Fakultas Ilmu Komputer
Universitas Brawijaya
2705
Implementasi Routing Static Pada Wireless Sensor Network Menggunakan
Modul Komunikasi LoRA
Nuril Huda1, Primantara Hari Trisnawan2, Rakhmadhany Primananda3
Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya Email: 1nurilhuda7337@gmail.com, 2prima@ub.ac.id, 3rakhmadhany@ub.ac.id
Abstrak
Dalam teknologi Wireless sensor network (WSN), dibutuhkan perangkat atau alat yang dapat mendukung jaringan nirkabel pada WSN salah satunya adalah LoRa. Perangkat tersebut merupakan teknologi komunikasi nirkabel yang dapat digunakan dengan jarak yang jauh dan memiliki konsumsi daya rendah, itu juga yang menjadikan digunakan LoRa pada penelitian ini. Secara default, masih ada masalah dengan perangkat ini yaitu LoRa berkomunikasi satu sama lain secara langsung hanya dalam satu hop. Untuk mengatasi masalah tersebut akan diterapkan protokol routing didalamnya sehingga memungkinkan penerapannya bisa secara multi-hop. Adapun protocol routing yang digunakan yaitu routing static, karena efisien jika diterapkan pada jaringan bersekala kecil dan beban proses pada routing tersebut lebih kecil. Hasil dari pengujian kinerja berdasarkan tiga parameter uji yang sudah ditetapkan yaitu Association Time, Packet Delivery Ratio (PDR) Request, dan Packet Delivery Ratio (PDR) Response. Nilai dari association time tertinggi berada pada saat mengirimkan ke node sensor 4 yang merupakan node terjauh dengan nilai association time 0,614 detik, dikarenakan untuk menuju node tersebut perlu melalui 2 node lainnya. Kemudian pada pengujian PDR resquest nilai persentase tertinggi sebesar 8%. Yang terakhir pengujian PDR response didapat hasil nilai paling rendah sebesar 92%. Dari data diatas dapat disimpulkan, banyaknya jumlah node yang dilewati menjadikan kinerja dari sistem berkurang.
Kata kunci: Wireless Sensor Network, Arduino Nano, LoRa, multi-hop, Routing Static
Abstract
In Wireless sensor network (WSN) technology, devices or devices that can support wireless networks in WSN are needed, one of which is LoRa. The device is a wireless communication technology that can be used over long distances and has a low power consumption using the radio spectrum in its communication. By default, there is still a problem with these devices that is LoRa communicate with each other directly in just one hop. To overcome this problem routing protocols will be implemented in it to enable multi-hop application. The routing protocol used is static routing, because it is efficient when applied to small scale networks and the processing load on the routing is smaller. The results of performance testing are based on three predetermined test parameters namely Association Time, Packet Loss, and Packet Delivery Ratio (PDR). The value of the highest association time is when sending to sensor node 4 which is the furthest node with an association time value of 0.614 seconds, because to go to that node needs to go through 2 other nodes. Then in the Packet Loss test the highest percentage value is 8%. The last test Packet Delivery Ratio obtained the lowest value of 92%. From the above data it can be concluded, the large number of nodes that are traversed makes the performance of the system reduced.
Keywords: Wireless Sensor Network, Arduino Nano, LoRa, multi-hop, Routing Static
1. PENDAHULUAN
Wireless sensor network (WSN) secara umum dapat diartikan sebagai jaringan dari
beberapa node yang dapat melakukan komputasi, mengumpulkan data dan komunikasi sehingga dapat mengamati dan memberikan reaksi terhadap kejadian pada sebuah lingkungan tertentu (Sohraby, et al., 2007). Node yang
digunakan diletakkan pada titik yang telah ditentukan sesuai topologi yang ada sehingga tetap berada pada tempatnya. Dalam teknologi WSN, agar proses komunikasi dan pengumpulan data pada node sensor dapat berjalan secara maksimal, dibutuhkan suatu perangkat yang dapat mendukung salah satunya adalah LoRa.
