基于交互机顶盒的无线数字家庭网络应用探讨

刘迪菲，金立标

（中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024）

基于交互机顶盒的无线数字家庭网络应用探讨

刘迪菲，金立标

（中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024）

围绕物联网与广播电视进行了探讨，研究了数字家庭网络的无线互联技术，包括WiFi，RFID，ZigBee，分析并对比了其技术特点和应用。基于物联网的技术及应用层面，提出了针对交互式机顶盒上的物联网方面的应用，大大提高了广播电视网络在物联网产业发展的地位，探讨了物联网与广播电视的应用情况及未来发展构想。

物联网；数字家庭网络；交互式机顶盒

三网融合为广播电视网络的产业提供了新的发展机遇，加速了下一代广播电视网络（简称NGB）的建设。伴随着三网融合的逐步推进，物联网将会迎来新的发展，从而在NGB的智能化终端上进行多种物联网应用，促进新产业链的形成，快速带动广播电视网络产业的发展[1]。

广播电视包括多种终端，比如数字和模拟电视、高清和标清电视机顶盒、智能化的家庭终端等。近几年全球的高清电视市场迎来了一个高峰期。同标清电视相比，高清电视具有宽色域、高图像分辨力、高音质及大屏幕等优势，使得家庭电视节目具有了超强的感染力和逼真感，满足了当代用户对于高品质电视节目的需求[2]。

广播电视是以家庭为基础、以人为中心的物联网应用。物联网可以看成是互联网的延伸，运用各种传感器将物体与互联网连接起来，从而实现信息通信，因此包括广播电视网在内的各种下一代网络都可以看成是物联网的一部分。

无线数字家庭网络是信息时代的高科技产物，是家庭数字化基础设施的组成部分，可以将其定义为在一个家庭中，将家电设备、监控设备、照明系统、上网设备及其他控制设备组成一个内部的无线网络。即它是一个可以在小范围内对各种数据通信设备进行互联的局域网，大致可分为3个部分：外部的宽带接入、家庭网关、家庭内部各子网。通过借助现有的计算机技术、网络技术、传感器技术为人们提供多样化、方便、舒适、安全、高效的服务，从而实现家居的智能化。

进入21世纪之后，物联网的信息化理念继计算机和互联网之后出现在全球范围内，并迎来了第三次信息技术革命。物联网正成为全球范围内炙手可热的新兴产业，相应的技术产品的开发研究工作得到了广泛重视，如物流管理、辅助医疗、智能化交通以及环境监测等在物联网领域得到广泛应用。

物联网也称为“传感网”或“泛在网”，是一种形式多样、综合特性非常高的系统应用技术。物联网的技术体系主要由感知层、支撑层、传输层和应用层4个层次构成。

感知层中起到主要作用的技术是传感器网络技术和射频识别技术。感知层的功能部件主要有识别器、条码标签、GPS、摄像头、传感器等多种具有信息采集功能的终端。传感器网络通过安装在物体上的传感器采集到相应的信息，然后传送到网络体系中，再通过采用协同处理的方法对采集到的感知信息进行计算，并借助互联网与其他功能单元进行信息交互与传输，实现资源共享以及智能控制。

支撑层中的重要技术主要包括计算技术强大的中心计算技术、存储技术以及智能化的信息处理技术，在此基础上能够对网络中的大量信息做出高速、及时的处理，传输层将感知层和支撑层连接起来，通过移动通信网、互联网或者卫星网络等设备将感知层获取的信息进行传送。

应用层将行业专业技术、行业需求结合到物联网中，从而完成行业智能化。多个传感器与互联网相连是典型物联网的主要构成方式，在此方面，广播电视网络与物联网存在着极其相似的联系。例如，广播电视网络中的网络视频聊天、视频会议等，就是运用了摄像头、传声器及电视屏幕等。由于物联网和广播电视的本质联系，广播电视网络是一个高端物联网，具有以家庭为基础、以人为中心的特点，是一个以视音频为核心业务的物联网。

