QUALITY OF SERVICE (QOS) JARINGAN SENSOR NIRKABEL BERBASIS ZIGBEE

ABSTRAK

QUALITY OF SERVICE (QOS) JARINGAN SENSOR NIRKABEL BERBASIS ZIGBEE

Oleh

AHMAD SURYA ARIFIN

Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) bekerja dengan keterbatasan energi dan bandwidth, sehingga perlu dilakukan pengukuran kinerja untuk mengetahui tingkat kehandalan yang optimal. Fokus penelitian ini adalah mengukur dan menganalisa kinerja dari JSN berbasis protokol ZigBee. Parameter Quality of Service (QoS) yang diukur adalah rata-rata delay, rata-rata throughput dan persentase packet loss. Pengujian dilakukan dengan memvariasikan nilai ukuran paket data, interval waktu pengiriman, jarak transmisi, transmisi Line of Sight (LOS) dan transmisi Non Line of Sight (NLOS). Perangkat nirkabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah XBee S2 (ZigBee) yang merupakan perangkat komunikasi nirkabel dari Digi International. Sotfware X-CTU digunakan untuk mengkonfigurasikan modul ZigBee. Software Docklight digunakan untuk simulasi JSN secara real time melalui pengaturan variabel paket data, interval waktu penyensoran, waktu saat pengiriman dan penerimaan, serta log data hasil pengukuran. Pengujian yang telah dilakukan memperlihatkan bahwa semakin besar ukuran paket data yang ditransmisikan maka rata-rata delay transmisi dan throughput semakin besar. Variasi interval waktu pengiriman cenderung tidak mempengaruhi nilai rata-rata delay dan throughput untuk setiap jenis pengiriman paket data. Nilai persentase packet loss pada transmisi LOS adalah 0% untuk setiap ukuran paket data dengan jarak transmisi maksimum 120 meter, sedangkan pada transmisi NLOS persentase packet loss terbesar pada pengiriman paket data 80 bytes pada posisi nodal sensor ke-4, yaitu mencapai 95,31%. Hasil pengujian jaringan mesh (2 hop) memperlihatkan bahwa nilai rata-rata delay cenderung lebih besar dan rata-rata throughput cenderung lebih kecil dibandingkan dengan jaringan point to point (1 hop).

ABSTRACT

QUALITY OF SERVICE (QOS) WIRELESS SENSOR NETWORK BASED ON ZIGBEE PROTOCOL

By

AHMAD SURYA ARIFIN

Wireless Sensor Networks (WSN) working with limited energy and bandwidth, it needs a performance measurement to determined the level optimal reliability. The focus of this research is to measure and analyze the performance of Wireless Sensor Networks (WSN) based on ZigBee protocol. The Quality of Service (QoS) parameters are measured average delay, average throughput and packet loss percentage. This experiment is done by varying the values of packet length, transmitting time interval, distance, Line of Sight (LOS) transmission and Non Line of Sight (NLOS) transmission. The wireless hardware for experiment used XBee S2 (ZigBee) modules from Digi International. X-CTU sotfware is to configure the XBee module. Docklight sotfware is to simulate WSN in real time by setting the variable such as data packet, transmitting time interval, transmitting and receiving time, also log data result. The result shows that average delay and throughput increases as value of packet length increases. Difference transmission

time interval isn’t impact to average delay and throughput for each packet length transmission. Packet loss persentage of LOS transmission is 0% for each data packet transmission to maximum transmission distance of 120 meters, although at NLOS transmission largest packet loss persentage value on the 80 bytes data packet transmission on position 4th sensor node, reaching 95,31%. The result of mesh (2 hop) network experiment shows that’s value of average delay more then point to point (1 hop) network and average throughput less then point to point (1 hop) network.

QUALITY OF SERVICE (QOS) JARINGAN SENSOR NIRKABEL BERBASIS ZIGBEE

Oleh

AHMAD SURYA ARIFIN

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Penulis dilahirkan di Pringsewu, Lampung, pada tanggal 22 Juni 1992. Penulis merupakan anak pertama dari empat bersaudara, dari Bapak Sugiman dan Ibu Pariyah. Penulis pertama kali mengenyam pendidikan di TK ABA III Tambahrejo. Selanjutnya penulis melanjutkan ke tingkat sekolah dasar di SD Negeri III Tambahrejo, lulus tahun 2004. Sekolah Menegah Pertama (SMP) Negeri II Gadingrejo, lulus tahun 2007. Sekolah Mengengah Kejuruan (SMK) Negeri I Gadingrejo, lulus tahun 2010. Penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang perguruan tinggi di Universitas Lampung pada tahun 2010.

Penulis terdaftar sebagai mahasiswa di Universitas Lampung pada Jurusan Teknik Elektro melalui program Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN). Setelah menginjak semester kelima, penulis memfokuskan diri pada konsentrasi Sistem Isyarat Elektronika (SIE). Selama menjadi mahasiswa, penulis menyandang jabatan sebagai asisten praktikum Instrumentasi dan Pengukuran dan praktikum Rangkaian Listrik. Penulis aktif dalam kegiatan lembaga organisasi di Lingkungan Jurusan Teknik Elektro yaitu Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro (Himatro). Pada periode 2011-2012 penulis aktif sebagai anggota di Departemen Pendidikan dan Pengkaderan dan pada periode 2012-2013 penulis menjabat sebagai wakil sekretaris umum. Penulis juga menjabat sebagai koordinator asisten di laboratorium Teknik Pengukuran Elektrik pada periode 2013.

Pada tahun 2013, penulis melaksanakan Kerja Praktik (KP) di PT Great Giant Pineapple Co selama satu bulan. Penulis menyelesaikan Kerja Praktik dengan

menulis sebuah laporan yang berjudul : “ Sistem Kendali Debit Aliran Pupuk

PERSEMBAHAN

Skripsi ini Ananda persembahkan kepada :

Ayahanda dan Ibunda

Sugiman dan Pariyah

Adik-adikku

MOTTO

“Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang.”

Let your smile to change the world. Don’t let the world change your smile.

Let’s be winner in own story.

Sukses = 1% bakat + 99% usaha. Keep FIGHTING!!!!.... Dream Believe Pray and Make it Happen.

