CN105741504B - 一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统及控制方法，结合目前国内电子设备设计水平，和智能手机发展迅速的现状，利用带有BLE 4.0功能的脚镯与智能手机平台组合替代目前的一体式电子脚镯，设计一种分离式社区矫正系统。BLE 4.0脚镯具有轻便、不需要更换电池、不可拆卸和剥离、防水特点，适合矫正人员的定位及其他人性化要求；并且该脚镯与智能手机平台保持实时间歇通信，克服矫正人员将脚镯与定位装置（智能手机提供GPS信号）分离，提供虚假位置信息的缺陷；同时利用现有的智能手机可提供更强的行为分析功能。

Description

一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种利用穿戴式脚镯与智能手机平台相结合的社区矫正系统，该系统克服目前一体式脚镯以及基于声纹识别或图像识别的原理的分离式系统的缺陷，便于维护和更新，并能在分离式系统的基础上对矫正人员的情绪和行为特征做初步分析，最终给出矫正效果评估。

背景技术

社区矫正是一项重要的非监禁刑罚执行制度，它将管制、缓刑、假释、暂予监外执行的罪犯置于社区内，由专门的国家机关在相关社会团体、民间组织和社会志愿者的协助下，矫正其犯罪心理和行为恶习，促进其顺利回归社会。社区矫正制度为维护我国社会和谐稳定、降低刑罚执行成本、完善我国非监禁刑罚执行制度、促进罪犯更好地回归社会做出了贡献。

我国的社区矫正2003年开始在北京、上海、江苏等6省市试点，2005年进一步扩大试点省份，2009年在全国试行。国外的社区矫正制度与现代信息技术的结合始于20世纪80年代，他们将电子定位技术应用于假释、家庭暴力、滥用药物者、家庭暴力者、性侵害或骚扰的罪犯，大大减少了监狱中罪犯的人数．并且降低了行刑成本．提高了社会效益。

比较国内、外社区矫正信息技术的现状，可以看到目前国内社区矫正系统技术方面的不足：

1）同国外同类系统比较，国内的社区矫正系统功能和技术选择上还比较初级，有些社区矫正系统只是司法信息化的一部份，目前大部分的矫正系统还只是集成了GPS定位系统，在连续跟踪和室内情景下，无法提供位置信息。

2）矫正对象佩戴的电子监控设备设计不够合理。在已有或在用的矫正系统中，很多系统使用的监控平台是功能手机，而非智能手机，由于当时的功能手机型号不同，因此电子监控设备与平台不能通用、互换；当时的手机价格、数据业务资费对矫正人员来说也是一笔不小的花费；矫正人员还经常会把监控手机放在某处或交给别人，将虚假位置信息传递给监控中心，自己则逃离监控。从2013-2014年开始，上海等地推广第二代监控平台：电子脚镯，已经将GPS和数据传输（如GPRS）集成在一个系统中，类似脚镯配套在矫正人员脚上，这种设备也有功耗、防水、佩戴不方便和体积较大影响矫正人员自尊心的缺陷。针对前述手机不能真实提供身份的缺陷，有很多地方还在试点“声纹认证”+“手机定位跟踪”的双重电子监控方法，但实际运用效果也不理想。一方面声纹认证在环境嘈杂的情况下识别成功率显著下降，此外，对于一般声纹识别可通过高保真录音进行模拟，以逃脱监管，另一方面，电子信号有可能会受到某些大型建筑物或者金属物的遮挡，导致警报失控。

3）矫正过程的信息化没有贯穿矫正全过程。社区矫正包括一个连续的过程：前期调查、行为监督、评估、考核等诸多方面，还涉及很多方面的监督：行为监督、情感监督、道德监督等，目前使用的矫正系统仅仅使用在行为监督一个方面，谈不上情绪分析和行为预测、道德监督等。

