TUGAS AKHIR - TE 091399
IMPLEMENTASI PROTOKOL AD-HOC PADA WSN MODULE UNTUK SHMS PADA JEMBATAN BENTANG PANJANG Moh Zainal Arifin
NRP 2210100098 Dosen Pembimbing
Eko Setijadi, ST. MT. Ph.D. Ir. Gatot Kusrahardjo, MT. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2014
FINAL PROJECT - TE 091399
AD-HOC NETWORK PROTOKOL IMPLEMENTATION ON WSN MODULE DOR SHMS ON LONG SPANS BRIDGE Moh Zainal Arifin
NRP 2210100098 Dosen Pembimbing
Eko Setijadi, ST. MT. Ph.D. Ir. Gatot Kusrahardjo, MT.
DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINERING Fakulty of Industrial Technology
Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2014
IMPLEMENTASI PROTOKOL AD-HOC PADA WSN
MODULE UNTUK SHMS PADA JEMBATAN
BENTANG PANJANG
Moh Zainal Arifin 2210 100 098
Dosen Pembimbing I : Eko Setijadi, ST. MT. Ph.D.
Dosen Pembimbing II : Ir. Gatot Kusrahardjo, MT.
Abstrak :
Wireless sensor network dengan menggunakan protokol ad-hoc
untuk aplikasi SHMS pada jembatan bentang panjang telah dirancang, dan diintegrasikan antar node sensornya. Node sensor digolongkan menjadi tiga kategori yaitu end device, router, dan coordinator. End
device memiliki tugas untuk memaket data dari pembacaan sensor dan
mengirimnya ke node router. Node router memiliki dua tugas memaket data dari hasil pembacaan sensor dan melakukan forwarding untuk paket yang diterima dari node lain. Node coordinator bertugas untuk menerima paket-paket dari router yang kemudian dikumpulkan pada komputer yang terhubung dengan coordinator. Implementasi protokol
ad-hoc pada modul WSN dapat diimplementasikan dengan menentukan node-node router yang akan dituju kedalam program yang akan
dimuatkan pada perangkat mikrokontroler. Unjuk kerja dari perangkat yang telah diintegrasikan menunjukkan troughtput 1612,796 bps, paket
loss 62,083%, dan delay ent-to-end 1,556701 detik.
Kata kunci : ad-hoc, coordinator, end device, mikrokontroler, router
AD-HOC NETWORK PROTOKOL
IMPLEMENTATION ON WSN MODULE DOR SHMS
ON LONG SPANS BRIDGE
Moh Zainal Arifin 2210 100 098
Dosen Pembimbing I : Eko Setijadi, ST. MT. Ph.D. Dosen Pembimbing II : Ir. Gatot Kusrahardjo, MT.
Abstract :
Wireless sensor networks using ad-hoc protocols for SHMS applications on long-span bridge has been designed, and integrated between the sensor nodes. Sensor nodes are classified into three categories, namely end devices, routers, and coordinator. End devices have a duty to paketing data from the sensor and sends it to the router nodes. Node router has two tasks, it is paketing data from the sensor and forward packets received from other nodes. Coordinator node in charge of receiving packets from router which is then collected on a computer connected to the coordinator. Implementation of the protocol on ad-hoc WSN modules can be implemented by specifying the router nodes that will be addressed will be loaded into the program on a microcontroller device. Performance of devices that have integrated show troughtput 1612,796 bps, 62.083% packet loss, delay and ent-to-end 1.556701 second.
Keyword : ad-hoc, coordinator, end device, mikrokontroler, router SHMS, wireless sensor network.
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT tuhan semesta alam dan atas segala rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul :
IMPLEMENTASI PROTOKOL AD-HOC PADA WSN MODULE UNTUK SHMS PADA JEMBATAN BENTANG PANJANG Tugas akhir ini merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi dalam menyelesaikan pendidikan di Jurusan Teknik Elektro ITS. Terimakasih juga penulis ucapkan kepada :
1. Kedua orang tua dari penulis bapak Samsi dan ibu Alimah sebagai orang terdekat dari penulis, dan sebagai orang yang selalu memberi dukungan pada penulis dalam pengerjaan tugas akhir.
2. Kedua dosen pembimbing bapak Eko Setijadi, ST. MT. Ph.D dan bapak Ir. Gatot Kusrahardjo, MT. yang telah telaten selama satu semester membimbing dan mengarahkan penulis dalam pengerjaan tugas akhir ini.
3. Ketua Jurusan Teknik Elektro bapak Dr. Tri Arief Sardjono, ST. MT. dan segenap jajaran dosen yang telah memberikan bekal ilmu dalam perkuliahan.
4. Kepala Laboratorium Jaringan Telekomunikasi bapak Dr. Istas Pratomo, ST. MT. dan teman-teman bidang studi Telekomunikasi Multimedia, Adi Pandu, Syaldy K. A, mas Sirojudin, mas Alvin, mas In’am, M Nur Farchani, Nasrul, Della, Anisa dan teman-teman lainnya yang memberikan dukungan kepada penulis untuk menyelesaikan tugas akhir. Sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan. Meskipun masih jauh dari kata sempurna dan masih banyak hal yang perlu diperbaiki.
Surabaya, Juli 2014 Penulis
DAFTAR ISI
Halaman Judul ... i
Pernyataan Keaslian Tugas Akhir ... iii
Halaman Pengesahan ... v
Abstrak ... vii
Abstack ... ix
Kata Pengantar ... xi
Daftar Isi ... xiii
Daftar Gambar ... xv
Daftar Tabel ... xvii
Bab I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 2 1.3 Batasan Masalah ... 2 1.4 Tujuan ... 3 1.5 Metodologi Penelitian ... 3 1.6 Sistematika Penulisan ... 4 1.7 Relevansi ... 4
Bab II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Wireless Sensor Network (WSN) ... 5
2.2 Structural Health Monitoring System (SHMS) ... 6
2.3 Wireless Sensor Network untuk SHMS pada Jembatan ... 7
2.4 Ad- Hoc ... 8
2.4.1 Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV) ... 9
2.5 Bagian Sensing ... 10 2.5.1 Arduino... 10 2.5.1.1 Arduino Due... 10 2.6 Perangkat Wireless ... 11 2.6.1 X-CTU ... 12 2.6.2 Xbee ... 14
2.7 Teori Pengukuran Unjuk Kerja Jaringan ... 15
Bab III METODE PENELITIAN ... 17
3.2 Pembuatan Perangkat Keras ... 21
3.3 Integrasi Perangkat Node ... 23
3.4 Perancangan dan Pembuatan Node Penerima ... 25
3.5 Integrasi antar Node ... 26
3.6 Pengukuran Kerja Sistem ... 29
3.7 Peformansi dan Analisa Wireless Sensor Network... 30
Bab IV PENGUJIAN DAN ANALISA ... 33
4.1 Implementasi Sensor Node ... 33
4.2 Pengujuian Sistem ... 35
4.2.1 Penampil Keluaran Informasi Node ... 35
4.2.2 Pengujian Jangkauan Xbee ... 37
4.2.3 Pengujian Keluaran Node Router ... 38
4.2.3.1 Pengujian Keluaran Node Router R ... 40
4.2.3.2 Pengujian Keluaran Node Router P ... 48
4.2.4 Pengujian Keluaran Node Coordinator ... 56
4.2.5 Pengujian Delay Sistem ... 61
4.3 Analisa Hasil Pengukuran ... 64
Bab V PENUTUP ... 67 5.1 Kesimpulan ... 67 5.2 Saran ... 68 Daftar Pustaka ... 69 Lampiran ... 71 Riwayat Penulis ... 95
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Arsitektur wireless sensor network ... 5
Gambar 2.2 Arsitektur wireless sensor network ... 7
Gambar 2.3 Multi-hop ad-hoc network dengan pilihan koneksi melalui jaringan fix ... 8
Gambar 2.4 Jaringan multi-hop ad-hoc skala besar ... 9
Gambar 2.5 Komunikasi unicast ... 9
Gambar 2.6 Ardino Due ... 11
Gambar 2.7 Arsiterktur ZigbeeTM ... 12
Gambar 2.8 Tampilan dari program X-CTU ... 13
Gambar 2.9 Modul Xbee Pro Series 1 ... 15
Gambar 3.1 Diagram alir pengerjaan tugas akhir (a) start hingga integrasi penyusun node (b) integrasi antar node ... 18
Gambar 3.2 Bagian tugas akhir yang dikerjakan pada aplikasi structural health montoring system pada jembatan ... 19
