CN104916086B - 一种监狱牢房监控装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种监狱牢房监控装置、系统及方法。其中监狱牢房监控装置包括：一个或多个纳米发电机和中央处理电路；纳米发电机的信号输出端连接中央处理电路；当纳米发电机受到瞬时压力时，信号输出端输出第一电信号至中央处理电路，当纳米发电机受到可变压力时，信号输出端输出第二电信号至中央处理电路，当纳米发电机受到的可变压力消失时，信号输出端输出第三电信号至中央处理电路，中央处理电路根据是否接收到第一电信号、第二电信号和/或第三电信号发出报警信号。本发明利用纳米发电机输出的正向和反向电压的特性，对罪犯在床上的异常及时进行报警提醒，防患于未然，达到对罪犯监控的目的。

Description

一种监狱牢房监控装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及监控技术领域，具体涉及一种监狱牢房监控装置、系统及方法。

背景技术

监狱越狱事件时有发生，对社会治安产生不良影响甚至更加严重后果。罪犯往往借助夜色掩护以及警戒力量相对松懈进行越狱，深夜或者凌晨通常是罪犯越狱的时间。在夜间，被关押重犯通常在牢房监舍，如何对在押罪犯在夜间的行为进行有效监控是亟待解决的重要问题。可以通过摄像头监控或者24小时人员监控来防备越狱，但是安装摄像头涉嫌侵犯犯人隐私，此外摄像头仍需人员24小时盯守，人员工作量大，人员疲惫走神的情况下仍然容易出纰漏。

发明内容

本发明提供一种监狱牢房监控装置、系统及方法，以解决对在押罪犯的夜间行为进行有效监控的问题。

本发明提供一种监狱牢房监控装置，包括：一个或多个纳米发电机和中央处理电路；一个或多个纳米发电机的信号输出端连接中央处理电路；

当纳米发电机受到瞬时压力时，信号输出端输出第一电信号至中央处理电路，第一电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的正向电压信号；

当纳米发电机受到可变压力时，信号输出端输出第二电信号至中央处理电路，第二电信号是幅值小于或等于第二预设电压阈值的电压信号；

当纳米发电机受到的可变压力消失时，信号输出端输出第三电信号至中央处理电路，第三电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的反向电压信号；

中央处理电路根据是否接收到的第一电信号、第二电信号和/或第三电信号发出报警信号。

进一步，中央处理电路在接收到第三电信号后并且在第一预设时间内没有接收到第一电信号时，发出报警信号。

进一步，中央处理电路在接收到第一电信号后并且在第二预设时间内没有接收到第二电信号时，发出报警信号。

进一步，中央处理电路在第五预设时间内没有接收到第一电信号、第二电信号或第三电信号时，发出报警信号。

进一步，中央处理电路在第三预设时间内接收到多个纳米发电机输出的第三电信号时，发出报警信号。

进一步，中央处理电路在接收到两个纳米发电机交替输出的第二电信号，且交替输出的时间间隔小于第四预设时间时，发出报警信号。

进一步，中央处理电路包括：至少一个信号预处理模块、单片机模块、第一收发电路和电源模块；

每个纳米发电机的信号输出端通过对应的信号预处理模块与单片机模块相连，单片机模块连接第一收发电路；

信号预处理模块将来自于信号输出端的第一电信号、第二电信号和/或第三电信号进行整流、滤波和放大处理后，将处理后的第一电信号、第二电信号和/或第三电信号发送至单片机模块；

