連網玩具：透過無線介面享受新奇的遊樂體驗

目前，使用 Android 或 iOS 行動電話或平板裝置連結並控制玩具已經不稀奇，有越來越多的玩具現在更採用藍牙或 Wi-Fi 提供無線連線能力。 您可在商店貨架上找到多種採用無線介面的機器人、飛行器以及遊戲。 這些玩具能以高成本效益的方式納入無線介面、多軸感測器、小尺寸顯示器、觸控以及其他功能，這都歸功於相關零組件的成本大幅降低所賜。

這些零組件的成本降低，是因為此類裝置大量生產，並應用在行動電話和平板裝置中，光是基本規格就含有 Wi-Fi 和藍牙接收器，以及動作感測器、陀螺儀、GPS 接收器以及觸控螢幕。 不僅無線連線的成本降低，新一代連網玩具常用的多軸感測器、微控制器以及其他許多零組件也跟著降低。 除此之外，由於許多玩具都是以電池操作，低功耗也就成為這些零組件的關鍵要求，也進而促成低功耗藍牙 (BLE) 標準及其相關標準 Bluetooth Smart 的採用。

何謂 Bluetooth Smart？ 基本上，此標準與低功耗藍牙 (BLE) 一樣，但採用建立在屬性通訊協定 (ATT) 上層的泛型屬性設定檔 (GATT)。 GATT 設定檔能針對 ATT 傳輸和儲存的資料制訂一般操作和框架。 GATT 會針對低功耗藍牙硬體的伺服器和用戶端角色進行定義。 由於 GATT 使用來探索服務，因此必須在 LE 中使用 GATT 和 ATT 設定檔。 使用 GATT 能讓軟體開發人員在電話或平板和玩具之間輕鬆進行探索和連結流程。

根據藍牙開發人員文件的敘述，GATT 設定檔會指定設定檔資料的交換架構。 此架構會指定基本元件，例如設定檔所用的服務和特性。 階層架構的頂端即是設定檔。 設定檔係由滿足用途所必需的一或多個服務組成。 服務係由特性或其他服務的參照所組成。 每個特性皆含有一個值，且可能含有關於該值的選擇性資訊。 服務和特性以及特性的元件（即值和敘述元），皆含有設定檔資料，並且都儲存在位於伺服器的屬性中。¹

低功耗藍牙標準專為降低功耗而設計，能建立超快速連線（幾毫秒）且僅傳輸少量資料。 透過這些技術，能耗可降低到傳統藍牙的十分之一。 BLE 裝置能進入睡眠模式並在發生事件活動時啟動。 此外，最大功耗低於 15 mA，平均功耗約為 1 µA。 因此，僅需小型的鈕釦型電池（如 CR2032）即可為裝置供電進行長達 10 年的操作。

若設計人員想在小型、可攜式、注重功率的裝置中添加單模式 BLE 或 Bluetooth Smart，則可考慮 Laird Technologies 的 BL600 系列模組。 BL600 模組採用 Nordic Semiconductor 的 nRF51822 晶片組為基礎，提供低耗電量以及良好的訊號範圍，並採用 19 x 12.5 mm 小型覆蓋區。 此模組整合所有必要的硬體和韌體，可支援 BLE 應用的開發。 BL600 模組也完全符合藍牙最終產品的條件，能讓設計人員將模組整合到裝置中，無需進一步的藍牙認證。

Panasonic 也推出類似的 PAN1326/1316 系列 RF 模組，具有低功耗藍牙和標準藍牙連線能力。 這兩項技術的結合能針對短距應用打造低成本、超低功率的無線連網方案。 PAN1326/1316 主機控制介面 (HCI) 亦能讓 Texas Instruments 的 CC2564 成為使用簡便的模組樣式。 Panasonic 的小型封裝技術能讓模組（含天線）達到僅有 85.5 mm² 的大小。 此模組可納入焊墊間距僅有 1.3 mm 且最多只有兩層厚度的 PCB 板，因此可輕鬆實作並生產。

Panasonic 亦針對三種藍牙標準，提供三重模式開發模組。 此模組可直接插入 Panasonic 的開發套件、Texas Instruments 的 MSP430 和 Stellaris 的試驗板，並可額外使用排針座連接器，簡化原型的接線和現場試驗作業。

玩具其實是一種嵌入式控制系統

連線玩具的基本架構其實與嵌入式控制系統非常相似，通常都有中央控制處理器、本機記憶體和電源管理功能，有多個訊號輸入可連接到多軸感測器或開關，並有額外的輸出訊號可控制一或多個馬達、顯示器或指示燈，或者也具有其他功能和無線介面，可連接 Wi-Fi 和／或藍牙無線電（圖 1）。 如今，控制處理器往往是採用 ARM® Cortex™-M0 或 M3/M4 處理器核心為基礎的高度整合微控制器，無線電功能通常是獨立的晶片或模組，其中含有傳送／接收電路以及功率放大器。


圖 1：這張簡單的示意圖描繪連網玩具（如 Orbotix 的 Sphero）內的電子子系統，正是典型的嵌入式控制系統。 微控制器會執行程式，而 MCU 的 I/O 引腳可連接並控制多個感測器、馬達、開關、顯示器以及無線無線電。

