论文标题：ESP32-Powered PPG Signal Acquisition: Open-Source Hardware and Software for Research and Education

论文链接：https://www.mdpi.com/2813-6640/3/4/15

期刊名：Hardware

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/hardware

心率变异性是评估自主神经系统功能的重要指标，在心血管疾病早期预警、压力监测乃至运动康复中价值巨大。然而，专业级的生理信号采集设备往往价格昂贵、系统封闭，阻碍了更广泛的研究与教学。如何让廉价、开放的硬件发挥媲美专业仪器的性能？

墨西哥Tecnológico Nacional de México/IT Mexicali等机构的研究团队在MDPI期刊 Hardware 上发表了一项可复制性极强的开源项目。他们设计并验证了一套基于ESP32微控制器和Python图形界面的高性能光电容积描记法（PPG）信号采集分析系统。该系统不仅硬件成本极低、元件易得，更实现了高达500 Hz采样率的实时信号流与心率变异性计算，为心血管研究、教学及低成本医疗设备开发提供了一个透明、灵活且功能完备的平台。

系统设计核心：精巧的硬件与高效的固件

该系统的设计目标是实现专业级功能与极低成本之间的最佳平衡。

• 极简主义硬件前端：与传统设计不同，项目采用了一个巧妙而低成本的模拟前端。电路核心是一个工作在光伏模式的红外LED作为光电探测器，配合一枚JFET晶体管2N5457进行初次放大，再由LM358运算放大器进行二级调理和滤波。一个简单的RC无源高通滤波器（截止频率0.72Hz）和基于运放反馈网络的低通滤波器（截止频率1.59Hz）构成一个窄带通滤波器，有效滤除了基线漂移和高频噪声。

• ESP32：强大的“数据引擎”：系统核心ESP32-WROOM-32微控制器负责以500次/秒的速度通过其12位ADC采集模拟信号，并通过有限状态机管理命令与数据流。采样数据以64个样本为块，通过230400波特率的UART串口实时、无丢失地发送至上位机。

• 功能完备的Python图形界面：上位机图形界面基于PyQt5和PyQtGraph库开发。它不仅实现了串口通信、实时波形绘制、数据保存为CSV文件，更集成了数字信号处理。一个5 Hz截止频率的二阶IIR Butterworth低通滤波器在软件层面进一步平滑信号。离线分析模块可以计算包括SDNN、RMSSD在内的多种心率变异性指标，以及脉搏波形态学参数。

验证与结果：性能可靠，媲美专业工具

研究团队通过实物构建和人体实验，验证了系统的实际性能。

• 成本与可及性：整个核心电路的核心元件（ESP32、2N5457、LM358、两颗红外LED）总成本仅约10美元。所有设计文件、固件和软件均以开源形式发布，任何人都可以复现。

• 信号质量验证：系统成功采集了多位受试者（包括一位77岁高龄长者）的清晰PPG波形。通过对比ESP32+本GUI与PSoC模块的同步采集结果，验证了前端电路及整个数据链路的准确性和可靠性。图形界面显示的心率数值与波形形态均符合生理学特征。

• 实时性与准确性：实时心率计算和最终离线分析得到的心率变异性指标，与已知的生理学基准高度一致，证明了系统在500 Hz采样率下进行心血管动态监测的潜力。

结论与展望：一个低门槛、可扩展的研究起点

该项目为生物医学工程教育和心血管研究贡献了一个真正低成本、高质量、完全开放的参考平台。它用最少的元件和清晰的代码，展示了如何构建一套从传感器、信号调理、数字采集到高级分析的全链条系统。

未来，研究者计划利用ESP32的Wi-Fi功能实现无线数据传输，并可能将该系统与可编程片上系统结合，实现更智能的实时自适应阈值心率计算。这项工作的最大价值在于，它为那些预算有限但充满好奇心的学生、教育者和研究者，提供了一个可以自由理解和修改的起点，去探索心脏跳动的秘密。

引用格式：

Miranda-Vega, J.E.; Nuñez-Patrón, E.Y.; Prieto-Avalos, G.; Flores-Fuentes, W.; Sergiyenko, O.; García-González, W.; Márquez-Ramirez, L.V.; Castro-Contreras, R.; Ayala-Figueroa, R.I. ESP32-Powered PPG Signal Acquisition: Open-Source Hardware and Software for Research and Education. Hardware 2025, 3, 15. https://doi.org/10.3390/hardware3040015.

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Peter C. Hauser

Hardware (ISSN: 2813-6640) 是一个国际性的、经同行评审的开放获取期刊。期刊聚焦于物理硬件系统的设计、原型制作、测试和广泛应用，涵盖的领域包括但不限于：科学仪器、开源硬件、物联网设备、机器人、医疗设备以及面向教育的研究平台等。本篇关于低成本PPG采集系统的论文，是期刊所倡导的可及性、开放性与实用性硬件创新的杰出范例。