单片机模块根据处理后的第一电信号、第二电信号和/或第三电信号发出报警信号至第一收发电路；

第一收发电路向监控中心传递报警信号；

电源模块为信号预处理模块、单片机模块和第一收发电路提供电能。

进一步，至少一个纳米发电机包括：至少一个摩擦发电机和/或至少一个氧化锌纳米发电机。

进一步，摩擦发电机为三层结构、四层结构或者五层结构，摩擦发电机至少包含构成摩擦界面的两个相对面。

进一步，构成摩擦界面的两个相对面中的至少一个面上设有微纳结构。

本发明还提供了一种监狱牢房监控系统，包括：本发明的监狱牢房监控装置，以及包括第二收发电路的监控中心；

监狱牢房监控装置的第一收发电路通过有线或无线方式连接第二收发电路；

第二收发电路接收第一收发电路发送的报警信号并反馈给监控中心。

本发明还提供了一种监狱牢房监控方法，包括：

当纳米发电机受到瞬时压力时，纳米发电机的信号输出端输出第一电信号至中央处理电路，第一电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的正向电压信号；其中，牢房内有一个或多个纳米发电机和中央处理电路；一个或多个纳米发电机的信号输出端连接中央处理电路；

当纳米发电机受到的可变压力消失时，纳米发电机的信号输出端输出第三电信号至中央处理电路，第三电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的反向电压信号；

当中央处理电路接收到第三电信号后并且在第一预设时间内没有再接收到第一电信号时，中央处理电路发出报警信号。

进一步，监狱牢房监控方法，还包括：

当中央处理电路接收到第一电信号后并且在第二预设时间内没有接收到第二电信号时，中央处理电路发出报警信号；

第二电信号是当纳米发电机受到可变压力时，纳米发电机的信号输出端输出至中央处理电路的信号，第二电信号是幅值小于或等于第二预设电压阈值的电压信号。

进一步，监狱牢房监控方法还包括：

当中央处理电路在第五预设时间内没有接收到第一电信号、第二电信号或第三电信号时，中央处理电路发出报警信号。

进一步，监狱牢房监控方法还包括：

当中央处理电路在第三预设时间内接收到多个纳米发电机输出的第三电信号时，中央处理电路发出报警信号。

进一步，监狱牢房监控方法还包括：

当中央处理电路在接收到两个纳米发电机交替输出的第二电信号，且交替输出的时间间隔小于第四预设时间时，中央处理电路发出报警信号。

进一步，监狱牢房监控方法还包括：

中央处理电路通过信号预处理模块将来自于信号输出端的第一电信号、第二电信号和/或第三电信号进行整流、滤波和放大处理。

进一步，监狱牢房监控方法还包括：

中央处理电路通过单片机模块进行判断并发出报警信号。

进一步，监狱牢房监控方法还包括：

中央处理电路通过第一收发电路将报警信号发送至第二收发电路；

第二收发电路传递报警信号至监控中心；

监控中心根据报警信号进行报警提示。

本发明提供一种监狱牢房监控装置、系统及方法，利用纳米发电机在不同的受力条件下输出的正向和反向电压的特性，对罪犯在床上的异常及时进行报警提醒，防患于未然，达到对罪犯监控的目的。此外还能够不侵犯犯人隐私，结构简单适合大规模推广应用，无需人员24小时盯守，节约了人力物力。

附图说明

图1为本发明的监狱牢房监控装置的结构示意图；

图2为本发明的监狱牢房监控装置的电路示意图；

图3为本发明的监狱牢房监控系统的电路示意图；

图4为本发明的监狱牢房监控方法的流程示意图；

图5为本发明的另一监狱牢房监控方法的流程示意图；

图6为本发明的摩擦发电机的正视剖面图；

图7a为本发明第一种结构的氧化锌纳米发电机的立体结构示意图；

图7b为本发明第一种结构的氧化锌纳米发电机的正视剖面图；

图8a为本发明第二种结构的氧化锌纳米发电机的立体结构示意图；

图8b为本发明第二种结构的氧化锌纳米发电机的正视剖面图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。

图1为本发明的监狱牢房监控装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：一个或多个纳米发电机11和中央处理电路13；所述一个或多个纳米发电机11的信号输出端连接所述中央处理电路13。纳米发电机11可以铺设于犯人休息的床垫12内，也可以铺设于犯人休息的床垫12上。一个床垫内或床垫上可以仅铺设一个纳米发电机，也可以铺设多个纳米发电机，当铺设多个纳米发电机时，多个纳米发电机通过串联和/或并联的方式连接。在以下描述中，以一个纳米发电机铺设于床垫内部为例作进一步介绍。