Gambar 3.3 Arsitektur akuisisi data Wireless Sensor Network untuk monitoring kesehatan jembatan ... 20
Gambar 3.4 Accelerometer tipe MMA 7361 ... 21
Gambar 3.5 Arduino Due ... 22
Gambar 3.6 Format paket yang keluar dari node ... 22
Gambar 3.7 Aliran data dari sensor hingga Xbee ... 23
Gambar 3.8 Skenario kerja perangkat pada node router ... 24
Gambar 3.9 Proses akuisisi data dari node coordinator ... 25
Gambar 3.10 Topologi jaringan WSN untuk ad-hoc ... 26
Gambar 3.11 Diagram alir kerja end device ... 27
Gambar 3.12 Diagram alir kerja router node(a) start sampai paketing data dari sensor (b) paketing data hingga selesai ... 29
Gambar 3.13 Topologi pengukuran ... 30
Gambar 4.1 Bentuk fisik sensor node ... 33
Gambar 4.2 Susunan sensor node ... 34
Gambar 4.3 Susunan coordinator node ... 34
Gambar 4.4 Kotak node dengan antena ... 35
Gambar 4.5 Penampil keluaran node (a) tampilan aplikasi arduino (b) window serial monitoring ... 36
Gambar 4.6 Window MySQL ... 37
Gambar 4.7 Posisi peletakan node pengujian jangkauan ... 38
Gambar 4.8 Penyusunan posisi node di lapangan futsal indoor Pertamina ... 39
Gambar 4.9 Skema pengambilan data pada node router ... 40
Ganbar 4.10 Screen shot deretan paket ... 40
Gambar 4.11 Grafik Pengukuran pada node router R ... 47
Gambar 4.12 Grafik Pengukuran pada node router P ... 55
Gambar 4.13 Penyusunan posisi node pada pengukuran coordinator 57 Gambar 4.14 Komputer yang terhubung langsung dengan node end device (a) dan node coordinator (b)... 62
Gambar 4.15 Grafik delay paket masuk ... 63
Gambar 4.16 Screen shoot database pada saat diterima paket dengan delay 10 detik ... 66
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Perlakuan mikrokontroler ... 25
Tabel 4.1 Pengukuran pertama node router R ... 41
Tabel 4.2 Pengukuran kedua node router R ... 42
Tabel 4.3 Pengukuran ketiga node router R ... 44
Tabel 4.4 Pengukuran keempat node router R ... 45
Tabel 4.5 Paket loss node router R ... 47
Tabel 4.6 Pengukuran pertama node router P ... 48
Tabel 4.7 Pengukuran kedua node router P... 49
Tabel 4.8 Pengukuran ketiga node router P ... 51
Tabel 4.9 Pengukuran keempat node router P... 52
Tabel 4.10 Pengukuran kelima node router P ... 53
Tabel 4.11 Lanjutan tabel 4.10 ... 54
Tabel 4.12 Paket loss node router P ... 56
Tabel 4.13 Jumlah paket yang akan diterima node coordinator dalam kondisi tanpa loss ... 57
Tabel 4.14 Rekapitulasi pengumpulan data node coordinator ... 58
Tabel 4.15 Hasil perbandingan data pecobaan dan desain ... 59
Tabel 4.16 Troughtput berdasarkan jenis paket (a) Percobaan 1, (b) Percobaan 2, (c) Percobaan 3, (d) Percobaan 4 ... 10
Tabel 4.17 Perbandingan hasil pengukuran dan desain ... 64
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar BelakangJembatan merupakan salah satu infrastruktur yang vital bagi perkembagan kegiatan sosial dan ekonomi suatu daerah. Dalam segi sosial dan ekonomi jembatan berperan dalam pengembangan suatu daerah yang sedikit tertinggal dengan menghubugkan dengan daerah lain yang lebih modern dari segi sosial maupun ekonomi. Karena jembatan dapat mempermudah akses trasportasi antara dua daerah tersebut, dan juga mengurangi biaya transportasinya. Dan kita ketahui bersama, seiring berjalannya waktu jembatan akan bertambah usianya. Dan hal tersebut menyebabkan jembatan semakin membutuhan pemeliharaa yang rutin, rehabilitas dan perbaikan agar tidak terjadi kerusakan yang berdampak buruk. Kerusakan infrastruktur pada jembatan pada umumnya terjadi dengan frekuensi dan waktu yang tidak dapat dikendalikan meski jembatan tersebut didesain dapat beroprasi dengan life time yang telah ditentukan.
Kerusakan infrastruktur pada jembatan yang tertimbun akibat tidak ada perawatan yang terjadwal akan memerlukan biaya yang tinggi. Hal tersebut akan berpengaruh terhadap kemampuan fisik dari jembatan, untuk memperhitungkan kemampuan fisik tersebut diperlukan penialaian terhadap kondisi dari jembatan. Penilaaian tersebut perlu dilakukan secara terus menerus agar dapat ditentukan suatu tindakan rasional dari hasil penilaian tersebut. Hal inilah yang merupakan tantangan bagi para ahli kontruksi.
Peristiwa runtuhnya jembatan Kutai Kertanegara pada 26 November 2011 merupakan kejadian yang menunjukkan betapa pentingnya akan pemantauan dan pemeliharaan yang terjadwal pada suatu jembatan. Peristiwa pada jembatan Kutai Kertanegara tersebut disebabkan oleh adanya beban yang melebihi batas yanng melewati jembatan tersebut[1]. Peristiwa tersebut mungkin dapat dihindarai apabila pihak yang bersangkutan menerapkan suatu sistem dengan teknologi yang mampu memantau kondisi jembatan seperti yang telah diterapkan dinegara-negara maju. Teknologi tersebut adalah Bridges Structural Health Monitoring System. Degan menggunakan sistem ini jembatan dapat dipantau dari ruang monitorig yang menerima data secara aktual dan real time yang di ambil oleh sensor-sensor yang
2
terpasang pada jembatan. Kemudian dari data yang didapat tersebut dapat digunakan oleh para ahli kotruksi unntuk megambil kesimpulan untuk mencegah terjadinya hal yang berakibat fatal[2].
Dalam implementasi Bridges Structural Health Monitoring memerlukan banyak kabel yang menghubungkan sensor-sensor yang terpasang pada titik-titik tertetu di jembatan. Hal ini tentu saja memiliki tingkat kesulitan dan dibutuhkan ketelitian yang tingggi dalam instalasi perangkat dan pemeliharaannya[3]. Berdasarkan studi instalasi kabel tersebut memerlukan 25% dari anggaran implementasi seluruh sistem Bridges Structural Health Monitoring, dan memerlukan 75% dari waktu total instalasi keseluruhan sistem[4]. Sehingga salah satu solusi yang menawarkan solusi dari masalah tersebut adalah dengan menggunakan jaringan sensor nirkabel pada node-node sensornya, sehingga tidak terlalu disibukkan oleh terlalu banyak kabel.
Dalam tugas akhir ini jarigan sensor nirkabel yang terpasang melakukan transmisi data yang terbaca oleh sensor dengan mennggunakan protokol ad-hoc. Sehinga data-data yang dikirim dari node sebelumnya sudah dikemas dalam paket-paket data yang didalamnya terdapat informasi alamat node pengirim agar ketika digabung dengan paket data dari node lain saat transmisi data dapat diketahui asal paket data yang di terima oleh server.
1.2 Perumusan Masalah
Masalah yang dibahas dalam Tugas Ahir ini adalah :
1. Bagaimana mengimplementasikan protokol ad-hoc pada modul Wireless Sensor Network (WSN).
2. Bagaimana memodifikasi protokol pengiriman data ketika ada node yang berstatus tidak aktif pada aplikasi SHMS.
1.3 Batasan Masalah
Agar diperoleh hasil yang baik dan sesuai yang diharapkan serta tidak menyimpang dari permasalahan, maka penulis membatasi masalah sebagai berikuta:
1. Menggunakan sensor berupa accelerometer sebagai sensor pengambil data yang kemudian dikirimkan melalui protokol ad-hoc.
2. Routing dari protokol ad-hoc yang digunakan merupakan dynamic routing dengan node-node yang fix.
3
4. Pada penelitian ini tidak membahas adanya rugi-rugi propagasi kanal yang berpengaruh pada komunikasi data yang terjadi pada perangkat.
