前言

    臺灣東芝電子零組件公司去年與元太科技合作開發(fā)出“顯示器即服務(wù)（Display as a Service，又稱DaaS）”新概念，繼亞馬遜電子書后下一個潛力AI智能裝置。其概念利用東芝半導(dǎo)體零件、元太電子紙組件及IBM人工智能Watson三合一系統(tǒng)整合，推動電子紙智能化，為客戶提供新一代物聯(lián)網(wǎng)顯示服務(wù)。本文介紹，以DaaS為理念所共同研發(fā)出的電子紙應(yīng)用產(chǎn)品 - 智能型棋盤游戲。

    顯示器即服務(wù)（Display as a Service）

    圖一為智能型棋盤游戲機，主要由大棋盤（Base board）以及多顆棋子(Stones)所組成，分別采用31.2寸以及1.5寸的黑白電子紙。大棋盤搭載SoC芯片并采用Linux操作系統(tǒng)，利用Wi-Fi連上云端AI的同時也透過低功耗藍牙(BLE)更新每顆棋子所顯示的電子紙屏幕內(nèi)容，作為運行人機互動并且控制游戲流程。每顆小棋子搭載BLE芯片及天線，也預(yù)燒許多游戲圖案于MCU內(nèi)建之內(nèi)存；當(dāng)切換游戲模式時，棋子的顯示內(nèi)容可更換成另一種游戲圖案。圖片由左至右為黑白棋與拼字比賽，當(dāng)棋子收到黑白棋的BLE指令時會顯示黑白畫面，收到拼字比賽指令時則顯示英文字母。玩家可藉由這一臺棋盤，體驗各式各樣的游戲。

    電子紙只需在更新顯示之內(nèi)容時消耗電力，故其耗電量為一般TFT(薄摸晶體管)LCD的十分之一以下。圖一左上方所示，電子紙是由數(shù)百萬的微膠囊及TFT所構(gòu)成，其動作原理如下：每個微膠囊含有黑白兩種帶電墨水，當(dāng)供應(yīng)不同電壓時，其中一種墨水被TFT吸引并移動至膠囊頂端，便可顯示其顏色。停止供電時，由于一旦被吸引過的墨水與TFT之間會產(chǎn)生所謂的鏡像效應(yīng)（亦稱為雙穩(wěn)定性），因此我們?nèi)匀豢吹囊娎^續(xù)留在膠囊頂端的墨水。這點乃是電子紙超強能源效率的來源之一。但棋盤游戲因需要頻繁更新棋子的內(nèi)容，中途可能會遭遇電力不足之問題。為了徹底除去這類風(fēng)險，我們安裝了無線傳電芯片及線圈于大棋盤與小棋子內(nèi)，如此一來，每顆棋子一旦被放至棋盤上就會自動進行無線充電，玩家便可無限暢玩。

    從物聯(lián)網(wǎng)的角度來看此游戲機，棋盤和棋子分別扮演Gateway和IoT裝置的角色，可呈現(xiàn)DaaS的理念而同時形成IaaS(Infrastructure as a Service)的一部分。下棋時，棋盤（Gateway）會將棋子坐標(biāo)立刻傳送到云端AI。由AI所運算的下一步指令經(jīng)由棋盤SoC傳送至各顆棋子，在電子紙屏幕上產(chǎn)生反應(yīng)。

    智能型棋盤游戲

    圖二為智能型棋盤游戲的特色及應(yīng)用。智能型游戲方式可體驗到計算機游戲無法做到的「實體觸摸」之感受，透過實體操作經(jīng)驗可增加玩游戲的真實感。智能型棋盤游戲結(jié)合了傳統(tǒng)型和在線型的各個優(yōu)點，刺激并活化大腦皮層，訓(xùn)練專注力與記憶力，可適用于銀發(fā)族的健康照護以及兒童的教育工具市場。

    圖三說明智能型黑白棋之游戲步驟。黑白棋的游戲規(guī)則為，黑家所下的黑棋和棋盤上任一個黑棋在一條在線（橫、直、斜線皆可）所夾到的白棋，即變成為黑家的。黑家和白家輪流下棋，玩到?jīng)]地方下時，棋子多的一方成為勝者。智能型黑白棋的游戲規(guī)則如同與一般的黑白棋，但游戲者可選(a)兩人對打模式，或(b)一人與云端AI對打模式。圖三表示 (a) 模式并說明黑家下了第一個黑棋時兩臺棋盤系統(tǒng)所運行之流程。

