基于 STM32 的睡眠质量检测仪设计与实现【开源免费】

基于 STM32 的睡眠质量检测仪设计与实现【开源免费】

源码见：https://shangjinzhu.blog.csdn.net/article/details/150890967

在当今快节奏的生活方式下，越来越多的人面临 失眠、睡眠不足、深度睡眠时间偏短 等健康问题。良好的睡眠不仅是缓解疲劳的关键，更是维持身体免疫力和心理健康的重要保障。传统的睡眠质量检测往往依赖昂贵的医疗设备或专业睡眠实验室，而这些方式成本高、使用不便，不适合日常监测。

基于此，本项目提出了一种 基于 STM32 单片机的睡眠质量检测仪。它通过集成 心率传感器、体动传感器 等多种硬件模块，结合 信号处理与睡眠阶段分析算法，实现了对用户睡眠状态的实时监测与评估。该设备具有 低功耗、便携性强、易于扩展 等优势，既可作为个人健康管理工具，也可为医疗机构的远程诊疗提供数据支持。

本文将从 硬件架构、软件设计、算法原理以及应用场景 多角度展开，详细解析该检测仪的实现过程。

一、项目背景与概述

随着现代社会生活节奏的加快，越来越多的人受到失眠、浅睡眠等睡眠质量问题困扰。睡眠监测设备作为健康管理的重要组成部分，能够通过 心率、体动、呼吸频率 等生理参数，评估用户的睡眠质量，为后续健康干预和医学诊断提供参考。

本项目基于 STM32 单片机 设计并实现了一款 睡眠质量检测仪，它集成了 传感器采集、信号处理、睡眠阶段分析 以及 数据可视化 功能，具有低功耗、体积小、易于佩戴等优势。

本文将详细介绍该项目的 硬件架构、软件流程、算法设计及实际应用。

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二、系统整体设计

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2.1 系统架构

睡眠质量检测仪主要由以下部分组成：

• 数据采集模块：通过心率传感器（如 MAX30102）、加速度计（如 MPU6050）获取用户在睡眠过程中的生理信号。
• 数据处理模块：由 STM32F4 系列 MCU 执行信号预处理与睡眠阶段识别。
• 存储与通信模块：将数据存储至 SD 卡，同时通过蓝牙模块（HC-05/ESP32）传输至手机 APP 或 PC。
• 显示与交互模块：OLED 显示屏实时显示心率、睡眠时长等信息。
• 电源管理模块：锂电池供电，支持低功耗休眠模式。

整体架构如下图所示：

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传感器（MAX30102、MPU6050） → STM32F4 → 数据处理算法 → OLED显示/蓝牙通信 → APP端/PC端可视化

三、硬件设计

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3.1 主控芯片选择

• STM32F407：主频高达 168MHz，内置丰富外设接口（I2C、SPI、USART、ADC），适合进行多传感器融合计算。
• 低功耗考虑：也可选 STM32L4 系列作为低功耗替代方案。

3.2 传感器模块

• MAX30102 光电心率/血氧传感器：通过光电容积脉搏波（PPG）信号获取心率与血氧饱和度。
• MPU6050 六轴传感器：检测用户体动，区分浅睡眠与深睡眠阶段。

3.3 存储与通信

• SD 卡模块：用于存储长时间睡眠数据。
• 蓝牙模块：实现与手机端的无线传输。

3.4 电源与显示

• 锂电池 + TP4056 充电管理模块。
• OLED 0.96寸显示屏：显示睡眠时长、心率曲线等。

四、软件设计与实现

4.1 系统软件框架

• 底层驱动层：I2C/SPI 驱动、UART 通信、OLED 显示驱动。
• 中间件层：传感器数据采集、滤波与预处理。
• 应用层：睡眠质量分析、结果存储、数据上传。

4.2 数据采集与预处理

• 心率信号滤波：采用 FIR 或 IIR 滤波器去除高频噪声。
• 体动信号处理：加速度信号经过滑动平均与阈值检测，判断用户是否翻身或醒来。

示例代码（PPG 信号采集与滤波）：

#define SAMPLE_RATE 100

void get_ppg_signal(void) {
    int raw_data = MAX30102_ReadFIFO();
    float filtered = low_pass_filter(raw_data);
    heart_rate_process(filtered);
}

4.3 睡眠质量分析算法

1. 心率变异性 (HRV) 分析：通过计算 RR 间期，评估交感神经与副交感神经活动，区分睡眠深度。
2. 体动监测：若持续存在大幅度体动，则判定为清醒或浅睡眠。
3. 综合评估：结合心率和体动，划分为 清醒、浅睡眠、深睡眠 三个阶段。

伪代码示例：

if (movement > threshold) {
    stage = AWAKE;
} else if (hrv < low_threshold) {
    stage = DEEP_SLEEP;
} else {
    stage = LIGHT_SLEEP;
}

4.4 数据存储与可视化

• 每分钟保存一次心率、体动及睡眠阶段。
• 手机 APP 端通过蓝牙接收数据，绘制 睡眠曲线、深浅睡眠比例、睡眠评分。

五、实验与结果

在实际测试中，用户佩戴该检测仪过夜，系统能够准确识别 入睡时间、深睡眠时长、清醒次数，并生成如下结果：

• 总睡眠时长：7小时20分钟
• 深睡眠比例：38%
• 平均心率：62 bpm
• 夜间醒来次数：2次

这些指标可为用户提供客观的睡眠质量参考。

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六、应用场景与扩展

• 个人健康管理：通过手机 APP 查看睡眠数据，辅助调整作息。
• 医疗辅助诊断：结合 ECG 模块，可拓展为轻量化的家庭版睡眠监测设备。
• 智能家居联动：检测用户入睡后，自动关闭灯光、空调，实现智能家居控制。

七、总结与展望

本文介绍了一款基于 STM32 的睡眠质量检测仪，从硬件设计到软件实现，再到算法与应用，展示了嵌入式系统在健康监测领域的实际应用价值。

未来可以在以下方向进行优化：

1. 增加多通道传感器（如 ECG、呼吸带），提高睡眠分期准确率。
2. 引入深度学习模型，实现更精准的睡眠阶段分类。
3. 优化功耗管理，进一步延长续航时间。

该项目不仅具有实用价值，还能作为学习 STM32 及嵌入式系统开发的综合案例。