1 数字家庭网络业务分析

广播电视网络具有极大的应用范围，运用广播电视网络能够实现视频监控、多媒体通信、交互视频业务、家庭医疗以及智能家居等多方面的物联网应用。

1.1 交互视频以及多媒体通信业务

NGB的多媒体通信是以视音频采集传感器作为采集终端，以各种显示器作为输出终端，通过互联网实现采集终端、输出终端与用户的互联，并且由多媒体平台提供相应的后台服务。采集终端可以为计算机、手机、摄像头等，输出终端可以为计算机、电视、手机、可视电话等。交互视频业务能够为用户提供视音频点播服务、电视节目时移及回放服务、多视角镜头切换服务、内容共享服务、互动投票服务等。NGB的交互视频业务是基于广电网络构建的特殊物联网应用体系，能够将摄像头以及电视机等能输出的终端通过互联网或者机顶盒连接到NGB网络中，从而实现人和人之间的互动。

NGB视频监控业务可通过广播电视网络将摄像头与用户连接起来，具有录像存储及回放的功能。此外还能够与安防业务相结合，可根据报警提示观察家中的警报情况。

视频监控功能还可以为企事业单位以及家庭用户提供视频监控信息的采集、传输、存储、分析处理等多方面的服务，能够应用在城市交通及管理、企事业及家庭安防、环境及气象监测等方面[3-4]。

1.2 智能家居业务

智能家居服务能够将用户家中的电视、洗衣机、冰箱等多种家用电器与智能家庭网关连接起来，形成一个局域网络，用户能够通过广电网络对家中各种电器进行操控，从而实现家用电器与用户的即时互联。智能家居服务功能包括智能闹铃、可视化门铃、智能化窗帘等。其是以家庭住宅为基础，将整体建筑、各种家电、通信网络整合在一起，实现设备的智能化，能够提高家庭生活的安全性，并节约多种能源成本。

家庭医疗业务能够为用户提供实时测量血糖、血压以及心率的服务，并将数据传输给医生，在指标异常的情况下，可及时进行咨询。家庭医疗服务能够通过多种传感器将患者或者老人的各项生理指标，传送到医疗专家系统中，通过管理系统的分析及处理，随时了解病人的病情，及时调整治疗方法，能够使病人在突发情况下得到迅速的治疗。NGB家庭医疗服务实现了用户与医疗设备及医疗专家之间的实时互联[5-7]。

2 基于交互式机顶盒的物联网应用方案

2.1 机顶盒简介

交互式数字机顶盒是一个连接电视机与外部信号源的设备。它可以将压缩的数字信号转换成电视内容，并在电视机上显示出来。播放高清数字电视是作为机顶盒最基本的功能。通过广电网络的双向传输，使得家居中视频信息的传输、存储、处理可以实现高清化，给用户带来舒适的视听享受。

机顶盒为了方便功能扩展以及与不同型号电视机进行兼容，往往提供很多接口。机顶盒主要对电视提供的接口有：环路输出、信号输入HDMI（高清电视接口）、数字视频接口、数字音频端口、S端子，而对外提供的接口，用于扩展功能的有纤输出端口、USB2.0接口、网口、RS-232串口等。

2.2 数字家庭无线网络技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的网络协议，该无线通信技术具有低功耗、短距离的特点。该技术广泛应用于远程控制领域以及自动控制领域，同时能够嵌入多种设备。RFID即射频识别技术，是利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目标对象的目的。RFID技术自身具有很多突出的优点：不需要人工干预，不需要直接接触即可完成信息的处理，可同时识别多个标签，操作快捷方便，实现了无源操作。此外，数据的安全性高，存储容量大，可重复使用，读取距离远，读写器跟标签之间有相互认证，从而使读写器跟标签之间按照相应的通信协议进行安全可靠的通信和存储。

WiFi是一种距离短、传输速度快的无线传输技术，并且它还具有覆盖范围广、无须布线、门槛低、健康安全等特点。以交互式数字电视机顶盒为核心，利用射频识别（RFID）技术、WiFi技术和无线ZigBee传感技术，研究和开发适合于家庭应用的无线智能网关，将其作为家庭内部网络与外部广播电视网络相互通信的桥梁，协调完成智能家庭网络和智能家居的构建。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、音视频技术、自动控制技术等多种技术集成于与家居生活相关的多种设备。

2.3 基于交互式机顶盒的无线网络方案

图1为交互式机顶盒的一个应用方案。

图1 交互式机顶盒应用方案

1）无线ZigBee传感技术在交互式机顶盒中的应用

利用ZigBee技术进行数字家庭内各种家用设备的信息采集，一是实现数字家庭的安防报警功能（例如红外探测器、烟雾探测器、煤气探测器等）；二是实现数字家庭的智能家居功能（例如家用电器的智能控制）；三是利用ZigBee传感技术实现数字家庭的智慧传感，采集人体体征信息，实现远程家庭医疗等功能。例如，由于加入了低速无线接入技术ZigBee模块，只要点击电视上的相应应用软件，就可以轻松读取电表数据，并智能控制室内温度。

