / 4096 * 3.3f;
msp_zong += ADC_ConvertedValueLocal;
if (ADC_count >= 50)       // 500ms 取平均
{
    ADC_count = 0;
    msp20_data = (float)(msp_zong / 165 * 100);
    msp_zong = 0;
}

4.5 GPS 经纬度解析

USART1 接收 ATGM336H 的 $GNRMC 语句，解析出 UTC 时间、纬度、经度等信息：

void USART1_IRQHandler(void)
{
    Res = USART_ReceiveData(USART1);
    if (Res == '$') point1 = 0;
    USART_RX_BUF[point1++] = Res;

    if (USART_RX_BUF[0] == '$' && USART_RX_BUF[4] == 'M' && USART_RX_BUF[5] == 'C')
    {
        if (Res == '\n')
        {
            memcpy(Save_Data.GPS_Buffer, USART_RX_BUF, point1);
            Save_Data.isGetData = true;
            point1 = 0;
        }
    }
}

主循环中调用 parseGpsBuffer() 拆分逗号字段，并把度分格式转换为十进制度：

if (Save_Data.longitude[5] == '.')
    jingdu = hextoDec(...) * 100 + ... + (...)/60;

4.6 阿里云 MQTT 数据上传

ESP8266 通过 AT 指令连接 WiFi 和阿里云 MQTT 服务器，然后使用自定义的 MQTT 协议栈封装数据：

// 阿里云三元组
#define PRODUCTKEY  "a1AAS8HI34v"
#define DEVICENAME  "Device"
#define DEVICESECRE "16dda89e8b35e1c6a6b0ff42249caf85"
#define P_TOPIC_NAME "/sys/a1AAS8HI34v/Device/thing/event/property/post"

连接成功后，TIM2 定时器每 10 秒触发一次，交替上报两组数据：

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    static u8 i = 0;
    i++;
    if (i == 3) i = 1;

    if (i == 1)
    {
        sprintf(temp, "{\"params\":{\"heart\":%d,\"spo2\":%0.2f,\"temp\":%0.1f,\"msp\":%0.1f}}",
                heart_shuju, spo2_shuju, people_temp, msp20_data);
        MQTT_PublishQs0(P_TOPIC_NAME, temp, strlen(temp));
    }
    else if (i == 2)
    {
        sprintf(temp, "{\"params\":{\"jing\":%0.2f,\"wei\":%0.2f,\"bao\":%d}}",
                jingdu, weidu, baojing_status);
        MQTT_PublishQs0(P_TOPIC_NAME, temp, strlen(temp));
    }
}

TIM4 每 30ms 运行一次 MQTT 状态机，负责 CONNECT、SUBSCRIBE、PING 保活和重连。

4.7 TIM1 中断：按键 + 显示 + 报警

TIM1 每 10ms 进入一次更新中断，完成所有周期性任务：

void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{
    // 每 50ms 扫描一次按键
    if (KEY_count >= 5)
    {
        KEY_count = 0;
        key = KEY_Scan(0);
        if (key == SET_PRES)          // 切换显示页面
        {
            show_mode = (show_mode + 1) % 6;
            // page_one ~ page_six
        }
        else if (key == CHOICE_PRES)  // 切换粗调/细调
        {
            if (show_mode != 0) tiaozheng_status = !tiaozheng_status;
            else ceshi_status = !ceshi_status;
        }
        else if (key == ADD_PRES)     // 阈值加
        {
            if (show_mode == 2) heart_yuzhi += (tiaozheng_status ? 10 : 1);
            else if (show_mode == 3) spo2_yuzhi += (tiaozheng_status ? 1.0 : 0.1);
            else if (show_mode == 4) temp_yuzhi += (tiaozheng_status ? 1.0 : 0.1);
            else if (show_mode == 5) msp20_yuzhi += (tiaozheng_status ? 1.0 : 0.1);
        }
        else if (key == REDUCE_PRES)  // 阈值减
        {
            // 同理递减
        }
    }

    // GY906 温度累加，500ms 平均
    temp_zong += SMBus_ReadTemp();
    if (GPY96_count >= 50) { people_temp = temp_zong / 50; temp_zong = 0; }

    // MSP20 血压累加，500ms 平均
    ADC_ConvertedValueLocal = (float)ADC_ConvertedValue[0] / 4096 * 3.3f;
    msp_zong += ADC_ConvertedValueLocal;
    if (ADC_count >= 50) { msp20_data = msp_zong / 165 * 100; msp_zong = 0; }

    // 报警判断
    if (heart_shuju > heart_yuzhi || spo2_shuju < spo2_yuzhi ||
        people_temp > temp_yuzhi || msp20_data > msp20_yuzhi)
        baojing_status = 1;
    else
        baojing_status = 0;

    if (baojing_status) beep = 1, led = 1;
    else                beep = 0, led = 0;

    // 500ms 刷新 OLED
    if (MESSAGE_count >= 50)
    {
        if (show_mode == 0)
        {
            OLED_ShowNum(88, 0, heart_shuju, 3, 16);
            OLED_ShowNum(72, 2, spo2_shuju, 3, 16);
            OLED_ShowNum(104, 2, (u32)(spo2_shuju * 100) % 100, 2, 16);
            OLED_ShowNum(72, 4, people_temp, 3, 16);
            OLED_ShowNum(104, 4, (int)(people_temp * 10) % 10, 1, 16);
            OLED_ShowNum(72, 6, msp20_data, 2, 16);
            OLED_ShowNum(96, 6, (int)(msp20_data * 10) % 10, 1, 16);
        }
        // page_two ~ page_six 同理
    }
}

显示页面设计：

page_one：首页，显示当前心率、血氧、体温、血压。
page_two：GPS 页面，显示经度、纬度和报警状态。
page_three~six：分别设置心率阈值、血氧阈值、体温阈值、血压阈值。

五、实物展示

实物图

实物板采用绿色 PCB，中间是 STM32F103C8T6 最小系统板，上方为 OLED 显示屏，左侧为 ESP8266 WiFi 模块和 MAX30102 传感器，下方为 4 个独立按键，右侧为蜂鸣器和电源接口。OLED 首页可看到心率、血氧、体温、血压四项数据。

实物图2

测试时可以通过手指按压 MAX30102 模拟心率血氧采集，同时用注射器对 MSP20 压力传感器加压，观察血压数值变化。

六、功能特点

功能	说明
四体征监测	心率、血氧、体温、血压同时采集
GPS 定位	ATGM336H 实时获取经纬度
阿里云上云	ESP8266 + MQTT 周期性上报健康/位置数据
本地显示	0.96 寸 OLED 六页菜单
声光报警	超阈值时蜂鸣器 + LED 响应
阈值可调	4 按键设置心率/血氧/体温/血压阈值
FFT 算法	MAX30102 采用 FFT 频谱法计算心率血氧
多 IIC 设备	MAX30102、GY906、OLED 分时复用不同 IIC 引脚