作者: 台湾东芝电子零组件股份有限公司技术营销处新事业部副协理水沼仁志博士、(协助校稿副理郭欣华)
前言
台湾东芝电子零组件公司去年与元太科技合作开发出“显示器即服务（Display as a Service，又称DaaS）”新概念，继亚马逊电子书后下一个潜力AI智能装置。其概念利用东芝半导体零件、元太电子纸组件及IBM人工智能Watson三合一系统整合，推动电子纸智能化，为客户提供新一代物联网显示服务。本文介绍，以DaaS为理念所共同研发出的电子纸应用产品 - 智能型棋盘游戏。
显示器即服务（Display as a Service）
图一为智能型棋盘游戏机，主要由大棋盘（Base board）以及多颗棋子(Stones)所组成，分别采用31.2寸以及1.5寸的黑白电子纸。大棋盘搭载SoC芯片并采用Linux操作系统，利用Wi-Fi连上云端AI的同时也透过低功耗蓝牙(BLE)更新每颗棋子所显示的电子纸屏幕内容，作为运行人机互动并且控制游戏流程。每颗小棋子搭载BLE芯片及天线，也预烧许多游戏图案于MCU内建之内存；当切换游戏模式时，棋子的显示内容可更换成另一种游戏图案。图片由左至右为黑白棋与拼字比赛，当棋子收到黑白棋的BLE指令时会显示黑白画面，收到拼字比赛指令时则显示英文字母。玩家可藉由这一台棋盘，体验各式各样的游戏。
电子纸只需在更新显示之内容时消耗电力，故其耗电量为一般TFT(薄摸晶体管)LCD的十分之一以下。图一左上方所示，电子纸是由数百万的微胶囊及TFT所构成，其动作原理如下：每个微胶囊含有黑白两种带电墨水，当供应不同电压时，其中一种墨水被TFT吸引并移动至胶囊顶端，便可显示其颜色。停止供电时，由于一旦被吸引过的墨水与TFT之间会产生所谓的镜像效应（亦称为双稳定性），因此我们仍然看的见继续留在胶囊顶端的墨水。这点乃是电子纸超强能源效率的来源之一。但棋盘游戏因需要频繁更新棋子的内容，中途可能会遭遇电力不足之问题。为了彻底除去这类风险，我们安装了无线传电芯片及线圈于大棋盘与小棋子内，如此一来，每颗棋子一旦被放至棋盘上就会自动进行无线充电，玩家便可无限畅玩。
从物联网的角度来看此游戏机，棋盘和棋子分别扮演Gateway和IoT装置的角色，可呈现DaaS的理念而同时形成IaaS(Infrastructure as a Service)的一部分。下棋时，棋盘（Gateway）会将棋子坐标立刻传送到云端AI。由AI所运算的下一步指令经由棋盘SoC传送至各颗棋子，在电子纸屏幕上产生反应。
智能型棋盘游戏
图二为智能型棋盘游戏的特色及应用。智能型游戏方式可体验到计算机游戏无法做到的「实体触摸」之感受，透过实体操作经验可增加玩游戏的真实感。智能型棋盘游戏结合了传统型和在线型的各个优点，刺激并活化大脑皮层，训练专注力与记忆力，可适用于银发族的健康照护以及儿童的教育工具市场。
图三说明智能型黑白棋之游戏步骤。黑白棋的游戏规则为，黑家所下的黑棋和棋盘上任一个黑棋在一条在线（横、直、斜线皆可）所夹到的白棋，即变成为黑家的。黑家和白家轮流下棋，玩到没地方下时，棋子多的一方成为胜者。智能型黑白棋的游戏规则如同与一般的黑白棋，但游戏者可选(a)两人对打模式，或(b)一人与云端AI对打模式。图三表示 (a) 模式并说明黑家下了第一个黑棋时两台棋盘系统所运行之流程。
步骤1. 黑家下了黑棋
步骤2. 左方棋盘系统感测黑棋位置并开始进行无线充电
步骤3. 两台棋盘互相通讯并交换棋子坐标的讯息
步骤4. 两台棋盘照着游戏规则而显示虚拟棋子在棋盘屏幕上，并更新虚拟棋子的颜色
步骤5. 右方棋盘系统以蓝牙通讯更新实体棋子的颜色
图四说明拼字游戏，玩家首先观察棋子上所显示的英文字母并联想英文单词，在三十秒的时间限制内照着单词的顺序排列完成所有棋子即可。棋盘系统所运行之流程如下；
步骤1. 棋盘系统以蓝牙通讯送出英文字母到棋子
步骤2. 游戏者猜想一个英文单词，在棋盘屏幕上开始排列棋子
步骤3. 棋盘系统进行无线充电并读取每个棋子的ID，核对拼法是否正确。
步骤4. 若拼法正确，棋盘屏幕会显示‘答对’否则‘答错’。
从以上两种范例得知，智能型棋盘游戏系统沿用两套无线标准技术-SIG所规定的低功耗蓝牙通讯协议（BLE）以及WPC所制定的无线传电（Qi）。前者作为棋盘与棋子之间的一对多无线通信，后者作为棋子的充电以及定位侦测。值得注意的是，当BLE和Qi沿用于智慧棋盘游戏时，必须更改或扩充其标准的底层通讯协议，才能够符合智能棋盘游戏所要求的系统功能。以下先说明棋盘游戏机的软硬件结构，再解释东芝所加强的BLE和Qi通讯协议的技术层面。
棋盘游戏之软硬件结构
图五表示棋盘及棋子内部结构示意图。棋盘系统由三个PCB，Main board，Sub board，以及T-con（Timing Controller） board所构成。Sub board搭载48个东芝的无线传电Tx芯片以及TDK的线圈，作为棋子的供电来源；当Tx芯片感应到棋子时，除了从Tx无线供电给棋子的Rx之外，每个棋子的ID也从Rx无线传送到Tx并产生GPIO讯号，经由东芝Bridge IC（TC35894XBG）转换成I2C格式，最后传递ID至Main board进行后续处理。