1.4 Tujuan
Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk mengimplementasikan sistem monitoring kesehatan jembatan dengan menggunakan wireless sensor network. Dimana wireless sensor network tersebut melakukan komunikasi dengan menggunakan protokol ad-hoc.
1.5 Metodologi Penelitian
Metode penelitian yang digunakan untuk menyelesaikan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Studi literatur
Studi literatur merupakan tahap persiapan dari pengerjaan tugas akhir. Pada tahap ini dilakukan penggalian informasi dari berbagai sumber, seperti dari jurnal-jurnal terkait, internet, tugas akhir sebelumnya, dan dari buku.
2. Perancangan sistem
Pada tahap ini dirancang skenario dari sistem yang dibangun secara umum yang menunjukkan alur kerja dari masing-masing komponen sistem.
3. Perancang perangkat keras
Pada tahap ini dilakukan lakukan pemilihan perangkat keras dan perakitan perangkat keras agar perangkat keras dapat mendukung skenario kerja yang telah ditentukan.
4. Pembuatan program perangkat
Tahap ini melakukan coding untuk perangkat keras yang digunakan agar dapat melakukan perintah-perintah yang sesuai dengan yang diinginkan oleh sistem.
5. Pengujian
Pada tahap ini dilakukan uji kerja dari perangkat yang telah terintegrasi untuk mencoba mengambil data dari keadaan nyata yang diamati.
6. Analisa data
Pada analisa data ini dilakukan pengamatan dan analisa dari data yang diperoleh saat pengujian yang bertujuan untuk memudahkan menarik kesimpulan.
4
Menarik suatu kesimpulan setelah melakukan analisa data. Dan hasil dari kesimpulan tersebut dapat dijadikan referensi untuk melakukan penelitian selanjutnya.
1.6 Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ini disusun dengan sistematika penulisan sebagai berikut.
BAB I PEDAHULUAN
Pada bab ini menguraikan tentang latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, metodologi penelitian, relevansi, dan tujuan dari Tugas Akhir.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini diterangkan tentang teori-teori dasar yang mendukung pengimplementasian dari sistem yang sedang dibangun.
BAB III PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM
Pada bab ini diterangkan tentang perancangann dan implementasi dari sistem. Mulai dari langkah perancangan perangkat keras, coding untuk perangkat kerana, sampai dengan integrasi antar perangkat keras.
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA DATA
Pada bab ini dilakukan pengambilan data dari sistem yang telah dibuat, kemudian dilakukan analisa dari data yang telah diperoleh sehingga dapat memudahkan melakukan penarikan kesimpulan.
BAB V PENUTUP
Pada bab ini berisi tentang kesimpulan, dan saran berdasarkan yang telah dilakukan dalam pengerjaan tugas akhir ini.
1.7 Relevansi
Hasil yang didapat dari tugas akhir ini diharapkan dapat memberi mafaat sebagai berikut :
1. Menjadi solusi dalam implementasi Structural Health Monitoring System pada jembtan bentang panjang yang menggunakan modul WSN dengan protokol ad-hoc.
5 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Wireless Sensor Network (WSN)
Jaringan sensor network (Wireless Sensor Network, WSN) merupakan salah satu teknologi yang sedang berkembang. Dalam teknologi ini sistem pada jaringan terdiri dari beberapa bagian yang mengkonsumsi daya rendah dan memiliki CPU atau prosesor kecil dan memory pada tiap nodenya.
Wireless sensor network tersusun dari sekelompok sensor cerdas yang dapat merasakan (sensing), memproses dan berkomunikasi. Jika jumlahnya dikembangkan akan menjadi sebuah jaringan yang dapat dimanfaatkan untuk aplikasi monitoring terhadap suatu keadaan fisik pada permukaan bumi secara kolektif.
Gambar 2.1 Arsitektur wireless sensor network
Sensor network juga merupakan multi disiplin bidang ilmu, yang di dalamnya terdapat radio, jeringan, pemrosesan sinyal, database management, arsitektur sistem untuk operasi administrasi, optimalisasi daya, dan multi platform teknologi.
Wireless sensor network pertama kali dikembangkan untuk keperluan militer sebagai sistem kontrol, komunikasi, intelejen, pengawasan, pengintaian, dan sistem pentargetan di medan perang. Kemudian seiring dengan berkembangnya teknologi elektronik dan telekomunikasi, wireless sensor network berkembang juga ke
aplikasi-6
aplikasi yang lebih luas seperti aplikasi pada bidang lingkungan, perumahan, kesehatan, dan industri.
Aplikasi dan protokol untuk sistem ini akan sangat didukung dengan adanya internet, kemajuan teknologi komunikasi wireless dan wireline, perkembangan dalam bidang IT seperti prosesor berdaya rendah, digital signal processing, dan grid computing.
Wireless sensor network memiliki karakteristik yang unik, keterbatasan daya akibat daya yang bersumber dari baterai terbatas, akuisisi data yang berlebihan, dan aliran dari banyak node ke satu titik. Konsekuensinya adalah memerlukan metode baru untuk mendesain jaringan untuk memenuhi kebutuhan tersebut, akan tetapi tetap tidak membatasi untuk transport informasi, operasional dan managemen jaringan, dan integritasnya. Pada intinya wireless sensor network adalah jaringan yang bertugas untuk mengirim informasi dari node-nodenya untuk dikumpulkan pada satu titik.
2.2 Structural Health Monitoring System (SHMS)
Pemantauan kesehatan bangunan merupakan teknologi yang dibutuhkan untuk mengetahui kondisi fisik dari sebuah bangunan. Sehingga dapat menyimpulkan kondisi fisik dari suatu bangunan dalam hal ini jembatan diperlukan penilaian yang obyektif dan terus menerus terhadap bangunan tersebut.
SHMS ini sendiri merupakan bidang baru yang mendeteksi kerusakan dengan metode pengujian yang tidak merusak. Teknologi ini dapat dapat menambah umur dari layanan bangunan karena penurunan kemampuan dan kerusakan yang telah teridentifikasi lebih awal sebelum terjadinya kerusakan yang lebih parah. Selain itu, manfaat dari hasil identifikasi yang awal tersebut adalah penekanan pada biyaya perbaikan. Oleh karena itu, perbaikan dilakukan lebih dini sehingga biaya perbaikanpun dapat ditekan. Tujuan utama dari SHMS sendiri adalah
1. Menjamin kemanan dari struktur yang diamati.
2. Meperoleh perancangan pemeliharaan struktur yang lebih dini dan ekonomis.
3. Mencapai pekerjaan yang pemeliharaan yang aman dan ekonomis.
4. Mengidentifikasi penyebab respon yang tidak dapat diterima.
7
2.3 Wireless Sensor Network untuk SHMS pada Jembatan
Aplikasi wireless sensor network untuk structural health monitoring system pada jembatan digunakan untuk melakukan penilaian terhadap kondisi jembatan. Node sensor untuk aplikasi ini biasanya dilengkapi dengan sensor-sensor yang digunakan untuk melakukan pengindraan berupa getaran, ketegangan (strain), kelembaban, korosi, dan beberapa kondisi lain yang berpengaruh terhadap kondisi jembatan.
Topologi dari wireless sensor network dapat dilihat pada Gambar 2.2. Pada gambar tersebut terlihat jaringan terbentuk dari dua kelompok jaringan. Yang pertama merupakan jaringan sensor yang terpasang pada jembatan, dan bagian base station sebagai tempat terminasi akhir dari data. Jaringan pada jembatan bertugas melakukan sensing dan mengirim hasil sensing.
8 2.4 Ad-hoc
Jaringan ad-hoc terbentuk saat perangkat computing bergerak membutuhkan networking sedangkan infrastruktur dari jaringan fix tidak tersedia. Ad-hoc dapat terbentuk dari beberapa perangkat yang saling berkomunikasi yang tujuannya adalah untuk memperluas jangkauan dari perangkat wireless. Seperti pada jaringan wireless multi-hop ad-hoc yang terbentuk dari kelompok mobile user yang tersebar pada daerah tertentu. Perangakat tersebut biasa disebut dengan node, tiap node tersebut dilengkapi dengan radio transceiver sehingga dapat berkomunikasi dengan node lain.
Gambar 2.3 Multy-hop ad-hoc network dengan pilihan koneksi melalui jaringan fix
Komunikasi pada tidak membutuhkan central base station. Karena setiap node saling berkerja sama untuk membantu node yang mengirim informasi dengan tujuan tertentu agar dapat sampai ke tujuan dengan cara saling meneruskan informasinya kepada tetangga-tetangganya begitu juga dengan tetangganya hingga sampai pada tujuan.
