Journal of Control and Network Systems

(1)

JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) 42-50

Journal of Control and Network Systems

Situs Jurnal : http://jurnal.stikom.edu/index.php/jcone

PENERAPAN JARINGANSENSOR NIRKABEL

DENGAN TOPOLOGI TREE PADA PEMANTAUAN

GAS KARBON MONOKSIDA

Achmad Fajar Shodiq1)_{Pauladie Susanto}2)_{I Dewa Gede Rai Mardiana}3)

Program Studi/Jurusan Sistem Komputer STMIK STIKOM Surabaya Jl. Raya Kedung Baruk 98 Surabaya, 60298

Email: 1)[email protected], 2)[email protected], 3)[email protected]

Abstract: Air pollutionis the damage of air qualitywhich contaminatedbypollutantscan bechangingthe composition ofairwhocan bedangerous to humans, animals, andplants.The rapid development ofconstruction, especiallyindustryandtechnology, andincreasingnumber of vehiclescauses air toaround usbecontaminatedbywastinggasescombustionproceeds. Carbon monixide is the most pollutant which is producted in big cities, it is caused by much of out cast gas which is producted by vehicles and proses of industry.Wireless Sensor Network (WSN) can be used to monitor air pollution so can be used an early warning of air pollution at a certain point.With theknowing informationis expected toreduce thelevelof airpollution, especially carbon monoxide gas.

From thenumber ofmainproblemsin aimplementation of theWSNcommunication processwas one ofthe problemsoften experienced. WSN communication often only rely the protokol communication of WSN devices which are used. If there isonenodewhichexperiencingsystem failuresthat are belowa nodecan’t beperformthe communicationprocess, so thesensor datafromthenodecan’t betransmitto the center. To solve the problem is proposed a design research on a data communication protocol in WSN, which purposewhen there issystemfailureononenode, there is abackupdata lines of communicationso thatnodeswhichare belowcan betransmitsensor datato thecentral node. In this research design of data communication protocol attempted to tree topology so that higher level of nodes can be set the other nodes of lower level.

Communication prosses has been run according with the given data communication protocol. There is a backup lines of comunication if the one nodes failure system experience. Nodes be able to send data result sensor reading of carbon monoxide and also battery condition toward node coordinator with coverage distance in each maximum node is 50m, if used tree topology coverage distance to the all system is 100m. The circuit monitoring of battery condition be able provide information about battery condition with error average 0.03.

Keywords: Protocol, Communication Data, Carbon Monoxide, Wireless Sensor Network (WSN), Node, Topology Tree, Sensor, Battery

Pencemaran udara adalah rusaknya kualitas udara yang tercemar oleh zat-zat polutan sehingga mengubah susunan udara yang bisa membahayakan manusia, hewan, dan tumbuhan. Kondisi udara yang buruk mempunyai dampak yang signifikan terhadap kesehatan. Udara yang telah tercemar oleh partikel dapat menimbulkan berbagai penyakit saluran pernapasan atau pneumokoniosis yang merupakan penyakit saluran pernapasan yang

disebabkan oleh adanya partikel yang masuk atau mengendap di dalam paru-paru. (Wardhana, Arya, 1999).

Semakin berkembang pesatnya pembangunan khususnya industri dan teknologi, serta meningkatnya jumlah kendaraan bermotor menyebabkan udara disekitar kita menjadi tercemar oleh gas-gas buang hasil pembakaran. Karbon monoksida adalah polutan yang paling banyak dihasilkan pada kota-kota besar, hal ini

(2)

disebabkan karena banyaknya gas buang yang dihasilkan oleh kendaraan bermotor dan proses industri.

Wireless Sensor Network (WSN) dapat

digunakan untuk memantau pencemaran udara sehingga dapat dijadikan informasi peringatan dini adanya pencemaran udara pada titik tertentu. WSN dapat melakukan pemantuan lingkungan terbuka secara langsung dengan memanfaatkan beberapa macam sensor. (Mittal, 2010).