(Ahmad Surya Arifin)

You don’t have to feel like a waste of space, you’re original, cannot be replace.

SANWACANA

Alhamdulillahirobbil’alamin, segala puji bagi Allah SWT atas limpahan rahmat

dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini yang berjudul

“Quality of Service (QoS) Jaringan Sensor Nirkabel Berbasis ZigBee” yang

merupakan suatu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung.

Tugas Akhir ini dapat terselesaikan berkat doa dan dukungan, motivasi serta bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Prof. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik. 2. Bapak Agus Trisanto, Ph. D. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro. 3. Ibu Herlinawati, S.T., M.T. selaku Sekretaris Jurusan Teknik Elektro.

4. Bapak Dr. Eng. Helmy Fitriawan, S.T., M.Sc. selaku dosen pembimbing utama, atas segala bimbingan, arahan, masukan, serta waktu yang telah diberikan pada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

xi 6. Bapak Muhamad Komarudin, S.T., M.T., selaku dosen penguji utama dalam

menyelesaikan tugas akhir ini.

7. Kepala Lab. Pengukuran Besaran Elektrik Ibu Dr. Eng. Dikpride Despa, S.T., M.T. atas perhatian, wejangan dan dukungan yang telah diberikan. 8. Kepala Lab. Elektronika Ibu Dr. Sri Ratna Sulistiyanti atas dukungan yang

telah diberikan.

9. Seluruh Ibu/Bapak Dosen Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung, atas segala pembelajaran, bimbingan yang telah diberikan kepada penulis selama menjadi mahasiswa Jurusan Teknik Elektro.

10. Mbak Ning, Mas Daryono, Mas Udin dan Mbak Stevi atas semua bantuanya dalam menyelesaikan administrasi di Jurusan Teknik Elektro.

11. Kedua orang tua penulis, Ibu dan Bapak tercinta, terimakasih untuk segala yang telah diberikan, doa dan usaha, motivasi, dukungan sehingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan hingga perkuliahan.

12. Adik-adikku tersayang, Ryan, Ucup dan Baim untuk kebersamaan, semangat dan dukungan yang sangat berarti bagi penulis.

13. Mbah Suminah (Alm) dan Mbah Runtung, Mbah Kumpul, Mbah Gunawan dan Mbah Retno, Mbah Joko dan Mbah Titi, Mbah Sugeng atas wejangan, motivasi, serta dukungan yang telah diberikan kepada penulis.

14. Danny Mausa sebagai sahabat, rekan dalam mengerjakan Tugas Akhir ini. 15. Derry Ferdiansyah, Budi Wahyu Nugroho, Maria Ulfa Muthmainah, Ayu

xii 16. Rekan-rekan seperjuangan, Angkatan 2010 Teknik Elektro Universitas

Lampung atas kebersamaan dan kekeluargaan yang luar biasa.

17. All Crew Lab. Pengukuran Basaran Elektrik, Mas Makmur, kak Eko, Kak Jum, Derry, Muth, Anwar, Kiki, Ayu, Agus, Oka, Petrus, Vina, Ikrom, Citra, Ubay, Yona, Nurul, Niken dan Rasyid.

18. All Crew Lab. Sistem Energi Elektrik, Mas Rahman, Afrizal, Aji, Sam, Abe, Seto dan Fendi.

19. Keluarga Bidik Misi Fakultas Teknik, Kiki, Agus, Aji, Nanang, Oca, Ira Nico, Dany dan Dedi.

20. Sahabat seperjuangan Dara Tika Sari, Ely Novia Sari, Ray Novita Yasa, Jefri Rison, Untung Sih Nugroho, Restu Purnomo dan Bambang Ryan. 21. Semua pihak yang tidak disebut satu per satu yang telah membantu serta

mendukung dari awal kuliah sampai terselesaikannya Tugas Akhir ini. Penulis meminta maaf atas segala kesalahan dan ketidaksempurnaan dalam penulisan Tugas Akhir ini. Kritik dan saran yang membangun penulis harapkan demi kemajuan dan kebaikan dimasa mendatang. Semoga Allah SWT membalas semua kebaikan semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

Bandar Lampung, April 2015 Penulis,

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

HALAMAN JUDUL ... iii

LEMBAR PERSETUJUAN ... iv

LEMBAR PENGESAHAN ... v

RIWAYAT HIDUP ... vii

PERSEMBAHAN ... viii

SANWACANA ... x

DAFTAR ISI ... xiii

DAFTAR GAMBAR ... xvi

DAFTAR TABEL ... xviii

DAFTAR ISTILAH ... xx

DAFTAR SINGKATAN ... xxiii

I. PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan Penelitian ... 4

1.3. Manfaat penelitian ... 4

1.4. Batasan Masalah ... 4

1.5. Perumusan Masalah ... 5

xiv

II. TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1. Jaringan Sensor Nirkabel ... 7

2.2. Komponen-komponen Jaringan Sensor Nirkabel ... 8

xv

3.3.5. Pengujian jaringan mesh ... 38

3.3.6. Analisa data hasil pengukuran ... 39

4.3.7. Pembuatan laporan ... 39

3.5. Spesifikasi Teknis Perangkat Jaringan ... 40

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 42

4.1. Pengukuran Rata-rata Delay Transmisi dan Throughput dengan Variasi Pengaturan Nilai Baud Rate ... 42

4.2. Pengukuran Rata-rata Delay Transmisi dan Throughput dengan Variasi Ukuran Paket Data dan Interval Waktu Pengiriman ... 47