在夜间的正常休息时间（如从夜晚的21点到次日7点），当犯人在床垫12上躺下时，床垫12内的纳米发电机11受到瞬时压力，纳米发电机11在犯人本身重量的挤压下从信号输出端输出第一电信号至中央处理电路13，第一电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的正向电压信号，中央处理电路13根据第一电信号判断犯人在床垫12上躺下，此时不会触发报警信号；

当犯人在床垫12上平躺时，犯人本身的呼吸或者翻身等轻微动作产生的可变压力，因而床垫12内的纳米发电机11受到该可变压力，纳米发电机11从信号输出端输出第二电信号至中央处理电路13，第二电信号是幅值小于或等于第二预设电压阈值的电压信号，中央处理电路13根据第二电信号判断犯人在床垫12上休息或者睡眠，此时也不会触发报警信号；

当犯人从床垫12离开时，床垫12受到的可变压力消失，纳米发电机11受到的因犯人体重产生的可变压力因而消失，纳米发电机11恢复原状，从信号输出端输出第三电信号至中央处理电路13，第三电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的反向电压信号，此时中央处理电路13判断犯人从床垫12上离开，如果预设时间内，中央处理电路13没有接收到来自于纳米发电机11产生的电信号，说明此时犯人离开床垫12活动，并有可能越狱，此时中央处理电路13发出报警信号。

中央处理电路13具体用于在以下情况发生时发出报警信号：

当接收到第三电信号后并且在第一预设时间内没有接收到第一电信号时，发出报警信号；此时该床垫的罪犯长时间没有回到床垫休息，可能进行越狱，需要发出报警提示。

当接收到第一电信号后并且在第二预设时间内没有接收到第二电信号时，发出报警信号；此时罪犯可能以其他重物压在床垫上，可能进行越狱，需要发出报警提示。

当在第五预设时间内没有接收到第一电信号、第二电信号或第三电信号时，发出报警信号；此时罪犯可能破坏了该监控装置，需要发出报警提示。

当第三预设时间内接收到多个床垫内的纳米发电机输出的第三电信号时，发出报警信号；当不同床垫的纳米发电机同时或者都在第三预设时间内发出第三电信号，说明此时同一个牢房内的多个罪犯同时离开床垫进行活动，有可能是集体越狱，需要发出报警提示。

在接收到两个纳米发电机交替输出的第二电信号，且交替输出的时间间隔小于第四预设时间时，发出报警信号。例如，床垫A的纳米发电机先输出第三电信号，紧接着床垫B内的纳米发电机输出第一电信号，此时可能某个罪犯从床垫A起床，然后至床垫B休息，此后，床垫A和B的纳米发电机交替输出第二电信号，且交替输出的时间间隔小于第四预设时间时，说明此时一个罪犯在两个床垫间交替躺下，以造成两个床垫都有人的假象，此时可能发生越狱，需要发出报警提示。

图2为本发明的监狱牢房监控装置的电路示意图，如图2所示，中央处理电路13包括：至少一个信号预处理模块131、单片机模块132、第一收发电路133和电源模块134。

中央处理电路与床垫的位置关系存在以下三种：

（1）中央处理电路整体设置在床垫内部，即一个床垫对应一个中央处理电路；

（2）中央处理电路中的多个信号预处理模块分别设置在对应的床垫内部，其它模块设置在床垫外部，如一个牢房内对应设置一个单片机模块、一个第一收发电路和一个电源模块，单片机模块具有多个I/O接口，每个I/O接口连接每个床垫内部的信号预处理模块；

（3）中央处理电路整体设置在床垫外部，如一个牢房内对应设置一个中央处理电路，中央处理电路中的多个信号预处理模块分别连接多个床垫内部的纳米发电机，单片机模块具有多个I/O接口，每个I/O接口连接每个信号预处理模块。