Dari sejumlah masalah utama dalam implementasi WSN antara lain: proses komunikasi dan konsumsi energi. Sering kali komunikasi pada WSN hanya mengandalkan protokol komunikasi dari device WSN yang digunakan. Apabila terdapat salah satu node yang mengalamai kegagalan sistem maka node yang berada dibawahnya tidak bisa melakukan proses komunikasi, sehingga data sensor yang berasal dari node tersebut tidak bisa tersampaikan ke pusat. Untuk mengatasi masalah tersebut diusulkan sebuah penelitian mengenai sebuah perancangan protokol komunikasi data pada penerapan WSN, yang bertujuan apabila terdapat kegagalan sistem pada salah satu node terdapat jalur backup komunikasi data sehingga node yang berada dibawahnya masih bisa mengirimkan data sensor menuju node pusat.

Perancangan protokol komunikasi data diusahakan mengarah pada topologi tree sehingga proses komunikasi data bisa sesuai dengan penerapan topologi tree. Pemilihantopologi treediharapkan mampu mengatasi permasalahan komunikasi yang terbatas pada jarak akses yang dimiliki oleh

device, sehingga node yang jarak aksesnya lebih

jauh masih bisa terjangkau. Dalam topologi

treeterdapat beberapa tingkatan simpul atau node. Node yang lebih tinggi tingkatannya dapat mengatur node lain yang lebih rendah tingkatannya. Selain itu data yang akan dikirim perlu melalui node yang berada diatasnya

Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Power supply digunakan untuk memberi daya pada masing-masing device.

2. Gas karbon monoksida digunakan sebagai bahan penelitian yang akan dipantau oleh sensor.

3. Bagian elektronikpada setiap node terdapat

sensor gas karbon monoksida, modul komunikasi wireless 802.15.4 Xbee-Pro, serta modul rangkaian pemantau catu daya yang terdapat padanode3.

4. Peralatan pendukung yang diperlukan adalah multimeter, kabel serial RS232, tang potong, solder, timah, penyedot timah, dan beberapa mur-baut sesuai keperluan.

5. Personal computerdigunakan untuk merancang dan membuat program pada masing-masing node.

Jalan Penelitian

Penelitian ini dikerjakan dalam beberapa langkah sistematis seperti ditunjukkan pada Gambar 3.2 berikut.

Gambar 3.2.Blok Diagram Langkah-langkah Penelitian

Penelitian ini dimulai dengan mengumpulkan literatur pendukung dalam merancang dan membuat perangkat keras atau perangkat lunak. Selanjutnya adalah mempersiapkan, merancang dan mengkonfiguraasi perangkat keras. Langkah selanjutnya adalah merancang dan membuat perangkat lunak yang akan digunakan untuk menjalankan modul pendukung dalam penelitian. Langkah berikutnya adalah melakukan pengujian pada tiap modul pendukung serta pengujian sistem secara keseluruhan. Langkah terakhir adalah pembuatan laporan.

Studi Literatur

Studi literatur dalam penelitian ini meliputi studi kepustakaan dan penelitian laboratorium.Dengan cara ini penulis berusaha untuk mendapatkan dan mengumpulkan data-data, informasi, konsep-konsep yang bersifat teoritis dari buku bahan-bahan kuliah dan referensi dari internet yang berkaitan dengan permasalahan. Antara lain Wireless Sensor

Network (WSN), komunikasi serial

asynchronous (UART), komunikasi serial synchronous (I2C), modul komunikasi wireless

(3)

Perancangan Perangkat Keras

Langkah-langkah yang dilakukan dalam perancangan perangkat keras ditunjukkan pada gambar 3.3 berikut.

Gambar 3.3.Blok Diagram Langkah-langkah Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras dimulai dengan membuat rangkaian pemantau catu daya pada node 3. Langkah selanjutnya adalah konfigurasi modul yaitu menghubungkan beberapa modul antara lain, rangkaian pemantau catu daya, modul sensor gas MQ7 dan modul

wireless Xbee-Pro dengan modul minimum

sistem.

Perancangan Perangkat Lunak

Langkah-langkah yang dilakukan dalam perancangan perangkat lunak ditunjukkan pada gambar 3.9 berikut.