LoRa merupakan teknologi komunikasi nirkabel yang dapat digunakan dengan jarak yang jauh dan memiliki konsumsi daya rendah dengan menggunakan spektrum radio (Wixted, et al., 2016). Dengan pengaturan yang tepat dan kondisi lingkungan yang mendukung seperti pedesaan dengan jumlah penduduk dan gangguan yang sedikit, LoRa dapat mengakomodasi jarak hingga mencapai lebih dari 1 Km (Susanto, et al., 2018). LoRa memiliki kekurangan pada perangkat tersebut. Seperti LoRa yang penerapannya masih sebatas single-hop di mana komunikasinya hanya terjadi pada dua perangkat saja, yaitu dari node asal langsung mengirimkan ke node tujuan (Lundell, et al., 2018). Untuk mengatasi masalah tersebut akan diterapkan protokol routing didalamnya sehingga memungkinkan penerapannya bisa secara multi-hop. Adapun protocol routing yang digunakan yaitu routing static karena pada penelitian ini dalam penerapannya menggunakan jaringan bersekala kecil dan tempatnya menetap, maka digunakan jenis routing ini yang nantinya untuk diimplementasikan pada perangkat LoRa.
Routing static merupakan salah satu jenis routing yang dalam menemukan informasi tentang jaringan yang dituju dilakukan konfigurasi secara manual oleh admin atau pengelola jaringan (Ihsan, 2017). Routing ini dalam pengisian tabel routing serta penentuan jalur secara spesifik dilakukan oleh admin jaringan, sehingga menjadikan jenis routing ini cocok pada jaringan bersekala kecil dan tidak berpindah-pindah, serta karena pada jenis routing penentuan jalur sudah dilakukan admin jaringan sehingga tidak perlu mengirimkan informasi tabel routing saat mengirimkan paket, menjadikan kinerja dari perangkat yang meng implementasikan jenis routing ini lebih ringan (Ballew, 2001).
Pada penelitian yang akan dilakukan, perangkat LoRa dihubungkan dengan Arduino Nano sebagai mikrokontrollernya sehingga nantinya dapat diprogram routing static di dalamnya. Arduino Nano dipilih sebagai mikrokontrolernya karena memiliki harga yang cukup terjangkau dan mudah ditemukan. Dari
latar belakang yang telah dijelaskan akan
dilakukan penelitian untuk
mengimplementasikan multi-hop pada LoRa dengan menggunakan jenis routing static sebagai mekanisme untuk menemukan jalur yang dituju secara tepat yang diterapkan pada teknologi wireless sensor network.
2. KAJIAN PUSTAKA
Pada penelitian terdahulu yang dilakukan oleh Wixted A.J et al, dengan judul “Evaluation of LoRa and LoRaWAN for Wireless Sensor Networks”. Pada penelitian tersebut menjelaskan tentang kinerja dan performa dari penggunaan LoRa pada wireless sensor network. Dari penelitian tersebut didapat hasil jika penggunaan LoRa wireless dapat menjangkau area atau lingkungan yang dianggap sulit dijangkau sinyal komunikasi. Juga didapat hasil jika penggunaan LoRa dapat menjangkau area yang cukup jauh (Wixted, et al., 2016).
Penelitian lain pada tahun 2017, Chun-Hao Liao. et al melakukan penelitian pada jurnalnya yang berjudul “Multi-hop LoRa Networks Enabled by Concurrent Transmission” pada jurnal tersebut peneliti mencoba untuk membangun suatu jaringan multi-hop yang efisien dengan memiliki cakupan area yang luas dan menggunakan daya yang rendah. Pada penelitian tersebut digunakan teknologi LoRa yang dapat memberikan cakupan area yang luas diluar ruangan hingga beberapa kilometer dan menggunakan concurrent transmission (CT), yang merupakan sebuah protokol multi-hop yang bisa secara signifikan dapat meningkatkan efisiensi jaringan (Liao, et al., 2017).
Terdapat juga penelitian yang dilakukan oleh Lundell, et al. dengan judul “A Routing Protocol for LoRA Mesh Networks”. Pada penelitian tersebut pada perangkat LoRa diterapkan sebuah protokol routing baru, protokol tersebut berdasarkan dari kombinasi protokol AODV dan HWMP. Dari penelitian tersebut didapat hasil jika perangkat LoRa dapat bekomunikasi secara multi-hop. Tetapi, protokol yang digunakan tersebut masih belum memiliki fitur yang lengkap. Pada penelitian itu untuk mengatasi kegagalan rute seperti kesalahan rute masih belum disajikan (Lundell, et al., 2018).
