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TOSHIBA產品訊息: 智慧棋盤秀AIoT概念

 2018-11-09

作者: 台灣東芝電子零組件股份有限公司 技術行銷處新事業部 副協理水沼仁志博士 、(協助校稿 副理 郭欣華)

 

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,繼亞馬遜電子書後下一個潛力AI智慧裝置。其概念利用東芝半導體零件、元太電子紙組件及IBM人工智慧Watson三合一系統整合,推動電子紙智慧化,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 - 智慧型棋盤遊戲。

 

顯示器即服務(Display as a Service)

圖一為智慧型棋盤遊戲機,主要由大棋盤(Base board)以及多顆棋子(Stones)所組成,分別採用31.2寸以及1.5寸的黑白電子紙。大棋盤搭載SoC晶片並採用Linux作業系統,利用Wi-Fi連上雲端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螢幕內容,作為運行人機互動並且控制遊戲流程。每顆小棋子搭載BLE晶片及天線,也預燒許多遊戲圖案於MCU內建之記憶體;當切換遊戲模式時,棋子的顯示內容可更換成另一種遊戲圖案。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。玩家可藉由這一台棋盤,體驗各式各樣的遊戲。

 

 

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(薄摸電晶體)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吸引並移動至膠囊頂端,便可顯示其顏色。停止供電時,由於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。但棋盤遊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晶片及線圈於大棋盤與小棋子內,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遊戲機,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)會將棋子座標立刻傳送到雲端AI。由AI所運算的下一步指令經由棋盤SoC傳送至各顆棋子,在電子紙螢幕上產生反應。

 

智慧型棋盤遊戲

圖二為智慧型棋盤遊戲的特色及應用。智慧型遊戲方式可體驗到電腦遊戲無法做到的「實體觸摸」之感受,透過實體操作經驗可增加玩遊戲的真實感。智慧型棋盤遊戲結合了傳統型和線上型的各個優點,刺激並活化大腦皮層,訓練專注力與記憶力,可適用於銀髮族的健康照護以及兒童的教育工具市場。

 

 

圖三說明智慧型黑白棋之遊戲步驟。黑白棋的遊戲規則為,黑家所下的黑棋和棋盤上任一個黑棋在一條線上(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。智慧型黑白棋的遊戲規則如同與一般的黑白棋,但遊戲者可選(a)兩人對打模式,或(b)一人與雲端AI對打模式。圖三表示 (a) 模式並說明黑家下了第一個黑棋時兩台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並開始進行無線充電

步驟3. 兩台棋盤互相通訊並交換棋子座標的訊息

步驟4. 兩台棋盤照著遊戲規則而顯示虛擬棋子在棋盤螢幕上,並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

 

 

圖四說明拼字遊戲,玩家首先觀察棋子上所顯示的英文字母並聯想英文單詞,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. 遊戲者猜想一個英文單詞,在棋盤螢幕上開始排列棋子

步驟3. 棋盤系統進行無線充電並讀取每個棋子的ID,核對拼法是否正確。

步驟4. 若拼法正確,棋盤螢幕會顯示‘答對’否則‘答錯’。

 

 

從以上兩種範例得知,智慧型棋盤遊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定(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訊,後者作為棋子的充電以及定位偵測。值得注意的是,當BLE和Qi沿用於智慧棋盤遊戲時,必須更改或擴充其標準的底層通訊協定,才能夠符合智慧棋盤遊戲所要求的系統功能。以下先說明棋盤遊戲機的軟硬體結構,再解釋東芝所加強的BLE和Qi通訊協定的技術層面。

 

棋盤遊戲之軟硬體結構

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晶片以及TDK的線圈,作為棋子的供電來源;當Tx晶片感應到棋子時,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並產生GPIO訊號,經由東芝Bridge IC(TC35894XBG)轉換成I2C格式,最後傳遞ID至Main board進行後續處理。

 

 

 

 

Main board系統搭載東芝SoC(TZ2102XBG,含有乙太網路介面)及東芝BLE控制晶片(TC35667FSG),主要功能為接受sub board傳出之棋子ID,照著遊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,進而同步另一台或雲端AI之間的遊戲狀態,再送出藍牙指令給現場棋子並更新顯示之內容,最後利用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)

棋盤遊戲機需求為低耗電及順暢的整體網路運作。而東芝BLE產品可符合上述條件。第一,無線通訊時所耗的電力必須低於其他廠商BLE。第二,網路節點的擴張性和通信可靠性也高於競爭對手;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,功耗水準遠低於其他廠商數據。另外,在網路多節點支援部分,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,只要分散在大範圍內的其中兩個節點距離不超過BLE通訊上限,並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路,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最佳化,成功實現一秒內更換100個LED燈色。後者讓每節點複製並保持完整的路由表,加強其網路之冗餘度。

(*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)網路

藍牙本身會支援Mesh network,今年東芝也會提供Mesh版本。Scatternet和Mesh的差異在於是否用到路由表。因BLE Mesh不利用路由表,一受到指令之後,會廣播至所有鄰近的Device,故隨著網路節點之增加,勢必產生乒乓球現象並容易導致網路擁塞。相較之下,東芝Scatternet的網路拓撲類似ZigBee,使用路由表而建立結構性網路拓撲,避免太多封包發生,適用於多數網路節點用途上。

 

黑白棋的棋子顆數為64個(此智慧型裝置採用48顆),運用在麻將遊戲上為136到144顆,轉換成高階拼圖遊戲時則需要更多顆數,若以東芝Scatternet建立這麼多節點的遊戲,玩家不必擔心會有單一節點故障問題進而影響至整體網路運行。

 

 

 

 

東芝無線傳電ASK調變

除了低功耗及多節點問題之外,棋盤遊戲機搭載的東芝Qi(*2無線充電擁有:第一,無線傳電的效率高於其他廠商。第二,利用ASK調變技術讀取棋子的定位ID。針對第一點,東芝採用了自行研發之CDMOS半導體製程技術,因此具有最高水準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晶片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。東芝產品目前只支援感應距離大約在3-7公釐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的規範,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,作為交換彼此資訊的媒介,才能讓Tx得知並為Rx提供適當的電力。值得一題的是,Rx所產生並送出的封包內容可分成Device level以及System level;後者由外部Host MCU透過I2C等介面即可更新內容。以Host MCU的角度來看Tx和Rx晶片時,Device level的封包如同Read-only暫存器, System level的封包如同Writable暫存器。換句話說,當Rx系統寫入某值至Writable暫存器時,Tx系統就會從同名的暫存器讀取Rx所寫的值。現在,若Tx和Rx系統事先約定好某個Writable暫存器容納棋子ID的話,我們維持Qi的相容性的同時也能傳送並核對棋子的身份。由於東芝無線傳電晶片支援I2C介面並內建ARM M0 MCU,開發者易於利用Qi所制定之ASK調變功能並追加Tx-Rx之間的無線通訊功能,進而提升無線傳電技術的應用價值。

 

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