4.3. Pengukuran Rata-rata Delay Transmisi dan Throughput dengan Variasi Ukuran Paket Data dan Jarak Transmisi ... 52

4.4. Pengukuran Packet Loss ... 57

4.4.1. Pengukuran Packet Loss pada Kondisi LOS ... 57

4.4.2. Pengukuran Packet Loss pada Kondisi N-LOS ... 60

4.5. Pengujian Jaringan Mesh (2 Hop) ... 63

4.6. Perbandingan Hasil Pengujian Jaringan 1 Hop dengan 2 Hop ... 66

V. SIMPULAN DAN SARAN ... 70

5.1. Simpulan ... 70

5.2. Saran ... 71

xvi

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

2.1. Komponen dasar JSN ... 8

2.2. Komponen perangkat keras nodal sensor ... 10

2.3. Ilustrasi fenomena propagasi gelombang pada media nirkabel ... 11

2.4. Stack protokol ZigBee ... 16

2.5. Operasi band frekuensi ... 17

2.6. Topologi jarigan pair, star, mesh dan cluster tree ... 21

3.1. Konsep jaringan ZigBee ... 26

3.2. Diagram alir penelitian ... 29

3.3. Skema penempatan nodal sensor untuk pengukuran packet loss dengan kondisi transmisi NLOS ... 33

3.4. Skema pengujian jaringan mesh (2 hop) ... 34

3.5. Diagram alir pengukuran rata-rata delay transmisi dan throughput ... 35

4.1. Grafik Perbandingan nilai rata-rata delay transmisi dengan perbedaan pengaturan nilai baud rate ... 45

4.2. Grafik Perbandingan nilai rata-rata throughput dengan perbedaan pengaturan nilai baud rate ... 46

4.3. Grafik rata-rata delay transmisi pada interval waktu pengiriman 1, 2, 5, 10 dan 20 detik... 50

4.4. Grafik Rata-rata throughput pada interval waktu pengiriman 1, 2, 5, 10 dan 20 detik... 52

xvii

4.6. Grafik Rata-rata throughput variasi pengiriman paket data 20, 40, 60 dan 80 bytes ... 56 4.7. Perbandingan persentase packet loss pada kondisi N-LOS ... 62 4.8. Grafik Rata – rata delay transmisi untuk pengujian jaringan mesh (2

hop) ... 64 4.9. Grafik Rata – rata throughput untuk pengujian jaringan mesh (2 hop) .. 65 4.10. Grafik perbandingan nilai rata-rata delay transmisi anrata pengujian

jaringan 1 hop dan 2 hop ... 67 4.11. Grafik perbandingan nilai rata-rata throughput antara pengujian

xviii

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

2.1. Beberapa band frequensy ISM... 12 2.2. Tipe alamat pada jaringan ZigBee ... 24 4.1. Perbandingan nilai rata-rata delay transmisi dengan perbedaan

pengaturan nilai baud rate ... 44 4.2. Perbandingan nilai rata-rata throughput transmisi dengan perbedaan

pengaturan nilai baud rate ... 46 4.3. Rata-rata delay transmisi pada interval waktu pengiriman 1, 2, 5, 10

dan 20 detik... 48 4.4. Rata-rata throughput pada interval waktu pengiriman 1, 2, 5, 10 dan

20 detik ... 51 4.5. Rata-rata delay transmisi dengan variasi pengiriman paket data 20, 40,

60 dan 80 bytes ... 53 4.6. Rata-rata throughput dengan variasi pengiriman paket data 20, 40, 60

dan 80 bytes ... 55 4.7. Persentase packet loss pada kondisi LOS untuk pengiriman paket data

20 bytes ... 57 4.8. Persentase packet loss pada kondisi LOS untuk pengiriman paket data

40 bytes ... 58 4.9. Persentase packet loss pada kondisi LOS untuk pengiriman paket data

60 bytes ... 58 4.10. Persentase packet loss pada kondisi LOS untuk pengiriman paket data

xix

4.11. Persentase packet loss pada kondisi N-LOS untuk pengiriman paket

data 20 bytes ... 60

4.12. Persentase packet loss pada kondisi N-LOS untuk pengiriman paket data 40 bytes ... 60

4.13. Persentase packet loss pada kondisi N-LOS untuk pengiriman paket data 60 bytes ... 61

4.14. Persentase packet loss pada kondisi N-LOS untuk pengiriman paket data 80 bytes ... 61

4.15. Perbandingan persentase packet loss pada kondisi N-LOS ... 62

4.16. Rata – rata delay transmisi untuk pengujian jaringan mesh (2 hop) ... 64

4.17. Rata – rata throughput untuk pengujian jaringan mesh (2 hop) ... 65

4.18. Perbandingan nilai rata-rata delay transmisi antara pengujian jaringan 1 hop dan 2 hop... 66

DAFTAR ISTILAH

Ad Hoc : Model komunikasi tanpa infrastruktur yang dibangun untuk suatu tujuan pada waktu tertentu.

Bandwidth : Digital bandwidth adalah jumlah atau volume data yang dapat dikirimkan melalui sebuah saluran komunikasi dalam satuan bits per second tanpa distorsi. Analog bandwidth adalah perbedaan antara frekuensi terendah dengan frekuensi tertinggi dalam sebuah rentang frekuensi yang diukur dalam satuan Hertz (Hz) atau siklus per detik, yang menentukan berapa banyak informasi yang bisa ditransmisikan dalam satu saat. Broadcast : Pentransmisian data ke sejumlah perangkat dalam

jaringan secara bersamaan.

End device : Sebuah istilah pada ZigBee yang tidak dapat melakukan routing. Perangkat ini hanya bisa mengirim dan menerima informasi. Sebuah end device berfungsi sebagai nodal terakhir dalam sebuah jaringan cluster tree.

Gateway : Media perantara jaringan sensor nirkabel dengan administrator jaringan.

xxi menetapkan nodal, dan ideal untuk komunikasi wireless yang cepat.

Multihop : Teknik mentransmisikan data dengan loncatan sinyal dari titik sumber melalui titik – titik lain ke tujuan. Nodal : Sebutan untuk transceiver gelombang radio yang

digunakan untuk mengirim dan menerima data hasil pementauan dari sensor.

Nodal sensor : Komponen kesatuan dari jaringan yang dapat menghasilkan informasi, biasanya merupakan sebuah sensor atau juga dapat berupa sebuah actuator yang menghasilkan umpan balik pada keseluruhan operasi. Nodal koordinator : Suatu nodal yang digunakan sebagai pusat pengumpul

data hasil pemantauan dari seluruh nodal sensor.

Operating channel : frekuensi yang digunakan untuk mengkomunikasikan data antara nodal.

