智慧棋盤(pán)秀AIoT概念,使用EInk電子墨水屏幕

    前言

    臺(tái)灣東芝電子零組件公司去年與元太科技合作開(kāi)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(shū)后下一個(gè)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(dòng)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(pán)游戲。

    顯示器即服務(wù)（Display as a Service）

    圖一為智能型棋盤(pán)游戲機(jī)，主要由大棋盤(pán)（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(pán)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(shí)也透過(guò)低功耗藍(lán)牙(BLE)更新每顆棋子所顯示的電子紙屏幕內(nèi)容，作為運(yùn)行人機(jī)互動(dòng)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(shí)，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(shí)會(huì)顯示黑白畫(huà)面，收到拼字比賽指令時(shí)則顯示英文字母。玩家可藉由這一臺(tái)棋盤(pán)，體驗(yàn)各式各樣的游戲。

    電子紙只需在更新顯示之內(nèi)容時(shí)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(wàn)的微膠囊及TFT所構(gòu)成，其動(dòng)作原理如下：每個(gè)微膠囊含有黑白兩種帶電墨水，當(dāng)供應(yīng)不同電壓時(shí)，其中一種墨水被TFT吸引并移動(dòng)至膠囊頂端，便可顯示其顏色。停止供電時(shí)，由于一旦被吸引過(guò)的墨水與TFT之間會(huì)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?jiàn)繼續(xù)留在膠囊頂端的墨水。這點(diǎn)乃是電子紙超強(qiáng)能源效率的來(lái)源之一。但棋盤(pán)游戲因需要頻繁更新棋子的內(nèi)容，中途可能會(huì)遭遇電力不足之問(wèn)題。為了徹底除去這類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，我們安裝了無(wú)線傳電芯片及線圈于大棋盤(pán)與小棋子內(nèi)，如此一來(lái)，每顆棋子一旦被放至棋盤(pán)上就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行無(wú)線充電，玩家便可無(wú)限暢玩。

    從物聯(lián)網(wǎng)的角度來(lái)看此游戲機(jī)，棋盤(pán)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(shí)形成IaaS(Infrastructure as a Service)的一部分。下棋時(shí)，棋盤(pán)（Gateway）會(huì)將棋子坐標(biāo)立刻傳送到云端AI。由AI所運(yùn)算的下一步指令經(jīng)由棋盤(pán)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(pán)游戲

    圖二為智能型棋盤(pán)游戲的特色及應(yīng)用。智能型游戲方式可體驗(yàn)到計(jì)算機(jī)游戲無(wú)法做到的「實(shí)體觸摸」之感受，透過(guò)實(shí)體操作經(jīng)驗(yàn)可增加玩游戲的真實(shí)感。智能型棋盤(pán)游戲結(jié)合了傳統(tǒng)型和在線型的各個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(hù)以及兒童的教育工具市場(chǎng)。

    圖三說(shuō)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(pán)上任一個(gè)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(shí)，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(duì)打模式，或(b)一人與云端AI對(duì)打模式。圖三表示 (a) 模式并說(shuō)明黑家下了第一個(gè)黑棋時(shí)兩臺(tái)棋盤(pán)系統(tǒng)所運(yùn)行之流程。

    步驟1. 黑家下了黑棋

    步驟2. 左方棋盤(pán)系統(tǒng)感測(cè)黑棋位置并開(kāi)始進(jìn)行無(wú)線充電

    步驟3. 兩臺(tái)棋盤(pán)互相通訊并交換棋子坐標(biāo)的訊息

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

    步驟5. 右方棋盤(pán)系統(tǒng)以藍(lán)牙通訊更新實(shí)體棋子的顏色

    圖四說(shuō)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(shí)間限制內(nèi)照著單詞的順序排列完成所有棋子即可。棋盤(pán)系統(tǒng)所運(yùn)行之流程如下；

    步驟1. 棋盤(pán)系統(tǒng)以藍(lán)牙通訊送出英文字母到棋子

    步驟2. 游戲者猜想一個(gè)英文單詞，在棋盤(pán)屏幕上開(kāi)始排列棋子

    步驟3. 棋盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線充電并讀取每個(gè)棋子的ID，核對(duì)拼法是否正確。

    步驟4. 若拼法正確，棋盤(pán)屏幕會(huì)顯示‘答對(duì)’否則‘答錯(cuò)’。

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

    棋盤(pán)游戲之軟硬件結(jié)構(gòu)

    圖五表示棋盤(pán)及棋子內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。棋盤(pán)系統(tǒng)由三個(gè)PCB，Main board，Sub board，以及T-con（Timing Controller） board所構(gòu)成。Sub board搭載48個(gè)東芝的無(wú)線傳電Tx芯片以及TDK的線圈，作為棋子的供電來(lái)源；當(dāng)Tx芯片感應(yīng)到棋子時(shí)，除了從Tx無(wú)線供電給棋子的Rx之外，每個(gè)棋子的ID也從Rx無(wú)線傳送到Tx并產(chǎn)生GPIO訊號(hào)，經(jīng)由東芝Bridge IC（TC35894XBG）轉(zhuǎn)換成I2C格式，最后傳遞ID至Main board進(jìn)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(dòng)作；此系統(tǒng)首先經(jīng)由Wi-Fi上傳MQTT指令，進(jìn)而同步另一臺(tái)或云端AI之間的游戲狀態(tài)，再送出藍(lán)牙指令給現(xiàn)場(chǎng)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(pán)畫(huà)面上。