为此，本发明结合目前国内电子设备设计水平，和智能手机发展迅速的现状，利用带有BLE 4.0功能的脚镯与智能手机平台组合替代目前的一体式电子脚镯，设计一种分离式社区矫正系统。BLE 4.0脚镯具有轻便、不需要更换电池、不可拆卸和剥离、防水特点，适合矫正人员的定位及其他人性化要求；并且该脚镯与智能手机平台保持实时间歇通信，克服矫正人员将脚镯与定位装置（智能手机提供GPS信号）分离，提供虚假位置信息的缺陷；同时利用现有的智能手机可提供更强的行为分析功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：设计一种用于社区矫正人员，限制其活动范围的电子围栏系统，要求该系统绑定在社区矫正人员身上，只有在监管人员的许可下，才可以打开与拆卸，社区矫正人员无法自行拆卸后，将系统与身体分离而提供虚假定位信息，从而欺骗监管系统。要求该系统从人性化角度出发，具有小巧、不经常更换电源系统、防水等特性，便于被矫正人员佩戴，并保护其自尊心。该系统还要求有初步的行为特征与情绪分析能力，并最终给出矫正效果大致评估。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下方案：

一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统，其特征在于该系统包含一个电子脚镯，一个智能手机平台和一个后台服务器和显示终端；

1)电子脚镯：该电子脚镯具有蓝牙BLE4.0通信功能，与矫正人员手上的智能手机间歇通信，该脚镯佩戴以后，在强行拆卸的时候，将发出告警信号给系统与后台；

2)智能手机平台：手机平台具有蓝牙BLE4.0通信功能，与电子脚镯间歇通信；手机具有室外GPS定位功能，并且手机可利用与脚镯的蓝牙BLE4.0信号强度和自带的传感器MEMS判断矫正人员是否处于室内与室外；智能手机每10分钟将位置信息上传到后台服务器；智能手机在脚镯拆卸和矫正人员走出围栏区域时，发出声音告警，并立即将信息上传到后台服务器；智能手机能显示地图及矫正人员活动轨迹；智能手机平台根据蓝牙BLE4.0信号及矫正人员的时空信息给出初步行为与情绪分析，并将结果每隔一小时上传到后台服务器；

3)后台服务器，接收被矫正人员的定位信息和拆卸脚镯、超越围栏告警信息；后台服务器能同时显示10个矫正对象的活动轨迹；后台服务器根据上传的行为与情绪信息，在每月给出大致矫正效果评估。

所述电子脚镯包括含有蓝牙协议的MCU、重力加速度计芯片、脚镯拆卸电路和电量检测电路，MCU与重力加速度计芯片、脚镯拆卸和电量检测电路通过串口连接。

所述脚镯拆卸电路设有一对左右触点，分别埋在脚镯的腕带内，电子手环扣好后，左右触点是接触的，触点通过金属片与MCU上的GPIO口连接。

所述金属片和触点设在脚镯腕带内。

所述电量检测电路设有导线，所述MCU的ADC接口通过导线与电源连接。

一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统控制方法，其特征在于该系统利用脚镯与智能手机通过无线信号绑定，脚镯通过蓝牙BLE4.0与智能手机间歇通信，确保两者在通信范围内，如果超过阈值时间没有通信信号，表明智能手机与脚镯已经有较远的距离，亦即两者处于分离状态。

进一步地，利用脚镯里的重力传感器和智能手机上的传感器MEMS联合分析矫正人员的日常行为，这些行为指动态的步行和跑步，静态的久坐或睡眠，为节省能耗，系统将动态行为的监控与分析在智能手机上实现，静态行为监控在脚镯上实现，并上报监控与分析结果。

进一步地，利用日常行为结论、智能手机定位和蓝牙无线信号强度对被矫正人员进一步进行行为特征分析，包括行为的规律性，以及一些社会行为或被监视行为分析，具体包括四种行为特征:活动区域、是否高敏感区域、室内室外、活动方式，利用GPS信息得出矫正人员的活动区域、是否在高敏感区域、是否室内室外，活动方式包括静态或动态，静态指长久静止在某活动场所，动态指步行或跑步，又分为经过和徘徊两种方式。