Paket switching : Metode jaringan komunikasi digital yang mengelompokkan seluruh data yang ditransmisikan tanpa memperhatikan isi, tipe atau struktur dari data tersebut kedalam blok-blok ukuran yang sesuai, yang disebut paket. Packet switching berperan dalam penyampaian rentetan-rentetan paket melalui jaringan kepada tujuan pengiriman paket tersebut. Besarnya beban trafik yang dikirimkan melalui jaringan menyebabkan terjadinya variasi delay dan throughput dalam penyampaian data. Paket : Unit terformat dari data yang dibawa oleh jaringan

komunikasi (packet switching). Suatu paket terdiri atas informasi kendali (control information) dan data pengguna (payload). Informasi kendali mengandung segala informasi yang dibutuhkan oleh jaringan untuk menyampaikan data pengguna, misalkan alamat sumber dan tujuan, kode deteksi kesalahan dan informasi urutan. Pada umumnya informasi kendali terkandung dalam awalan (header) dan akhiran (trailer) dari suatu paket, dan data pengguna terletak di antara keduanya.

xxii sumber dan tujuan dari material tersebut. Payload adalah data aktual atau muatan yang dibawa oleh header.

Protokol : Aturan dalam komunikasi untuk menunjang terjalinnya komunikasi antar berbagai perangkat.

Router : Tipe perangkat ZigBee yang dapat melewatkan pesan dari satu nodal ke nodal lainnya.

Sensor : Peralatan yang digunakan untuk untuk mengubah suatu besaran fisik menjadi besaran elektrik sehingga dapat dianalisa dengan rangkaian listrik.

Single hop : Teknik mentransmisikan data dengan satu loncatan sinyal langsung dari titik sumber ke titik tujuan.

Throughput : Bandwidth aktual yang terukur pada suatu ukuran waktu tertentu. Throughput juga dinyatakan sebagai jumlah data yang dapat ditransmisikan dari sumber ke tujuan atau jumlah data yang dapat diproses dalam satu ukuran waktu tertentu. Throughput diukur dalam persentase bandwidth yang tersedia, bit atau byte per second, frame per second.

DAFTAR SINGKATAN

CSMA-CA : Carrier Sense Multiple Acces / Collision Avoidance adalah protokol yang digunakan perangkat untuk mengirimkan data. Protokol ini bertujuan untuk menghindari tabrakan data dengan melihat apakah saluran sedang tidak digunakan sebelum perangkat melakukan transmisi. Jika saluran sedang digunakan maka perangkat akan menunggu dengan jumlah waktu random dan mengecek kembali saluran.

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers adalah organisasi nirlaba internasional yang merupakan asosiasi profesional utama untuk peningkatan teknologi elektro.

ISM : Alokasi frekuensi unlicense untuk bidang Industrial, Scientific, and Medical. ISM terdiri dari tiga band frekuensi yaitu 2,4 GHz, 868 MHz dan 915 MHz.

xxiv LOS : Line of Sight adalah suatu keadaan dimana antena

pemancar dan penerima dapat saling berhadapan dan bebas dari penghalang pada batas-batas tertentu.

NLOS : Non Line of Sight adalah kondisi dimana terdapat penghalang antara antena pemancar dan penerima.

MAC : Medium Acces Control adalah suatu lapisan protokol pertama yang berada diatas physical layer (lapisan fisik). Tugas pokok dari protokol ini adalah mengatur akses dari sejumlah nodal ke suatu media yang dapat dibagi cara sedemikian rupa tergantung aplikasi sehingga suatu jaringan komunikasi memiliki kinerja yang memuaskan.

PAN : Personal Area Network adalah sebuah jaringan komunikasi dengan area yang kecil. PAN terdiri dari sebuah koordinator dan satu atau lebih router atau end device.

PAN ID : Personal Area Network Identifier adalah identitas dari sebuah jaringan PAN. PAN ID ditetapkan pada saat coordinator membentuk sebuah jaringan.

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

JSN merupakan jaringan sistem pemantauan objek yang tersebar dalam cakupan area tertentu, dimana kondisi lingkungan tidak mendukung adanya transmisi data secara langsung melalui jaringan kabel[1,2]. Implementasi jaringan dengan menggunakan media kabel cukup sulit dilakukan karena harus mengatur agar kabel terlindung dan tidak mengganggu lingkungan sekitar. Selain itu, instalasi jaringan kabel membutuhkan biaya yang mahal dan tidak dapat digunakan untuk aplikasi yang bersifat remote. Jaringan kabel juga kurang fleksibel, karena jika suatu saat terjadi perubahan atau penambahan perangkat maupun lokasi pengukuran maka harus mengatur ulang instalasi kabel. Teknologi nirkabel yang diterapkan pada JSN menjadi solusi untuk kebutuhan aplikasi tersebut.

2

dalam membangun sebuah JSN yaitu protokol IEEE 802.15.4 dan ZigBee[2,5-7]. Protokol IEEE 802.15.4 mendefinisikan dua layer yaitu, layer physical dan Medium Access Control (MAC) yang ditujukan untuk aplikasi komunikasi data nirkabel dengan bandwidth, data rate, biaya instalasi dan konsumsi energi yang rendah, serta transmisi data yang dapat diandalkan[1-3]. ZigBee dibangun diatas protokol IEEE 802.15.4, yaitu mendefinisikan spesifikasi dari layer network dan application diatas layer physical dan Medium Access Control (MAC)[2,4-8]. ZigBee memiliki kemampuan untuk membentuk jaringan point to point, point to multipoint dan mesh[5-8]. ZigBee juga memiliki kemampuan komunikasi multi-hop, sehingga dapat mencakup komunikasi dengan area yang luas.

3

Nodal-nodal dari sebuah sistem JSN berfungsi melakukan pemantauan objek dan data hasil pemantauan tersebut dikirimkan ke nodal gateway melalui media nirkabel. Sebuah sistem JSN membutuhkan perangkat nirkabel untuk dapat mengakomodir proses pengiriman data tersebut. Perangkat nirkabel yang digunakan untuk membangun JSN pada penelitian ini yaitu modul Radio Frequency (RF) XBee S2 yang menggunakan protokol ZigBee dalam mengatur proses komunikasi data. XBee S2 bekerja pada band frekuensi 2,4 GHz yang mendukung komunikasi dengan data rate maksimum 250 kbps dengan kapasitas payload maksimum hingga 84 bytes pada transmisi unicast (transmisi data ke satu device/nodal) [8,9].

