Fakultas Ilmu Komputer
Universitas Brawijaya
5777
Implementasi
Wireless Sensor Node
untuk Pemantauan Lahan Pertanian
Berbasis Protokol 802.15.4
Muhammad Misbahul Munir1, Sabriansyah Rizqika Akbar2, Adhitya Bhawiyuga3
Program Studi Teknik Komputer, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya Email: 1ibah07@live.com, 2sabrian@ub.ac.id, 3bhawiyuga@ub.ac.id
Abstrak
Wireless Sensor Node merupakan elemen utama dalam Wireless Sensor Network (WSN). Dengan menggunakan WSN petani dapat mengetahui kondisi lahan pertanian sehingga dapat menangani lahan dengan tepat. Pada WSN, protokol IEEE 802.15.4 lebih cocok digunakan untuk memantau lahan pertanian karena memiliki 40% peningkatan efisiensi energi dibandingkan dengan IEEE 802.11. Untuk membentuk WSN dengan topologi tree dibutuhkan 3 jenis node, yaitu End device, Coordinator, dan
PAN Coordinator. Setiap node terdiri dari Arduino Nano dan MRF24J40MA yang menggunakan komunikasi SPI. Pada End device hasil pengambilan data sensor suhu, kelembapan udara, dan kelembapan tanah memiliki perbedaan dengan data alat ukur. Posisi dalam penempatan node
berpengaruh terhadap kinerja dari jaringan wireless sensor node. Berdasarkan packet loss, rentang maksimum pada pengiriman data sensor adalah 104 meter dari End device ke Coordinator dan 96 meter dari Coordinator ke PAN Coordinator. Jarak yang optimal adalah 15 meter dari End device ke
Coordinator. Setiap pengiriman data sensor dilakukan setiap 10 detik dengan payload sebesar 17 byte.
Kata kunci: Wireless Sensor Network, topologi tree, kinerja wireless sensor node
Abstract
Wireless Sensor Nodes is the main element in Wireless Sensor Network (WSN). Farmers can find out the condition of farmland by using WSN to handle the land appropriately. On WSN, IEEE 802.15.4 Protocols more suitable to monitor farmland because it has a 40% improvement in energy efficiency compared to IEEE 802.11. To form the WSN with tree topology, it takes 3 types of nodes, i.e. End device, the Coordinator, and the PAN Coordinator. Each node consists of the Arduino Nano and MRF24J40MA that uses communication SPI. In the End device the results data captured by temperature, humidity, and soil moisture sensors are different with data from measurement device. The position of node placement affected on performance of wireless sensor node. Based on packet loss, maximum distance in the transmission of sensor data is 104 metres from the End device to the Coordinator and 96 metres from Coordinator to the PAN Coordinator. The optimal distance is 72 meters of the End device to the Coordinator. Each transmission of sensor data is carried out every 10 seconds with 17 bytes of data payload.
Keyword: Wireless Sensor Network, tree topology, performance of wireless sensor nodes
1. PENDAHULUAN
Pertanian menjadi tulang punggung ekonomi dari negara-negara berkembang seperti Indonesia. Metode tradisional pertanian yang dipraktikkan di Indonesia tidak memadai dalam memenuhi permintaan untuk produk pertanian karena pertambahan jumlah penduduk. Selama periode 2010-2014 kondisi perdagangan komoditas tanaman pangan Indonesia dalam posisi defisit, dengan laju pertumbuhan ekspor
sebesar 7,4%/tahun dan impor sekitar 13,1%/tahun (Kementerian Pertanian, 2015).
meliputi suhu, cahaya, kelembaban tanah, pH tanah, dll ( Fahmi, et al., 2017).
Untuk mengetahui kualitas tanah, petani umumnya hanya mengandalkan pengalaman bertani selama bertahun-tahun dengan melihat kondisi permukaan tanah dan keadaan tanaman (Bakhri & Sudaryono, 2016). Petani juga tidak menggunakan alat ukur yang presisi untuk mengetahui kualitas tanah sehingga penangan pada lahan pertanian tidak tepat dan terlambat. Agar penanganan tepat dan tidak terlambat maka diperlukan pemantauan lahan pertanian setiap hari. Ada 2 jenis pemantauan lahan pertanian yaitu secara manual dengan mendatangi lahan pertanian dan pemantauan otomatis dengan teknologi wireless sensor node.