9
Gambar 2.4 Jaringan multi-hop ad-hoc skala besar 2.4.1 Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV)
Ad-hoc on-demand distance vector adalah salah satu protokol routing pada jaringan ad-hoc. Pada protokol ini menawarkan adaptasi yang cepat terhadap dynamic link, pemrosesan memori yang ringan, penggunaan jaringan rendah, dan dapat mengirim data secara unicast kepada node-node yang bisa dijangkau pada jaringan ad-hoc
.
Gambar 2.5 Komunikasi unicast
Protokol Ad-hoc on-demand distance vector menyimpan informasi route table dari next-hop untuk node tujuannya. Dari informasi ini dapat digunakan untuk komunikasi selanjutnya dengan kondisi link yang tersedia sama. Tabel routing akan diperbarui ketika ada perubahan jalur dalam komunikasinya karena kondisi dari node yang tersedia.
10
Konsep routing pada protokol ad-hoc ini adalah setiap node tidak memiliki kemampuan untuk mengetahui routing dari paket yang dikirimkan. Setiap node pada jaringan ad-hoc dengan protokol routing ini hanya mengetahaui route tabel untuk next hop atau node tetangganya saja. Sehingga dia hanya menjamin kesuksesan komunikasi untuk next hop.
2.5 Bagian Sensing
Sensing merupakan satu titik yang berperan untuk mengumpulkan data hasil pengindraan dari sensor. Data-data yang di dapat dari sensor tersebut kemudian diolah oleh mikrokontroler untuk dapat di komunikasikan pada jaringan.
Pada bagian sensing terdapat beberapa perangat utama yang menyusunnya. Seperti mikrokontroler sebagai ADC dari hasil pembacaan sensor. Selain itu mikrokontroler juga berperan untuk packeting dari data yang akan di kirimkan. Perangkat mikrokontroler yang digunakan adalah arduino due.
2.5.1 Arduino
Arduino merupakan mikrokontroler dari platform prototype elektronik open-source. Arduino dapat mengetahui keadaan lingkungan dari input yang diterima baik berupa data dari sensor dan dapat memberikan controling pada actuators.
Mikrokontroler pada arduino dapat diprogram dengan menggunakan bahasa pemrogaman Arduino yang berbasis pada wiring. Dan untuk pengembangan dari environment yang berbasis dari pemrogaman terhadap arduino sendiri.
Untuk dapat memprogram arduino diperlukan sebuah software yang khusus yang dapat diunduh secara gratis dari internet. Software tersebut merupakan software untuk pemrogaman arduino yang bertujuan untuk memberi kemudahan dalam pemrogaman dari mikrokontroler dalam arduino. Software tersebut sudah dalam bentuk grapical user interface (GUI) sehingga kita bisa menuliskan secara langsung program dan langsung me-load program ke dalam arduino.
2.5.1.1 Arduino Due
Arduino Due adalah board mikrokontroler yang berbasis pada Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU. Arduino Due merupakan board pertama yang berbasis 32-bit ARM core mikrokontroler. Arduino Due
11
juga memiliki 52 pin input atau output digital, dengan 12 diantaranya dapat digunakan untuk output PWM, 12 input analog, 4 UARTs, dengan clock 84 MHz, apu berkoneksi menggunaka USB OTG, memiliki 2 DAC (digital to analog), 2 TWI, sebuah jek power, sebuah SPI, sebuah JTAG, sebuah tombo reset dan tombol erase.
Gambar 2.6 Arduino Due 2.6 Perangkat Wireless
Perangkat wireless adalah bagian yang berfungsi untuk berkomunikasi antar node dari sensor. Perangkat wireless menggunakan protokol ZigbeeTM. ZigbeeTM merupakan salah satu protokol jaringan
wireless yang didesain oleh zigbee Aliance. Pada ptotokol ini memiliki empat layer yaitu layer fisik, layer network, layer aplikasi, dan layer keamanan yang berdasar pada standart IEEE 802.15.4. Keunggulan dari ZigbeeTM adalah dari bentuk fisiknya yang minimalis dan propagasinya
yang mudah. ZigbeeTM sendiri merupakan produk yang didesain untuk
melakukan komunikasi jarak dekat, yaitu hanya dengan jarak komunikasi sekitar 50 meter sampai 100 meter dengan kecepatan 250 kbps.
Dengan jarak komunikasi yang pendek dan kecepatan yang rendah, zigbee memang sengaja dirancang untuk melakukan komunikasi yang tidak membutuhkan kecepatan tinggi, misalnya untuk pengiriman informasi dari sensor. Hal ini juga mendukung untuk komunikasi dari jaringan yang meiliki banyak node.
Seperti yang telah diuraikan diatas, ZigbeeTM dirancang sesuai
12
Gambar 2.6 yang menunjukkan arsitektur dari ZigbeeTM. Keunggulan
lain dari ZigbeeTM adalah membutuhkan daya komunikasi yang sangat
rendah, dan kompleksitas yang rendah juga.
Gambar 2.7 Arsiterktur ZigbeeTM
ZigbeeTM sendiri dapat diseting untuk pengalamatan untuk dirinya
sendiri dengan menggunakan software dari Digi X-CTU. Beberapa keuntungan yang bisa diperoleh dari penggunaan ZigbeeTM adalah
sebagai berikut :
1. Low duty cycle – sehingga lebih hemat penggunaan baterai. 2. Low latency.
3. Mendukung untuk topologi multiple network : static, dynamic, star, dan mesh.
4. Dapat menangani jaringan dengan jumlah node banyak, hingga 64.000 node.
5. Dapat mengindikasikan kualitas link. 2.6.1 X-CTU
X-CTU adalah aplikasi berbasis pada windows yang disediakan oleh DigiTM. Program ini didesain untuk berinteraksi dengan file firmware
yang terdapat pada produk RF DigiTM dan juga mempermudah
penggunaan dengan grapical user interface (GUI).
X-CTU didesain didesain dapat dioperasikan dengan segala jenis komputer yang berbasis windows. X-CTU sendri dapat didownload dari website DigiTM atau dari CD intsalernya.
13
Fasilitas yang terdapat pada X-CTU selain memudahkan untuk setting modul Xbee juga dapat menampilkan data yang dikirim dan diterima dari komunikasi Xbee. Pada X-CTU terdapat kolom untuk mengirim data, dan kolom dari data yang diterima dan dikirim.
Pada X-CTU untuk setting modul Xbee dapat dilakukan dengan mudah. Karena kita dapatmemasukkan secara langsung parameter-parameter yang akan kita gunakan. Ada beberapa parameter-parameter yang perlu kita atur untuk Xbee yang akan di gunakan agar dapat berkomunikasi sesuai dengan yang di inginkan. Paramaeter tersebut adalah :
MY, merupakan parameter yang menunjukkan alamat dari modul RF.
DL (destinatio address low), merupakan alamat tujuan dari modul RF tersebut.
CH (chanel), merupakan pemilihan chanel dimana komunikasi dilakukan oleh modul RF.
ID (PAN ID), merupakan alamat dari Personal Area Network (PAN) ID dari modul RF.
14 2.6.2 Xbee
Xbee adalah wireless transceiver yang menggunakan protokol IEEE 802.15.4, yang dikenal sebagai Low-Rate, Wireless Personal Area Network (LRWPAN). Untuk komunikasi dan kontrol pada wireless sensor network hal yang perlu diperhatikan adalah :
∙ Clear Chanel Assesment (CCA) : sebelum mengirim, Xbee mengidentifikasi jika frequency yang dipilih sedang sibuk.
∙ Addressing : Xbee memiliki 2 pilihan addressing yaitu, 64-bit serial number (MAC address) yang tidak dapat diubah, dan 16-bit pemberian address yang akan kita gunakan yang menyediakan lebih dari 64000 address pada jaringan
∙ Error Checking and Acknowledgements : Xbee digunakan untuk mengecek kesalahan
Transceiver Xbee/Xbee-Pro adalah transceiver yang dapat mendukung standart ZigbeeTM dalam penggunaannya. Xbee sendiri
memiliki dua mode operasi :
1. Transparent serial port mode, yaitu pengiriman data dari sensor ke modul Xbee melalui port serial, kemudian Xbee mengirimkan data tresebut ke modul Xbee lainnya secara wireless.
2. Packet mode, yaitu pengiriman pesan ke modul Xbee itu sendiri. Terdapat dua macam mode paket, yaitu paket IO dan paket comand.