4

1.2. Tujuan Penelitian

Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah mengetahui tingkat kinerja JSN, dengan mengukur dan menganalisa parameter Quality of Service (QoS) yaitu rata-rata delay, rata-rata throughput dan persentase packet loss.

1.3. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Dengan mengukur parameter Quality of Service (QoS) dapat diketahui tingkat kinerja JSN untuk beberapa skenario pengukuran.

2. Dengan menganalisa data hasil pengukuran dapat diketahui hubungan antara variabel ukuran paket data, jarak transmisi serta interval waktu penyensoran terhadap nilai rata-rata delay, rata-rata throughput dan persentase packet loss.

1.4. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dalam penelitian ini adalah :

1. Modul Radio Frequency (RF) yang digunakan adalah modul XBee S2 berbasis protokol ZigBee.

2. Fokus pembahasan dalam penelitiaan ini adalah mengukur dan menganalisa parameter Quality of Service (QoS) yaitu rata-rata delay, rata-rata throughput dan packet loss menggunakan beberapa skenario pengukuran JSN.

5

ukuran paket data dan interval waktu penyensoran dan skenario kedua dengan variabel ukuran paket data dan jarak transmisi.

4. Pengukuran packet loss untuk komunikasi point to point menggunakan variabel ukuran paket data dan penempatan nodal.

5. Pengukuran untuk jaringan mesh yaitu komunikasi 2 hop menggunakan ukuran variabel paket data.

1.5. Perumusan Masalah

Sistem JSN merupakan metode pentransmisian data melalui media nirkabel, dimana data yang ditransmisikan merupakan hasil pemantauan dari suatu objek tertentu. Untuk membangun JSN dibutuhkan sejumlah nodal sensor, router dan sebuah nodal koordinator. Data ditransmisikan oleh nodal sensor ke nodal koordinator melalui media nirkabel menggunakan band frekuensi dan topologi jaringan. Untuk menjaga kualitas data sesuai dengan hasil pemantauan dan sampai pada penerima sesuai dengan waktu pemantauan, maka dibutuhkan sistem jaringan sensor dengan kualitas layanan yang baik.

6

1.6. Sistematika Penulisan

Penulisan tugas akhir ini disusun secara sistematis dengan urutan sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menguraikan latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, perumusan masalah dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini menjelaskan secara garis besar tentang jaringan sensor nirkabel, komponen-komponen jaringan sensor nirkabel, Quality of Service (QoS) jaringan sensor nirkabel, protokol ZigBee dan XBee S2.

BAB III METODE PENELITIAN

Bab ini menjelaskan metode yang digunakan dalam penelitian, alat dan bahan, tahap penelitian dan spesifikasi teknis perangkat jaringan.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini memaparkan hasil pengukuran kinerja JSN dan pembahasan data yang diperoleh.

BAB V SIMPULAN DAN SARAN

Bab ini memberikan simpulan berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dan saran untuk penelitian selanjutnya.

DAFTAR PUSTAKA

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Jaringan Sensor Nirkabel

Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) merupakan sebuah jaringan yang disusun oleh sensor–sensor yang terdistribusi dalam suatu cakupan area tertentu yang dihubungkan melalui kanal komunikasi nirkabel untuk saling bekarja sama melakukan pengukuran dan pemantauan fenomena fisik seperti temperature, suara, getaran, tekanan, tekanan atau kodisi – kondisi fisik tertentu [1]. Secara umum JSN terdiri dari target atau fenomena fisik yang akan di sensor, nodal sensor yang melakukan sensing fenomena fisik dan nodal koordinator/gateway yang bertanggung jawab mengatur jaringan dan mengumpulkan data dari nodal sensor [1,2]. Nodal sebuah JSN bersifat individu untuk melakukan sensing, controlling dan communication terhadap parameter–parameter fisik. Nodal sensor dikomposisikan dari beberapa modul seperti embeded processor, memori, sensor dan perangkat Radio Frequency (RF) transceiver dengan konsumsi energi yang minimum[1].

bangunan-8

Wireless Sensor Network

bangunan JSN digunakan untuk melakukan pemantauan keadaan infrastruktur, pada rumah tinggal JSN digunakan untuk menciptakan sebuah rumah cerdas (smart home) serta pada tubuh manusia JSN digunakan dalam melakukan pemantauan tubuh pasien. Pemantauan suatu area merupakan salah satu aplikasi JSN. Pada aplikasi ini, sensor-sensor disebarkan pada suatu area untuk memantau suatu fenomena fisik tertentu. Sebagai contoh, sejumlah nodal sensor disebarkan pada medan perang untuk mendeteksi posisi musuh. Ketika sensor-sensor tersebut mendeteksi timbulnya gejala fisik yang menjadi objek pantau (panas, tekanan, suara, cahaya, medan elektromagnetik, getaran, dan sebagainya), hasil deteksi ini dilaporkan ke sebuah gateway yang menjadi titik pengumpulan data dari JSN. Selanjutnya data pemantauan pada gateway akan digunakan oleh administrator jaringan.

2.2. Komponen – komponen Jaringan Sensor Nirkabel

JSN terdiri dari empat komponen yaitu nodal sensor, media nirkabel, nodal koordinator/gateway dan PC server/administrator.

Gambar 2.1. Komponen dasar JSN [1] Gateway

Nodal

Internet Remote Users

9

2.2.1.Nodal sensor

Nodal sensor merupakan seperangkat device pada JSN yang bertugas melakukan pemantauan atau penyensoran terhadap suatu fenomena fisik tertentu, melakukan pemrosesan terhadap data yang diperoleh dari fenomena fisik tersebut, dan mengirimkan data yang diperoleh tersebut kepada koordinator/gateway. Sebuah nodal sensor harus memenuhi kebutuhan minimum agar dapat berfungsi dengan baik pada JSN. Kebutuhan yang harus dipenuhi setiap nodal sensor ini berdasarkan kebutuhan masing-masing dari tiap aplikasi JSN dimana nodal tersebut diimplementasikan. Secara umum nodal sensor harus berukuran kecil, murah, efisien dalam mengkomsumsi energi, dilengkapi dengan perangkat sensor yang tepat untuk suatu pemantauan, mampu melakukan komputasi yang dibutuhkan dan memiliki sumber daya penyimpanan (memori), serta memiliki fasilitas komunikasi yang memadai.