Orbotix 開發的 Sphero 機械球是目前市面上眾多有趣的連線玩具之一（圖 2）。 該公司在這個棒球大小的透明塑膠球內納入完整的系統，其中含有內部電池用的無線充電系統、STMicroelectronics 的 Cortex-M4 架構微控制器、執行藍牙堆疊的第二個 ARM 處理器、控制馬達用的 Texas Instruments 馬達驅動器、Bosch 的陀螺儀感測器、能讓使用者變換 Sphero 顏色的彩色 LED，以及 Amp'edRF 的傳統藍牙無線介面。 第二代 Sphero 甚至採用 Bluetooth Smart 方案取代傳統藍牙介面，藉此降低耗電量。 在完全充電後，Sphero 機械球能提供超過一小時的全速運作遊戲樂趣，且控制距離最長約為 100 英尺。


圖 2：Orbotix 開發的最新款機械球 Sphero 2，採用低功耗藍牙無線鏈路，可連接 iOS 或 Android 智慧型手機或平板裝置進行控制（上圖）。 Apple iOS 或 Android 智慧型手機或平板裝置（下圖）能下載簡易的使用者介面。

Wowwee 和 Parrot 等公司所推出的機械玩具和飛行器，皆是運用智慧型手機或平板裝置技術提供新奇功能的良好範例。 舉例來說，Parrot 的「Jumping Sumo」雙輪機械玩具搭載嵌入式攝影機，能透過 Wi-Fi 連線將影片串流到智慧型手機或平板裝置（圖 3 左側）。 Wi-Fi 連線也可用來進行控制，使用者能讓此機械玩具翻轉或跳躍。跳躍高度可超過 2.5 英尺，且一定會以輪子落地。

Parrot 的 AR 飛行器。Drone2.0 是採用四個螺旋槳的裝置，搭載 HD 攝影機，能拍攝 720p/30 fps 影片，並使用 H.264 編碼器進行影片編碼（圖 3 右側）。 雖然整合式 Wi-Fi 介面能讓影片串流到智慧型手機或平板裝置，但此系統亦備有 USB 插槽，能用快閃記憶體隨身碟儲存本機影片。 基本的板載電腦／控制系統從 1 GHz 32 位元 ARM 架構微控制器起跳，並含有 Texas Instruments 的 TMS320DM64x 視訊 DSP 晶片。


圖 3：Parrot 推出的 Jumping Sumo 跳躍機械玩具的離地跳躍高度達 2.5 英尺，並搭載嵌入式攝影機，能透過 Wi-Fi 介面將影片串流到智慧型手機或平板裝置（左側）。 AR 飛行器。Parrot 也推出 Drone2.0 四槳直升機，能在飛行期間以極精準的控制和自動穩定效果拍攝 HD 影片。 具有多重感測器，能提供穩定、定位、前進方向以及落地速度資料。

Wi-Fi 介面提供 802.11b/g/n 連線，並具有多重感測器，包括三軸陀螺儀、加速計和磁力計，可協助 GPS 定位，也配備壓力感測器和超音波感測器能量測離地高度。 另外也有第二個低解析度攝影機 (QVGA) 能以 60 fps 拍攝，協助測量落地速度。 此飛行器採用四個轉速高達 28,500 RPM 的無刷馬達提供上升動力，並採用 Atmel 的 8 MIPS AVR 系列 CPU 控制各個馬達。 此飛行器使用一個 1000 mAH 鋰聚合物充電式電池提供電力。 可在 Apple App Store 下載免費的軟體應用程式：AR.Free Flight，即可用 iPhone、iPod Touch 或 iPad 控制飛行器。

針對設計專案開發 Wi-Fi 連線的工程師可考慮使用 Skyworks 的 SE2594L 完整 802.11a/b/g/n WLAN RF 前端模組，能提供功率放大器、濾波、電力偵測器、T/R 切換、雙工器的所有功能以及相關匹配。 設計上具有使用簡便性，所有 RF 連接埠皆匹配 50 Ω，可簡化 PCB 配置以及接收器 RFIC 的介接。 SE2594L 亦具有可用於各頻帶的發送器功率偵測器，且各個傳送鏈的動態範圍為 20 dB。 SE2594L 提供完整的 2.4 和 5 GHz WLAN RF 方案，涵蓋收發器的輸出以及天線，並且採用小型覆蓋區。

總而言之，目前市面上有琳瑯滿目的無線玩具，從迷你直升機、多重螺旋槳的飛行器，甚至是辦公室內的機械公仔。 許多裝置都運用無線技術控制其動作，有些甚至可傳送和接收影片。 本文探討許多玩具廠商用來提供連線和控制能力的一些技術，包括藍牙、Wi-Fi，甚至是行動子系統。 如同以上各種例子所述，連線玩具的概念沒有界限，一切端看設計人員的創意。

若要深入瞭解此文章所述之零件，請使用本文所示之連結進入 DigiKey 網站的產品資訊頁面。

參考資料

1. 藍牙開發人員資訊。