Komunikasi Xbee/Xbee-Pro ke host device melalui sebuah logic-level asynchronous serial port. Melalui serial port ini, modul dapat berkomunikasi dengan beberapa logic, atau melalui sebuah level translator ke beberapa perangkat serial.
Networking pada Xbee memiliki kemampuan untuk mengirim data pada alamat-alamat yang telah ditentukan. Karena pada Xbee dapat diatur dengan alamat-alamat yang berbeda pada tiap-tiap modul Xbee. Dari pengalamatan tersebut memungkinkan data dikirim hanya kesebuah modul, atau ke kelompok modul.
15
Gambar 2.9 Modul Xbee Pro Series 1
Xbee sendiri memiliki beberapa jenis. Pada penelitian kali ini yang diginakan adalah Xbee Pro Series 1. Xbee tipe ini mampu berkomunikasi memenuhi untuk komunikasi dengan mode point-to-point, dan point-to-multy point.
2.7 Teori Pengukuran Unjuk Kerja Jaringan
Pengukuran unjuk kerja jaringan dapat dilakukan dengan menghitung nilai dari beberapa parameter. Parameter tersebut diantaranya adalah troughput, packet loss, dan delay end-to-end.
Troughput adalah jumlah data per unit waktu yang dikirimkan ke terminal tertentu dalam suatu jaringan, dari node jaringan, atau dari satu node ke node lain melalui node komunikasi. Troughput biasanya diukur dalam satuan bit per detik atau bps. Sistem troughtput atau agregate troughput adalah jumlah dari kecepatan data yang dikirim kesemua terminal dalam sebuah jaringan. Troughput maksimum sebuah node atau link komunikasi didefinisikan sebagai troughput asimtotik ketika beban sangat besar. Troughput maksimum juga didefinisikan sebagai beban dalam satuan bps pada kondisi pengiriman asimtotik mencapai nilai tak hingga.
Troughput juga didefinisikan sebagai bandwidth aktual yang terukur pada unit waktu tertentu. Selain troughput, bandwidth juga memiliki satuan yang sama (bps). Yang membedakan dari troughput yaitu lebih kearah menggambarkan bandwidth yang sebenarnya pada waktu tertentu dalam jaringan. Beberapa faktor yang dapat mempengaruhi troughput adalah :
a) Perangkat pada jaringan b) Tipe data yang ditransfer c) Topologi jaringan
16
Umunnya transmisi data pada jaringan tidak ditransmisikan sekaligus. Data-data yang akan ditransmisikan dipecah-pecah menjadi beberapa paket data. Paket data tersebut akan disatukan kembali saat sampai di penerima. Pada saat transmisi, ada kemungkinan paket tersebut hilang, dan hal inilah yang disebut packet loss. Packet loss didefinisikan sebagai kegagalan transmisi pada paet untuk mencapai tujuannya. Kegagalan terebut dapat disebabkan oleh beberapa kemungkinan seperti terjadinya overload trafik dalam jaringan, error pada media fisik, kegagalan pada sisi penerima yang disebabkan overflow pada buffer. Secara matematis packet loss dapat dituliskan dengan persamaan :
Packet loss node =
x 100% (2.1)
End-to-end delay adalah selang waktu yang diperlukan dari data yang dikirim dari end device hingga mencapai coordinator. Faktor-faktor yang mempengaruhi end-to-end delay adalah waktu untuk menemukan route pada jaringan, adanya delay pada eksekusi dari data yang masuk ke router, dan kondisi dari media tranmisi data. End-to-end delay di dapat nilainya dengan cara menghitung selisih waktu pengiriman data dan waktu saat data diterima di tujuan.
17
BAB III
METODE PENELITIAN
Bab ini merupakan bagian yang menjelaskan tentang bagaimana pengimplementasian protokol ad-hoc pada sensor node, bagaimana mikrokontroler mengolah data yang didapat dari sensor yang terhubung dengannya, serta integrasi dari beberapa bagian pada sensor node sehingga dapat bekerja sama menjadi satu kesatuan. Belum sampai di situ, pada bab ini juga membahas sekenario komunikasi antar node dengan kemampuan dari perangkat-perangkat yang digunaka pada masing-masing node. Berikut ini adalah gambar yang menunjukkan alur pengerjaan dari tugas akhir yang kami kerjakan.
18 (b)
Gambar 3.1 Diagram alir pengerjaan tugas akhir (a) start hingga integrasi penyusun node (b) integrasi antar node
Dalam sistem yang dirancang juga satu node yang berfungsi hanya untuk menerima data (coordinator node) dari node sensor secara wireless, kemudian meneruskan ke komputer melalui kabel serial. 3.1 Wireless Sensor Network untuk Aplikasi SHMS
Wireless sensor network untuk aplikasi monitoring jembatan bentang panjang dikelompokkan menjadi dua bagian. Yang pertama bagian base station yang merupakan tempat terminasi akhir dari data-data hasil pembacaan sensor dari node penyusun wireless sensor network. Pada bagian base station memungkinkan dijadikan balai monitoring dari jembatan. Karena pada base station dapat ditampilkan hasil pembacaan dari sensor node yang ter-instal di jembatan.
Bagian yang kedua adalah sensor node yang terpasang pada jembatan. Implementasi wireless sensor network dari keseluruhan sistem adalah pada bagian ini. Sensor node yang terpasang pada bagian-bagian
19
jembatan melakukan sensing dan kemudian mengirimkan hasilnya ke coordinator yang menjadi tempat terminasi pertama dari data-data hasil sensing. Kemudian dari coordinator data-data akan dikumpulkan pada satu gateway pusat dari jembatan yang kemudian diteruskan ke base station.
Komunikasi dari pada bagian wireless sensor network yang ter-intal pada jembatan menggunakan komunikasi yang mengkonsumsi daya rendah. Protokol yang dipilih untuk komunikasi berdaya rendah ini adalah potokol ZigbeeTM. Kemudian komunikasi dari coordinator ke
gateway pusat pada jembatan tidak harus menggunakan komunikasi yang mengkonsumsi daya rendah. Karena coordinator dapat diletakkan pada lokasi yang mudah dijangkau.
Gambar 3.2 Bagian tugas akhir yang dikerjakan pada aplikasi structural health montoring system pada jembatan
20
Susunan dari sistem WSN untuk aplikasi SHMS pada jembatan dapat dilihat pada Gambar 3.2. dan pada gambar tersebut juga ditunjukkan bagian yang akan dikerjakan pada tugas akhir ini. Pada tugas akhir ini akan melakukan implementasi satu kelompok sensor node yang didalamnya terdiri atas tiga jenis node penyusun yaitu end device, router , dan coordinator.
Peancangan node sensor pada monitoring jembatan bentag panjang ini meliputi beberapa pekerjaan utama, meliputi perancangan dan implementasi perangkat keras yang didalamnya berupa integrasi antar perangkat keras penyusun tiap node, integrasi antar node, hingga data dari hasil pembacaan dari sensor dapat dikomunikasikan ke pengelola data berupa komputer.
Secara umum kerja dari jaringan sensor ini adalah dengan pengumpulan data-data hasil pembacaan dari sensor pada tiap node yang kemudian dikomunikasikan secara ad-hoc dengan node lain hingga data tersebut sampai kebagian pengelola data.
Gambar 3.3 Arsitektur akuisisi data Wireless Sensor Network untuk monitoring kesehatan jembatan
Dari Gambar 3.2 digambarkan bahwa aliran data dari pembacaan sensor mengalir dari sisi kanan ke sisi kiri hingga sampai pada titik merah yang terhubung secara serial dengan komputer. Data dari node yang paling kanan diharapkan dapat dikomunikasikan secara ad-hoc melalui node-node disampingnya hingga sampai pada coordinator node. Untuk efisiensi sistem, satu paket data dari tiap node hanya akan ditranmisikan satu kali pada jaringan sensor tersebut. Sehinnga tidak ada paket ganda yang diterima oleh tiap router dan coordinator.
21 3.2 Pembuatan Perangkat Keras
Perangkat keras yang disusun pada tiap node merupakan beberapa produk jadi. Pada tiap node terdapat tiga perangkat utama berupa sensor, mikrokontroler, dan modul RF.