Sebuah nodal sonsor tersusun dari lima komponen sebagai berikut [1] :

a. Controller

Controller merupakan sebuah pengendali (controller) untuk memproses seluruh data.

b. Memori

10

c. Sensor dan aktuator

Sensor merupakan antarmuka antara nodal sensor dengan lingkungan fisik, perangkat ini dapat mengamati parameter fisik dari lingkungan.

d. Komunikasi

Komponen ini merupakan media untuk mengirimkan dan menerima informasi, yaitu melalui kanal nirkabel.

e. Suplay daya

Komponen ini merupakan perangkat yang menyediakan sumber daya untuk kebutuhan elektrifikasi nodal sensor, sebagian besar nodal sensor menngunakan baterai sebagai sumber daya.

Gambar 2.2. Komponen perangkat keras nodal sensor [1]

2.2.2.Media nirkabel

Media nirkabel merupakan unguided medium yang berarti bahwa perambatan sinyal tidak terbatas pada lokasi atau saluran yang sudah ditentukan sebagaimana ditentukan pada transmisi menggunakan kabel berpelindung tertentu. Pada media nirkabel gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang bebas antara pemancar dan penerima, dimana sinyal merambat bukan pada medium terbatas sebagaimana pada media transmisi kabel. Jaringan nirkabel menggunakan radio

Memory

Controller Sensor/ Actuator Communication

device

11

sebagai media transmisi informasinya. Radio adalah teknologi untuk pengiriman sinyal dengan cara modulasi dan radiasi elektromagnetik (gelombang elektromagnetik). Media nirkabel memiliki tingkat atenuasi sinyal yang lebih tinggi dibandingkan dengan media kabel. Kualitas kanal aktual tergantung pada beberapa faktor termasuk frekuensi, jarak antara pengirim dan penerima, kecepatan relatifnya, lingkungan propagasi (jumlah saluran atau path yang dilewati dan pelemahannya), dan lain-lain [10,11].

Gelombang yang dipropagasikan melalui media nirkabel akan mengalami beberapa fenomena fisik yang mendistorsi bentuk gelombang asli yang diperoleh penerima. Distorsi menimbulkan ketidakpastian pada data asli yang dimodulasi dan dikodekan yang menyebabkan bit error pada penerima. Gambar 2.2. menunjukkan fenomena propagasi gelombang dasar.

(a) (b) (c)

Gambar 2.3. Ilustrasi fenomena propagasi gelombang pada media nirkabel [1].

12

medium A, sedangkan sebagian yang lain akan dipancarkan ke medium B, sedangkan sisanya akan terserap, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.3.(a). Jika suatu gelombang yang merambat pada ruang bebas menumbuk permukaan yang lancip dapat menyebabkan gelombang tersebut mengalami difraksi sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.(b). Penghamburan gelombang terjadi ketika suatu gelombang yang merambat pada ruang bebas menumbuk permukaan yang kasar sehingga menyebabkan pantulan sinyal terhambur ke segala arah sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.3.(c). Ketika pemancar dan penerima masing-masing bergerak terhadap yang lainnya, bentuk gelombang akan mengalami perubahan pada frekuensinya, berdasarkan efek Doppler. Terlalu banyak perubahan dapat menyebabkan penerima melakukan proses sampling sinyal pada frekuensi yang salah. Fenomena ini disebut dengan doppler fading[1,3,10].

Tabel.2.1. Beberapa band frequency ISM [1].

Frequency comment

13

band frekuensi unlicense, dimana penggunaan band frekuensi tersebut tidak memerlukan perizinan dari pemerintah atau badan yang menangani masalah alokasi frekuensi.

2.2.3.Nodal koordinator/gateway

Pada implentasinya JSN tidak cukup jika JSN tersebut hanya dapat berinteraksi dengan dirinya sendiri. JSN harus mampu berinteraksi dengan perangkat informasi lainnya seperti PDA maupun perangkat komputer pengguna yang memberikan permintaan data dari JSN. Selain dapat melakukan pertukaran data pada perangkat tersebut, JSN juga harus mampu melakukan pertukaran data dengan perangkat internet.

2.2.4.PC server/administrator

PC server/administrator merupakan perangkat pengguna yang melakukan permintaan terhadap data hasil pemantauan oleh JSN, perangkat ini dapat berupa komputer yang terhungun secara langsung dengan koordinator/gateway.

2.3. Quality of Service (QoS) Jaringan Sensor Nirkabel (JSN)

14

bidang implementasinya. Mayoritas pengembangan JSN ditujukan untuk melakukan pemantauan terhadap fenomena fisik seperti temperature, tekanan, kelembaban, atau lokasi dari suatu objek. Untuk aplikasi tersebut, mayoritas JSN didesain hanya untuk mendapatkan hasil berupa data (nilai hasil perhitungan dari pemantauan) dengan delay yang dapat ditoleransi dan menggunakan ukuran bandwidth minimal atau kecil. Tingkat performansi JSN pada implementasinya tersebut akan berbeda dengan tingkat performansi yang dibutuhkan untuk aplikasi JSN pada implementasi teknologi yang digunakan untuk mendapatkan tipe data yang berbeda. Untuk mengetahui QoS suatu JSN, perlu dilakukan kuantifikasi terhadap beberapa metrik parameter yang dapat mewakili QoS JSN. Beberapa parameter tersebut yaitu throughput, delay, dan packet loss [3,4].

2.3.1. Delay[3]

Delay adalah waktu tunda yang disebabkan oleh proses transmisi dari satu titik ke titik lain yang menjadi tujuannya. Delay dinyatakan sebagai rata-rata perbedaan antara waktu penerimaan dengan waktu pengiriman paket-paket. Rata-rata delay diperoleh dengan Persamaan 2.1 :

(2.1)

2.3.2.Throughput[3]

15

throughput tidak mengikutsertakan frame header namun hanya memperhitungkan payload yang dikirimkan. Hal ini dikarenakan throughput merupakan nilai dari data aktual (payload) yang sampai pada penerima tanpa mengikutsertakan nilai besarnya paket header yang disisipkan selama pengiriman data. Rata-rata throughput diperoleh dari perbandingan antara total keseluruhan data yang sampai terhadap waktu yang digunakan untuk menyampaikan data tersebut. Hal ini dapat dirumuskan dengan Persamaan 2.2 :

(2.2) 2.3.3.Packet Loss[3]

Packet loss merupakan suatu nilai yang menyatakan jumlah paket yang gagal disampaikan kepada tujuannya melalui media transmisi tertentu. Packet loss dapat disebabkan oleh berbagai faktor termasuk degradasi sinyal pada kanal jaringan, paket yang rusak (corrupt) menyebabkan ditolaknya paket pada transit, kegagalan pada perangkat jaringan, kegagalan dalam routing jaringan. Persentase Packet loss diperoleh dari Persamaan 2.8.