Wireless sensor node merupakan elemen utama dalam Wireless Sensor Network (WSN). WSN berfungsi untuk mengambil data yang ada di lahan pertanian kemudian diolah dan dikirimkan menggunakan jaringan nirkabel (Dargie & Poellabauer, 2010). Dengan menggunakan WSN petani dapat mengetahui kondisi lahan pertanian sehingga dapat menangani lahan pertanian dengan tepat. Isu utama dalam desain sistem pada WSN adalah konservasi energi terutama jika digunakan pada lahan pertanian (Sachan, et al., 2012). Energi adalah sumber yang sangat vital, sehingga untuk membentuk WSN diperlukan sebuah protokol jaringan agar antar node bisa saling berkomunikasi dengan penggunaan energi yang sedikit.
Pada WSN ada beberapa protokol yang digunakan yaitu IEEE 802.11b/g dan IEEE 802.15.4. IEEE 802.15.4 lebih cocok digunakan untuk memantau lahan pertanian dengan penggunaan energi yang sedikit, karena memiliki 40% peningkatan efisiensi energi dibandingkan dengan IEEE 802.11 (Nair, et al., 2015). Selain itu, 802.15.4 fokus penerapannya pada pemantauan dan kontrol dengan bandwidth
0,020-0,25 Mbps. Sehingga 802.15.4 tepat digunakan pada lahan pertanian. (Sohraby, et al., 2007).
Berdasarkan permasalahan yang telah disampaikan, penulis melakukan penelitian mengenai “Implementasi Wireless sensor node
Untuk Pemantauan Lahan Pertanian Berbasis Protokol 802.15.4”. Pada penelitian ini topologi yang digunakan adalah tree dengan 3jenis node, yaitu End device, Coordinator, dan PAN Coordinator. Hasil penelitian akan didapatkan dari pengujian akurasi sensor hujan, sensor suhu
dan kelembapan udara (DHT11), dan sensor kelembapan tanah (YL-69) serta penempatan
node untuk mengetahui kinerja pengiriman data sensor dari jaringan wireless sensor node pada lahan pertanian.
2. PERANCANGAN SISTEM WIRELESS
SENSOR NODE
Pada perancangan sistem wireless sensor node berisi tentang tentang topologi, perancangan perangkat keras dan perangkat lunak.
Gambar 1 Perancangan topologi sistem
Gambar 1 merupakan topologi sistem, sistem dibentuk dengan PAN ID = 0xcafe dan
channel = 11. Sistem dibentuk dari 1 PAN Coordinator, 1 Coordinator, dan 2 End device.
PAN Coordinator memiliki alamat 0x3, sedangkan Coordinator memiliki alamat 0x2. pada End device, Node terbagi menjadi 2 yaitu
Node 1 yang memiliki id 0x1 dan alamat 0x6 dan
Node 2 memiliki id 0x1 dan alamat 0x7.
2.1 Perancangan Perangkat Keras
1. Perancangan Coordinator dan PAN
Coordinator
Konfigurasi pin modul transceiver
MRF24J40MA dengan Arduino Nano
Gambar 2 Konfigurasi pin Coordinator dan
PANCoordinator
2. Perancangan End device
Gambar 3 merupakan konfigurasi pin End device yang digunakan oleh Arduino Nano dengan MRF24J40MA, sensor hujan, sensor suhu dan kelembapan udara (DHT11), dan sensor kelembapan tanah (YL-69).
Gambar 3 Konfigurasi pin End device
2.2 Perancangan Perangkat Lunak 1. Perancangan End device
End device merupakan perangkat yang digunakan untuk mengambil data sensor menggunakan sensor hujan, DHT11 dan YL-69, data dari sensor akan diproses oleh Arduino Nano agar dapat dikirimkan kepada Coordinator
menggunakan modul transceiver
MRF24J40MA.