    步驟1. 黑家下了黑棋

    步驟2. 左方棋盤系統(tǒng)感測黑棋位置并開始進行無線充電

    步驟3. 兩臺棋盤互相通訊并交換棋子坐標(biāo)的訊息

    步驟4. 兩臺棋盤照著游戲規(guī)則而顯示虛擬棋子在棋盤屏幕上，并更新虛擬棋子的顏色

    步驟5. 右方棋盤系統(tǒng)以藍牙通訊更新實體棋子的顏色

    圖四說明拼字游戲，玩家首先觀察棋子上所顯示的英文字母并聯(lián)想英文單詞，在三十秒的時間限制內(nèi)照著單詞的順序排列完成所有棋子即可。棋盤系統(tǒng)所運行之流程如下；

    步驟1. 棋盤系統(tǒng)以藍牙通訊送出英文字母到棋子

    步驟2. 游戲者猜想一個英文單詞，在棋盤屏幕上開始排列棋子

    步驟3. 棋盤系統(tǒng)進行無線充電并讀取每個棋子的ID，核對拼法是否正確。

    步驟4. 若拼法正確，棋盤屏幕會顯示‘答對’否則‘答錯’。

    從以上兩種范例得知，智能型棋盤游戲系統(tǒng)沿用兩套無線標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)-SIG所規(guī)定的低功耗藍牙通訊協(xié)議（BLE）以及WPC所制定的無線傳電（Qi）。前者作為棋盤與棋子之間的一對多無線通信，后者作為棋子的充電以及定位偵測。值得注意的是，當(dāng)BLE和Qi沿用于智慧棋盤游戲時，必須更改或擴充其標(biāo)準(zhǔn)的底層通訊協(xié)議，才能夠符合智能棋盤游戲所要求的系統(tǒng)功能。以下先說明棋盤游戲機的軟硬件結(jié)構(gòu)，再解釋東芝所加強的BLE和Qi通訊協(xié)議的技術(shù)層面。

    棋盤游戲之軟硬件結(jié)構(gòu)

    圖五表示棋盤及棋子內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。棋盤系統(tǒng)由三個PCB，Main board，Sub board，以及T-con（Timing Controller） board所構(gòu)成。Sub board搭載48個東芝的無線傳電Tx芯片以及TDK的線圈，作為棋子的供電來源；當(dāng)Tx芯片感應(yīng)到棋子時，除了從Tx無線供電給棋子的Rx之外，每個棋子的ID也從Rx無線傳送到Tx并產(chǎn)生GPIO訊號，經(jīng)由東芝Bridge IC（TC35894XBG）轉(zhuǎn)換成I2C格式，最后傳遞ID至Main board進行后續(xù)處理。

    Main board系統(tǒng)搭載東芝SoC(TZ2102XBG，含有以太網(wǎng)絡(luò)接口)及東芝BLE控制芯片（TC35667FSG），主要功能為接受sub board傳出之棋子ID，照著游戲規(guī)則而處理同步更新的動作；此系統(tǒng)首先經(jīng)由Wi-Fi上傳MQTT指令，進而同步另一臺或云端AI之間的游戲狀態(tài)，再送出藍牙指令給現(xiàn)場棋子并更新顯示之內(nèi)容，最后利用T-con board產(chǎn)生所需要的圖案繪圖到棋盤畫面上。

    東芝BLE之多節(jié)點聯(lián)網(wǎng)-Scatternet(散射網(wǎng))

    棋盤游戲機需求為低耗電及順暢的整體網(wǎng)絡(luò)運作。而東芝BLE產(chǎn)品可符合上述條件。第一，無線通信時所耗的電力必須低于其他廠商BLE。第二，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的擴張性和通信可靠性也高于競爭對手；通訊低功耗性方面，東芝最新產(chǎn)品TC35678的0dB無線發(fā)送/接收時所耗的電流值為3.3mA，全RAM 保持之休眠模式時電流值維持在1.7uA以下，功耗水平遠低于其他廠商數(shù)據(jù)。另外，在網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點支持部分，如圖六上方以紅字所強調(diào)，東芝利用藍牙Scatternet（*1）的主從(Host-Slave)多連功能，使星型拓樸擴充到多層樹型拓樸，大幅增加節(jié)點數(shù)。東芝Scatternet service特色為每個節(jié)點能兼任Master和Slave兩種角色，只要分散在大范圍內(nèi)的其中兩個節(jié)點距離不超過BLE通訊上限，并透過中間節(jié)點的主從模式順次切換，即可形成多跳節(jié)點方式的單一網(wǎng)絡(luò)，無限拉長其通訊距離。東芝Scatternet service擁有簡易版和進階版，前者是在節(jié)點之間的反應(yīng)速度上做進一步的優(yōu)化，成功實現(xiàn)一秒內(nèi)更換100個LED燈色。后者讓每節(jié)點復(fù)制并保持完整的路由表，加強其網(wǎng)絡(luò)之冗余度。

