摘要：为解决常规心电设备便携性与精度不足问题，满足家庭心脏健康监测需求，本文研发兼顾低能耗、便携与准确性的心电检测系统。硬件以 BMD101 心电采集模块为核心，配主控、蓝牙模块，支持指尖与穿戴式检测；软件集成滤波与心率计算功能，适配 PC 及手机端，可实时显波并存储数据。实验验证，系统可清晰捕获P、QRS、T 波，心率测量准确、数据可靠。该系统为家庭心电监测提供实用工具，具有较高应用价值。

关键词：低能耗；便携式；心电采集；家庭健康监测

     

1. 引言

心血管疾病是全球首要致死原因，具有突发性强、致死率与致残率高的特点。世界卫生组织报告指出，其早期发现与持续监测是降低风险的关键。心电图作为临床诊断心脏活动异常的核心无创检测技术，可记录心脏体表电位变化，有效反映心律失常、心肌缺血等病理状态[1]。

然而，常规 12 导联心电图需在医院静态环境下进行，难捕捉阵发性心律失常；动态心电图虽然可以提供24 小时以上的连续记录，但其设备笨重、导线繁多，会给用户的日常生活带来显著不便，且监测周期有限，成本较高。

近年来，微电子、嵌入式系统及低功耗无线通信技术推动可穿戴医疗设备快速发展。智能手表、智能手环等消费级电子产品已普遍集成光学心率监测功能，但其精度易受运动伪影和环境光干扰，在心电事件的精准捕捉方面与医疗级设备仍有差距。因此，开发一款兼具医疗级精度、良好便携性、长续航能力且专注于心电信号，特别是心率变异性分析的可穿戴设备，具有重要的现实意义和应用价值。

2. 心电系统整体设计

2.1 系统结构

本系统主要由硬件平台和软件处理两大核心部分构成。在硬件部分，系统配备了心电信号采集模块BMD101，实时捕捉人体的心电信号；锂电池供电模块，含充放电管理、稳压电路及地与电压隔离；蓝牙传输模块将无线传输处理后的数据至外部设备；STM32F103C8T6 微控制器，通过蓝牙模块接收心电数据并进行存储、处理；OLED 显示模块，实时呈现 STM32 处理后的心电图波形与参数；自主研发的弹性绑带压力调节机构，用于保障电极与皮肤贴合，提升信号采集稳定性。

在软件部分，系统集成了多种功能模块。信号滤波模块，用于去除心电信号噪声干扰；心率计算模块，能够精准计算实时心率值 [2] ；以及上位机数据显示功能，即通过手机或PC 端软件，直观展示心电波形与分析结果。

系统的工作流程如图 1 所示：首先，BMD101 采集原始心电信号后，经内置程序初步滤波并提取心率信息；接着，处理后的数据通过蓝牙传输至 STM32 单片机、手机或PC 端的上位机软件；单片机对接OLED 模块实现心率便携实时显示，上位机软件则对接收到的信息进一步处理并显示波形，以便用户能够全面了解自身的心电状况。

图1 系统整体结构方案

2.2 心电采集模块设计

BMD101 NeuroSky( 神念科技 ) 第三代生物信号检测和处理的片上设备，是一款具有先进模拟端电路和灵活强大数字信号处理结构的生物信号检测芯片，覆盖信号采集到处理全流程。其模拟前端能精准捕获微伏至毫伏级生物信号，具备低噪声、可控增益特性，还内置感应器脱落检测功能；经高精度 ADC 转换为数字信号后，由固化 DSP 模块快速完成滤波等处理；系统管理单元则统筹参数配置、状态管控、通信及能耗管理等核心功能。

该芯片凭借小巧体积与低功耗优势，降低了生物电监测系统开发难度和成本，适用于可穿戴设备、便携式医疗终端等对尺寸和能耗要求高的场景，提供高性价比便携式心电检测解决方案。

图2 心电采集模块原理图

心电采集电路如图 2 所示，其核心是信号采集与处理环节。电极获取的人体心电信号通过 SEP、SEN 引脚进入芯片内部后，原始信号会经过放大、滤波等处理流程，有效滤除各类噪声干扰，最终提取出具备诊断价值的心电特征信息如采集质量、心率值、原始心电图电压值等。

处理完成的信号通过 TX 引脚向外传输，同时芯片可通过 RX 引脚接收外部发来的控制指令与配置参数，实现工作状态的灵活调整。

电路中 D1、D2 两个瞬态电压抑制二极管构成保护机制，当遭遇静电放电、电压浪涌等瞬态过压情况时，二极管会快速导通，将过压能量导向 AGND（模拟地），限制电路元件承受的电压幅值，避免BMD101 芯片及其他敏感器件受损。