4.1. Perancangan Sistem
Sistem yang akan dibuat ditanamkan disteiap perangkat node gateway dan node sensor. Gambaran secara umum sistem yang dibuat dengan memperlihatkan penempatan perangkat serta alur komunikasinya diperlihatkan pada Gambar 1
.
Pada Gambar 1 menunjukkan sistem yang akan dibuat, tersusun dari 5 node yang dibagi menjadi 2 komponen utama yaitu satu sebagai node gateway dan empat sisanya sebagai node sensor, kedua node tersebut memiliki peranan yang berbeda-beda. Node gateway dapat melakukan request data ke node sensor secara langsung maupun dengan melewati node sensor lainnya yang berada di tetangganya dengan jalur yang sudah ditentukan, dengan membawa ID dari node gateway dan ID dari node tujuannya. Sedangkan node sensor dapat melakukan pengiriman pesan balasan dari pesan request yang dilakukan node gateway dengan menambahkan data sensor berupa data dummy yang dihasilkan dari fungsi random. Selain itu node sensor juga dapat meneruskan pesan request maupun response jika pesan yang ditujukan bukan untuknya. Gambar 3.1 juga menunjukkan jika kelima node tersebut tersusun dari 2 perangkat yaitu Arduino Nano dan modul LoRa Ra-02. Arduino Nano yang merupakan sebuah microkontroler yang berfungsi sebagai penyimpan kode program serta melakukan komputasi. Terdapat juga modul LoRa Ra-02 memiliki fungsi sebagai perangkat yang dapat melakukan komunikasi data antar node
4.2. Perancangan Node Gateway
Pada penelitian ini node gateway memiliki fungsi sebagai perangkat yang melakukan request data juga menerima paket balasan dari node yang dituju, kemudian data yang diterima akan ditampilkan ke serial monitor.
Gambar 2 menunjukkan perancangan alur kerja dari sistem yang terdapat pada sisi node gateway. Diperlihatkan memulai mengirimkan pesan request dengan mengisikan ID node tujuan dari pesan yang akan dikirimkan. Kemudian dilakukan pengecekan apakah ID yang telah terisi terdapat pada tabel routing, jika tidak ada akan diarahkan kembali ke langkah sebelumnya. Jika ID nya tersedia akan dilanjutkan untuk memilih jalur yang akan dilalui pesan tersebut hingga pesan sampai ketujuan. Setelah pesan request berhasil sampai node gateway menerima balasan pesan response dari node sensor, kemudian dilakukan pengecekan apakah ID yang dituju benar, jika salah pesan didrop dan kembali ke langkah awal. Jika ID benar pesan akan diterima kemudian ditampilkan
Gambar 1. Topologi
4.3. Perancangan Node Sensor
Pada penelitian ini node sensor memiliki fungsi sebagai perangkat yang meneruskan pesan request maupun response yang dilakukan node gateway, serta pada node sensor juga bisa melakukan pengambilan data sensor yang kemudian dikirimkan ke node tujuannya. Adapun mekanisme dari fungsi yang terdapat pada node sensor bisa dilihat pada diagram alir node sensor pada Gambar 3.
Gambar 3 menunjukkan alur dari sistem yang dibuat pada sisi node sensor. Alur dimulai dengan node sensor menerima pesan request yang dikirimkan node gateway. Kemudian dilakukan pengecekan ID tujuan dengan data routing tabel yang sudah ada. Jika ID tujuan dalam routing tabel tidak ada pesan akan di drop. Jika ID tujuan terdapat pada tabel routing akan dilakukan pengecekan jalur mana yang akan dilalui. Jika ID yang dituju merupakan ID yang dimiliki, node sensor tersebut akan mengirimkan
pesan response ke node gateway. Jika ID tujuan bukan untuk node sensor tersebut, pesan akan diteruskan melewati jalur yang sudah ditentukan.