%

16

transfer tingkat rendah, baterai tahan lama dan jaringan yang aman. Stack protokol ZigBee seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4 terdiri dari IEEE 802.15.4 mendefinisikan dua layer terbawah yaitu layer physical (PHY) dan layer Medium Access Control (MAC) dan ZigBee Alliance membangun layer network dan layer application diatas IEEE 802.15.4 [5-7].

Gambar 2.4. Stack protokol ZigBee [5].

2.4.1. Layer physical (PHY)

Layer physical mendefinisikan karakteristik secara fisik dan elektrik sebuah jaringan, seperti modulasi dan teknik penyebaran bit sinyal informasi. Tugas dasar layer physical adalah pengiriman dan penerimaan data dengan menerjemahkan paket-paket data dari serangkaian bytes ke RF specktrum dan kembali lagi. Fitur dari layer physical adalah mengaktifkan dan menonaktifkan perangkat RF transceiver, deteksi energi (detection energy) dalam saluran/channel, indikasi

Physical Layer MAC Layer Network Layer Application Layer

17

kualitas saluran link (link quality indication) untuk penerimaan paket, memilih channel, Clear Channel Assessment (CCA) untuk Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) dan mengirimkan dan menerima paket data pada medium transmisi. IEEE 802.15.4 memiliki dua fungsi layer physical yang beroperasi pada dua rentang band frekuensi yang terspisah yaitu 868/915 MHz dan 2,4 GHz Layer physical frekuensi rendah mencakup dua band frekuensi yaitu, 868 MHz yang umumnya digunakan di Eropa dan 915 MHz yang digunakan di United States dan Australia. Layer physical frekuensi tinggi yaitu 2,4GHz hampir digunakan di seluruh dunia. Kedua band frekuensi tersebut menggunakan modulasi Direct Sequense Spread Spectrum (DSSS). Data rate pada frekuensi 2,4 GHz adalah 250 kbps, frekuensi 915 MHz adalah 40 kbps dan pada frekuensi 868 MHz adalah 20 kbps. Terdapat perbedaan jumlah channel pada ketiga band frekuensi tersebut yaitu 1 channel pada frekuensi 868 – 868,6 MHz, 10 channel pada frekuensi 902 – 928 MHz dan 16 channel pada frekuensi 2,4 – 2,4835 GHz seperti diilustrasikan pada Gambar 2.5 berikut ini ;

18

2.4.2. Layer Medium Access Control (MAC)

Layer MAC menyediakan fitur mengelola beacon, akses channel, mengelola Guaranteed Time Slot (GTS), validasi frame, pengiriman frame pemberitahuan/acknowledged serta bergabung dan meninggalkan jaringan. Layer MAC mendefinisikan IEEE 802.15.4 mengatur mekanisme akses channel/saluran agar tidak terjadi tabrakan menggunakan Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA). Layer MAC menerapkan mekanisme pengalamatan berdasarkan 64-bit untuk pengalamatan panjang dan 16-bits untuk pengalamatan pendek. Layer MAC mengkordinasikan perangkat transceiver untuk mengakses jalur radio bersama (shared radio link).

2.4.3. Layer network

Layer network memastikan operasi pada layer MAC dan menyediakan interface ke layer application. Layer network mendukung topologi jaringan star, tree dan mesh. Ketika sebuah koordinator berusaha membangun jaringan ZigBee, koordinator melakukan scan energi untuk menemukan channel yang baik untuk membentuk jaringan yang baru. Setelah menentukan channel, koordinator menetapkan identifikasi jaringan yang disebut juga Personal Area Number Identifier (PAN ID) yang digunakan oleh semua perangkat untuk bergabung dalam jaringan.

2.4.4. Layer application

19

dan mengelola pengalamatan grup, memetakan pengalamatan 64 –bit address pada perangkat ke 16-bit network address, pemecahan dan penyatuan paket, data transport yang handal. Sublayer application framework adalah sebuah ekseskusi objek aplikasi untuk mengirim dan menerima data. Objek aplikasi ditentukan oleh pembuat perangkat berbasis ZigBee. Sublayer ZDO secara keseluruhan menyediakan pengelolaan perangkat seperti inisialisasi sublayer APS dan layer network, mendefinisikan mode operasi perangkat (koordinator, router, end device), penetuan layanan aplikasi perangkat, inisialisasi dan merespon permintaan, serta mengelola keamanan.

2.5. XBee S2

20

2.5.1.Mode Operation a. Idle mode

Modul RF pada kondisi idle mode pada saat modul tidak sedang menerima dan mengirimkan data.

b. Transmit mode

Ketika data serial diterima dan siap untuk dipaketisasi, modul RF akan mengakhiri kondisi idle dan berusaha mengirimkan data tersebut. Alamat tujuan menentukan nodal yang mana yang akan menerima data tersebut. c. Receive mode

Jika paket data valid diterima oleh antena, data ditransfer ke serial transmit buffer.

d. Sleep mode

Sleep mode mengizinkan modul RF untuk menghemat energi pada saat tidak digunakan.

e. Command mode

Untuk membuat atau mengetahui parameter modul RF, modul harus dalam kondisi command mode.