2）RFID技术在交互式机顶盒电子支付系统中应用

在无线数字家庭网络中，RFID模块作为交互式机顶盒的伴侣，是一个非常重要的组成部分，负责连接电子标签与计算机网络。RFID模块一般由3部分组成：电子标签、RFID收发模块、天线。RFID收发模块通过天线与电子标签之间进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。RFID技术可同时识别多个标签，操作快捷方便。其工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收RFID收发模块发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的标签信息，或者由标签主动发送某一频率的信号RFID收发模块读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。即RFID收发模块发射一特定频率的无线电波能量给标签，用以驱动标签电路将内部的数据送出，此时RFID收发模块便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

基于RFID技术实现家庭消费类产品网络化及交互业务的家庭化，利用RFID标签卡（非接触IC卡）在交互式机顶盒上实现数据输入、身份识别和消费支付。将具有相应功能的RFID模块嵌入到机顶盒中，非接触式RFID读写器与交互式机顶盒相连；交互式机顶盒与电视机相连，并通过电信的IPTV或有线电视网络与产品物流追溯服务平台相连。使用时，非接触式RFID读写器读取产品的电子标签信息，并将该标签信息通过交互式机顶盒传输到产品物流追溯应用平台，通过产品物流追溯平台对产品进行追溯查询。可以清楚地追溯货物物流的全程，同时让用户能方便追溯到所购物品的物流情况和状态。并把结果返回到该交互式机顶盒，电视机用于将结果显示给用户。

比较当前的有线电视中机顶盒设计方案，本方案设计中，内部通信采用ZigBee+WiFi无线通信方式，因此很好地满足内部与模块间的信息传递的需求，同时达到了智能控制的要求；外部通信采用WiFi的无线通信方式，因此解决了采用有线通信方式所带来的布线困难、灵活性差、成本高等缺点。

3 结束语

目前物联网技术已经发展的相对成熟，我国也已形成基本齐全的物联网产业体系，部分领域已形成一定市场规模，并越来越受到学术界和工业界的广泛重视。该交互式机顶盒中加入了RFID技术与ZigBee技术，采用WiFi通信方式，实现了电子支付与智能信息采集与控制等业务，更加满足了对智能家居的需求。目前，在NGB与物联网的发展方向一致的前提下，要充分运用广播电视网络的优势，迅速开展相应的高端物联网服务，包括视频监控、多媒体通信、交互视频业务、家庭医疗以及智能家居等，从而快速推动广播电视物联网的产业发展，不断提升广播电视网络在未来国家基础网络建设中的地位。

[1]马健.物联网技术概论[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 钱志鸿，王义君.物联网技术与应用研究[J].电子学报，2012（5）：1023-1029.

[3]盛志凡.下一代广播电视网（NGB）—网络、业务和管理[R].北京：国家广电总局科技司，2009.

[4] 张佳欣，朴大志.浅谈物联网与NGB的融合[J].广播与电视技术，2010，37（10）：126-9.

[5] 韩永相，宋征.物联网发展的产业思考[J].广播与电视技术，2010，38（11）：87-91.

[6] 姚峰.基于三网融合的机顶盒原理及应用[J].电视技术，2011，36（5）:36-39.

[7] 孟建庭，沈昕.IPTV机顶盒中间件的研究和应用[J].电信科学，2009，25（3）:22-26.

Inquiry Based on Applications of Interactive Set-top Boxes Wireless Digital Home Network

LIUDifei,JINLibiao
（School of Information Engineering, Communication University of China, Beijing 100024, China）

The Internet of things as well as radio and television are discussed in this paper. The technology of the digital home wireless network is studied, including WiFi, RFID, ZigBee. And the technical characteristicsand applications are analyzed. Based on the internet of things technologies and application level, an application in the aspect of the internet of things aiming at interactive set-top boxes is presented. The status of broadcast and television in thedevelopment of the internetofthingsindustrial has been greatly improved. The situation of application and future development ideas about the internet of things and broadcast television applications are explored.

the internet of things；digital home network; interactive set-top boxes

TN948.55

A

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2013-06-01

【本文献信息】刘迪菲，金立标.基于交互机顶盒的无线数字家庭网络应用探讨[J].电视技术，2014，38（2）.