Gambar 3.5.Blok Diagram Langkah-langkah Perancangan Perangkat Lunak

Perancangan perangkat lunak dimulai dengan membuat protokol data yang berfungsi untuk membedakan data dari setiap node, kemudian membuat program modul WSNyang berisi program pembacaan sensor gas karbon monoksida sertaprogram komunikasi data agar sistem dapat berjalan sesuai dengan protokol komunikasi data.

Protokol Data

Satu paket data yang dikirimkan oleh setiap node menuju station pusat atau node

coordinator yang berisi data sensor MQ7 atau

data pemantau catu daya yang sebelumnya sudah ditambahkan header dan trailler. Gambar dibawah ini menunjukkan bentuk paket data pada masing-masing node sebelum digabung dengan paket data yang berasal dari

node lain.

Gambar 3.14.Bentuk Paket DataNode 1

Pada node 3 terdapat data pemantau catu daya dan data sensor MQ7 maka dalam paket data ditambahkan karakter-karakter pemisah. Gambar 3.16 menunjukkan bentuk paket data pada node 3.

Pada saat node 2 atau node 3 menerima data sensor yang berasal dari node 1 data tersebut akan dibentuk menjadi satu paket data sebelum data tersebut dikirim. Gambar 3.17 dan gambar 3.18 menunjukkan bentuk paket data pada node 2 dan node 3 setelah digabung dengan data sensor node 1.

Gambar 3.17.Pembentukan Paket Data

Node 2Dan Node 1

Gambar 3.18.Pembentukan Paket Data

Node 3Dan Node 1

Header dan tralier yang digunakan

untuk paket data pada setiap node tidak sama, hal ini bertujuan untuk membedakan data yang dikirimkan oleh masing-masingnode. Tabel 3.7 menunjukkan header dan trailler yang digunakan untuk paket data.

Tabel 3.7. Penggunaan Header Dan Trailler Pada Masing-MasingNode

Header Trailler Fungsi

Z X

Paket data sensor MQ7 node 1 (apabila

node 2 dalam

keadaan hidup)

Protokol Data Program

(4)

K E

Paket data sensor MQ7 node 1 (apabila

node 2 dalam

keadaan mati)

Q W Paket data sensor

MQ7 node 2

H R Paket data sensor

MQ7 node 3

Sebelum pengiriman paket data antar

node, bagian pengiriman data akan menunggu request data atau ACK dari node yang ada

diatasnya, serta saat aktifasi setiap node akan mengirimkan sebuah karakter ASCII ke node lain yang terhubung yang bertujuan sebagai penanda bahwa node tersebut dalam kondisi aktif dan siap berkomunikasi. Untuk mengetahui hal tersebut dikirimkan beberapa karakter ASCII seperti yang ditunjukkan pada tabel 3.8.

Tabel 3.8.Penggunaan Karakter ASCII Karakter

ASCII Fungsi

! Requset data atau ack dari node

coordinator menuju node 2

@ Requset data atau ack dari node

coordinator menuju node 3

# Requset data atau ack dari node 2menuju node 1 $ Requset data atau ack dari node

3menuju node 1 % Kode aktifasi dari node 3

^ Kode aktifasi dari node 2 & Kode aktifasi dari node 1

Program Modul WSN

Program mikrokontroler dibuat agar peralatan bisa berjalan sesuai dengan sistem yang diinginkan. Langkah ini dimulai dengan membuat diagram alir yang mewakili sistem kerja peralatan secara global. Pada penelitian iniprogram mikrokontroler dibagi menjadi 4(empat) bagian yang terdapat pada masing-masing node.

