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摘 要：本文设计了一种基于Android系统的USB体温计。体温计由数字温度传感器、接口转换电路和USB插头组成。使用时只要将体温计插到Android系统手机的USB接口上，即可通过应用程序实现体温数据的显示和报警等功能。经过测试，精度在±0.1℃范围内，满足医用要求。该体温计无须独立电源供电，体积小，操作简单，携带方便，可以用于多种场合的体温测量。
关键词：体温;手机;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
體温是人体的四大基本生命体征之一，在疾病诊断时，往往是首要测量的生理参数。现有的体温测量设备主要有水银体温计、电子体温计以及红外体温计等[1，2]。水银体温计的优点是价格低廉，测量准确;缺点是测量比较耗时，一般需要5分钟。水银体温计还比较容易破碎导致水银外泄，造成人体的伤害和环境的污染。2020年10月26日，国家药品监督管理局发布了国家药监局综合司关于履行《关于汞的水俣公约》有关事项的通知（药监综械注[2020]95号），其中明确“自2026年1月1日起，禁止生产含汞体温计和含汞血压计。”[3]。红外体温计根据测量部位的不同，可分为前额式、耳膜式等。红外体温计的优点是测温速度最快，但是使用时对测量环境要求苛刻，导致测量精度不高[4]。由此可见，在水银体温计退出市场后，能用于精确测量的可能就只有电子体温计。当前市场上的电子体温计有测温笔式和蓝牙式两种，还没有USB式，在应用场景上存在一定的空缺。因此，本文设计了一种基于Android智能手机的USB体温计，结合手机应用程序（Application，APP）可以实现体温数据的显示、存储和报警等功能。
1 方法
1.1 设计理念
USB体温计，外形如同一根手机充电线。使用时，只要将体温计插到Android系统智能手机的USB接口上，打开APP即可实现体温数据的显示、存储、上传和报警等功能。系统原理框图如图1所示。
1.2 硬件设计
1.2.1 数字体温传感器
目前，市场上有很多商业化的数字温度传感器芯片，如Si7051（SILICON LABS）、TSYS01（TE Connectivity）、TMP117（TEXAS INSTRUMENTS）等，其精度都在±0.1℃范围，满足医用开发的要求。但是，这些芯片都是SPI和/或I2C接口，与手机连接比较麻烦。其实，有很多单片机芯片都内置温度传感器、模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）、微处理器（Microcontroller Unit，MCU）和UART接口。通过编程，完全可以实现测温功能，这样就只需单片芯片就可实现温度的采集、运算和串口输出[56]。因此，选择此类芯片进行温度测量也是一种选择。我们选用PIC12LF1822（MicroChip）作为数字体温传感器。PIC12LF1822芯片内置半导体二极管温度传感器、10位ADC、8位MCU，此外还有RC振荡器和1024mV基准电压，通过编程，完全可以实现高精度测温功能。
根据参考资料AN1333[3]，对于单个二极管，其温变电压与所测温度变化的计算公式为：
其中，Vt为温变电压，单位是V;Temp为所测温度，单位是℃。
PIC12LF1822芯片温度测量能够工作在高精度和低精度两种模式下，其中低精度模式下使用两个二极管，高精度模式下使用四个二极管。这里我们采用高精度模式，实际测量温度电压Vtemp为：
其中，VDD为芯片供电电压。
假设n为ADC的分辨率，则经过ADC后，ADC的输出值ADCresult为：
1.2.2 接口转换模块
PIC12LF1822以UART形式输出体温数值，而手机除蓝牙串口之外，只支持USB输入。因此，需要使用接口转换模块将UART转换成USB。市场上常用的UART转USB芯片有PL2303（Prolific）、CP2102（SILICON LABS）、CH340E（南京沁恒微电子）等。其中，CH340E是一款单芯片UART转USB数据转换器，符合USB规范2.0全速（12Mbps），体积小，电路简单，并且相对于其他芯片CH340价格低廉，性能稳定，兼容性高。因此，我们选用CH340E进行信号转换。
1.2.3 电源模块
CH340E虽然支持电源管理，但是只能输出5V电压，因此需要电压转换模块为数字体温传感器提供合适的电压。这里我们选择SGM2036（SGMICRO）进行电压转换。
1.2.4 电路原理图
整个USB体温计的电路原理图如图2所示。MicroUSB插头与CH340E相连，CH340E的电源与SGM2036相连，CH340E的信号与数字体温传感器PIC12LF1822相连，SGM2036的电源输出作为数字体温传感器PIC12LF1822的电源输入。