Sensor bertugas untuk pembacaan getaran dari jembatan. Pada penelitian kali ini sensor bertugas untuk merespon getaran dari jembatan. Sensor yang digunakan berupa sebuah accelerometer. Accelerometer yang digunakan adalah tipe MMA 7361. Accelerometer ini mampu mempresentasikan tiga sumbu gerakan pada sumbu X, Y, dan Z yang telah disesuikan dengan titik grafitasi bumi. Sensor ini memiliki switch range getaran yaitu ±2 g dan ±6 g, dimana g adalah satuan untuk percepatan grafitasi m/s2. Untuk penelitian ini kami
gunakan range terbesar yaitu ±6 g. Pada Gambar 3.3 berikut ini menunjukan bentuk dari acceleometer. Accelerometer dapat bekerja dengan dengan mikrokontroler perlu menghubungkan sembilan pin dari accelerometer ke mikrokontroler. Sembilan pin tersebut yaitu pin X, dilengkapi Vcc dan ground, Y dilengkapi Vcc dan ground, Z dilengkapi Vcc, dan ground
Gambar 3.4 Accelerometer tipe MMA 7361
Mikrokontroler yang digunakan adalah arduino due. Mikrokontroler disini berperan sebagai bagian pengolah data dari sensor sebelum ditransmisikan. Mikrokontroler berperan juga sebagai ADC (analog digital converter) dari data sensor. Arduino memiliki dua resolusi ADC yaitu 8 bit dengan range nilai digital 0 – 255, dan 16 bit dengan range nilai 0 – 65535. Untuk accelerometer sendiri kami menggunakan resolusi 16 bit sehingga didapat persamaan sebagai berikut.
22
(3.1)
Gambar 3.5 Arduino Due
Mikrokontroler disini juga berperan untuk memberikan catatan waktu dari hasil pembacaan sensor untuk informasi waktu pengambilan data sensor. Mikro kontroler juga bertugas untuk addresing untuk memberi informasi dari mana data berasal dan ditujukan kemana data tersebut. Agar dapat dikirim dengan format yang mudah mikrokontroler juga memberi start dan stop bit sebagai tanda awal dan akhir dari paket yang dikirim. Format paket yang dikirim dapat dilihat pada gambar Gambar 3.5.
Gambar 3.6 Format paket yang keluar dari node
Bagian ketiga adalah berupa modul RF untuk wireless komunikasinya. Modul RF yang diguanakan adalah Xbee Pro Series 1.
23
Modul ini adalah perangkat dengan protokol standart IEEE 802.15.4. Xbee Pro Series 1 memiliki kemampuan berkomunikasi secara point-to-point, dan point-to-multy point. Untuk mendukung komunikasi secara ad-hoc, modul ini diatur untuk melakukan komunikasi point-to-multy point. Dan untuk implementasi ad-hoc pada komunikasi antar node-nya memerlukan Xbee Pro Series 1 dibantu oleh miktokontroler untuk menentukan routing-nya. Pada dasarnya Xbee Pro Series 1 tidak dapat berkomunikasi secara ad-hoc langsung, karena tidak memiliki kemampuan untuk routing. Sehingga mikro kontroler kembali berperan untuk menentukan routing dari Xbee Pro Series 1.
3.3 Integrasi Perangkat Node
Perangkat-perangkat penyusun sensor mode terdiri dari tiga perangkat seperti yang telah disebutkan diatas. Perangkat-perangkat tersebut setelah diatur untuk menjalankan tugasnya masing-masing digabungkan menjadi satu sistem agar dapat bekerja sama untuk satu kesatuan rangkaian kerja.
Bagian yang paling berperan untuk sekenario dari kerja node adalah pada bagian mikrokontroler. Pada Gambar 3.6 digambarkan aliran data dari sensor sampai ke Xbee.
Bagian sensor hanya meneruskan hasil pengindraannya ke mikrokontroler, tidak ada feed back dari mikrokontroler untuk sensor. Data yang diterima dari sensor tersebut langsung diolah oleh mikrokontroler. Diolah hingga menjadi informasi digital yang merepresentasikan hasil pembacaan sensor.
24
Xbee berperan sebagai transceiver dari node. Xbee berinteraksi dengan mikrokontroler dengan dua mode yaitu transmiting dan forwarding. Xbee pada mode tranmiting berperan untuk mengirim data dari sensor agar dapat diterima secara wireless oleh node lain. Pada mode forwarding Xbee berperean untuk menerima paket data dari node lain dan kemudian masuk ke mickrokontroler untuk dieksekusi tindakan yang akan di ambil terhadap paket tersebut. Ada 3 kemungkinan tindakan yang akan ditentukan oleh mikrokontroler, yaitu mengirim ACK melalui Xbee, forwarding paket tersebut, dan dibiyarkan saja paket yang diterima tersebut. Aliran masuk dan keluar data dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Gambar 3.8 Skenario kerja perangkat pada node router Mikrokontroler berupa arduino due yang berperan sebagai eksekutor untuk kerja node. Interaksi dengan sensor dilakukan untuk mendapat data pembacaan sensor, yang kemudian di olah dijadikan paket dengan susunan paket seperti yang telah disebutkan diatas pada Gambar 3.5. Kemudian memerintahkan Xbee untuk transmit paket-paket yang telah diolah di arduino ke node lain.
Untuk interaksi mikrokontroler dan Xbee dikelompokkan menjadi dua. Yaitu menyediakan paket untuk ditransmitkan oleh Xbee dan menerima paket dai Xbee untuk menentukan eksekusi dari paket yang di terima tersebut. Seperti yang telah dijelaskan diatas, mikrokontroler akan menyediakan paket ACK untuk dikirim oleh Xbee dengan destination adress sama dengan node addres dari paket yang diterima. Pengecekan ACK ini bertujuan untuk mendukung terjadinya komunikasi secara ad-hoc karena modul RF tidak dapat diatur untuk ad-hoc langsung.
25
Ketika paket data yang diterima adalah paket data dengan destination address sama dengan address node-nya sendiri, kemudian dilanjutkan dengan forwarding paket tersebut ke node lain. Dan paket yang diterima tidak direspon saat mikrokontroler membaca paket data yang diterima memiliki destination address yang berbeda dengan address nodenya sendiri. Dan pada Tabel 3.1 berikut ini akan dituliskan perlakuan mikrokontroler terhadap data dari sensor dan yang diterima dari node lain.
Tabel 3.1 Perlakuan mikrokontroler Mikrokontroler
menerima data dari Perlakuan
Sensor Paketing untuk dikirim oleh Xbee
Xbee Cek destination address :
= node address - Kirim ACK
- Forwarding paket tersebut
≠ node address - Paketing data dari sensor untuk Xbee 3.4 Perancangan dan Pembuatan Node Penerima
Node penerima merupakan node yang langsung terhubung dengan komputer. Pada node ini terdapat modul RF (Xbee Pro Series 1) dan arduino. Node penerima hanya bertugas untuk meneruskannya seluruh paket yang diterimanya ke komputer langsung secara serial melalui kabel. Pada node ini tidak terjadi paketing, dan cek destination address.
26
Gambar 3.9 Proses akuisisi data dari node coordinator Mikrokontroler pada node penerima hanya sebagai pengelola data yang terintegrasi dengan aplikasi rekapitulasi data yang ada pada komputer. Program yang terdapat pada mikrokontroler dapat berkerja sama dengan aplikasi arduino pada window seial monitoring sebagai aplikasi yang merekap paket data yang diterima.
3.5 Integrasi Antar Node
Setelah node-node telah terintegrasi dengan perangkat-perangkat penyusunnya, langkah selanjutnya adalah mengintegrasikan node tersebut agar dapat berkomuikasi untuk untuk mengumpulkan data hasil pembacaan dari sensor agar dapat sampai pada komputer sebagai titik ahir data dari sensor. Tiap node pada wireless sensor network yang dibangun kali ini tujuannya adalah dapat berkounikasi secara ad-hoc. Untuk mewujudkan hal tersebut dimodelkan dengan topologi seperti Gambar 3.9.
27
Dari Gambar 3.9 dapat kita lihat bahwa secara umum node dibedakan menjadi tiga jenis yaitu sebagai end device, router, dan coordinator. Pada end device dan router dilengkapi dengan sensor accelerometer sebagai komponen yang bertugas melakukan sensing dari node.