A. Program Mikrokontoler Node 1

Pada program mikrokontroler node 1 hal pertama yang dilakukan adalah mengambil data sensor gas karbon monoksida kemudian dilakukan pembentukan paket data. Setelah data terbentuk node 1 akan mengunggu data ack

terdapat data ack mikrokontroler akan mengirimkan paket data menuju node yang memberikan data ack. Gambar 3.19 menunjukkan digram alir program mikrokontoler node 1. Diagram alir ini mewakili sistem kerja peralatan node 1 secara global. START Inisialisasi Data Sensor MQ7 Pengambilan Data Sensor Pembentukan Paket Data Terima Data Data ACK

Kirim Paket Data Y

Y T

T

Gambar 3.19.Diagram Alir Program Mikrokontroler Node 1

B. Program Mikrokontoler Node 2

Pada program mikrokontroler node 2 hal pertama yang dilakukan adalah mengambil data sensor gas MQ7 kemudian dilakukan pembentukan paket data. Setelah data terbentuk

node 2 akan mengunggu data ack yang berasal

dari node coordinator. Jika terdapat data input ack mikrokontroler juga akan mengirimkan data ack ke node 1, apabila menerima paket data dari

node 1 mikrokontroler akan mengirimkan paket

data node 2 dan paket data dari node 1 menuju

node coordinator secara bergantian. Apabila node 1 terdeteksi dalam keadaan tidak aktif,

maka node 2 hanya mengirimkan paket datanya sendiri menuju node coordinator. Gambar 3.23 menunjukkan digram alir program mikrokontoler node 2. Diagram alir ini mewakili sistem kerja peralatan node 2 secara

(5)

C. Program Mikrokontoler Node 3

Pada program mikrokontroler node 3 hal pertama yang dilakukan adalah mengambil data sensor gas MQ7 dan data pemantau catu daya kemudian dilakukan pembentukan paket data. Setelah paket data terbentuk node 3 akan menunggu data ack yang berasal dari node

coordinator. Jika terdapat data ack mikrokontroler juga akan mengirimkan data ack ke node 1apabila node 2 dalam keadaan tidak aktif, jika menerima paket data dari node 1 mikrokontroler akan melakukan penggabungan paket data node 3 dan paket data dari node 1 kemudian dikirim menuju node coordinator. Apabila node 1 terdeteksi dalam keadaan tidak aktif,node 3 hanya mengirimkan paket datanya sendiri ke node coordinator. Gambar 3.28 menunjukkan diagram alir program mikrokontoler node 2. Diagram alir ini mewakili sistem kerja peralatan node 3 secara global.

D. Program

Mikrokontoler

Node

Coordinator

Pada program mikrokontroler

nodecoordinator hal pertama yang dilakukan

adalah mengirimkan request data atau ack ke

node yang ada dibawahnya yaitu node 2 dan node 3. Setelah mengirimkan data ack

mikrokontroler node coordinator akan menunggu data input yang masuk melalui Xbee-Pro Rx, apabila tidak ada data input maka mikrokontroler akan mengirimkan kembali

request data atau ack ke node 2 dan node 3. Jika

terdapat data input dari Xbee-Pro Rx,

mikrokontroler akan menyeleksi paket data tersebut kemudian dibentuk kembali paket data berdasarkan header dan trailler yang berasal dari masing-masing node yang selanjutnya akan dikirimkan mennuju personal computer.

Gambar 3.33 menunjukkan diagram alir program mikrokontoler node coordinator. Diagram alir ini mewakili sistem kerja peralatan

(6)

Gambar 3.33.Diagram Alir Program Mikrokontroler Node Coordinator

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian Minimum Sistem

Hasil pengujian pengiriman data dari minimum sistem Melalui Xbee-Pro pada masing-masing node ditunjukkan pada tabel 4.1.

Tabel 4.1. Hasil Pengiriman Data dari Minimum Sistem ke Komputer

Melalui Xbee-Pro pada Masing-Masing Node

Node Ke-

Pengiriman Data Minimum Sistem ke Komputer Melalui

Xbee-Pro

1 Berhasil

2 Berhasil

3 Berhasil

Coordinator Berhasil

Gambar 4.1. Tampilan Penerimaan Data pada Terminal CV AVR

Data yang dikirim minimum sistem

yang sudah ditambahi header dan trailler. Data tersebut dikirimkan oleh mikrokontroler secara berulang setiap 0,5 detik sesuai dengan perintah dari program yang diberikan.

Modul Sensor Gas Karbon Monoksida

Hasil pengujian sensor gas karbon monoksida ditunjukkan pada tabel 4.4.