4.4. Perancangan Mekanisme Routing
Pada penelitian ini, sistem yang dibuat memiliki mekanisme routing yang digunakan node gateway maupun node sensor untuk menentukan jalur yang dituju dalam mengirimkan dan meneruskan pesan request maupun pesan response. Mekanisme yang digunakan dalam menentukan jalur pada penelitian ini menggunakan jenis routing static, di mana jalur yang dilalui sudah ditetapkan oleh admin jaringan. Penentuan jalur menggunakan ID yang sudah terdapat pada node masing-masing. Jalur yang sudah dibuat bisa dilihat pada Tabel 1.
Pada Tabel 1 menjelaskan jalur mana saja yang dilalui paket, seperti ketika node gateway mengirimkan pesan request ke node sensor 4 ID Node Tujuan Paket Jalur Paket
1 Node gateway Node ID : 2 Node ID : 2 Node ID : 3 Node ID : 3 Node ID : 4 Node ID : 2 Node ID : 5 Node ID : 2 2 Node sensor 1 Node ID : 1 Node ID : 1 Node ID : 3 Node ID : 3 Node ID : 4 Node ID : 4 Node ID : 5 Node ID : 4 3 Node sensor 2 Node ID : 1 Node ID : 1 Node ID : 2 Node ID : 2 Node ID : 4 Node ID : 4 Node ID : 5 Node ID : 4 4 Node sensor 3 Node ID : 1 Node ID : 2 Node ID : 2 Node ID : 2 Node ID : 3 Node ID : 3 Node ID : 5 Node ID : 5 5 Node sensor 4 Node ID : 1 Node ID : 4 Node ID : 2 Node ID : 4 Node ID : 3 Node ID : 4 Node ID : 4 Node ID : 4 Gambar 3. Diagram Alir Node Sensor
yang memiliki ID 5, maka akan dilewatkan ke node dengan ID 2 di mana node tersebut merupakan node sensor 2. Pada node sensor 2 pesan tersebut akan diteruskan ke node ID 4 yang merupakan ID dari node sensor 3, kemudian pada node sensor 3 pesan akan diteruskan kembali sehingga sampai ke node yang dituju.
4. IMPLEMENTASI
Implementasi yang dimaksud disini adalah mengimplementasikan kode program yang sudah dibuat pada perangkat, sehingga nanti sistem yang kita buat bisa diuji. Selain itu, implementasi juga dilakukan jika semua tahap dalam perancangan telah selesai dilakukan. Dalam penelitian ini implementasinya juga termasuk membuat perangkat LoRa yang dijadikan sebagai node dapat berkomunikasi dengan mengimplementasi WSN yang menggunakan routing static. Dengan begitu semua node yang diimplemantasikan dapat saling terhubung dan mengirimkan data.
5. PENGUJIAN
5.1. Pengujian Fungsional
Pengujian fungsional merupakan pengujian yang berfokus pada fungsi dari sistem yang telah dibuat. Tempat yang dijadikan untuk pengujian berada di hutan kota tunggul wulung yang terletak di Kelurahan Tunggul Wulung, Kecamatan Lowokwaru, Kota Malang. Pengujian dilakukan dengan meletakkan node gateway dan node sensor pada titik yang telah ditentukan sebelummnya, sesuai dengan rancangan topologi yang sudah dibuat. Node-node tersebut diletakkan pada pohon dengan jarak atara node dengan yang lain kurang lebih 20 meter dan dengan ketinggian kurang lebih 1,5 meter. Kemudian pengujian akan dilakukan sesuai dengan apa yang sudah disebutkan pada subab sekenario uji yang telah dibuat sebelumnya. Penempatan node tersebut bisa dilihat pada Gambar 5.1 berikut.
