Design of an Arduino shield for ota programming

Abstract

The International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE) is a research organization, created in 1987, that does research in many areas, one of them is Information and Communication Technologies. In this area there is a line specialized in Wireless Sensor Networks (WSN) that uses many of existent technologies or devices to gather data from the real world and sent it to CIMNE server to feed simulation systems. CIMNE participates in many research projects with other companies and institutions. This project was born from the need of some research projects in ICT group of CIMNE as well as one of their associated companies. Research projects that lead to this project are relative to WSN. CIMNE used to use MicaZ sensor mote from Crossbow but its high cost made CIMNE to look for alternatives. One of the alternatives used in WSN is Arduino, a versatile board that have a microcontroller digital and analogic inputs and outputs to gather data from sensors and interact with actuators or other gadgets. Arduino is easily programmable and is open hardware. It has not the capability of wireless communications but it has the feature of using shields, boards that connect to Arduino, to expand its functionalities. Arduino is a growing technology that is used in many different fields; from domotics to professional applications to use it with educational purposes to teach students from high school to university. This grow is due to its low cost, its easiness to use and program. Since Wireless Sensor Networks usually are deployed in remote places, such as a vineyard or a highway bridge, it is very important to be able to manage and reprogram the sensor nodes remotely. Arduino has not this feature and after doing some research on the state of the art of wireless shields and not finding any shield with this feature. CIMNE has identified the needing of designing a Wi-Fi shield with Over-The-Air (OTA) programming feature. We have done a short review of applications, some of CIMNE, that will need this feature. Wi-Fi shield with OTA programming capabilities is also important to CIMNE since nowadays the Internet of Things is growing fast and with shield CIMNE can provide Internet to many objects, such as speakers. To design the shield we have used Cadsoft Eagle software since is one of the best circuit design software available in the market nowadays. At the end of the project we want to obtain a working Wi-Fi Arduino Shield with OTA capabilities.

Català: El Centre Internacional de Mètodes Numèrics en la Enginyeria (CIMNE), creat el 1987, és un centre de recerca especialitzat en les simulacions i els mètodes numèrics. El departament de tecnologies de la informació i les comunicacions (TIC) té una línia de investigació dedicada a les xarxes de sensors sense fils (WSN) que utilitza algunes de les tecnologies i dispositius existents per recollir informació de l’entorn i proporcionar-la als sistemes de simulació. CIMNE participa en varis projectes de recerca juntament amb altres empreses i institucions. Aquest projecte va néixer fruit de la necessitat d’alguns projectes de recerca en que està el departament TIC així com les altres empreses dels projectes. CIMNE solia utilitzar les motes MicaZ de Crossbow però el seu elevat va fer que CIMNE busqués alternatives més econòmiques. Una de les alternatives usades en les WSN és Arduino, una placa electrònica versàtil que consta d’un microcontrolador amb entrades i sortides digitals i analògiques que permeten obtenir dades de sensors i accionar actuadors o altres aparells. L’Arduino és fàcilment programable i està basat en el hardware lliure. No te cap mètode de comunicació inalàmbrica però te la capacitat d’utilitzar Shields, unes plaques que es connecten a l’Arduino i permeten ampliar les seves funcionalitats. Arduino és una tecnologia en creixement que s’usa en diferents camps, des de la domòtica fins a en aplicacions professionals i fins hi tot amb fins educatius per tal d’ensenyar electrònica als estudiants tant d’institut com als universitaris. En part el seu creixement es deu al seu baix cost i a la seva facilitat d’us i de programar. Com que les WSN es solen utilitzar en llocs concrets, com pot ser en una vinya o en un pont d’una carretera, és important poder gestionar i programar els nodes remotament (OTA). Arduino no disposa d’aquesta funcionalitat però es pot implementar usant un shield. Després de fer una recerca sobre els shields amb connectivitat wifi existents no n’hem trobat cap que tingues la capacitat OTA. Degut a això, CIMNE ha identificat la necessitat de dissenyar i construir un shield wifi que tingui la capacitat OTA. També hem fet un petit repas d’algunes aplicacions, algunes de CIMNE, que poden necessitar aquesta capacitat. El shield wifi amb la capacitat OTA també és important per CIMNE ja que l’increment de l’internet de les coses fa que aquest shield permeti connectar objectes o coses a internet fàcilment, com per exemple uns altaveus. Per fer el disseny s’ha utilitzat el programa de disseny de circuits electrònics de l’empresa Cadsoft anomenat Eagle ja que és un dels millors que hi ha actualment en el seu camp. Al final del projecte volem aconseguir un shield wifi amb la capacitat de programació remota de l’arduino que funcioni correctament.