End Device
End device merupakan node yang berada paling ujung dalam sistem. Node hanya memiliki satu tugas, yaitu meneruskan paket data dari pembacaan sensornya ke router. End device sendiri dapat memilih router untuk meneruskan paket datanya ke coordinator. End device mengirimkan paket datanya dengan destination address merupakan node address dari router. Jika diterima oleh router sesuai dengan destination address pada paket, router tersebut akan mengirim ACK kepada end device sebagai konfirmasi data telah diterima, dan end device akan mengirim melalui router untuk paket data selanjutnya. Jika end device tidak menerima ACK dari router, end device akan menigrim paket dengan destination address router lain. Jika router tersebut mengirimkan ACK end device melakukan seperti pada yang di urai diatas. ACK dari router ditunggu dalam kurun waktu 200ms sebelum end device melakukan pengiriman paket pada router lain.
28
Gambar 3.11 Diagram alir kerja end device Router
Router merupakan node-node yang berkerja ganda. Router melakukan dua pekerjaa tersebut secara bergantian. Pekerjaan yang dilakukan router adalah memaket dan mengirim data dari hasil pembacaan sensor ke router lain atau ke coordinator. Pekerjaan yang harus di tangani oleh router yang lain adalah meneruskan paket yang diterima dari end device.
29
Seperti end device, router juga dapat menentukan hop yang akan dipilih selanjutnya. Dengan langkah yang sama seperti dilakukan end device, router juga menunggu ACK dari reouter yang dituju untuk menentukan routingnya. Jika tidak menerima ACK, router juga mengirimkan paketnya ke router lain hingga ada router lain yang memberi ACK. Jika router langsung dapat berkomunikasi dengan coordinator, router lansung meneruskan paketnya ke coordinator tanpa menunggu ACK untuk mengirim paket-paket selanjutnya karena diangga router yang dapat menjangkau coordinator, paket datanya sudah pasti di terima coordinator meski tanpa ACK dari coordinator.
30 (b)
Gambar 3.12 Diagram alir kerja router node (a) start sampai paketing data dari sensor (b) paketing data hingga selesai
Coordinotor
Coordinator sebenarnya adalah node penerima. Sehingga coordinator hanya menerima data dari router yang berkomunikasi dengannya yang kemudian meneruskan data tersebut ke komputer. Coordinator seperti jembatan untuk data yang diterima dari router untuk masuk ke komputer.
3.6 Pengukuran Kerja Sistem
Untuk menganalisa kinerja dari sistem sebelumnya dilakukan pengukuran pada kondisi yang merepresentasikan pengimplementasian dari sistem yang dibuat. Wireless sensor network yang dibangun kali ini adalah diaplikasikan untuk memantau kondisi kesehatan jembatan bentang panjang. Pengukuran akan dilakukan pada jembatan Merr II C
31
Surabaya. Pada pengukuran ini akan dilakukan dengan menggunakan satu end device node, dua router node, dan sebuah coordinator node.
Gambar 3.13 Topologi pengukuran
Untuk dapat melakukan pengukuran tersebut sebelumnya perlu mengukur coverage area dari modul Xbee Pro Series 1. Untuk mengetahui coverage area dari modul RF dilakukan pengukuran di stadion ITS.
Dari pengukuran ini diharap coordinator dapat menerima paket dari tiga node lain (satu end device, dan dua router). Data yang diterima oleh coordinator dapat dijadikan acuan untuk penentuan delay dan throughput dari sistem. Data yang diterima akan direkap pada Microsoft Excel, data di Microsoft Excel tersebut akan ditaruh pada kolom-kolom tertentu sesuai dengan katergorinya. Dari data pada kolom tersebut akan dapat dibuat grafik untuk pembacaan tiga axist dari sensor. Memuungkinkan di tampilkan tiga grafik X axis dan waktu, Y axis dan waktu, dan Z axis dan waktu.
3.7 Performansi dan Analisa Wireless Sensor Network
Perhitungan unjuk kerja dan analisa dari sistem bertujuan untuk mengetahui kemampuan kerja dari sistem yang di bangun ini. Performansi yang dianalisa adalah delay dan throughput sistem.
Delay yang di analisa adalah end-to-end delay. End-to-end delay adalah waktu yang diperlukan oleh sebuah paket data yang dikirim dari
R
32
node asal hingga paket tersebut sampai pada coordinator. Secara matematis dapat dituliskan dengan persamaan berikut.
∆t = tt – t0 (3.2)
Dengan :
∆t = end-to-end delay tt = waktu terima
t0 = waktu kirim
Througput (bit/detik) adalah jumlah total bit data yang diterima per-detik. Througput dapat dihitung dari hasil pembagian totol paket data yang diterima dan durasi pengirimannya. Secara matemasis dituliskan sebagai berikut.
(bps)
(3.3)
Dengan : η = Troughput N = Paket data
𝞃 = Total waktu untuk transmisi
Packet loss merupakan parameter lain yang perlu untuk dihitung. Packet loss dapat mempresentasikan tingkat keandalan dari jaringan yang dibangun. Packet loss sendiri adalah persentase kegagalan transmisi paket untuk mencapai tujuannya. Kegagalan tersebut dapat disebabkan oleh beberapa hal misalnya tingginya trafik pada jaringan, kesalahan akibat media fisik (perangkat), dan kegagalan pada sisi penerima akibat banyaknya antrian data yang akan masuk.
33
BAB IV
PENGUJIAN DAN ANALISA DATA
Setelah melakukan perancangan dan pengintegrasian perangkat-perangkat untuk mendukung kerja sistem, yang selanjutnya dilakukan adalah pengujian kinerja dari keseluruhan perangkat tersebut. Metode pengujian yang dilakukan seperti yang telah dijelaskan pada bab tiga. Namun yang menjadi perbedaannya adalah pengujian dalam laporan ini tidak melakukan pengujian pada jembatan secara langsung. Pengujian dari perangkat dilakukan ditribun utara lapangan futsal indoor Pertamina ITS.
Pengujian yang dilakukan di lapangan futsal indoor Pertamina ITS ini adalah merupakan pengujian awal dari perangkat. Dari pengujian ini diharapkan mendapatkan data yang dapat menunjukan unjuk kerja komunikasi dari alat yang telah dibuat.
4.1 Implementasi Sensor Node
Sensor node secara fungsi dibagi menjadi dua jenis, dan sebuah coordinator sebagai terminasi awal kedua jenis sensor node tersebut. Secara bentuk kedua jenis sensor node memiliki bentuk dan perangkat penyusun yang sama. Keduanya hanya dibedakan berdasarkan fungsinya seperti yang telah dijelaskan pada bab tiga.
34
Kedua sensor node terdiri dari tiga perangkat utama yaitu arduino due, Accelerpmeter, Xbee Shield, dan modul Xbee Pro Series 1. Perangkat perangkat tersebut dapat dirangaki secara langsung dengan cara menancapkan pin male-female antar perangkat tersebut. Perangkat-perangkat penyusun sensor node memang merupakan produk yang dapat digunakan dan disusun secara mudah.
Gambar 4.2 Susunan sensor node
Satu bagian lain yang disebut dengan coordinator merupakan perangkat yang terusun dari dua perangkat utama saja. Perangkat penyusunnya adalah sebuah arduino due, Xbee shield, dan modul Xbee Pro Series 1. Karena node ini hanya bersifat menerima dan meneruskan ke komputer data yang diterima secara wireless dari sensor node.
35
Kemudian susunan perangkat tersebut dimasukkan kedalam sebuah kotak yang telah dilengkapi dengan antena. Fungsi dari kotak tersebut untuk melindungi perangkat penyusun node. Dan antena dhubungkan dengan Xbee Pro Series 1 sebagai modul RF dari node.
Gambar 4.4 Kotak node dengan antena 4.2 Pengujuian Sistem
Pengujian sistem adalah satu langkah untuk mengetahui kinerja dari sistem. Tentu saja pada pengujian sistem ini semua komponen sistem dapat melakukan perannya. Jika komponen-komponen telah melakukan perannya akan dilakukan pengambilan data dari masing-masing komponen untuk mengetahui kinerja dari masing kompone yang kemudian dapat dilakukan analisa keseluruhan terhadap kinerja sistem. 4.2.1 Penampil Keluaran Informasi Node
Untuk melakukan penilaian terhadap sistem yang telah dibangun, dilakukan pengambilan data untuk dijadikan sumber informasi melakukan analisa. Data yang diambil adalah berupa paket stream dari tiap-tiap sensor node. Data-data yang dikomunikasikan secara wireless tersebut diterima dengan cara menghubungkan sensor node menggunakan micro USB cable ke komputer, yang kemudian data yang keluaran dari node tersebut akan dapat dilihat dari serial monitoring pada aplikasi arduino.
