一種基于Android智能手機的USB體溫計

李雷 劉詩琪 張賽 戴一鳴

摘?要：本文設計了一種基于Android系統(tǒng)的USB體溫計。體溫計由數(shù)字溫度傳感器、接口轉換電路和USB插頭組成。使用時只要將體溫計插到Android系統(tǒng)手機的USB接口上，即可通過應用程序實現(xiàn)體溫數(shù)據(jù)的顯示和報警等功能。經(jīng)過測試，精度在±0.1℃范圍內，滿足醫(yī)用要求。該體溫計無須獨立電源供電，體積小，操作簡單，攜帶方便，可以用于多種場合的體溫測量。

關鍵詞：體溫;手機;Android;USB

A?New?USB?Thermometer?for?Android?Smartphones

Li?Lei1，2?Liu?Shiqi1?Zhang?Sai1?Dai?Yiming1

1.School?of?Medical?Imaging?Bengbu?Medical?College?AnhuiBengbu?233030;

2.School?of?Electrical?and?Information?Engineering?AnHui?University?of?Science?and?Technology?AnhuiHuainan?232001

Abstract：This?article?designs?a?kind?of?USB?thermometer?based?on?Android?system.The?thermometer?is?composed?of?a?digital?temperature?sensor，an?interface?conversion?circuit，and?a?USB?plug.When?in?use，just?plug?the?thermometer?into?the?USB?interface?of?the?Android?system?mobile?phone，and?the?functions?of?body?temperature?data?display?and?alarm?can?be?realized?through?the?application.After?testing，the?accuracy?is?within?±0.1℃，which?meets?medical?requirements.The?thermometer?does?not?need?an?independent?power?supply，is?small?in?size，simple?in?operation，and?convenient?to?carry，and?can?be?used?for?body?temperature?measurement?in?various?occasions.

Keywords：body?temperature;?smart?phone;?Android;?USB

體溫是人體的四大基本生命體征之一，在疾病診斷時，往往是首要測量的生理參數(shù)。現(xiàn)有的體溫測量設備主要有水銀體溫計、電子體溫計以及紅外體溫計等[1，2]。水銀體溫計的優(yōu)點是價格低廉，測量準確;缺點是測量比較耗時，一般需要5分鐘。水銀體溫計還比較容易破碎導致水銀外泄，造成人體的傷害和環(huán)境的污染。2020年10月26日，國家藥品監(jiān)督管理局發(fā)布了國家藥監(jiān)局綜合司關于履行《關于汞的水俁公約》有關事項的通知（藥監(jiān)綜械注[2020]95號），其中明確“自2026年1月1日起，禁止生產含汞體溫計和含汞血壓計?！盵3]。紅外體溫計根據(jù)測量部位的不同，可分為前額式、耳膜式等。紅外體溫計的優(yōu)點是測溫速度最快，但是使用時對測量環(huán)境要求苛刻，導致測量精度不高[4]。由此可見，在水銀體溫計退出市場后，能用于精確測量的可能就只有電子體溫計。當前市場上的電子體溫計有測溫筆式和藍牙式兩種，還沒有USB式，在應用場景上存在一定的空缺。因此，本文設計了一種基于Android智能手機的USB體溫計，結合手機應用程序（Application，APP）可以實現(xiàn)體溫數(shù)據(jù)的顯示、存儲和報警等功能。

1?方法

1.1?設計理念

USB體溫計，外形如同一根手機充電線。使用時，只要將體溫計插到Android系統(tǒng)智能手機的USB接口上，打開APP即可實現(xiàn)體溫數(shù)據(jù)的顯示、存儲、上傳和報警等功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.2?硬件設計

1.2.1?數(shù)字體溫傳感器

目前，市場上有很多商業(yè)化的數(shù)字溫度傳感器芯片，如Si7051（SILICON?LABS）、TSYS01（TE?Connectivity）、TMP117（TEXAS?INSTRUMENTS）等，其精度都在±0.1℃范圍，滿足醫(yī)用開發(fā)的要求。但是，這些芯片都是SPI和/或I2C接口，與手機連接比較麻煩。其實，有很多單片機芯片都內置溫度傳感器、模數(shù)轉換器（Analog?to?Digital?Converter，ADC）、微處理器（Microcontroller?Unit，MCU）和UART接口。通過編程，完全可以實現(xiàn)測溫功能，這樣就只需單片芯片就可實現(xiàn)溫度的采集、運算和串口輸出[56]。因此，選擇此類芯片進行溫度測量也是一種選擇。我們選用PIC12LF1822（MicroChip）作為數(shù)字體溫傳感器。PIC12LF1822芯片內置半導體二極管溫度傳感器、10位ADC、8位MCU，此外還有RC振蕩器和1024mV基準電壓，通過編程，完全可以實現(xiàn)高精度測溫功能。