1.3 软件开发
手机APP主要实现体温数据的显示、报警、存储、上传等功能，本文基于Android Studio进行开发。为了接收USB接口传来的体温数据，APP首先要获得USB的读取权限，然后才能对USB数据源进行操作。软件设计流程图如图3所示。
本文采用Sqlite数据库来存储数据，主要包括用户信息和体温数值。体温数值除在本地存储外还会被上传至云端存储。一段时间后，本地数据将会被删除，从而减少数据在本地所占用的存储空间。在服务器的选择上，本文采用阿里云轻量版服务器。阿里云服务器不仅价格低廉，而且具有很高的响应速度和稳定性，可以满足本设计的基本功能。
2 结果
基于上述原理我们设计了USB体温计，并开发了基于Android系统的APP。其中APP用户界面如图4所示。
为了验证其性能，按照临床体温计——连续测量的电子体温计性能要求（YY 07852010）[7]，我们对5个USB体温计使用CH1015型高精度恒温水浴槽（上海平轩科学仪器有限公司）进行了准确度测试，结果如图5所示。在37～41℃范围内，误差为±0.1℃，满足医用标准。
3 结论
本文设计了一种基于Android智能手机的USB体温计。经过测试，精度在±0.1℃范围内，满足医用要求。该体温计无须独立电源供电，体积小，操作简单，携带方便，可以用于多种场合的体温测量。
参考文献：
[1]吴林蔚，许晓萍，李风梅.额温计产品安全有效性研究[J].中国医疗器械信息，2019，25（09）：2021+184.
[2]苟菊香，周倩.非接触式红外线额温枪与水银体温计测量结果比较[J].华西医学，2016，31（5）：961962.
[3]国家药品监督管理局.国家药监局综合司关于履行《关于汞的水俣公约》有关事项的通知[EB/OL].[20201016].https：//www.nmpa.gov.cn/xxgk/fgwj/gzwj/gzwjylqx/2020 1016150908105.html.
[4]蘇东岳，郭丽华，孙健，李润美.红外测温技术的应用和思考[J].中国医疗器械信息，2020，26（11）：2325.
[5]石波，张莉，张根选，曹阳，张赛，李雷.基于近场通信技术的无线无源体温传感器[J].中国医疗器械杂志，2017，41（01）：1719+42.
[6]张根选，刘成，石波，曹阳.一种用于体温监测的数字探头[J].中国医学物理学杂志，2014，31（01）：46714674.
[7]YY 07852010.临床体温计连续测量的电子体温计性能要求[S].国家食品药品监督管理局，20101227.
基金项目：蚌埠医学院自然科学基金项目（BYKY2019 023ZD）
关键词：体温;手机;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
體温是人体的四大基本生命体征之一，在疾病诊断时，往往是首要测量的生理参数。现有的体温测量设备主要有水银体温计、电子体温计以及红外体温计等[1，2]。水银体温计的优点是价格低廉，测量准确;缺点是测量比较耗时，一般需要5分钟。水银体温计还比较容易破碎导致水银外泄，造成人体的伤害和环境的污染。2020年10月26日，国家药品监督管理局发布了国家药监局综合司关于履行《关于汞的水俣公约》有关事项的通知（药监综械注[2020]95号），其中明确“自2026年1月1日起，禁止生产含汞体温计和含汞血压计。”[3]。红外体温计根据测量部位的不同，可分为前额式、耳膜式等。红外体温计的优点是测温速度最快，但是使用时对测量环境要求苛刻，导致测量精度不高[4]。由此可见，在水银体温计退出市场后，能用于精确测量的可能就只有电子体温计。当前市场上的电子体温计有测温笔式和蓝牙式两种，还没有USB式，在应用场景上存在一定的空缺。因此，本文设计了一种基于Android智能手机的USB体温计，结合手机应用程序（Application，APP）可以实现体温数据的显示、存储和报警等功能。
1 方法
1.1 设计理念
USB体温计，外形如同一根手机充电线。使用时，只要将体温计插到Android系统智能手机的USB接口上，打开APP即可实现体温数据的显示、存储、上传和报警等功能。系统原理框图如图1所示。
1.2 硬件设计
1.2.1 数字体温传感器
目前，市场上有很多商业化的数字温度传感器芯片，如Si7051（SILICON LABS）、TSYS01（TE Connectivity）、TMP117（TEXAS INSTRUMENTS）等，其精度都在±0.1℃范围，满足医用开发的要求。但是，这些芯片都是SPI和/或I2C接口，与手机连接比较麻烦。其实，有很多单片机芯片都内置温度传感器、模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）、微处理器（Microcontroller Unit，MCU）和UART接口。通过编程，完全可以实现测温功能，这样就只需单片芯片就可实现温度的采集、运算和串口输出[56]。因此，选择此类芯片进行温度测量也是一种选择。我们选用PIC12LF1822（MicroChip）作为数字体温传感器。PIC12LF1822芯片内置半导体二极管温度传感器、10位ADC、8位MCU，此外还有RC振荡器和1024mV基准电压，通过编程，完全可以实现高精度测温功能。