每个纳米发电机11的信号输出端通过对应的信号预处理模块131与单片机模块132相连，单片机模块132连接第一收发电路133。每个床垫对应的信号预处理模块131连接该床垫内的纳米发电机11；信号预处理模块131将来自于信号输出端的电信号进行整流、滤波和放大处理后，发送至单片机模块132；单片机模块132根据处理后的电信号发出报警信号至第一收发电路133；第一收发电路133向监控中心（图中未出示）传递报警信号；电源模块134连接信号预处理模块131、单片机模块132和第一收发电路133并为他们提供电能。第一收发电路133可以采用有线或者无线方式将报警信号发送至监控中心，以警告在监控中心值班的警察有异常情况发生。

可选地，本发明中中央处理电路不仅限于由单片机模块作为核心处理器件来实现，也可以将单片机模块替换为其它硬件电路，例如：替换为比较器、计时器等器件组成的硬件电路，比较器用于区分接收到的信号是第一电信号、第二电信号或第三电信号，计时器用于对预设时间进行计时。

具体地，当比较器接收到第三电信号后，计时器开始计时，在第一预设时间内比较器没有接收到第一电信号时，第一收发电路发出报警信号。

当比较器接收到第一电信号后，计时器开始计时，在第二预设时间内比较器没有接收到第二电信号时，第一收发电路发出报警信号。

当比较器在第五预设时间内没有接收到所述第一电信号、所述第二电信号或所述第三电信号时，第一收发电路发出报警信号。

当多个比较器同时接收到多个床垫内的纳米发电机输出的第三电信号，或通过计时器计时，当第三预设时间内多个比较器接收到多个床垫内的纳米发电机输出的第三电信号时，第一收发电路发出报警信号。

当两个比较器接收到两个纳米发电机交替输出的第二电信号时，计时器开始计时，交替输出的时间间隔小于第四预设时间时，第一收发电路发出报警信号。

进一步，纳米发电机包括：摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机。

摩擦发电机具有信号输出端，摩擦发电机可以为三层结构、四层结构或者五层结构，摩擦发电机至少包含构成摩擦界面的两个相对面。构成摩擦界面的两个相对面中的至少一个面上设有微纳结构。

氧化锌纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线形成的纳米发电机，挤压氧化锌纳米线能够使氧化锌纳米发电机从信号输出端输出电信号。

摩擦发电机和氧化锌纳米发电机的具体原理将在下边具体详述。

本发明提供的一种监狱牢房监控装置，利用床垫内的纳米发电机在不同的受力条件下输出的正向和反向电压的特性，对罪犯在床上的异常及时进行报警提醒，防患于未然，达到对罪犯监控的目的。此外还能够不侵犯犯人隐私，结构简单适合大规模推广应用，无需人员24小时盯守，节约了人力物力。

图3为本发明的监狱牢房监控系统的电路示意图，如图3所示，监狱牢房监控系统包括：图2所示的监狱牢房监控装置1和监控中心3；监控中心3包括第二收发电路31。

监狱牢房监控装置1的第一收发电路133通过有线或无线方式连接第二收发电路31；第二收发电路31接收第一收发电路133发送的报警信号并反馈至监控中心3；监控中心3根据报警信号进行报警提示。

当第二收发电路接收到监狱牢房监控装置发出的报警信号后，第二收发电路将报警信号通知给监控中心，监控中心通过屏幕显示、提示灯闪亮、发出提示音等形式对值班警察进行报警提示，值班警察可以调用与监控中心相连的摄像头等监控设备重点监视发出异常的牢房。

图4为本发明的监狱牢房监控方法的流程示意图，如图4所示，监狱牢房监控方法，包括：

步骤S401，当纳米发电机受到瞬时压力时，纳米发电机的信号输出端输出第一电信号至中央处理电路，第一电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的正向电压信号；