Main board系统搭载东芝SoC(TZ2102XBG，含有以太网络接口)及东芝BLE控制芯片（TC35667FSG），主要功能为接受sub board传出之棋子ID，照着游戏规则而处理同步更新的动作；此系统首先经由Wi-Fi上传MQTT指令，进而同步另一台或云端AI之间的游戏状态，再送出蓝牙指令给现场棋子并更新显示之内容，最后利用T-con board产生所需要的图案绘图到棋盘画面上。
东芝BLE之多节点联网-Scatternet(散射网)
棋盘游戏机需求为低耗电及顺畅的整体网络运作。而东芝BLE产品可符合上述条件。第一，无线通信时所耗的电力必须低于其他厂商BLE。第二，网络节点的扩张性和通信可靠性也高于竞争对手；通讯低功耗性方面，东芝最新产品TC35678的0dB无线发送/接收时所耗的电流值为3.3mA，全RAM 保持之休眠模式时电流值维持在1.7uA以下，功耗水平远低于其他厂商数据。另外，在网络多节点支持部分，如图六上方以红字所强调，东芝利用蓝牙Scatternet（*1）的主从(Host-Slave)多连功能，使星型拓朴扩充到多层树型拓朴，大幅增加节点数。东芝Scatternet service特色为每个节点能兼任Master和Slave两种角色，只要分散在大范围内的其中两个节点距离不超过BLE通讯上限，并透过中间节点的主从模式顺次切换，即可形成多跳节点方式的单一网络，无限拉长其通讯距离。东芝Scatternet service拥有简易版和进阶版，前者是在节点之间的反应速度上做进一步的优化，成功实现一秒内更换100个LED灯色。后者让每节点复制并保持完整的路由表，加强其网络之冗余度。
（*1）Scatternet(散射网)：一个节点兼做某个Piconet的Master以及另外一个邻近Piconet的Slave而建构出更多的Piconet随意分散(Ad hoc)网络
蓝牙本身会支持Mesh network，今年东芝也会提供Mesh版本。Scatternet和Mesh的差异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，会广播至所有邻近的Device，故随着网络节点之增加，势必产生乒乓球现象并容易导致网络拥塞。相较之下，东芝Scatternet的网络拓扑类似ZigBee，使用路由表而建立结构性网络拓扑，避免太多封包发生，适用于多数网络节点用途上。
黑白棋的棋子颗数为64个（此智能型装置采用48颗），运用在麻将游戏上为136到144颗，转换成高阶拼图游戏时则需要更多颗数，若以东芝Scatternet建立这么多节点的游戏，玩家不必担心会有单一节点故障问题进而影响至整体网络运行。
东芝无线传电及ASK调变
除了低功耗及多节点问题之外，棋盘游戏机搭载的东芝Qi（*2）无线充电拥有：第一，无线传电的效率高于其他厂商。第二，利用ASK调变技术读取棋子的定位ID。针对第一点，东芝采用了自行研发之CDMOS半导体制程技术，因此具有最高水平的无线传电效率及低温度特性。经我们试验结果证明，利用东芝的Tx芯片TC7718FTG将iPhone X (iOS11.2.5)充饱至99%所需充电时间为2小时45分，比苹果官方无线供电设备厂Mophie的充电时间3小时5分快很多。
（*2）无线充电联盟Wireless Power Consortium(WPC)所制定的短距离无线充电互连标准。东芝产品目前只支持感应距离大约在3-7公厘以内的电磁感应方式。
第二，如图六下方以红字所强调，我们利用Qi所制定的ASK调变技术，追加了无线充电过程中也自动传送5-bit的棋子ID，作为棋子的定位用途。根据Qi的规范，当Tx开始无线供电给Rx之前，两个装置必须经过初始化阶段。在此阶段当中Tx和Rx分别利用FSK(Frequency Shift Keying)和ASK(Amplitude Shift Keying)调变方式，作为交换彼此信息的媒介，才能让Tx得知并为Rx提供适当的电力。值得一题的是，Rx所产生并送出的封包内容可分成Device level以及System level；后者由外部Host MCU透过I2C等接口即可更新内容。以Host MCU的角度来看Tx和Rx芯片时，Device level的封包如同Read-only缓存器, System level的封包如同Writable缓存器。换句话说，当Rx系统写入某值至Writable缓存器时，Tx系统就会从同名的缓存器读取Rx所写的值。现在，若Tx和Rx系统事先约定好某个Writable缓存器容纳棋子ID的话，我们维持Qi的兼容性的同时也能传送并核对棋子的身份。由于东芝无线传电芯片支持I2C接口并内建ARM M0 MCU，开发者易于利用Qi所制定之ASK调变功能并追加Tx-Rx之间的无线通信功能，进而提升无线传电技术的应用价值。
本文转自:https://www.wpgholdings.com/aitg/event_detail/zhcn/AIT-TOSHIBA-AIoT
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