进一步地，基于日常行为分析和行为特征分析，进行矫正人员的情绪分析，得到某时间段内，处于平稳期或是急躁期。

本发明具有的优点和效果在于：1）本发明最大程度地减少了被矫正人员的心理自卑感和对矫正的抵触情绪，发明中的脚镯轻便灵巧，日常洗漱和睡眠时没有太大的负担，手持的智能终端也可以进行日常的通信，人们并不能显著地从人群中区分出社区矫正人员，从而减少矫正人员与社会的隔离度，使其最大限度地、最快地融入社会，2）系统能完成传统的电子围栏功能，同时对社区矫正人员在监管区域内的行为特征进行分析，对活动方式和矫正人员的情绪进行分析，从而从整体上能保证对矫正效果的客观评估，而不是目前以监管时间长短来确定矫正效果，3）对于矫正人员的恶意行为和犯罪倾向做及时的、主动告警与制止，如矫正人员试图拆卸脚镯或在敏感区域过多的停留与徘徊时，或者矫正人员在情绪急躁时，系统不仅能在服务器端和智能手机端产生告警，还能给予这些矫正人员重点关注。

附图说明

图1是本发明系统组成和应用示意图；

图2是本发明脚镯部分组成结构框图；

图3是本发明脚镯拆卸电路图；

图4是本发明中脚镯部分防水、防拆卸结构示意图；

图5是脚镯和智能手机中加速度传感器判断矫正人员行为的示意图；

图6是利用日常行为信息与定位信息相结合，根据时空信息进行行为特征分析和情绪分析示意图；

图7电子围栏基本功能流程图；

图8是本发明服务器端界面及基本功能。

具体实施方式

图1是本发明的整体系统组成和应用示意图。本系统由脚镯、智能手机平台和后台服务器及显示终端组成。系统利用脚镯与人固定连接，并且脚镯与智能手机平台通过无线信号绑定，基本原理是脚镯通过蓝牙BLE4.0与智能手机间歇通信，确保两者在通信范围内，如果超过阈值时间没有通信信号，表明智能手机与脚镯已经有较远的距离，亦即两者处于分离状态，从而实现人、脚镯和智能手机三者之间的绑定。

图2是本发明中的电子脚镯部分的组成结构框图，电子脚镯：该电子脚镯具有蓝牙（BLE 4.0）通信功能，与矫正人员手上的智能手机每分钟通信一次，该脚镯佩戴以后，不能拆卸，在强行拆卸的时候，将发出告警信号给系统与后台。脚镯，它包含一枚纽扣电池，一个低功耗MCU，一般可采用nRF51822，这是一款为超低功耗无线应用设计的多协议单芯片解决方案，整合了射频发射电路，发射部分采用PCB天线设计，脚镯采用防水与防拆卸设计。脚镯部分主要由含有蓝牙BLE4.0协议的MCU、重力加速度计芯片、脚镯拆卸电路和电量检测电路组成，MCU与重力加速度计芯片、脚镯拆卸电路和电量检测电路通过串口连接。脚镯部分电路简单，能耗很小，使得电路在一块纽扣电池供电情况下，能持续1-2年。脚镯每分钟与智能手机通过蓝牙BLE 4.0通信一次，以确保脚镯与智能手机位置上绑定。脚镯的加速度计与智能手机中的传感器MEMS合作共同完成人员行为判断。脚镯被拆卸或电量低于某阈值时，立即告警。并上传给智能手机平台。

电量检测电路设有导线，所述MCU的ADC接口通过导线与电源连接。电量检测模块，将电池电压经过三分之一分压电路后，接到nRF51822的ADC管脚，这里采用三分之一分压电路是考虑nRF51822的ADC量程在0-1.2V之间。

智能手机平台:手机平台具有蓝牙BLE 4.0通信功能，与电子脚镯保持间歇通信(与电子脚镯每分钟通信一次), 手机具有室外GPS定位功能，利用智能手机GPS定位功能确定矫正人员活动区域。并且手机可利用与脚镯的蓝牙BLE 4.0信号强度和自带的传感器MEMS判断矫正人员是否处于室内与室外,并绑定矫正人员的地理位置，显示地图及矫正人员活动轨迹，与电子脚镯内的重力传感器共同完成用户日常行为的分析，将这些分析结论，连同智能手机GPS的定位信息，得到矫正人员的时空信息，结合日常行为的情绪分析，从而得到矫正人员的行为特征分析。智能手机每10分钟将位置信息上传到后台服务器,智能手机在脚镯拆卸和矫正人员走出围栏区域时，发出声音告警，并立即将信息上传到后台服务器；智能手机平台根据蓝牙BLE 4.0信号及矫正人员的时空信息给出初步行为与情绪分析，并将结果每隔一小时上传到后台服务器,这些数据用于分析得到矫正效果评估。系统总体在一段时间对矫正人与进行监测后，根据情绪分析、行为规律性给出大致矫正效果评估。