步骤S402，当纳米发电机受到的可变压力消失时，信号输出端输出第三电信号至中央处理电路，第三电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的反向电压信号；

步骤S403，当中央处理电路接收到第三电信号后并且在第一预设时间内没有再接收到第一电信号时，中央处理电路发出报警信号。

例如，犯人从床垫上离开时，中央处理电路会接收到纳米发电机发出的第三电信号。如果在第一预设时间内（例如十分钟内），中央处理电路未接收到该纳米发电机的第一电信号，说明此时犯人并没有回到床垫上休息，可能正在越狱，中央处理电路发送报警信号至监控中心，以提示值班警察有异常情况发生。

图5为本发明的另一监狱牢房监控方法的流程示意图，如图5所示，另一监狱牢房监控方法，包括：

步骤S501，至少一个纳米发电机的信号输出端输出电信号至中央处理电路。

具体地，当床垫内的纳米发电机受到瞬时压力时，信号输出端输出第一电信号至中央处理电路，第一电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的正向电压信号；当床垫内的纳米发电机受到可变压力时，信号输出端输出第二电信号至中央处理电路，第二电信号是幅值小于或等于第二预设电压阈值的电压信号；当床垫内的纳米发电机受到的可变压力消失时，信号输出端输出第三电信号至中央处理电路，第三电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的反向电压信号。

步骤S502，中央处理电路通过信号预处理模块将来自于信号输出端的电信号进行整流、滤波和放大处理。

步骤S503，中央处理电路通过单片机模块进行判断并发出报警信号。

具体地，步骤S503包括以下情况：

当接收到第三电信号后并且在第一预设时间内没有接收到第一电信号时，单片机模块发出报警信号。此时该床垫的罪犯长时间没有回到床垫休息，可能进行越狱，需要发出报警提示。

当接收到第一电信号后并且在第二预设时间内没有接收到第二电信号时，单片机模块发出报警信号。此时罪犯可能以其他重物压在床垫上，可能进行越狱，需要发出报警提示。

当同时接收到多个床垫内的纳米发电机输出的第三电信号，或者在第三预设时间内接收到多个床垫内的纳米发电机输出的第三电信号时，单片机模块发出报警信号。当不同床垫的纳米发电机同时或者在较短时间间隔内同时发出第三电信号，说明此时同一个牢房内的多个罪犯同时离开床垫进行活动，有可能是集体越狱，需要发出报警提示。

当中央处理电路在接收到两个纳米发电机交替输出的第二电信号，且交替输出的时间间隔小于第四预设时间时，单片机模块发出报警信号。例如，床垫A的纳米发电机先输出第三电信号，紧接着床垫B内的纳米发电机输出第一电信号，此时可能某个罪犯从床垫A起床，然后至床垫B休息，如果床垫A和B内的纳米发电机交替输出第二电信号且交替输出的时间间隔小于第四预设时间，说明此时一个罪犯在两个床垫间交替躺下，以造成两个床垫都有人的假象，此时可能发生越狱，需要发出报警提示。

另外，还有一种情况是：当在第五预设时间内没有接收到信号输出端输出的第一电信号、第二电信号或第三电信号时，单片机模块发出报警信号。此时罪犯可能破坏了该监控装置，需要发出报警提示。

步骤S504，中央处理电路通过第一收发电路将报警信号发送至第二收发电路。

步骤S505，第二收发电路传递报警信号至监控中心。

步骤S506，监控中心根据报警信号进行报警提示。

当第二收发电路接收到本发明的监狱牢房监控装置发出的报警信号后，第二收发电路将报警信号通知给监控中心，监控中心通过屏幕显示、提示灯闪亮、发出提示音等形式对值班警察进行报警提示，值班警察可以调用与监控中心相连的摄像头等监控设备重点监视发出异常的牢房。

