前言

    臺灣東芝電子零組件公司去年與元太科技合作開發出“顯示器即服務（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體零件、元太電子紙組件及IBM人工智能Watson三合一系統整合，推動電子紙智能化，為客戶提供新一代物聯網顯示服務。本文介紹，以DaaS為理念所共同研發出的電子紙應用產品 - 智能型棋盤游戲。

    顯示器即服務（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，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，也預燒許多游戲圖案于MCU內建之內存；當切換游戲模式時，棋子的顯示內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，電子紙是由數百萬的微膠囊及TFT所構成，其動作原理如下：每個微膠囊含有黑白兩種帶電墨水，當供應不同電壓時，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之間會產生所謂的鏡像效應（亦稱為雙穩定性），因此我們仍然看的見繼續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容，中途可能會遭遇電力不足之問題。為了徹底除去這類風險，我們安裝了無線傳電芯片及線圈于大棋盤與小棋子內，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。

    從物聯網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）會將棋子坐標立刻傳送到云端AI。由AI所運算的下一步指令經由棋盤SoC傳送至各顆棋子，在電子紙屏幕上產生反應。

    智能型棋盤游戲

    圖二為智能型棋盤游戲的特色及應用。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，透過實體操作經驗可增加玩游戲的真實感。智能型棋盤游戲結合了傳統型和在線型的各個優點，刺激并活化大腦皮層，訓練專注力與記憶力，可適用于銀發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，玩到沒地方下時，棋子多的一方成為勝者。智能型黑白棋的游戲規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所運行之流程。

    步驟1. 黑家下了黑棋

    步驟2. 左方棋盤系統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的訊息

    步驟4. 兩臺棋盤照著游戲規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想英文單詞，在三十秒的時間限制內照著單詞的順序排列完成所有棋子即可。棋盤系統所運行之流程如下；

    步驟1. 棋盤系統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沿用兩套無線標準技術-SIG所規定的低功耗藍牙通訊協議（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BLE和Qi沿用于智慧棋盤游戲時，必須更改或擴充其標準的底層通訊協議，才能夠符合智能棋盤游戲所要求的系統功能。以下先說明棋盤游戲機的軟硬件結構，再解釋東芝所加強的BLE和Qi通訊協議的技術層面。

    棋盤游戲之軟硬件結構

    圖五表示棋盤及棋子內部結構示意圖。棋盤系統由三個PCB，Main board，Sub board，以及T-con（Timing Controller） board所構成。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Tx芯片感應到棋子時，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并產生GPIO訊號，經由東芝Bridge IC（TC35894XBG）轉換成I2C格式，最后傳遞ID至Main board進行后續處理。

    Main board系統搭載東芝SoC(TZ2102XBG，含有以太網絡接口)及東芝BLE控制芯片（TC35667FSG），主要功能為接受sub board傳出之棋子ID，照著游戲規則而處理同步更新的動作；此系統首先經由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，再送出藍牙指令給現場棋子并更新顯示之內容，最后利用T-con board產生所需要的圖案繪圖到棋盤畫面上。

    東芝BLE之多節點聯網-Scatternet(散射網)

    棋盤游戲機需求為低耗電及順暢的整體網絡運作。而東芝BLE產品可符合上述條件。第一，無線通信時所耗的電力必須低于其他廠商BLE。第二，網絡節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，東芝最新產品TC35678的0dB無線發送/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據。另外，在網絡多節點支持部分，如圖六上方以紅字所強調，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，大幅增加節點數。東芝Scatternet service特色為每個節點能兼任Master和Slave兩種角色，只要分散在大范圍內的其中兩個節點距離不超過BLE通訊上限，并透過中間節點的主從模式順次切換，即可形成多跳節點方式的單一網絡，無限拉長其通訊距離。東芝Scatternet service擁有簡易版和進階版，前者是在節點之間的反應速度上做進一步的優化，成功實現一秒內更換100個LED燈色。后者讓每節點復制并保持完整的路由表，加強其網絡之冗余度。

    （*1）Scatternet(散射網)：一個節點兼做某個Piconet的Master以及另外一個鄰近Piconet的Slave而建構出更多的Piconet隨意分散(Ad hoc)網絡

    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，故隨著網絡節點之增加，勢必產生乒乓球現象并容易導致網絡擁塞。相較之下，東芝Scatternet的網絡拓撲類似ZigBee，使用路由表而建立結構性網絡拓撲，避免太多封包發生，適用于多數網絡節點用途上。

    黑白棋的棋子顆數為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，轉換成高階拼圖游戲時則需要更多顆數，若以東芝Scatternet建立這么多節點的游戲，玩家不必擔心會有單一節點故障問題進而影響至整體網絡運行。

    東芝無線傳電及ASK調變

    除了低功耗及多節點問題之外，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調變技術讀取棋子的定位ID。針對第一點，東芝采用了自行研發之CDMOS半導體制程技術，因此具有最高水平的無線傳電效率及低溫度特性。經我們試驗結果證明，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備廠Mophie的充電時間3小時5分快很多。

    （*2）無線充電聯盟Wireless Power Consortium(WPC)所制定的短距離無線充電互連標準。東芝產品目前只支持感應距離大約在3-7公厘以內的電磁感應方式。

    第二，如圖六下方以紅字所強調，我們利用Qi所制定的ASK調變技術，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Qi的規范，當Tx開始無線供電給Rx之前，兩個裝置必須經過初始化階段。在此階段當中Tx和Rx分別利用FSK(Frequency Shift Keying)和ASK(Amplitude Shift Keying)調變方式，作為交換彼此信息的媒介，才能讓Tx得知并為Rx提供適當的電力。值得一題的是，Rx所產生并送出的封包內容可分成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Rx系統寫入某值至Writable緩存器時，Tx系統就會從同名的緩存器讀取Rx所寫的值。現在，若Tx和Rx系統事先約定好某個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接口并內建ARM M0 MCU，開發者易于利用Qi所制定之ASK調變功能并追加Tx-Rx之間的無線通信功能，進而提升無線傳電技術的應用價值。