2.3 充电和电源模块设计

电源电路如图3 所示，可以分为充电和放电两个部分。

充电部分采用 Type-C 接口接入外部 5V 电源，常见的 USB-C 充电器或者电脑的 USB 接口都能提供这样的 5V 电。其核心为 TP4054 是单片锂离子恒流 / 恒压线性电源管理芯片，其内置控制逻辑可精准地将输入电源转换为适配锂电的充电电流[3]。充电时先以恒流为J1 连接的锂电池快充，当电压接近满电值（约4.2V）时，自动切换为恒压模式，兼顾充电速度与防锂电池过充，同时通过LED 灯常亮指示电池正在充电状态。

图3 充电、电源模块原理图

供电部分通过开关 SW1 控制电源通断，开关后的电容可平滑电压；MIC5219-3.3BM5 芯片是稳压芯片，它能够将输入的电压稳定地转换成 3.3V 电压，为后级电路供电。降压电路选型中，选择低压差线性稳压器（LDO）和开关电源（DC-DC）存在明显区别：LDO 负载响应快、输出纹波小但效率低且仅能降压 DC-DC 效率高、输入范围宽且支持升降压但响应慢、纹波大；本系统选用LDO 芯片，核心因其低噪声特性能最大程度减少对心电检测的干扰，保障信号采集准确性。

2.4 蓝牙模块设计

在可穿戴生物信号设备中，无线传输因适配便携移动需求成为主流，本便携式心电采集系统的通讯模块需优先匹配“可移动、轻量化”场景，蓝牙作为短距离无线技术，可稳定传数据且传输距离与心电模块 - 手机 / 上位机的连接场景契合，故系统选用蓝牙模块连接上位机。[4] 本装置采用 JDY-18 低功耗蓝牙透传模块，该模块支持蓝牙 4.0 及以上协议，能实现串口数据与蓝牙信号的双向转换，广泛应用于可穿戴设备等领域；其蓝牙串口电路中，模块带UART 串口接口可通过 TX/RX 引脚与转接单元通信，BMD101 芯片处理后的串口心电数据经 BMDTX 引脚连接蓝牙模块 TXD_DC 引脚，由模块转为蓝牙信号以无线的方式发送出去。[5] 这样，心电数据就可以传输到具有蓝牙模块的上位机，方便用户实时查看心电数据。

除此之外，模块内部还包含电源指示灯与通信指示灯、便于判断模块工作与连接情况的指示灯电路。

2.5 主控芯片处理与实现

本设计选用 STM32F103C8T6 作为主控芯片，依托强处理能力与丰富外设接口协调各模块协同工作，主控芯片设计如图 4 所示。一方面，其与蓝牙模块通过硬件与协议层双重适配，实现心率等关键数据的无线传输与存储；另一方面，通过 I2C 协议直接驱动 OLED 显示屏，本地清晰直观呈现心率信息，满足即时查看需求。

图4 主控芯片模块原理图

STM32C8T6 的低功耗特性与紧凑封装，完美适配便携式设备设计需求，在保障数据处理速度与传输稳定性的同时，有效控制整体功耗与体积，为系统提供高性能、低成本的核心解决方案，让心率监测既精准可靠，又兼具便携易用的特点。

2.6 心电信号采集方式

本系统支持两种心电信号采集方式，适配不同场景需求：一是指尖检测，用户轻触采集探头即可通过指尖皮肤获取心电信号。该方式操作简便、无需特殊穿戴，适合临时快速检测（如日常心率瞬时监测），但信号稳定性受接触压力和皮肤状态影响较大，主要用于基础心率数值获取。

二是带电极片的穿戴式检测（二导联），通过特定部位粘贴两片电极片形成双导联回路采集信号。此方式接触稳定、抗干扰能力强，能获取更完整的心电波形，适合长时间连续监测，可为心脏功能评估提供更全面数据支持，尤其适用于心脏病史用户的日常健康跟踪。

3. 系统软件设计

本心电采集系统的软件设计围绕“硬件控制 - 数据处理 - 多端显示”核心需求展开，针对开发环境、功能模块及多终端适配进行了分层设计，具体实现如下：

首先，BMD101 芯片集成低通滤波、高通滤波、50Hz 工频干扰去除及基线漂移抑制等算法，完成心电信号初步处理。[6]

其次，采集信号传输至 STM32F103C8T6 控芯片。系统底层程序基于KeiluVision5.25 平台开发，采用 C 语言编写，可精准匹配主控芯片与蓝牙模块的通信时序。底层通信中，程序通过配置STM32 串口参数建立稳定数据通道，确保 BMD101 心电数据通过蓝牙准确传输至 STM32 ；STM32 数据处理完成后，通过 I2C 协议驱动 OLED 显示屏——先初始化显示参数，再按预设格式传输心率数据，实现心率实时本地便携式显示，满足用户即时查看需求。