下面通过具体示例介绍本发明实施例的摩擦发电机和氧化锌纳米发电机。

图6为本发明示例一中的一摩擦发电机的正视剖面图，如图6所示，三层结构的摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层1111，第一高分子聚合物绝缘层1112，以及第二电极层1113；其中，第一电极层1111设置在第一高分子聚合物绝缘层1112的第一侧表面上；第一高分子聚合物绝缘层1112的第二侧表面朝向第二电极层1113设置，第一高分子聚合物绝缘层1112和第二电极层1113之间构成摩擦界面，第一电极层1111和第二电极层1113构成摩擦发电机的信号输出端。为了进一步提高摩擦发电机的发电效率，在形成摩擦界面的两个相对面中的至少一个面上设置有微纳结构，即第一高分子聚合物绝缘层1112和第二电极层1113相对设置的两面中的至少一个面上设置有微纳结构1117。

当犯人在床垫上躺下时，摩擦发电机受到瞬时压力，该摩擦发电机受到压力作用，第二电极层1113与第一高分子聚合物绝缘层1112表面相互摩擦产生静电荷，从而导致第一电极层1111和第二电极层1113之间出现电势差。由于第一电极层1111和第二电极层1113之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，信号输出端输出第一电信号。当犯人从床垫上离开时，摩擦发电机受到的压力消失，该摩擦发电机受到的压力也随之消失，这时形成在第一电极层1111和第二电极层1113之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层1111和第二电极层1113之间将再次产生反向的电势差，信号输出端输出第三电信号。当犯人在床垫上休息时，犯人呼吸或者翻身所产生的压力作用于摩擦发电机，摩擦发电机受到可变压力，使摩擦发电机产生较为微弱的摩擦，从信号输出端输出电压值较小的第二电信号。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的第二电信号。

对于示例一的摩擦发电机，第一高分子聚合物绝缘层1112为选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维素海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的任意一种。

第一电极层1111所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

第二电极层1113所用材料与第一电极层1111所用的金属或合金材料相同。

在本发明的一个实施例中，可采用具有四层结构的摩擦发电机，该摩擦发电机与图6中摩擦发电机的不同之处在于，该摩擦发电机增加了一层高分子聚合物绝缘层，并且是采用高分子聚合物绝缘层和高分子聚合物绝缘层进行摩擦，其他可以参考图6所示的三层结构的摩擦发电机，本领域技术人可以较容易的理解其结构、材料与工作原理，此处不再赘述。

在本发明的一个实施例中，可采用具有五层结构的摩擦发电机，即在四层结构的摩擦发电机的基础上增加一层居间电极或者居间薄膜的五层结构的摩擦发电机，参考图6所示的三层结构的摩擦发电机，本领域技术人可以较容易的理解其结构、材料与工作原理，此处不再赘述。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合图7a至图7b具体介绍本发明实施例中的多种结构的氧化锌纳米发电机。

本发明的第一种结构的氧化锌纳米发电机如图7a和图7b所示。该氧化锌纳米发电机包括：依次层叠设置的第一电极层51，第一高分子聚合物绝缘层52，氧化锌纳米阵列50以及第二电极层53。其中，第一电极层51设置在第一高分子聚合物绝缘层52的第一侧表面上；其中，氧化锌纳米阵列50垂直生长在第二电极层53上且氧化锌纳米阵列50的另一端与第一高分子聚合物绝缘层52的第二侧表面相接触；其中，第一电极层51和第二电极层53构成氧化锌纳米发电机的两个输出端。

其中，第一高分子聚合物绝缘层52所用的材料与如图6所示的具有三层结构的摩擦发电机的第一高分子聚合物绝缘层1112所用的材料相同。

其中，第一电极层51所用材料与如图6所示的具有三层结构的摩擦发电机的第一电极层1111所用材料相同。其中，第二电极层53所用材料与如图6所示的具有三层结构的摩擦发电机的第一电极层1111所用的金属或合金材料相同。