后台服务器及显示终端，是整个系统的数据库，存放矫正人员的电子档案信息，也有智能终端上传的矫正行为信息，后台服务器，接收被矫正人员的定位信息和拆卸脚镯、超越围栏告警信息；后台服务器能同时显示10个矫正对象的活动轨迹，并能对于恶意与有犯罪倾向的行为提出告警。后台服务器根据上传的行为与情绪信息，在每月给出大致矫正效果评估。

图3是本发明中在线（是否拆卸）检测电路（脚镯拆卸电路），电子脚镯上电路较少，以减少耗电，防水与防拆卸设计,整个电路密封在橡胶内。拆卸检测电路有一对左右触点1、2，分别埋在脚镯的腕带内，电子脚镯扣好后，左右触点是接触的，触点通过金属片与MCU上的GPIO口连接。因此，脚镯正常使用时MCU的GPIO口输入低电平，如果脚镯被拆卸，GPIO将输入高电平，该信息立即被上传到智能手机平台和服务器端，形成告警。整个脚镯采用低功耗设计，因此整体一次性使用纽扣电池，不需要外设接口和按键。

图4为电子脚镯结构示意图，电子脚镯脚镯表盘4和脚镯腕带3，脚镯表盘部分为图2中电路，脚镯腕带部分为橡胶内嵌金属片，金属片连接到表盘电路的在线检测电路（脚镯拆卸电路），使用时腕带扣好后，在位检测电路的左触点与右触点接通，脚镯拆卸电路是利用MCU的GPIO口外接一个检测信号电路，GPIO口输入低电平，反之，如果脚镯腕带被拆卸后，GPIO口高电平将给出告警信息。

图5a和图5b是利用脚镯和智能手机中加速度传感器判断矫正人员行为的示意图，系统利用脚镯里的重力传感器和智能手机上的传感器MEMS联合分析矫正人员的日常行为，这些行为指动态的步行和跑步，静态的久坐或睡眠，为节省能耗，系统将动态行为的监控与分析在智能手机上实现，静态行为监控在脚镯上实现，并上报监控与分析结果。基于日常行为分析和行为特征分析，进行矫正人员的情绪分析，得到某时间段内，处于平稳期或是急躁期。图5a和图5b的波形在静止-走动-静止变化过程中采样，由于本系统并不需要精确判断矫正人员的步数，所以这里采用阈值判断法，直接判断运动和静止状态。

图6是根据脚镯和智能手机平台的日常行为分析结果（比如走动和静止）以及智能手机定位信息和手机平台的BLE信号，进一步进行行为特征分析，具体步骤如下：

根据传感器、脚镯信号、GPS定位信息和BLE信号，进行行为分析，包括行为的规律性，以及一些社会行为或被监视行为分析等，具体包括四种行为特征：1）活动区域、2）是否高敏感区域、3）室内室外、3）活动方式。其中利用GPS信息得出矫正人员的活动区域、是否在高敏感区域，敏感区域包括学校、银行等区域；利用BLE信号判断矫正人员是否室内、室外，由于在室外活动时，周围空旷，手机一般放在扣袋或在手上，所以BLE信号稳定，RSSI变化幅度较小，而在室内，手机往往放置在固定地点，并且室内无线传播路径复杂，BLE信号的RSSI变化比较大，所以在智能手机上可以利用BLE信息判断矫正人员是否室内或室外，该信息可以辅助判断矫正人员的行为特征；活动方式有三种：静止和动态，动态中又包括：路过还是徘徊，如矫正人员的GPS信息长时间在某一区域，并且处在动态方式，基本可判读其处于徘徊方式。活动方式信息用于情绪分析的两个指标：平稳和急躁。

图6中，根据时空信息，与活动方式信息，对矫正人员的行为特征的规律性和平稳性指标给出最终评估。

图7是电子围栏工作原理示意图，矫正人员如果越界，将在智能手机上显示地图和越界情况，同时，该信息立即上报到服务器端并显示在服务器端的地图上，服务器发提示信息给矫正人员，并且等待其确认。越界行为将记录在档案中，供最后矫正效果评估使用。

