睡眠心率呼吸床垫 BLE 低功耗物联网系统

项目简述：独立端到端实现睡眠生理监测 IoT 系统，包含电池供电 BLE 感知从节点、ESP32 蓝牙网关与微弱生理信号算法。攻克微弱振动信号提取、受限 MCU 算法移植、电池功耗权衡、多 BLE 设备接入、异构传感总线接入、网络异常数据容错等问题，技术可迁移至低功耗传感类产品。

核心工作

BLE 低功耗床垫感知从节点

• 采集与前端：设计压电+压力双传感协同采集策略：压力传感器做低频在位检测触发，压电传感器做高带宽生理信号采集，在位检测按需启采，兼顾续航与采集性能；完成差分模拟前端，抑制基线与环境噪声。
• 算法自研与移植：针对床垫压电微弱振动信号（低信噪比、呼吸谐波与体动干扰和目标频带重叠），自研心率 / 呼吸估计算法，设计自适应滤波与运动干扰抑制链路，以置信度输出抑制体动误报；算法流式化移植至资源受限 MCU，通过增量求和与单调队列维护滑动窗口极值，将每样本开销从 O (窗口长度) 降至常数级，1 秒窗口处理实测 230ms，较初版实现提升约 12 倍；配套自建低代码拖拽式算法仿真平台（signal-analysis-lab），完成仿真 - 实机一致性验证。
• 功耗调度：基于差分闹钟实现功耗调度状态机（采样 / 同步 / 休眠），按最近任务截止时间动态计算唤醒间隔，采样窗口外对模拟前端独立断电，整机休眠功耗低至 7μA。
• 数据流水线：搭建 ADC 采样 FIFO→流式处理→结果 / 波形双队列（独立时间戳，波形 LTTB 降采样）采集流水线。
• 可靠性：实现低电量锁死保护与 FIFO 高水位紧急同步，防止数据积压丢失；支持 BLE 远程配置热更新。

ESP32 蓝牙网关

• 异构传感接入架构：设计统一传感器驱动抽象层，定义统一设备接口，屏蔽 Modbus RTU、I²C、自定义 UART、GPIO 中断等多类总线差异；采用设备表注册机制，新增传感器仅需实现接口并注册，轮询框架零改动；驱动统一输出键值对契约，映射表驱动解析，新增传感器零硬编码；单线程轮询 + 队列解耦，统一读数结构供上层消费，完成温湿度、CO₂、CO、打鼾等多维环境数据汇聚。
• 数据链路：实现多 BLE 从机扫描、连接与数据交互；基于 MQTT QoS 1 实现可靠上报，设计 FlashDB TSDB 本地时序缓存（7天窗口）与断网补传机制，网络恢复后按时间序批量补传并逐批确认删除，保障数据零丢失。
• 交互层：面向用户提供 APP 完成配网与数据查看；网关提供可被 APP 嵌套的本地调试后台，用于图表浏览与设备运维。

技术沉淀

微弱模拟信号调理降噪、生理信号算法自研与 MCU 端移植性能调优；电池 BLE 设备差分闹钟休眠唤醒功耗框架设计；异构传感总线统一抽象层与插件式扩展设计；采集流水线与波形降采样（LTTB）；BLE 多从机管理；网络异常数据缓存补发容错方案。

心率信号处理算法

传感器解耦

MQTT可靠上报与断网补传

基于 MQTT QoS 1 实现可靠数据上报，重要数据（心率/呼吸/环境）先落盘 FlashDB TSDB（7天窗口）再上报、发送成功才标记删除；波形预览仅 RAM 队列不落盘。网络恢复后按时间序批量补传并逐批确认删除，保障数据零丢失。本地完成分钟级聚合后再上报，降低上行带宽与后端存储压力。