Pada menu serial monitoring akan menunjukan keluaran dari node tersebut. Mulai dari paket data yang di olah dari sensor dan paket data
36
yang di-foward-kan dari node lain. Data yang tampil dari serial monitoring merupakan deretan paket yang belum terpisah-pisah berdasarkan jenis datanya. Untuk meisahkan data tersebut kedalam kolom berdasarkan jenis datanya dilakukan copy-paste secara manual dari serian monitoring ke Microsoft Excel yang kemudian dilakukan parsing berdasarkan simbol tertentu yang telah diatur saat paketing data pada sensor node.
(a)
(b)
Gambar 4.5 Penampil keluaran node (a) tampilan aplikasi arduino (b) window serial monitoring
37
MySQL adalah applikasi database yang dugunakan untuk melakukan pengukuran. Pengukuran yang menggunakan MySQL hanya dilkaukan pada pengukuran delay end-to-end dari sistem yang dibangunu ini. Karena dalam pengukuran delay endtoend -membutuhkan sinkronisasi waktu antara node end device dan coordinator. MySQL akan diatur untuk dapat menerima inputan dari kabel serial yang menghubungkan langsung antara komputer dan modul Xbee Pro Series 1.
Untuk dapat mengintegrasikan inputan MySQL dari serial perlu menyediakan program yang bisa menjembataninya. Program yang digunakan adalah program yang ditulis dan di-run pada aplikasi Python. Program python ini nanti akan menginisiasi port yang digunakan untuk masukan data ke MySQL.
Gambar 4.6 Window MySQL
Pada bagian aplikasi MySQL telah disiapkan dua kolom yang akan diisi data. Kolom pertama berisi deretan data yang diterima dari serial, dan yang lain adalah untuk memberi timestamp waktu data datang. 4.2.2 Pengujian Jangkauan Xbee
Pengumpulan data ini dilakukan pengumpulan data secara langsung. Paket-paket data yang dikirim oleh masing-masing node adalah berupa paket data lengkap yang didalamnya terdapat start paket, time tamp, alamat node, data dari pembacaan sensor (X-axist, Y-axist,dan Z-axist),
Kolom data
38
dan stop paket. Untuk mengetahui jangkauan dari modul Xbee dilakukan secara langsung saat awal akan memulai pengumpulan data dengan cara menyalakan node sensor dan kemudian node tersebut dijauhkan dari coordinator node hingga tidak dapat saling berkomunikasi.
Pengukuran jangkauan dilakukan di lapangan parkir mobil jurusan teknik elektro. Dari hasil pengukuran tersebut didapat jangkauan dari Xbee adalah ±50m. Posisi dari node terlihat seperti pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7 Posisi peletakan node pengujian jangkauan 4.2.3 Pengujian Keluaran Node Router
Dalam pengumpulan data dari sistem, dimulai dengan mengumpulkan informasi data yang keluar dari masing-masing node. pengumpulan data dimulai dari router. Pada router ini dilakukan beberapa kali pengulangan pengambilan data dengan durasi yang acak. Pada Ganbar 4.8 akan terlihat penyusunan node-node sensor agar dapat melakukan pengujian. Pada gambar tersebut komputer terhubung dengan coordinator untuk menentukan jangkauan antara end device dan coordinator.
39
Gambar 4.8 Penyusunan posisi node di lapangan futsal indoor Pertamina
Dalam pengukuran ini node diletakkan dengan parameter utama adalah jarak antara end devide dan coordinator tidak dapat saling berkomunikasi atau saling tidak dapat menjangkau satu sama lain. Kemudia diantara keduanya diletakkan dua buah node router yang befungsi sebagai jembatan komunikasi antara end device dan coordinator. Sehingga router berada pada posisi yang dapat menjangkau end device dan coordinator.
Untuk mendapat data dari router, node tersebut dihubungan dengan menggunakan kabel micro USB. Seperti terlihat pada Gambar 4.9. Dengan menyusun seperti kondisi tersebut akan dapat diamati paket yang keluar dari router.
40
Gambar 4.9 Skema pengambilan data pada node router Paket paket data yang terbaca pada komputer akan langsung tampil pada serial monitoring. Secara teori paket yang keluar ada tiga jenis data, yaitu paket data dari node sendiri, paket data dari node lain, dak ACK. Namun pada kenyataannya akan ada paket error seperti pada Gambar 4.10 berikut.
Ganbar 4.10 Screen shot deretan paket
Gambar 4.10 menunjukan paket data yang ditampilkan pada serial monitoring aplikasi arduino. Dan pada gambar tersebut terlihat empat jenis paket yang keluar pada router.
4.2.3.1 Pengujian Keluaran Node Router R
Pada pengukuran ini diatur sampling rate dari masing-masing node adalah lima paket per detik. Dari beberapa kali pengambilan data didapatkan data dengan hasil rekapitulasi pada Tabel 4.1.
41 Tabel 4.1 Pengukuran pertama node router R
Paket Panjang Paket Jumlah Byte Durasi pengambilan data (s) 36
Paket dari pembacaan sensor Node 132 36 4752
Paket Ack dikirim Node 7 1 7
Paket di Forward Node Benar 2 36 72
Rusak 7 36 252
Total paket 141 - -
Total byte - - 5083
Keluaran Paket Node (paket/detik) 3,916666667 Keluaran Byte Node (byte/detik) 141,1944444
Paket difoward (paket/detik) 0,25 Paket Benar di Forward (paket/detik) 0,194444444
Dari rekap data Tabel 4.1 tersebut jika dibandingkan dengan sampling rate dan hasil pengukuran di node didapat penguraian sebagai berikut. Pengaturan node :
Sampling rate : 5 paket/detik Paket dari sensor : 5 paket/detik Paket di-forward : 5 paket/detik
Total keluaran paket dari node : Paket dari sensor + Paket di-forward
=10 paket/detik
Hasil rekap data :
Keluaran paket dari node : 3,916666667 paket/detik Paket berhasil di-forward : 0,25 paket/detik
Paket berhasil di-forward dan tidak rusak : 0,194444444 paket/detik Troughput = 141,1944444 x 8 = 1129,55555 bps
Dari kondisi ideal dan dari uji kerja alat didapat persentasi paket yang hilang dari alat adalah sebagai berikut :
42
Packet loss node =
x 100%
= x 100% = 60,83333%
Loss di-forward =
x 100%
=
x 100% = 95%
Paket di-forward tidak rusak =
x 100%
=
x100% = 96,12%
Selanjutnya dilakukan pengumpulan data dari router R kembali. Dari pengambilan data pada langkah kedua ini didapat hasil rekapitulasi data dari node tersebut seperti yang ditampilkan pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Pengukuran kedua node router R
Paket Panjang Paket Jumlah Byte Durasi pengambilan data (s) 19
Paket dari pembacaan sensor Node 47 36 1692
Paket Ack dikirim Node 7 1 7
Paket di Forward Node Benar 2 36 72
Rusak 5 36 180
Total paket 61 - -
Total byte - - 1951
Keluaran Paket Node (paket/detik) 3,210526316 Keluaran Byte Node (byte/detik) 102,6842105 Paket difoward (paket/detik) 0,368421053 Paket Benar di Forward (paket/detik) 0,263157895
43
Dari rekap data Tabel 4.2 tersebut jika dibandingkan dengan sampling rate dan hasil pengukuran di node didapat penguraian sebagai berikut. Pengaturan node :
Sampling rate : 5 paket/detik Paket dari sensor : 5 paket/detik Paket di-forward : 5 paket/detik
Total keluaran paket dari node : Paket dari sensor + Paket di-forward
=10 paket/detik
Hasil rekap data :
Keluaran paket dari node : 3,210526316 paket/detik Paket berhasil di-forward : 0,368421053 paket/detik
Paket berhasil di-forward dan tidak rusak : 0,263157895 paket/detik Troughput = 102,6842105 x 8 = 821, 473684 bps
Dari kondisi ideal dan dari uji kerja alat didapat persentasi paket yang hilang dari alat adalah sebagai berikut :
Packet loss node =
x 100%
= x 100% = 67,8947%
Loss di-forward =
x 100%
=
x 100% = 92,6315%
Paket di-forward tidak rusak =
x 100%
=
x 100% = 94,73%
Kemudian dilanjutkan pengupulan data dari router R kembali. Dari pengambilan data pada langkah ketiga ini didapat hasil rekapitulasi data dari node tersebut seperti yang ditampilkan pada Tabel 4.3.