图8是该系统在服务器端的基本界面和功能，主要包括：矫正人员基本信息管理和矫正效果评估，服务器接收电子信息数据包括：行为特征分析数据、情绪分析数据和告警历史记录，监管人员在这些数据的基础上，给出矫正效果评估。

Claims (9)

1.一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统，其特征在于该系统包含一个电子脚镯、一个智能手机平台、一个后台服务器和显示终端；

1）电子脚镯：该电子脚镯具有蓝牙BLE4.0通信功能，与矫正人员手上的智能手机平台间歇通信，该电子脚镯佩戴以后，在强行拆卸的时候，将发出告警信号给系统与后台服务器；

2）智能手机平台：智能手机平台具有蓝牙BLE4.0通信功能，与电子脚镯间歇通信；智能手机平台具有室外GPS定位功能，并且智能手机平台可利用与电子脚镯的蓝牙BLE4.0信号强度和自带的传感器MEMS判断矫正人员是否处于室内与室外；智能手机平台每10分钟将位置信息上传到后台服务器；智能手机平台在电子脚镯拆卸和矫正人员走出围栏区域时，发出声音告警，并立即将信息上传到后台服务器；智能手机平台能显示地图及矫正人员活动轨迹；智能手机平台根据蓝牙BLE4.0信号及矫正人员的时空信息给出初步行为与情绪分析，并将结果每隔一小时上传到后台服务器；

3）后台服务器：接收被矫正人员的定位信息和拆卸脚镯、超越围栏告警信息；后台服务器能同时显示10个矫正对象的活动轨迹；后台服务器根据上传的行为与情绪信息，在每月给出大致矫正效果评估。

2.如权利要求1所述的一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统，其特征在于：所述电子脚镯包括含有蓝牙协议的MCU、重力加速度计芯片、脚镯拆卸电路和电量检测电路，MCU与重力加速度计芯片、脚镯拆卸电路、电量检测电路通过串口连接。

3.如权利要求2所述的一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统，其特征在于：所述脚镯拆卸电路设有一对左右触点，分别埋在电子脚镯的腕带内，电子脚镯扣好后，左右触点是接触的，触点通过金属片与MCU上的GPIO口连接。

4.如权利要求3所述的一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统，其特征在于：所述金属片和触点设在电子脚镯腕带内。

5.如权利要求2所述的一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统，其特征在于：所述电量检测电路设有导线，所述MCU的ADC接口通过导线与电源连接。

6.如权利要求1所述的一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统控制方法，其特征在于：该系统利用电子脚镯与智能手机平台通过无线信号绑定，电子脚镯通过蓝牙BLE4.0与智能手机平台间歇通信，确保两者在通信范围内，如果超过阈值时间没有通信信号，表明智能手机平台与电子脚镯已经有较远的距离，亦即两者处于分离状态。

7.如权利要求6所述的一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统控制方法，其特征在于：利用电子脚镯里的重力传感器和智能手机平台上的传感器MEMS联合分析矫正人员的日常行为，这些行为指动态的步行和跑步，静态的久坐或睡眠，为节省能耗，系统将动态行为的监控与分析在智能手机平台上实现，静态行为监控在电子脚镯上实现，并上报监控与分析结果。

8.如权利要求6所述的一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统控制方法，其特征在于：利用日常行为结论、智能手机平台定位和蓝牙无线信号强度对被矫正人员进一步进行行为特征分析，包括行为的规律性，以及一些社会行为或被监视行为分析，具体包括四种行为特征：活动区域、是否高敏感区域、室内室外、活动方式，利用GPS信息得出矫正人员的活动区域、是否在高敏感区域、是否室内室外，活动方式包括静态或动态，静态指长久静止在某活动场所，动态指步行或跑步，动态又分为经过和徘徊两种方式。

9.如权利要求6所述的一种具有行为分析能力的分离式电子围栏系统控制方法，其特征在于：基于日常行为分析和行为特征分析，进行矫正人员的情绪分析，得到某时间段内，处于平稳期或是急躁期。