Hasil dari pengujian yang dilakukan, fungsi yang terdapat pada node gateway dan node sensor dapat dijalankan. Seperti node gateway dapat mengirimkan pesan request, kemudian dapat menerima dan menampilkan pesan response. Sedangkan dari sisi node sensor dapat menerima pesan request serta mengirimkan pesan response. Selain itu juga dapat meneruskan pesan request dan response
5.2. Pengujian Association Time
pengujian pertama yang akan dilakukan yaitu pengujian association time, merupakan pengujian waktu yang dibutuhkan node gateway mengirimkan request sampai menerima data dari node sensor. Hasil yang akan dihitung merupakan rata-rata association time dari paket yang berhasil diterima node gateway yang artinya dimulai ketika node gateway mengirimkan pesan request sampai berhasil menerima pesan response. Pengujian ini dilakukan dengan melakukan pengiriman pesan request sebanyak 50 kali ke node sensor 1, node sensor 2, node sensor 3 dan node sensor 4. Dari hasil pengujian tersebut didapat data pengujian dengan rata-rata association time yang dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5 Menunjukkan diagram dari pengujian association time yang dilakukan pada
0,248 0,252 0,435 0,614 0 0,2 0,4 0,6 0,8 *Satuan Detik
ASSOCIATION TIME
Node Sensor 1 Node Sensor 2 Node Sensor 3 Node Sensor 4
Gambar 4. Pengujian Lapangan
setiap node sensor. Pada pengujian ini jika data yang dihasilan semakin tinggi menunjukkan performa dari sistem kurang bagus. Seperti yang diperlihat pada Gambar 5.10 nilai association time yang paling tinggi ketika node gateway mengirimkan ke node sensor 4 dengan nilai 0,614 detik. hal itu dikarenakan saat melakukan pengiriman ke node sensor 4 perlu melewat 2 node perantara, sehingga untuk mencapai tujuan dibutuhkan waktu yang lebih lama. Sedangkan ketika mengirimkan ke node sensor 3 waktu yang dibutuhkan lebih sedikit karena hanya melewati satu node perantara dengan nilai 0,435 detik. Kemudian waktu association time yang paling rendah ketika dilakukan pengiriman ke node sensor 1 dan node sensor 2 dengan nilai kurang dari 0,255 detik dikarenakan pengirimannya secara langsung tanpa melalui perantara
5.3. Pengujian Packet Delivery Ratio Request (PDR Request)
Pengujian selanjutnya yaitu menguji PDR request untuk mengetahui banyaknya pesan request yang berhasil diterima oleh node sensor yang dikirimkan node gateway. Seperti pengujian sebelumnya, pengujian dilakukan dengan cara node gateway mengirimkan pesan request ke setiap node sensor sebanyak 50 kali kemudian dihitung persentase node sensor berhasil menerima request dari node gateway. Dari hasil pengujian yang telah dilakukan didapat data banyaknya pesan request yang berhasil diterima. Data tersebut bisa dilihat pada Gambar 6.
Pada Gambar 6 menunjukkan diagram dari pengujian PDR request yang dilakukan pada penelitian ini. Pada pengujian ini jika nilai yang dihasilkan semakin rendah menunjukkan performa dari sistem kurang bagus. Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5.11, nilai PDR
request terendah terdapat pada node sensor 4 dengan besar nilai 98%. Ini dikarenakan pesan yang dikirimkan ke node sensor 4 perlu melalui dua node perantara, sehingga resiko hilangnya pesan request menjadi lebih tinggi. Sedangkan ketika mengirimkan ke node sensor 3, node sensor 1 dan node sensor 2 dengan nilai PDR request 100%, yang artinya semua pesan request yang dikirimkan node gateway berhasil diterima semua oleh node sensor yang dituju.