    （*1）Scatternet(散射網(wǎng))：一個節(jié)點兼做某個Piconet的Master以及另外一個鄰近Piconet的Slave而建構(gòu)出更多的Piconet隨意分散(Ad hoc)網(wǎng)絡(luò)

    藍牙本身會支持Mesh network，今年東芝也會提供Mesh版本。Scatternet和Mesh的差異在于是否用到路由表。因BLE Mesh不利用路由表，一受到指令之后，會廣播至所有鄰近的Device，故隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之增加，勢必產(chǎn)生乒乓球現(xiàn)象并容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。相較之下，東芝Scatternet的網(wǎng)絡(luò)拓撲類似ZigBee，使用路由表而建立結(jié)構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)拓撲，避免太多封包發(fā)生，適用于多數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用途上。

    黑白棋的棋子顆數(shù)為64個（此智能型裝置采用48顆），運用在麻將游戲上為136到144顆，轉(zhuǎn)換成高階拼圖游戲時則需要更多顆數(shù)，若以東芝Scatternet建立這么多節(jié)點的游戲，玩家不必擔(dān)心會有單一節(jié)點故障問題進而影響至整體網(wǎng)絡(luò)運行。

    東芝無線傳電及ASK調(diào)變

    除了低功耗及多節(jié)點問題之外，棋盤游戲機搭載的東芝Qi（*2）無線充電擁有：第一，無線傳電的效率高于其他廠商。第二，利用ASK調(diào)變技術(shù)讀取棋子的定位ID。針對第一點，東芝采用了自行研發(fā)之CDMOS半導(dǎo)體制程技術(shù)，因此具有最高水平的無線傳電效率及低溫度特性。經(jīng)我們試驗結(jié)果證明，利用東芝的Tx芯片TC7718FTG將iphone X (iOS11.2.5)充飽至99%所需充電時間為2小時45分，比蘋果官方無線供電設(shè)備廠Mophie的充電時間3小時5分快很多。

    （*2）無線充電聯(lián)盟Wireless Power Consortium(WPC)所制定的短距離無線充電互連標(biāo)準(zhǔn)。東芝產(chǎn)品目前只支持感應(yīng)距離大約在3-7公厘以內(nèi)的電磁感應(yīng)方式。

    第二，如圖六下方以紅字所強調(diào)，我們利用Qi所制定的ASK調(diào)變技術(shù)，追加了無線充電過程中也自動傳送5-bit的棋子ID，作為棋子的定位用途。根據(jù)Qi的規(guī)范，當(dāng)Tx開始無線供電給Rx之前，兩個裝置必須經(jīng)過初始化階段。在此階段當(dāng)中Tx和Rx分別利用FSK(Frequency Shift Keying)和ASK(Amplitude Shift Keying)調(diào)變方式，作為交換彼此信息的媒介，才能讓Tx得知并為Rx提供適當(dāng)?shù)碾娏ΑＶ档靡活}的是，Rx所產(chǎn)生并送出的封包內(nèi)容可分成Device level以及System level；后者由外部Host MCU透過I2C等接口即可更新內(nèi)容。以Host MCU的角度來看Tx和Rx芯片時，Device level的封包如同Read-only緩存器, System level的封包如同Writable緩存器。換句話說，當(dāng)Rx系統(tǒng)寫入某值至Writable緩存器時，Tx系統(tǒng)就會從同名的緩存器讀取Rx所寫的值。現(xiàn)在，若Tx和Rx系統(tǒng)事先約定好某個Writable緩存器容納棋子ID的話，我們維持Qi的兼容性的同時也能傳送并核對棋子的身份。由于東芝無線傳電芯片支持I2C接口并內(nèi)建ARM M0 MCU，開發(fā)者易于利用Qi所制定之ASK調(diào)變功能并追加Tx-Rx之間的無線通信功能，進而提升無線傳電技術(shù)的應(yīng)用價值。