Pada flowchartEnd device yang ditunjukkan pada Gambar 4, End device memulai inisialisasi perangkat sebagai End device, hal ini diperlukan untuk menentukan perangkat sebagai End device
atau Coordinator dan PAN Coordinator. Kemudian menentukan PAN Id seperti yang digunakan oleh PAN Coordinator, setelah menentukan PAN Id selanjutnya menentukan tipe modul, channel, inisialisasi variabel global dan inisialisasi pin yang digunakan Arduino Nano agar terhubung dengan periperal. Kemudian menentukan alamat yang digunakan
End device dengan format hexadesimal, setelah ditentukan alamatnya maka End device akan
membaca data sensor yang digunakan dan mengirimkannya kepada Coordinator, setiap pengiriman packet akan diberi urutan dari pengiriman packet tersebut.
Gambar 4 FlowchartEnd device
2. Perancangan Coordinator dan PAN
Coordinator
Coordinator merupakan perangkat yang digunakan untuk menghubungkan antara End device dengan PAN Coordinator. PAN Coordinator merupakan perangkat yang digunakan untuk mengatur semua device yang ada serta sebagai gateway WSN. Coordinator
dan PAN Coordinator bersifat full-function device.
Pada flowchart Coordinator dan PAN Coordinator yang ditunjukkan pada Gambar 5, program dimulai dengan inisialisasi perangkat sebagai Coordinator atau PAN Coordinator, hal ini diperlukan untuk menentukan perangkat sebagai End device atau Coordinator dan PAN Coordinator, kemudian menentukan PAN id seperti yang digunakan oleh PAN Coordinator, setelah menentukan PAN id selanjutnya menentukan tipe modul, channel, inisialisasi variabel global dan inisialisasi pin yang digunakan Arduino Nano agar terhubung dengan periperal. Kemudian menentukan alamat yang digunakan Coordinator atau PAN Coordinator
D13/SCK D12/MISO D11/MOSI D8 D6
D2 3V3
GND
3V3 5V
A0 A1
dengan format hexadesimal, setelah ditentukan alamatnya maka Coordinator/PAN Coordinator
akan memperbarui topologinya kemudian
Coordinator/PAN Coordinator siap untuk menerima data dan akan update topologi, setelah menerima packet maka packet tersebut akan dihitung sesuai urutannya, kemudian
Coordinator akan mengirimkan data sensor tersebut kepada PAN Coordinator atau PAN Coordinator akan mengirimkan data sensor tersebut kepada server.
Gambar 5 Flowchart Coordinator dan PAN Coordinator
3. Perancangan transmisi packet
Gambar 6 merupakan struktur transmisi
packet digunakan. Pada MAC Data Frame
maksimal ukuran data frame sebesar 127 Byte
dengan pembagian 9 ByteMAC Header (MHR), 1-116 ByteData Payload (MSDU), dan 2 Byte
MAC Footer (MFR).
Gambar 6 Perancangan Transmisi packet
4. Perancangan Data Payload
Ukuran data payload yang akan dikirimkan dengan modul transceiver MRF24J40MA sebesar 17 Byte dengan pembagian yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1 Struktur Detail Data Payload
Nama Data Tipe Data Ukuran
Data (Byte)
Id Integer 2
Urutan packet Byte 1
Kelembapan
udara Float 4
Suhu udara Float 4
Hujan Integer 2
Kelembapan
tanah Float 4
3. IMPLEMENTASI WIRELESS SENSOR
NODE
3.1 Implementasi Perangkat End device Berdasarkan perancangan perangkat End device, implementasi perangkat ini ada 2 node
dengan masing-masing node menggunakan 3 sensor yaitu sensor hujan, sensor kelembapan udara dan suhu udara (DHT11), dan sensor kelembapan tanah (YL-69). Komponen yang digunakan untuk mengolah data sensor adalah Arduino Nano, serta modul yang digunakan untuk komunikasi antar node berbasis protokol
802.15.4 adalah modul MRF24J40MA.
