社區矯正定位腕帶的設計與實現

彭 杰，馮方亮，王成波，張秋鎮，崔立偉

（中網道科技集團股份有限公司，廣東 廣州 510670）

0 引 言

社區矯正是與監獄矯正相對的行刑方式，針對被判處管制、緩刑、假釋以及監外執行的四類犯罪對象實施的非監禁刑罰執行活動。為了加強對社區矯正對象的監管，提升社區矯正管理人員的技防手段，社區矯正定位腕帶產品應運而生。社區矯正定位腕帶是“智慧矯正”個人類裝備的一種；對社區矯正對象進行7×24小時監控的電子終端，綜合運用無線通信、定位以及傳感器等技術，對社區矯正對象的位置及活動進行監管。相對監獄矯正而言，社區矯正有利于罪犯融入社會、回歸社會，同時也有利于降低國家的刑罰執行成本，創新刑罰理念[1-2]。

1 社區矯正定位腕帶的功能組成

社區矯正定位腕帶設計應考慮通信、定位、報警、電源以及可靠性等，如圖1所示。其中，通信模塊利用無線通信與后臺服務器通信，可采用2G/3G/4G/5G/NB-IoT/衛星傳輸等一種或多種移動通信制式；定位模塊應能實現室內與室外定位，室內可采取運營商的LBS定位和WiFi定位，室外可采用衛星定位，并通過A-GNSS輔助衛星定位加快定位速度；報警模塊在特定事件發生時產生報警信號，如拆卸表帶、越過電子圍欄、終端無信號離線、電量過低或終端關機，并將事件儲存或上報到后臺服務器；定位腕帶需要社矯對象7×24小時佩戴，不得拆卸更換，因此需配備可充電電池，滿足長時間佩戴使用；定位腕帶還需滿足基本的防護等級，如滿足IP68防水需求、防暴力拆卸大于350 N的整體抗拉力等[3]。

圖1 社區矯正定位腕帶功能組成

2 社區矯正定位腕帶硬件的設計與實現

定位腕帶可采用圖2所示的電路結構。CPU內部集成射頻收發機以及基帶處理模塊，射頻前端模塊（FEM）集成了天線開關和功率放大器；GNSS衛星定位電路由GNSS射頻收發芯片、低噪放（LNA）以及聲表濾波器（SAW）組成，LNA和SAW主要為了降低接收鏈路噪聲系數、提升接收靈敏度性能和抑制帶外噪聲，CPU通過串口讀取GNSS芯片的定位輸出信息；WiFi電路采用高集成度的單芯片解決方案，通過串口與CPU通信[4-5]。

圖2 社區矯正定位腕帶電路結構

用戶通過按鍵可以進行開機、點亮屏幕、菜單選擇和用戶界面的切換等操作；通過顯示屏可獲取定位腕帶的當前信息，包括網絡狀態、日期、時間、告警狀態以及短消 息等。

傳感器可采用如加速度傳感器（G-sensor）、溫度傳感器（T-sensor）、集成距離感應、光感應和心率檢測一體的心率傳感模組等，傳感器與CPU之間通過SPI或I2C通信；加速度傳感器利用如壓電效應等將加速度信息轉換成電壓信息，可以用來判斷定位腕帶的運動狀態是否發生改變，統計步數、智能省電以及輔助判斷定位位置是否漂移等；溫度傳感器利用半導體器件的溫度-電流曲線，計算當前溫度值，用于監控充電溫度，當充電溫度過高時停止充電，保證電池使用的安全性；心率模組集成了距離感應、光感應和心率傳感器，利用光電效應檢測距離、利用反射光強度隨血液濃度周期變化的特性測量心率，心率模組包含光發射器、光電二極管和模擬前端以及信號處理等電路，測量信息可以用來輔助判斷表帶佩戴狀態以及用戶的心理狀態分析等[6]。

定位腕帶通過檢測表帶回路電平以及心率傳感器的狀態來判斷表帶是否被拆卸，表帶拆卸時主控CPU的I/O管腳會檢測到高低電平轉換，再通過檢測佩戴者心率是否異常，就能有效判斷出表帶是否被拆卸；定位腕帶通過檢測電池兩端電壓，再根據電池的電壓-電量曲線推算出當前電池電量，當電量低于閾值電量時產生告警事件，提醒用戶充電，并將事件上傳至后臺[7]。

定位腕帶表帶可通過埋鋼片、FPC等方式，并用電路連接表帶與表殼，以加強整體的抗拉力；采用防水按鍵、密封圈、點膠等方式加強防水性能。

電源模塊包含可充電的鋰電池、充電電路以及主控芯片內部的電源管理電路（PMU）等，用于鋰電池的充放電管理、電源產生及管理[8-9]。

3 社區矯正定位腕帶軟件及平臺接入的設計與實現

定位腕帶運行于芯片平臺的操作系統上，如MTK的Nucleus，其軟件平臺架構如圖3所示，主要有以下幾個模塊：

圖3 軟件平臺架構

（1）Remote MMI，遠程人機界面，在PC端利用AT命令通過串口與協議棧通信；

（2）MMI，即人機界面，實現了人機交互功能；

（3）L4層，將底層驅動和協議棧封裝起來，提供與MMI和Remote MII的通信接口；

（4）Driver，驅動層，支持外圍設備的監控功能，如顯示、按鍵、SIM卡等；

（5）PS/L1，GSM協議棧，提供移動終端與無線網絡的通信交互功能；

（6）Nucleus OS，實時操作系統，主要提供隊列、事件組、動態內存管理、定時管理以及中斷管理等服務。

軟件開發包括驅動、UI界面以及業務邏輯開發；驅動包括顯示屏、FEM、WiFi、GPS以及傳感器等硬件驅動；UI顯示包括開機界面、待機界面、信息界面以及工程模式界面等；業務邏輯主要包括時間校對、定位、事件狀態檢測以及信息上報等。終端可通過運營商接入平臺與司法定位平臺對接，或者直接與司法定位平臺對接；通信協議可采用TCP/UTP/HTTP/CoAP/MQTT等。社區矯正定位系統框架如圖4所示。

圖4 社區矯正定位系統框架

4 結 語

文章對社區矯正定位腕帶的功能以及軟硬件實現進行了分析描述，定位腕帶是社區矯正定位系統的重要組成部分，其室內外定位、防拆以及防水功能可有效實現對社區矯正對象的監督管理，確保社區矯正嚴格執行[10]。