下面具体介绍一下该氧化锌纳米发电机的工作原理。当犯人在床垫上躺下时，氧化锌纳米发电机受到瞬时压力，氧化锌纳米线阵列50发生弯曲而处于拉伸状态，由于氧化锌材料压电效应的存在，故将会在氧化锌纳米线阵列50的顶端产生高的电势，在氧化锌纳米线阵列50的底部产生低的电势。此时，如果外电路是导通状态，第一电极层51与第二电极层53通过外电路连接，那么自由电子将从电势较低的底部的第二电极层53流向电势较高的顶部的第一电极层51，从而在外电路中形成电流信号。而氧化锌纳米线阵列50一侧的第一高分子聚合物绝缘层52将防止电子在内部中和，信号输出端输出第一电信号。当犯人从床垫上离开时，床垫受到的压力消失，该氧化锌纳米发电机受到的压力也随之消失，氧化锌纳米发电机各层恢复到原来状态，氧化锌纳米发电机中的各层也恢复其原来的平板状态，因氧化锌材料压电效应的存在将会在氧化锌纳米线阵列的顶端与底端之间再次产生电势差，这时自由电子将从第一电极层51经由外电路流回到原来的第二电极层53上，从而在外电路中形成反向电流，信号输出端输出第三电信号。当犯人在床垫上休息时，犯人呼吸或者翻身所产生的压力作用于氧化锌纳米发电机，使氧化锌纳米发电机受到较弱的可变压力作用，从信号输出端输出电压值较小的第二电信号。

本发明的第二种结构的氧化锌纳米发电机如图8a和图8b所示。第二种结构的氧化锌纳米发电机包括：依次层叠设置的第一电极层61，第一高分子聚合物绝缘层62，氧化锌纳米阵列60，第二高分子聚合物绝缘层64以及第二电极层63。如图8a和8b所示的第二种结构的氧化锌纳米发电机只是在图7a和图7b的结构之上增加了一层高分子聚合物绝缘层，所以，参考图7a和图7b所示的第一种结构的氧化锌纳米发电机，本领域技术人可以较容易的理解其结构、材料与工作原理，此处不再赘述。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种监狱牢房监控装置，其特征在于，包括：一个或多个纳米发电机和中央处理电路；所述一个或多个纳米发电机的信号输出端连接所述中央处理电路；

当所述纳米发电机受到瞬时压力时，所述信号输出端输出第一电信号至所述中央处理电路，所述第一电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的正向电压信号；

当所述纳米发电机受到可变压力时，所述信号输出端输出第二电信号至所述中央处理电路，所述第二电信号是幅值小于或等于第二预设电压阈值的电压信号；

当所述纳米发电机受到的可变压力消失时，所述信号输出端输出第三电信号至所述中央处理电路，所述第三电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的反向电压信号；

所述中央处理电路根据是否接收到第一电信号、第二电信号和/或第三电信号发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，所述中央处理电路在接收到所述第三电信号后并且在第一预设时间内没有接收到所述第一电信号时，发出报警信号。

3.根据权利要求1所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，所述中央处理电路在接收到所述第一电信号后并且在第二预设时间内没有接收到所述第二电信号时，发出报警信号。

4.根据权利要求1所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，所述中央处理电路在第五预设时间内没有接收到所述第一电信号、所述第二电信号或所述第三电信号时，发出报警信号。

5.根据权利要求1所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，所述中央处理电路在第三预设时间内接收到多个所述纳米发电机输出的所述第三电信号时，发出报警信号。

6.根据权利要求1所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，所述中央处理电路在接收到两个纳米发电机交替输出的第二电信号，且交替输出的时间间隔小于第四预设时间时，发出报警信号。

7.根据权利要求1所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，所述中央处理电路包括：至少一个信号预处理模块、单片机模块、第一收发电路和电源模块；

每个纳米发电机的信号输出端通过对应的所述信号预处理模块与所述单片机模块相连，所述单片机模块连接所述第一收发电路；

所述信号预处理模块将来自于所述信号输出端的第一电信号、第二电信号和/或第三电信号进行整流、滤波和放大处理后，将处理后的第一电信号、第二电信号和/或第三电信号发送至所述单片机模块；