Tabel 4.4.Hasil Pengujian Sensor Gas Karbon Monoksida Tiap Node

Node

ke-

Pengambilan Data Sensor Gas Karbon Monoksida

1 Berhasil

2 Berhasil

3 Berhasil

Gambar 4.7. Grafik Perubahan Nilai Sensor Sebelum Mendapatkan Gas Buang Motor

Gambar 4.8. Grafik Perubahan Nilai Sensor Setelah Mendapatkan Gas Buang Motor

Sensor MQ7 telah berhasil mendeteksi gas karbon monoksida seperti yang ditunjukkan pada indikator keberhasilan tabel 3.6. Pada gambar 4.7 nilai respon sensor terhadap kandungan gas karbon monoksida tidak mengalami perbedaan nilai yang terlalu besar, hal ini dikarenakan sensor belum mendapatkan gas buang dari kendaraan bermotor. Sedangkan pada gambar 4.8 nilai respon sensor terhadap kandungan gas karbon monoksida mengalami kenaikan yang signifikan setelah mendapatkan

R es p o n V al u e Time (s) Time (s) R es p o n V al u e Time (s)

(7)

gas buang motor meskipun letak sensor masih dijaukan dari gas buang motor. Saat sensor semakin didekatkan dengan gas buang motor nilai respon sensor terhadap kandungan gas karbon monoksida mengalami kenaikan yang signifikan, dan kemudian mengalami penurunan saat dijaukan kembali dari gas buang motor

Program Mikrokontroler Tiap Node

Hasil pengujian program mikrokontoler tiap node ditunjukkan pada tabel 4.5 berikut.

Tabel 4.5.Hasil Pengujian Program Mikrokontroler Tiap Node

Gambar 4.9.Hasil Pengujian Program Mikrokontroler Node 1

Gambar 4.10.Hasil Pengujian Program Mikrokontroler Node 2

Gambar 4.11. Hasil Pengujian Program Mikrokontroler Node 3

Pengiriman data dari modul node menuju komputer telah dapat dilakukan tanpa mengalami kegagalan.Data yang dikirim masing-masing node merupakan data nilai yang dihasilkan sensor gas karbon monoksida yang sudah ditambahi header dan trailer. Nilai yang dihasilkan oleh rangkaian pemantau catu daya yang dikirim oleh node 3 dapat diterima oleh

personal computer dengan rata-rata error

sebesar 0,03%.

Dari pengujian yang dilakukakan program aplikasi pendukung pada tiap node dapat berjalan dengan baik. Modul minimum sistem telah dapat bekerja dengan modul

wireless Xbee-Pro, modul sensor gas karbon

monoksida dan rangkaian pemantau catu daya. Data yang dihasilkan sensor gas karbon monoksida dapat di tampilkan pada LCD dan dikirimkan ke personal computer melalui

wireless Xbee-Pro seperti yang ditunjukkan

pada gambar 4.9, gambar 4.10 dan gambar 4.11.

PengujianJarak Akses Xbee-Pro

Hasil pengujian jarak akses XBee-Proditunjukkan pada tabel 4.6dan 4.7 berikut.

Tabel 4.6. Hasil Pengujian Jarak akses XBee-Pro Antar Node

Tabel 4.7. Hasil Pengujian Jarak Akses Maksimal XBee-Pro

(8)

Jarak akses antar node dalam penelitian ini adalah 50m dengan kondisi LOS. Total jarak akses maksimal node yang dapat dijangkau dalam keseluruhan node adalah 100m dengan kondisi LOS seperti yang ditunjukkan pada tabel 4.6 dan tabel 4.7.

Pengujian Keseluruhan Sistem

Hasil pengujian keseluruhan sistem dapat dilihat pada tabel 4.8 berikut.

Tabel 4.8. Proses Aliran Data Keseluruhan Sistem

Data yang dihasilkan oleh sensor gas karbon monoksida yang dikirim oleh masing-masing node menuju node coordinator dapat berjalan sesuai dengan protokol komunikasi dan topologi yang diberikan. Saat kondisi semua

node dalam keadaan aktif nilai respon sensor

MQ-7 terhadap kandungan gas karbon monoksida yang dihasilkan oleh node 1 akan dikirim menuju node 2, kemudian node 2 akan mengirimkan data tersebut menuju node

coordinator. Apabila node 2 dalam keadaan

tidak aktif terhadap backup jalur komunikasi data, data yang berasal dari node 1 akan dikirim menuju node coordinator melalui node 3 seperti yang ditunjukkan pada tabel 4.10.