根据参考资料AN1333[3]，对于单个二极管，其温变电压与所测温度变化的计算公式为：
其中，Vt为温变电压，单位是V;Temp为所测温度，单位是℃。
PIC12LF1822芯片温度测量能够工作在高精度和低精度两种模式下，其中低精度模式下使用两个二极管，高精度模式下使用四个二极管。这里我们采用高精度模式，实际测量温度电压Vtemp为：
其中，VDD为芯片供电电压。
假设n为ADC的分辨率，则经过ADC后，ADC的输出值ADCresult为：
1.2.2 接口转换模块
PIC12LF1822以UART形式输出体温数值，而手机除蓝牙串口之外，只支持USB输入。因此，需要使用接口转换模块将UART转换成USB。市场上常用的UART转USB芯片有PL2303（Prolific）、CP2102（SILICON LABS）、CH340E（南京沁恒微电子）等。其中，CH340E是一款单芯片UART转USB数据转换器，符合USB规范2.0全速（12Mbps），体积小，电路简单，并且相对于其他芯片CH340价格低廉，性能稳定，兼容性高。因此，我们选用CH340E进行信号转换。
1.2.3 电源模块
CH340E虽然支持电源管理，但是只能输出5V电压，因此需要电压转换模块为数字体温传感器提供合适的电压。这里我们选择SGM2036（SGMICRO）进行电压转换。
1.2.4 电路原理图
整个USB体温计的电路原理图如图2所示。MicroUSB插头与CH340E相连，CH340E的电源与SGM2036相连，CH340E的信号与数字体温传感器PIC12LF1822相连，SGM2036的电源输出作为数字体温传感器PIC12LF1822的电源输入。
1.3 软件开发
手机APP主要实现体温数据的显示、报警、存储、上传等功能，本文基于Android Studio进行开发。为了接收USB接口传来的体温数据，APP首先要获得USB的读取权限，然后才能对USB数据源进行操作。软件设计流程图如图3所示。
本文采用Sqlite数据库来存储数据，主要包括用户信息和体温数值。体温数值除在本地存储外还会被上传至云端存储。一段时间后，本地数据将会被删除，从而减少数据在本地所占用的存储空间。在服务器的选择上，本文采用阿里云轻量版服务器。阿里云服务器不仅价格低廉，而且具有很高的响应速度和稳定性，可以满足本设计的基本功能。
2 结果
基于上述原理我们设计了USB体温计，并开发了基于Android系统的APP。其中APP用户界面如图4所示。
为了验证其性能，按照临床体温计——连续测量的电子体温计性能要求（YY 07852010）[7]，我们对5个USB体温计使用CH1015型高精度恒温水浴槽（上海平轩科学仪器有限公司）进行了准确度测试，结果如图5所示。在37～41℃范围内，误差为±0.1℃，满足医用标准。
3 结论
本文设计了一种基于Android智能手机的USB体温计。经过测试，精度在±0.1℃范围内，满足医用要求。该体温计无须独立电源供电，体积小，操作简单，携带方便，可以用于多种场合的体温测量。
参考文献：
[1]吴林蔚，许晓萍，李风梅.额温计产品安全有效性研究[J].中国医疗器械信息，2019，25（09）：2021+184.
[2]苟菊香，周倩.非接触式红外线额温枪与水银体温计测量结果比较[J].华西医学，2016，31（5）：961962.
[3]国家药品监督管理局.国家药监局综合司关于履行《关于汞的水俣公约》有关事项的通知[EB/OL].[20201016].https：//www.nmpa.gov.cn/xxgk/fgwj/gzwj/gzwjylqx/2020 1016150908105.html.
[4]蘇东岳，郭丽华，孙健，李润美.红外测温技术的应用和思考[J].中国医疗器械信息，2020，26（11）：2325.
[5]石波，张莉，张根选，曹阳，张赛，李雷.基于近场通信技术的无线无源体温传感器[J].中国医疗器械杂志，2017，41（01）：1719+42.
[6]张根选，刘成，石波，曹阳.一种用于体温监测的数字探头[J].中国医学物理学杂志，2014，31（01）：46714674.
[7]YY 07852010.临床体温计连续测量的电子体温计性能要求[S].国家食品药品监督管理局，20101227.
基金项目：蚌埠医学院自然科学基金项目（BYKY2019 023ZD）