Konfigurasi pin pada perangkat tersebut sesuai dengan perancangan pada Gambar 3 dan
masing-masing komponen dihubungkan
menggunakan kabel jumper. Pada Gambar 7 menunjukkan hasil implementasi dari perancangan perangkat End device.
3.2 Implementasi Perangkat Coordinator dan PAN Coordinator
Berdasarkan perancangan perangkat
Coordinator dan PAN Coordinator, Arduino Nano yang digunakan untuk mengolah data sensor, serta modul yang digunakan untuk komunikasi antar node berbasis protokol 802.15.4 adalah modul MRF24J40MA. Konfigurasi pin pada perangkat tersebut sesuai dengan perancangan pada Gambar 2 dan masing-masing komponen dihubungkan menggunakan kabel jumper. Pada Gambar 8 menunjukkan hasil implementasi dari perancangan perangkat Coordinator dan PAN Coordinator.
Gambar 8 Perangkat CoordinatordanPAN Coordinator.
4. PENGUJIAN DAN ANALISIS
Pada pengujian pengiriman data, pengujian dilakukan setiap 10 detik dengan payload sebesar 17 byte.
4.1 Pengujian adanya pengambilan data sensor pada End device
Hasil dari pengujian pengambilan data sensor berdasarkan Tabel 2 adalah pengujian sensor kelembapan tanah mempunyai hasil 21.99% pada node 1 dan 23.85% pada node 2, sedangkan dengan alat ukur kelembapan tanah mempunyai nilai antara 2 dan 3 dengan rentang nilai pengukuran 1 sampai 10.
Pada pengujian sensor hujan keadaan lingkungan yang diuji adalah dengan kondisi penampang sensor terkena percikan air dan penampang sensor terkena air seluruhnya. Pengambilan data oleh dilakukan node 1 dan 2. Pada saat sensor terkena percikan air nilai yang didapatkan adalah 425 pada node 1 dan 450 pada
node 2, pada saat sensor terkena air seluruhnya nilai yang didapatkan adalah 375 pada node 1
dan 349 pada node 2.
Pada pengujian sensor kelembapan & suhu udara, pengambilan data dilakukan oleh node 1 dan 2. Pengujian sensor kelembapan & suhu udara mempunyai hasil 40% & 30.00˚C pada
node 1, pada node 2 yakni 41% & 30.00˚C,
sedangkan dengan alat ukur kelembapan & suhu udara mempunyai nilai 48% & 30.5˚C.
Tabel 2 Pengujian Pengambilan Data Sensor
Id Nama
4.2 Pengujian adanya pengiriman data sensor dari End device ke Coordinator dan Coordinator ke PAN Coordinator
Gambar 9 Pengujian adanya pengiriman data sensor dari End device ke Coordinator dan
Coordinator ke PAN Coordinator
Gambar 9 dan Tabel 3 menunjukkan hasil dari Hasil pengujian pengiriman dari End device
ke Coordinator dan Coordinator ke PAN Coordinator, pengiriman data berhasil tanpa kehilangan data, data yang dikirimkan oleh
Tabel 3 Hasil pengujian pengiriman End device
ke Coordinator
No
Nama End device
Nama sensor
Berhasil Terdeteksi
Nilai sensor
1 Node 1 DHT11 Ya 29˚C & 61%
2 Node 2 DHT11 Ya 29˚C & 61%
3 Node 1 Sensor
hujan Ya 1023
4 Node 2 Sensor
hujan Ya 1023
5 Node 1 YL-69 Ya 0.1%
6 Node 2 YL-69 Ya 0.1%
4.3 Pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke PAN Coordinator
Gambar 10 menunjukkan Pengujian pengiriman data dari End device ke PAN Coordinator.
Gambar 10 Pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke PANCoordinator
Berdasarkan Gambar 10 variabel yang diuji adalah jarak End device ke PAN Coordinator, jumlah data transfer, dan jumlah packetloss.
Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke PAN Coordinator. Jarak optimal yang diperoleh
adalah 15 meter. Pada jarak 20 dan 25 meter, pengiriman packet sebanyak 20 kali terdapat 5 kali packet loss. Pada jarak 40 meter, pengiriman
packet sebanyak 16 kali terdapat 2 kali packet loss. Pada jarak 72 meter, pengiriman packet
sebanyak 34 kali terdapat 5 kali packet loss. Pada jarak 80 meter, pengiriman packet sebanyak 44 kali terdapat 39 kali packet loss. Pada jarak 121 meter, pengiriman packet sebanyak 36 kali terdapat 36 kali packet loss.
Tabel 4 hasil pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke PAN Coordinator.
Jarak End device ke
PANCoordinator
(meter)
Jumlah data transfer
Jumlah packetloss
Id 1 Id 2
15 20 0 0
20 20 4 1
25 20 4 0
40 16 1 1
72 34 2 3
80 44 19 20
121 36 18 18
4.4 Pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke Coordinator dan Coordinator ke PAN Coordinator
Gambar 11 menunjukkan Pengujian dan dari kinerja pengiriman data dari End device ke
Coordinator dan Coordinator ke PAN Coordinator.
Gambar 11 Pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke Coordinator dan
Coordinator ke PANCoordinator
Berdasarkan pengujian pada Gambar 11, Variabel yang diuji adalah jarak End device ke
Coordinator, jarak Coordinator ke PAN
End device
PAN Coordinator
PAN Coordinator
End device
Coordinator 72 m
Coordinator, jumlah data transfer, dan jumlah
packetloss.
Tabel 5 menunjukkan hasil pengujian dari kinerja pengiriman data dari End device ke
Coordinator dan Coordinator ke PAN Coordinator.
Tabel 5 Hasil pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke Coordinator dan
Coordinator ke PANCoordinator
Jarak End jarak 104 meter dan 80 meter, pengiriman packet
sebanyak 62 kali terdapat 29 kali packet loss
pada id 1 dan id 2. Pada jarak 104 meter dan 96 meter, pengiriman packet sebanyak 48 kali terdapat 23 kali packet loss pada id 1 dan id 2. Pada jarak 104 meter dan 104 meter, pengiriman
packet sebanyak 48 kali terdapat 24 kali packet loss pada id 1 dan id 2.
5. KESIMPULAN
Untuk membentuk WSN dengan topologi
tree dibutuhkan 3 jenis node, yaitu End device, Coordinator, dan PAN Coordinator. Pada End device hasil pengambilan data sensor suhu, kelembapan udara, dan kelembapan tanah memiliki perbedaan dengan data alat ukur. Posisi dalam penempatan node berpengaruh terhadap kinerja dari jaringan wireless sensor node. Berdasarkan packet loss, rentang maksimum pengiriman data sensor adalah 104 meter dari
Bakhri, F. R. & Sudaryono, L., 2016. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Produktivitas
Padi Antara Kecamatan Peterongan dan Kecamatan Megaluh. Jurnal Pendidikan Geografi, 3(3), pp. 416-422.
Dargie, W. & Poellabauer, C., 2010.
Fundamentals of wireless sensor networks : theory and practice. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd.
Fahmi, N. et al., 2017. A Prototype of
Monitoring Precision Agriculture System Based on WSN. International Seminar on Intelligent Technology and Its
Application, pp. 323-328.
Kementerian Pertanian, 2015. RENCANA STRATEGIS KEMENTERIAN
PERTANIAN TAHUN 2015-2019, Jakarta Selatan: Kementerian Pertanian.
Nair, L. S., R, V. & Jacob, G. M., 2015. Energy Efficiency Improvement Using IEEE 802.15.4 in Cooperative Wireless Sensor Networks. IOSR Journal of Electronics & Communication Engineering (IOSR-JECE), pp. 23-28.
Rina, 2015. Pengaruh Kondisi Tanah bagi Tanaman. [Online] [Diakses 7 July 2018].
Sachan, V. . K., Imam, S. . A. & Beg, M. T., 2012. Energy-efficient Communication Methods in Wireless Sensor Networks: A Critical Review. International Journal of Computer Applications, 39(17), pp. 35-48.
Sohraby, k., Minoli, D. & Znati, T., 2007.