所述单片机模块根据处理后的第一电信号、第二电信号和/或第三电信号发出报警信号至所述第一收发电路；

所述第一收发电路向监控中心传递所述报警信号；

所述电源模块为所述信号预处理模块、所述单片机模块和所述第一收发电路提供电能。

8.根据权利要求1-7任一项所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，所述至少一个纳米发电机包括：至少一个摩擦发电机和/或至少一个氧化锌纳米发电机。

9.根据权利要求8所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，所述摩擦发电机为三层结构、四层结构或者五层结构，所述摩擦发电机至少包含构成摩擦界面的两个相对面。

10.根据权利要求9所述的监狱牢房监控装置，其特征在于，构成所述摩擦界面的两个相对面中的至少一个面上设有微纳结构。

11.一种监狱牢房监控系统，其特征在于，包括：权利要求1-10任一项所述的监狱牢房监控装置，以及包括第二收发电路的监控中心；

所述监狱牢房监控装置的第一收发电路通过有线或无线方式连接所述第二收发电路；

所述第二收发电路接收所述第一收发电路发送的报警信号并反馈给所述监控中心。

12.一种监狱牢房监控方法，其特征在于，包括：

当纳米发电机受到瞬时压力时，纳米发电机的信号输出端输出第一电信号至中央处理电路，所述第一电信号是幅值大于或等于第一预设电压阈值的正向电压信号；其中，牢房内有一个或多个纳米发电机和中央处理电路；所述一个或多个纳米发电机的信号输出端连接所述中央处理电路；

当所述纳米发电机受到的可变压力消失时，纳米发电机的信号输出端输出第三电信号至所述中央处理电路，所述第三电信号是幅值大于或等于所述第一预设电压阈值的反向电压信号；

当所述中央处理电路接收到所述第三电信号后并且在第一预设时间内没有再接收到所述第一电信号时，所述中央处理电路发出报警信号。

13.根据权利要求12所述的监狱牢房监控方法，其特征在于，还包括：

当所述中央处理电路接收到所述第一电信号后并且在第二预设时间内没有接收到第二电信号时，所述中央处理电路发出报警信号；

所述第二电信号是当所述纳米发电机受到可变压力时，纳米发电机的信号输出端输出至所述中央处理电路的信号，所述第二电信号是幅值小于或等于第二预设电压阈值的电压信号。

14.根据权利要求12所述的监狱牢房监控方法，其特征在于，还包括：

当所述中央处理电路在第五预设时间内没有接收到所述第一电信号、所述第二电信号或所述第三电信号时，所述中央处理电路发出报警信号。

15.根据权利要求12所述的监狱牢房监控方法，其特征在于，还包括：

当所述中央处理电路在第三预设时间内接收到多个所述纳米发电机输出的所述第三电信号时，所述中央处理电路发出报警信号。

16.根据权利要求12所述的监狱牢房监控方法，其特征在于，还包括：

当所述中央处理电路在接收到两个纳米发电机交替输出的第二电信号，且交替输出的时间间隔小于第四预设时间时，所述中央处理电路发出报警信号。

17.根据权利要求12-16任一项所述的监狱牢房监控方法，其特征在于，还包括：

所述中央处理电路通过信号预处理模块将来自于所述信号输出端的所述第一电信号、所述第二电信号和/或所述第三电信号进行整流、滤波和放大处理。

18.根据权利要求17所述的监狱牢房监控方法，其特征在于，还包括：

所述中央处理电路通过单片机模块进行判断并发出所述报警信号。

19.根据权利要求17所述的监狱牢房监控方法，其特征在于，还包括：

所述中央处理电路通过第一收发电路将所述报警信号发送至第二收发电路；

所述第二收发电路传递所述报警信号至监控中心；

所述监控中心根据所述报警信号进行报警提示。