Dari pengujian yang dilakukan pada sub bab 3.3.4 menjelaskan bahwa pengujian keseluruhan sistem dapat berjalan dengan baik seperti yang ditunjukkan pada indikator keberhasilan tabel 3.8. Data sensor gas karbon monoksida yang dikirimkan oleh masing-masing node sesuai dengan protokol komunikasi yang telah diberikan.

KESIMPULAN

Kesimpulan dari penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Komunikasi nirkabel dengan topologi tree telah berjalan sesuai dengan protokol komunikasi yang dibuat. Hal ini ditunjukkan dengan adanya backup jalur komunikasi data apabila salah satu node mengalami kegagalan sistem.

2. Jarak maksimal yang dapat dijangkau untuk pengiriman data pada masing-masing node adalah 50m. Dengan menerapkan topologi

tree, jarak maksimal yang dapat dijangkau

oleh keseluruhan sistem adalah 100m. 3. Program mikrokontroler untuk membaca

nilai yang dihasilkan oleh sensor gas karbon monoksida berhasil diaplikasikan. Hal ini ditunjukkan dengan adanya perubahan nilai yang ditampilkan pada LCD.

4. Program mikrokontroler untuk rangkaian pemantau catu daya telah berhasil diaplikasikan. Hal ini ditunjukkan dengan indikator LED yang bekerja sesuai dengan kondisi tegangan power supply yang diberikan, serta mampu mengirim informasi tersebut menuju personal computer dengan rata-rata error sebesar 0,03.

DAFTAR PUSTAKA

Mittal, R., Bathia, M.P.S. 2010. Wireless Sensor

Networks for Monitoring the Environmental Activities. IEEE Journals.

Hill, R. Szewczyk, A. Woo, S. Hollar, D. Culler, and K. Pister. 2000. System

Architecture Directions for Networked Sensors. ASPLOS.

Jason L. H. 2003. System Architecture for

Wireless Sensor Networks.

Dissertation. University of California Berkeley. United State of America. ATMEL Corporation. 2005, ATmega8,

(Online). (http://www.atmel.com , diakses 15 Maret 2013 ).

Digi International. 2009. XBee®/XBee-PRO®RF Modules. Minnesota, USA.

Hanwei Electronics. MQ-7 Semiconductor

Sensor for Carbon Monoxide.

Zhengzhou, China.

Ismail, M., Sanavullah, M. Y. 2010. Security

Topology In Wireless Sensor Networks With Routing Optimisation. IEEE

(9)

Wardhana, Wisnu Arya. 1999. Dampak Pencemaran Lingkungan. Yogyakarta:

Andi Yogyakarta.

Sugiarti. 2010. Gas Pencemar Udara Dan

Pengaruhnya Bagi Kesehatan Manusia. Chemica Jurnal.

Kurniawan, Agus. 2010. Mengenal Wireless

Sensor Network. Jakarta: PCMedia.

Musbikhin, 2011, Komunikasi Serial pada

8051, (online). http://www.musbikhin.com/komunikas i-serial-pada-8051, diakses 15 Maret 2014.

Andrianto, Heri. 2008.

PemrogramanMikrokontroler AVR ATmega16 menggunakan Bahasa C CodeVision AVR. Bandung : Informatika.

Santosa, Insap. 1996. Komunikasi Data. Yogyakarta: Andi Yogyakarta.

Susilo, Deddy. 2010. 48 Jam Kupas Tuntas

Mikrokontroler MCS51&AVR.

Yogyakarta: Andi yogyakarta.

Tanutama, Lucas. 1989. Komunikasi Data. Jakarta: Elex Media Computindo.

E, I. M., Sugiarto, B., & Sakti, I. 2009. Rancang

Bangun Sistem Monitoring Kualitas Udara Menggunakan Teknologi Wireless Sensor Network (WSN).