5.4. Pengujian Packet Delivery Ratio Response (PDR Response)
Pengujian PDR response merupakan menguji perbandingan antara banyaknya jumlah pesan response yang berhasil diterima oleh node gateway dangan total jumlah pesan response yang dikirimkan dalam suatu periode waktu tertentu. Hasil pengujian didapat dari persentase balasan pesan response yang berhasil diterima node gateway yang dikirimkan oleh node sensor 1, node sensor 2, node sensor 3 dan node sensor 4. Dari hasil pengujian yang telah dilakukan didapat data banyaknya pesan response yang berhasil diterima node gateway. Hasil pengujian yang dilakukan bisa dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. PDR Response
Gambar 7 menunjukkan diagram dari hasil pengujian PDR response yang dilakukan pada penelitian ini terhadap setiap node sensor. Pada pengujian ini jika nilai yang dihasilkan semakin rendah menunjukkan performa dari sistem kurang bagus. Hasil pengujian yang ditunjukkan pada Gambar 5.12 memperlihatkan pesan response yang berhasil diterima oleh node gateway, yaitu tidak kurang dari 90% bahkan ada yang keberhasilannya mencapai 100%. Seperti ketika melakukan pengiriman ke node sensor 1 dan node sensor 2, tingkat keberhasil pesan response yang diterima mencapai 100%. Sedangkan ketika mengirimkan ke node sensor 3 mencapai 98% dan ketika mengirim ke node sensor 4 mencapai 94%. 100% 100% 98% 94% 90% 95% 100% 105%
PDR RESPONSE
Node Sensor 1 Node Sensor 2 Node Sensor 3 Node Sensor 4
100% 100% 100% 98% 96,0% 98,0% 100,0% 102,0%
PDR REQUEST
Node Sensor 1 Node Sensor 2
Node Sensor 3 Node Sensor 4
6. KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan hasil dari perancangan, implementasi dan pengujian menggunakan algoritme routing static pada WSN berbasis LoRa, dapat disimpulkan bahwa implementasi routing static pada wireless sensor network menggunakan modul komunikasi loRa berhasil dilakukan dengan menggunakan lima buah node sebagai alat pengujiannya. Satu node digunakan sebagai node gateway dan empat node lainnya digunakan sebagai node sensor. Setiap node tersusun dari dua perangkat yaitu mikrokontroller Arduino Nano dan Modul LoRa Ra-02 SX1278. Node gateway memiliki fungsi mengirimkan pesan request kepada setiap node sensor dan menerima balasan dari hasil pesan request tersebut. Kemudian untuk node sensor memiliki fungsi dapat menerima pesan request yang dikirimkan node gateway serta dapat mengirimkan response dari pesan yang dikirimkan, juga dapat meneruskan pesan tersebut jika node tujuan dari pesan tersebut bukan untuknya.
Pengiriman data oleh node pengirim menuju node penerima dapat dilakukan melewati jalur yang mana sudah ditentukan dalam tabel routing. Dengan adanya mekanisme routing tersebut node sensor dapat melakukan penerusan pesan ketujuan dengan benar sehingga perangkat dapat berkomunikasi secara multi-hop yang mana dapat digunakan sebagai penyelesai masalah dalam penelitian ini. Parameter yang digunakan dalam menentukan jalur merupakan ID yang sudah disetting di setiap node yang ada. Informasi dari ID tersebut dimasukan dalam pesan request maupun response sehingga dapat digunakan sebagai parameter penentu jalur yang akan dilalui.
Kemudian Hasil dari pengujian kinerja berdasarkan tiga parameter uji yang sudah ditetapkan yaitu Association Time, Packet Delivery Ratio (PDR) Request, dan Packet Delivery Ratio (PDR) Response, didapatkan nilai dari association time semakin tinggi sesuai dengan semakin banyaknya node yang dilalui. Nilai tertinggi berada pada saat mengirimkan ke node sensor 4 dengan nilai association time 0,614 detik, dikarenakan untuk menuju node tersebut perlu melalui 2 node lainnya. Kemudian pada pengujian PDR Request nilai persentase terendah saat dilakukan pengiriman data ke node sensor 4 dengan nilai PDR request sebesar 98%. Yang terakhir pengujian PDR response didapat hasil nilai paling rendah ketika melakukan
pengiriman ke node sensor 4 dengan nilai 94%. Dari data diatas dapat disimpulkan, banyaknya jumlah node yang dilewati menjadikan kinerja dari sistem berkurang.
Berdasarkan kesimpulan yang sudah dijelaskan, beberapa saran yang dapat diusulkan yaitu penelitian selanjutnya dapat menerapkan algoritma routing yang lain sehingga dapat dilakukan perbandingan kinerja dengan penelitian ini. penelitian selanjutnya diharapkan menggunakan data dari sensor sebenarnya tidak menggunakan data dummy, sehingga dapat mengetahui kinerja ketika menggunakan perangkat sensor. Selain itu, diharapkan menambahkan algoritma keamanan pada perangkat LoRa sehingga dapat menjaga kerahasiaan data.
7. DAFTAR PUSTAKA
