李雷 劉詩(shī)琪 張賽 戴一鳴

摘?要：本文設(shè)計(jì)了一種基于Android系統(tǒng)的USB體溫計(jì)。體溫計(jì)由數(shù)字溫度傳感器、接口轉(zhuǎn)換電路和USB插頭組成。使用時(shí)只要將體溫計(jì)插到Android系統(tǒng)手機(jī)的USB接口上，即可通過(guò)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的顯示和報(bào)警等功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，精度在±0.1℃范圍內(nèi)，滿足醫(yī)用要求。該體溫計(jì)無(wú)須獨(dú)立電源供電，體積小，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，可以用于多種場(chǎng)合的體溫測(cè)量。

關(guān)鍵詞：體溫;手機(jī);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(shí)，往往是首要測(cè)量的生理參數(shù)。現(xiàn)有的體溫測(cè)量設(shè)備主要有水銀體溫計(jì)、電子體溫計(jì)以及紅外體溫計(jì)等[1，2]。水銀體溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，測(cè)量準(zhǔn)確;缺點(diǎn)是測(cè)量比較耗時(shí)，一般需要5分鐘。水銀體溫計(jì)還比較容易破碎導(dǎo)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(guó)家藥品監(jiān)督管理局發(fā)布了國(guó)家藥監(jiān)局綜合司關(guān)于履行《關(guān)于汞的水俁公約》有關(guān)事項(xiàng)的通知（藥監(jiān)綜械注[2020]95號(hào)），其中明確“自2026年1月1日起，禁止生產(chǎn)含汞體溫計(jì)和含汞血壓計(jì)?！盵3]。紅外體溫計(jì)根據(jù)測(cè)量部位的不同，可分為前額式、耳膜式等。紅外體溫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫速度最快，但是使用時(shí)對(duì)測(cè)量環(huán)境要求苛刻，導(dǎo)致測(cè)量精度不高[4]。由此可見(jiàn)，在水銀體溫計(jì)退出市場(chǎng)后，能用于精確測(cè)量的可能就只有電子體溫計(jì)。當(dāng)前市場(chǎng)上的電子體溫計(jì)有測(cè)溫筆式和藍(lán)牙式兩種，還沒(méi)有USB式，在應(yīng)用場(chǎng)景上存在一定的空缺。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于Android智能手機(jī)的USB體溫計(jì)，結(jié)合手機(jī)應(yīng)用程序（Application，APP）可以實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警等功能。

1?方法

1.1?設(shè)計(jì)理念

USB體溫計(jì)，外形如同一根手機(jī)充電線。使用時(shí)，只要將體溫計(jì)插到Android系統(tǒng)智能手機(jī)的USB接口上，打開(kāi)APP即可實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、上傳和報(bào)警等功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.2?硬件設(shè)計(jì)

1.2.1?數(shù)字體溫傳感器

目前，市場(chǎng)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(kāi)發(fā)的要求。但是，這些芯片都是SPI和/或I2C接口，與手機(jī)連接比較麻煩。其實(shí)，有很多單片機(jī)芯片都內(nèi)置溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog?to?Digital?Converter，ADC）、微處理器（Microcontroller?Unit，MCU）和UART接口。通過(guò)編程，完全可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能，這樣就只需單片芯片就可實(shí)現(xiàn)溫度的采集、運(yùn)算和串口輸出[56]。因此，選擇此類(lèi)芯片進(jìn)行溫度測(cè)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(nèi)置半導(dǎo)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(zhǔn)電壓，通過(guò)編程，完全可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫功能。

根據(jù)參考資料AN1333[3]，對(duì)于單個(gè)二極管，其溫變電壓與所測(cè)溫度變化的計(jì)算公式為：

其中，Vt為溫變電壓，單位是V;Temp為所測(cè)溫度，單位是℃。

PIC12LF1822芯片溫度測(cè)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(gè)二極管，高精度模式下使用四個(gè)二極管。這里我們采用高精度模式，實(shí)際測(cè)量溫度電壓Vtemp為：

其中，VDD為芯片供電電壓。

假設(shè)n為ADC的分辨率，則經(jīng)過(guò)ADC后，ADC的輸出值A(chǔ)DCresult為：

1.2.2?接口轉(zhuǎn)換模塊

PIC12LF1822以UART形式輸出體溫?cái)?shù)值，而手機(jī)除藍(lán)牙串口之外，只支持USB輸入。因此，需要使用接口轉(zhuǎn)換模塊將UART轉(zhuǎn)換成USB。市場(chǎng)上常用的UART轉(zhuǎn)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(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，符合USB規(guī)范2.0全速（12Mbps），體積小，電路簡(jiǎn)單，并且相對(duì)于其他芯片CH340價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，兼容性高。因此，我們選用CH340E進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

1.2.4?電路原理圖

整個(gè)USB體溫計(jì)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(hào)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(kāi)發(fā)

手機(jī)APP主要實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)、上傳等功能，本文基于Android?Studio進(jìn)行開(kāi)發(fā)。為了接收USB接口傳來(lái)的體溫?cái)?shù)據(jù)，APP首先要獲得USB的讀取權(quán)限，然后才能對(duì)USB數(shù)據(jù)源進(jìn)行操作。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

本文采用Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括用戶(hù)信息和體溫?cái)?shù)值。體溫?cái)?shù)值除在本地存儲(chǔ)外還會(huì)被上傳至云端存儲(chǔ)。一段時(shí)間后，本地?cái)?shù)據(jù)將會(huì)被刪除，從而減少數(shù)據(jù)在本地所占用的存儲(chǔ)空間。在服務(wù)器的選擇上，本文采用阿里云輕量版服務(wù)器。阿里云服務(wù)器不僅價(jià)格低廉，而且具有很高的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，可以滿足本設(shè)計(jì)的基本功能。

2?結(jié)果

基于上述原理我們?cè)O(shè)計(jì)了USB體溫計(jì)，并開(kāi)發(fā)了基于Android系統(tǒng)的APP。其中APP用戶(hù)界面如圖4所示。

為了驗(yàn)證其性能，按照臨床體溫計(jì)——連續(xù)測(cè)量的電子體溫計(jì)性能要求（YY?07852010）[7]，我們對(duì)5個(gè)USB體溫計(jì)使用CH1015型高精度恒溫水浴槽（上海平軒科學(xué)儀器有限公司）進(jìn)行了準(zhǔn)確度測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。在37～41℃范圍內(nèi)，誤差為±0.1℃，滿足醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)。

3?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于Android智能手機(jī)的USB體溫計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，精度在±0.1℃范圍內(nèi)，滿足醫(yī)用要求。該體溫計(jì)無(wú)須獨(dú)立電源供電，體積小，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，可以用于多種場(chǎng)合的體溫測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

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[4]蘇東岳，郭麗華，孫健，李潤(rùn)美.紅外測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用和思考[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2020，26（11）：2325.

[5]石波，張莉，張根選，曹陽(yáng)，張賽，李雷.基于近場(chǎng)通信技術(shù)的無(wú)線無(wú)源體溫傳感器[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2017，41（01）：1719+42.

[6]張根選，劉成，石波，曹陽(yáng).一種用于體溫監(jiān)測(cè)的數(shù)字探頭[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2014，31（01）：46714674.

[7]YY?07852010.臨床體溫計(jì)連續(xù)測(cè)量的電子體溫計(jì)性能要求[S].國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局，20101227.

基金項(xiàng)目：蚌埠醫(yī)學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BYKY2019?023ZD）