    東芝BLE之多節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)-Scatternet(散射網(wǎng))

    棋盤(pán)游戲機(jī)需求為低耗電及順暢的整體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作。而東芝BLE產(chǎn)品可符合上述條件。第一，無(wú)線通信時(shí)所耗的電力必須低于其他廠商BLE。第二，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)張性和通信可靠性也高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手；通訊低功耗性方面，東芝最新產(chǎn)品TC35678的0dB無(wú)線發(fā)送/接收時(shí)所耗的電流值為3.3mA，全RAM 保持之休眠模式時(shí)電流值維持在1.7uA以下，功耗水平遠(yuǎn)低于其他廠商數(shù)據(jù)。另外，在網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)支持部分，如圖六上方以紅字所強(qiáng)調(diào)，東芝利用藍(lán)牙Scatternet（*1）的主從(Host-Slave)多連功能，使星型拓樸擴(kuò)充到多層樹(shù)型拓樸，大幅增加節(jié)點(diǎn)數(shù)。東芝Scatternet service特色為每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)距離不超過(guò)BLE通訊上限，并透過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的主從模式順次切換，即可形成多跳節(jié)點(diǎn)方式的單一網(wǎng)絡(luò)，無(wú)限拉長(zhǎng)其通訊距離。東芝Scatternet service擁有簡(jiǎn)易版和進(jìn)階版，前者是在節(jié)點(diǎn)之間的反應(yīng)速度上做進(jìn)一步的優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)一秒內(nèi)更換100個(gè)LED燈色。后者讓每節(jié)點(diǎn)復(fù)制并保持完整的路由表，加強(qiáng)其網(wǎng)絡(luò)之冗余度。

    （*1）Scatternet(散射網(wǎng))：一個(gè)節(jié)點(diǎn)兼做某個(gè)Piconet的Master以及另外一個(gè)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(lán)牙本身會(huì)支持Mesh network，今年?yáng)|芝也會(huì)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(huì)廣播至所有鄰近的Device，故隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之增加，勢(shì)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?fù)漕?lèi)似ZigBee，使用路由表而建立結(jié)構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌�避免太多封包發(fā)生，適用于多數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用途上。

    黑白棋的棋子顆數(shù)為64個(gè)（此智能型裝置采用48顆），運(yùn)用在麻將游戲上為136到144顆，轉(zhuǎn)換成高階拼圖游戲時(shí)則需要更多顆數(shù)，若以東芝Scatternet建立這么多節(jié)點(diǎn)的游戲，玩家不必?fù)?dān)心會(huì)有單一節(jié)點(diǎn)故障問(wèn)題進(jìn)而影響至整體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。

    東芝無(wú)線傳電及ASK調(diào)變

    除了低功耗及多節(jié)點(diǎn)問(wèn)題之外，棋盤(pán)游戲機(jī)搭載的東芝Qi（*2）無(wú)線充電擁有：第一，無(wú)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(duì)第一點(diǎn)，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(wú)線傳電效率及低溫度特性。經(jīng)我們?cè)囼?yàn)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(shí)間為2小時(shí)45分，比蘋(píng)果官方無(wú)線供電設(shè)備廠Mophie的充電時(shí)間3小時(shí)5分快很多。

    （*2）無(wú)線充電聯(lián)盟Wireless Power Consortium(WPC)所制定的短距離無(wú)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(qiáng)調(diào)，我們利用Qi所制定的ASK調(diào)變技術(shù)，追加了無(wú)線充電過(guò)程中也自動(dòng)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(kāi)始無(wú)線供電給Rx之前，兩個(gè)裝置必須經(jīng)過(guò)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�。值得一題的是，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(guò)I2C等接口即可更新內(nèi)容。以Host MCU的角度來(lái)看Tx和Rx芯片時(shí)，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(shuō)，當(dāng)Rx系統(tǒng)寫(xiě)入某值至Writable緩存器時(shí)，Tx系統(tǒng)就會(huì)從同名的緩存器讀取Rx所寫(xiě)的值�，F(xiàn)在，若Tx和Rx系統(tǒng)事先約定好某個(gè)Writable緩存器容納棋子ID的話，我們維持Qi的兼容性的同時(shí)也能傳送并核對(duì)棋子的身份。由于東芝無(wú)線傳電芯片支持I2C接口并內(nèi)建ARM M0 MCU，開(kāi)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(wú)線通信功能，進(jìn)而提升無(wú)線傳電技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。