为拓展数据观测与分析能力，系统自主开发 PC 端上位机软件，采用 QT 框架与 Python 协同开发：QT 构建直观的图形化交互界面，Python 依托数据分析库实现心电信号深度处理 [7]。上位机通过蓝牙与硬件连接，实时接收 BMD101传输的原始心电数据及特征参数；经 Python 数字滤波算法优化信号质量、剔除残留噪声后，在 QT 界面的显示区、波形绘制区呈现数据，并支持存储功能，方便用户查看实时曲线、回溯历史数据，为后续分析或医疗参考提供支撑（PC端实时心电波形见图5）。

为提升便携性与使用灵活性，手机端应用采用神念科技专用函数包开发，大幅降低了适配难度并保障数据处理稳定性。用户通过蓝牙配对连接设备后，应用可实时接收并解析心电数据：界面除显示实时心率外，还支持动态绘制心电波形，方便直观观察心脏电活动；系统同时具备波形缩放查看等辅助功能，满足用户在移动场景下的数据查看需求，进一步强化了系统的“便携监测”核心优势[8]。

4. 实验研究

在使用 BMD101 心电检测系统进行心电信号测量的实验中，上位机显示界面（如图 5 所示）清晰呈现心电波形，为心脏电生理活动分析提供直观数据支撑。

如图显示出测试界面均能清晰辨识 P 波、QRS 波、T 波等典型心电波形，特征显著；且二者心率与 R-R 间期数据存在明显差异：第一次测试实时心率66bpm、平均心率 59bpm、R-R 间期 957msec，第二次测试实时心率 105bpm、平均心率86bpm、R-R 间期566msec，差值反映心脏在不同生理状态下的工作差异。连续测量后信号始终稳定清晰，且R-R 间期与心率呈反比关系，二者变化一致，进一步验证了测量数据的可靠性 [9]。

图5 上位机界面两次典型测试结果对比

综上所述，本心电检测系统可以有效完成心电信号测量，获取特征明确的波形及相关参数。为深入分析心脏的电生理活动和功能状态提供了重要依据，有助于在临床或科研中对心脏健康状况进行评估和诊断。

5. 结论

本文研究的心电图监测系统，以“适配家庭场景、满足个人便捷使用”为核心定位，聚焦日常健康管理与心脏风险预警需求，尤其适用于家庭环境下的自我监测，或个人在居家、办公等熟悉场景中的心脏健康跟踪[10]。

功能层面，该系统构建了“采集 - 显示 - 管理”完整功能闭环：通过专用采集模块精准捕获人体心电信号，经处理后可在本地或移动终端直观呈现动态心电波形，同时支持历史监测数据的存储归档与冗余数据清除。通过以 BMD101为核心的心电检测系统开展实验，对上位机显示界面呈现的心电波形及参数的细致分析后，取得了具有重要价值的结果。

实验成功获取特征明确的心电波形，可清晰辨识 P 波、QRS 波与 T 波群，验证了系统在准确检测、记录心脏电生理活动方面的有效性。作为评估心脏功能及节律的关键指标，心率与R-R 间期在实验中展现出显著且趋势一致的变化，既反映了心脏不同生理状态下的动态差异，也充分证明了测量数据的准确性与可靠性。这些成果为深入理解心脏电生理活动提供实证依据，在临床诊断与科研分析中，可作为评估心脏健康状况的重要参考，助力精准判断心脏功能状态及潜在病理情况。

参考文献：

[1] 姚 震 陈 林 . 我 国 心 血 管 疾 病 现 状 与 展 望 [J]. 海 南 医学 ,2013(13):1873-1876.

[2] 黎圣峰，庞宇，高小鹏等 . 便携式血氧信号检测装置设计 [J]. 传感器与微系统 ,2017,36(03):110-112.

[3] 张乃国 . 电源技术 . 中国电力出版社 ,2010.

[4] 鲁燕燕 , 谢红珍 . 可穿戴设备在医疗领域的应用 [J]. 中国医疗器械杂志 ,2017,41(03):213-215+230

[5] 刘嘉怡 , 曹谦 , 陈诺 , 陈琼 , 唐懿文 . 便携式心电监护装置优化方案[J]. 中国科技信息 ,2020(24):40-41+43.

[6] 徐万松 , 陈天武 . 基于形态学消除心电信号基线漂移方法的研究 [J].中国医学工程 ,2019,27(09):8-12.

[7] 常蓉辉. 基于无线差分的分布式心电监测系统［D］. 南京：南京大学，2021.

[8] 郝祥飞 . 便携式数字听诊器系统设计与实现［D］. 厦门：集美大学，2018.

[9] 张海涛 , 张树龙 , 陈秀雯 . 空间 QRS-T 夹角与空间 Tp-Te 间期的相关性分析 [J]. 临床心电学杂志 ,2017,4:18-28.

[10] 张崇 . 便携式医疗电子设备应用及发展趋势探讨 [J]. 医疗装备 ,2014,27(02):27-28.

项目：本文为市级2025 年大学生创新训练项目“低能耗便携式HRV 心电检测系统设计”编号：cs2502011。