根據(jù)參考資料AN1333[3]，對于單個二極管，其溫變電壓與所測溫度變化的計算公式為：

其中，Vt為溫變電壓，單位是V;Temp為所測溫度，單位是℃。

PIC12LF1822芯片溫度測量能夠工作在高精度和低精度兩種模式下，其中低精度模式下使用兩個二極管，高精度模式下使用四個二極管。這里我們采用高精度模式，實際測量溫度電壓Vtemp為：

其中，VDD為芯片供電電壓。

假設n為ADC的分辨率，則經(jīng)過ADC后，ADC的輸出值ADCresult為：

1.2.2?接口轉換模塊

PIC12LF1822以UART形式輸出體溫數(shù)值，而手機除藍牙串口之外，只支持USB輸入。因此，需要使用接口轉換模塊將UART轉換成USB。市場上常用的UART轉USB芯片有PL2303（Prolific）、CP2102（SILICON?LABS）、CH340E（南京沁恒微電子）等。其中，CH340E是一款單芯片UART轉USB數(shù)據(jù)轉換器，符合USB規(guī)范2.0全速（12Mbps），體積小，電路簡單，并且相對于其他芯片CH340價格低廉，性能穩(wěn)定，兼容性高。因此，我們選用CH340E進行信號轉換。

1.2.3?電源模塊

CH340E雖然支持電源管理，但是只能輸出5V電壓，因此需要電壓轉換模塊為數(shù)字體溫傳感器提供合適的電壓。這里我們選擇SGM2036（SGMICRO）進行電壓轉換。

1.2.4?電路原理圖

整個USB體溫計的電路原理圖如圖2所示。MicroUSB插頭與CH340E相連，CH340E的電源與SGM2036相連，CH340E的信號與數(shù)字體溫傳感器PIC12LF1822相連，SGM2036的電源輸出作為數(shù)字體溫傳感器PIC12LF1822的電源輸入。

1.3?軟件開發(fā)

手機APP主要實現(xiàn)體溫數(shù)據(jù)的顯示、報警、存儲、上傳等功能，本文基于Android?Studio進行開發(fā)。為了接收USB接口傳來的體溫數(shù)據(jù)，APP首先要獲得USB的讀取權限，然后才能對USB數(shù)據(jù)源進行操作。軟件設計流程圖如圖3所示。

本文采用Sqlite數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，主要包括用戶信息和體溫數(shù)值。體溫數(shù)值除在本地存儲外還會被上傳至云端存儲。一段時間后，本地數(shù)據(jù)將會被刪除，從而減少數(shù)據(jù)在本地所占用的存儲空間。在服務器的選擇上，本文采用阿里云輕量版服務器。阿里云服務器不僅價格低廉，而且具有很高的響應速度和穩(wěn)定性，可以滿足本設計的基本功能。

2?結果

基于上述原理我們設計了USB體溫計，并開發(fā)了基于Android系統(tǒng)的APP。其中APP用戶界面如圖4所示。

為了驗證其性能，按照臨床體溫計——連續(xù)測量的電子體溫計性能要求（YY?07852010）[7]，我們對5個USB體溫計使用CH1015型高精度恒溫水浴槽（上海平軒科學儀器有限公司）進行了準確度測試，結果如圖5所示。在37～41℃范圍內，誤差為±0.1℃，滿足醫(yī)用標準。

3?結論

本文設計了一種基于Android智能手機的USB體溫計。經(jīng)過測試，精度在±0.1℃范圍內，滿足醫(yī)用要求。該體溫計無須獨立電源供電，體積小，操作簡單，攜帶方便，可以用于多種場合的體溫測量。

參考文獻：

[1]吳林蔚，許曉萍，李風梅.額溫計產品安全有效性研究[J].中國醫(yī)療器械信息，2019，25（09）：2021+184.

[2]茍菊香，周倩.非接觸式紅外線額溫槍與水銀體溫計測量結果比較[J].華西醫(yī)學，2016，31（5）：961962.

[3]國家藥品監(jiān)督管理局.國家藥監(jiān)局綜合司關于履行《關于汞的水俁公約》有關事項的通知[EB/OL].[20201016].https：//www.nmpa.gov.cn/xxgk/fgwj/gzwj/gzwjylqx/2020?1016150908105.html.

[4]蘇東岳，郭麗華，孫健，李潤美.紅外測溫技術的應用和思考[J].中國醫(yī)療器械信息，2020，26（11）：2325.

[5]石波，張莉，張根選，曹陽，張賽，李雷.基于近場通信技術的無線無源體溫傳感器[J].中國醫(yī)療器械雜志，2017，41（01）：1719+42.

[6]張根選，劉成，石波，曹陽.一種用于體溫監(jiān)測的數(shù)字探頭[J].中國醫(yī)學物理學雜志，2014，31（01）：46714674.

[7]YY?07852010.臨床體溫計連續(xù)測量的電子體溫計性能要求[S].國家食品藥品監(jiān)督管理局，20101227.

基金項目：蚌埠醫(yī)學院自然科學基金項目（BYKY2019?023ZD）