DIY Open-Source Pulsoximeter (MAX30102) für COVID-19: Arduino Nano Build

Komponenten und Zubehör

Bauteil	Menge
Arduino Nano R3	1
MAX30102 Pulssensor / Herzfrequenz-Sensor	1
DFRobot Gravity I2C OLED 128×64 Display	1

Benötigte Werkzeuge

• 3D-Drucker (für Gehäuse)
• Lötkolben

Software und Online-Dienste

• Arduino IDE
• Autodesk Fusion 360 (Gehäuse-Design)

Projektbeschreibung

Hintergrund: COVID-19

COVID-19 (SARS-CoV-2) greift primär die Atemwege an. Ein Pulsoximeter misst die Blutsauerstoffsättigung (SpO₂) und Herzfrequenz – wichtige Indikatoren für einen Klinikbesuch. Dieses Open-Source-Gerät hilft, den eigenen Zustand einzuschätzen.

Wichtiger Hinweis: Dieses Gerät ist KEIN medizinisches Diagnosewerkzeug! Es dient nur zur Information und ersetzt keine professionelle Messung.

Elektronik

• MAX30102: Integrierter Pulsoximeter-Sensor (grüne/rote/IR-LEDs, Fotodetektor, AFE). I2C-Interface, 3,3 V / 5 V tolerant.
• OLED 128×64 (SSD1306): I2C, zeigt Herzfrequenz & SpO₂ an.
• Arduino Nano: Steuert Sensor & Display, berechnet Werte.

Schritt-für-Schritt Bauanleitung

1. Gehäuse 3D-drucken & nachbearbeiten

STL-Dateien (im Originalprojekt) mit 70–80 % Infill, mittlere Supports, PLA drucken. Supports entfernen, leicht schleifen für Passgenauigkeit.

2. Elektronik löten

Arduino Nano auf 44×30 mm Lochrasterplatine. Sensor-Leitungen (VIN, GND, SDA, A4; SCL, A5) unter dem Sensorbett hindurch zum Nano führen. OLED-Stecker an Nano anlöten, Kabel zum Display verlegen. Gesamte Einheit in Gehäuse schieben, mit 3 mm Schrauben fixieren.

3. Gerät zusammenbauen

OLED in Deckel einsetzen, Deckel mit Schrauben am Chassis befestigen. Klappmechanik testen (Deckel sanft öffnen/schließen).

4. Sketch hochladen

Benötigte Bibliotheken installieren: MAX30105, spo2_algorithm, SSD1306Ascii. Board: Arduino Nano, Upload.

Code-Ablauf:

1. OLED & MAX30102 initialisieren, Fehler melden.
2. 100 Samples zur Kalibrierung einlesen.
3. Endlosschleife: 25 neue Samples lesen, gleitenden Mittelwert bilden, HR/SpO₂ berechnen (maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation).
4. Gültige Werte auf OLED ausgeben („HR: xx / SPO2: yy“), sonst „Not valid“.

5. Nutzung

Fingerspitze auf Sensor legen, Deckel vorsichtig schließen. Per USB-Stromversorgung (Powerbank) betreiben. Warten bis Werte stabil angezeigt werden.

Code (C/C++)

/* Hardware: MAX30102 Breakout → Arduino Nano
 * VIN = 5V (3,3V möglich), GND = GND, SDA = A4, SCL = A5, INT = offen
 */
#include <Wire.h>
#include "MAX30105.h"
#include "spo2_algorithm.h"
#include "SSD1306Ascii.h"
#include "SSD1306AsciiWire.h"

MAX30105 particleSensor;
SSD1306AsciiWire oled;
#define MAX_BRIGHTNESS 255

#if defined(__AVR_ATmega328P__) || defined(__AVR_ATmega168__)
// Nano/Uno: wenig SRAM → 16-bit Puffer
uint16_t irBuffer[50], redBuffer[50];
#else
uint32_t irBuffer[50], redBuffer[50];
#endif

int32_t spo2; int8_t validSPO2;
int32_t heartRate; int8_t validHeartRate;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  oled.begin(&Adafruit128x64, 0x3C);
  oled.setFont(Arial14);

  if (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_FAST)) {
    Serial.println(F("MAX30105 nicht gefunden. Verkabelung/Strom prüfen."));
    while (1);
  }
  particleSensor.setup(55, 4, 2, 200, 411, 4096); // LED-Strom 55mA, Sample-Rate 400Hz, etc.
}

void loop() {
  // Erste 50 Samples für Initialisierung
  for (byte i = 0; i < 50; i++) {
    while (!particleSensor.available()) particleSensor.check();
    redBuffer[i] = particleSensor.getRed();
    irBuffer[i]  = particleSensor.getIR();
    particleSensor.nextSample();
    Serial.print(F("red=")); Serial.print(redBuffer[i]);
    Serial.print(F(", ir=")); Serial.println(irBuffer[i]);
  }
  maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, 50, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate);

  // Laufende Messung: alle 25 Samples neu berechnen
  while (1) {
    for (byte i = 25; i < 50; i++) { // Ältere 25 Samples nach vorne schieben
      redBuffer[i - 25] = redBuffer[i];
      irBuffer[i - 25]  = irBuffer[i];
    }
    for (byte i = 25; i < 50; i++) { // 25 neue Samples
      while (!particleSensor.available()) particleSensor.check();
      redBuffer[i] = particleSensor.getRed();
      irBuffer[i]  = particleSensor.getIR();
      particleSensor.nextSample();
      // Debug-Ausgabe
      Serial.print(F("red=")); Serial.print(redBuffer[i]);
      Serial.print(F(", ir=")); Serial.print(irBuffer[i]);
      Serial.print(F(", HR=")); Serial.print(heartRate);
      Serial.print(F(", HRv=")); Serial.print(validHeartRate);
      Serial.print(F(", SPO2=")); Serial.print(spo2);
      Serial.print(F(", SPO2v=")); Serial.println(validSPO2);
    }
    maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(irBuffer, 50, redBuffer, &spo2, &validSPO2, &heartRate, &validHeartRate);
    printToScreen();
  }
}

void printToScreen() {
  oled.clear(); oled.setCursor(0, 0);
  if (validSPO2 && validHeartRate) {
    oled.print(F("HR: ")); oled.println(heartRate);
    oled.print(F("SPO2: ")); oled.println(spo2);
  } else {
    oled.print(F("Not valid"));
  }
}

Gehäuse (CAD)

STL-Dateien im Originalprojekt (Fusion 360). Zwei Teile: Basis & Deckel mit Scharnier für Fingereinzug.

Schaltplan

Einfache I2C-Verkabelung: Nano A4/SDA, A5/SCL → MAX30102 & OLED parallel. MAX30102 VIN an 5 V, GND an GND. OLED an 3,3 V / 5 V (je nach Modul).