2.5.2.Topologi Jaringan

21

penting dari sebuah JSN adalah bagaimana mendistribusikan nodal secara fisik dan meningkatkan komunikasi jaringan. Pada jaringan ZigBee, nodal satu dengan nodal yang lain dapat terhubung dalam struktur jaringan topologi yang berbeda seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5. Topologi jaringan tersebut mengindikasikan bagaimana modul RF transceiver terhubung secara logika satu dengan yang lain. Beberapa topologi jaringan ZigBee adalah sebagai berikut[1,2,8] :

Gambar 2.6. Topologi jarigan pair, star, mesh dan cluster tree [2]

a. Pair

Jaringan yang sederhana terdiri dari dua buah nodal, dimana satu nodal berfungsi sebagai nodal koordinator yang membentuk jaringan dan nodal yang lain dikonfigurasikan sebagai router atau end device.

b. Star

22

dikirimkan harus melewati koordinator, nodal koordinator bertugas mengambil keputusan, routing dan mengontrol topologi. Pada topologi star end device tidak dapat berkomunikasi dengan end device yang lainnya secara langsung.

c. Mesh

Pada jaringan mesh mempergunakan nodal router untuk meneruskan pesan menuju nodal koordinator. Nodal router dapat meneruskan pesan kepada nodal router yang lainnya dan end device sesuai dengan kebutuhan. Masing-masing device dapat berkomunikasi dengan device yang lain secara langsung jika device-device tersebut dalam posisi berdekatan dan dapat membangun link komunikasi. Nodal koordinator bertugas mengatur jaringan dan routing.

d. Cluster tree

Pada struktur jaringan ini nodal koordinator membentuk jaringan awal dan nodal-nodal router membentuk cabang-cabang dan mengirimkan pesan.

2.5.3.Konsep Networking

ZigBee mendefinisikan tiga tipe device yaitu koordinator, router dan end device [2][8].

a. Koordinator

Karakteristik dari koordinator device adalah :

 Memilih channel dan PAN ID untuk memulai sebuah jaringan

 Menijinkan router dan end device untuk mergabung dalam jaringan

23

 Dapat menahan paket data untuk memberikan mode sleep end device

b. Router

Karakteristik dari router adalah :

 Untuk dapat mengirim, menerima, dan routing data harus pada kondisi PAN

ID yang sama

 Mengijinkan router dan end device untuk bergabung dalam jaringan

 Membantu proses routing data

 Tidak dapat beroperasi dalam mode sleep

 Dapat menahan paket data untuk memberikan mode sleep end device

c. End device

Karakteristik dari end device adalah :

 Untuk dapat mengirim dan menerima data harus berada dalam PAN ID yang

sama

 Tidak dapat mengijinkan device untuk bergabung ke jaringan

 Tidak dapat routing data

 Dapat menghemat energi baterai

2.5.4.XBee Addresses and Channels

24

Tabel 2.2. Tipe alamat pada jaringan ZigBee

Type Example Unique

64-bit 0013A200403E0750 Yes, on the earth

16-bit 23F7 Yes, only within a

network

Nodal Identifier Nodal 1 Uniqueness not guaranteed

Jaringan ZigBee disebut juga sebagai Personal Area Network (PAN). Masing-masing didefinisikan dengan identitas PAN ID yang unik dan berbeda. Untuk bergabung dalam sebuah jaringan ZigBee, perangkat ZigBee dikonfigurasikan dengan sebuah PAN ID atau menemukan jaringan terdekat dan memilih sebuah PAN ID untuk bergabung dalam jaringan. ZigBee menggunakan 64-bit dan 16-bit PAN ID untuk mengidentifikasi sebuah jaringan. Perangkat yang digunakan dalam jaringan ZigBee yang sama harus berbagi 64-bit dan 16-bit PAN ID yang sama. Jika terdapat banyak jaringan ZigBee yang dioperasikan pada area yang berbeda, masing-masing jaringan harus memiliki PAN ID yang berbeda.

25

tujuan yang benar. Dalam sebuah jaringan nodal-nodal dikonfigurasikan dengan address yang berbeda, walaupun nodal-nodal tersebut dalam jaringan dengan tipe address yang sama. 16-bit address disebut juga Personal Area Network (PAN). 16-bit address memungkinkan terbentuknya 65.536 PAN address yang berbeda.

III. METODE PENELITIAN

3.1. Metode Penelitian

Keterangan :

Nodal Sensor

Router

Nodal Koordinator/Gateway

Gambar 3.1. Konsep jaringan ZigBee

27

memilih saluran/channel, kemudian memperbolehkan router dan nodal sensor untuk bergabung ke dalam jaringan. Router memiliki fungsi untuk mengirimkan, menerima atau meneruskan paket data dari satu nodal ke nodal lainnya. Nodal sensor berfungsi mengirimkan atau menerima paket data. Untuk membangun jaringan komunikasi menggunakan protokol ZigBee, perangkat nodal sensor, router dan nodal koordinator harus memiliki PAN ID yang sama. Server/administrator sebagai perangkat pengguna, untuk memonitorisasi dan menganalisa objek pemantauan.

Metode yang dilakukan pada penelitian ini adalah melakukan pengukuran dan analisa Quality of Service (QoS) dari Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) yang berbasis protokol ZigBee. Pengujian dilakukan dengan mengukur paremeter Quality of Service (QOS) yaitu yaitu rata-rata delay, rata-rata throughput dan persentase packet loss. Pengukuran dan analisa menggunakan skenario pengujian yang telah dirancang untuk mengetahui tingkat kehandalan dari Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) berbasis protokol ZigBee yang dibangun dengan modul XBee S2.

3.2. Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Hardware

28

b. Nodal yang terdiri dari :

 Mikrokontroller Arduino Uno digunakan sebagai perantara dalam

memberikan sumber tegangan dari personal komputer ke modul XBee.

 XBee shield sebagai input/output yang menghubungkan antara modul

XBee S2 dengan modul mikrokontroller Arduino Uno

 XBee S2 sebagai modul transceiver.

c. XBee adapter digunakan sebagai interface dalam penkonfigurasian modul XBee. XBee adapter juga berfungsi untuk menghubungkan modul XBee S2 dengan komputer untuk nodal koordinator.

2. Software

a. X-CTU[15] digunakan untuk proses konfigurasi parameter-parameter dan update firmware modul XBee.

b. Docklight V2.0[16] digunakan untuk memonitorisasi komunikasi data dan pengukuran QoS jaringan.

29

3.3. Tahap Penelitian

Tahap penelitian yang akan dilakukan mengikuti diagram alir yang tertera pada Gambar 3.2 berikut ini.

Gambar 3.2. Diagram alir penelitian.

3.3.1.Studi literatur

30

3.3.2.Perancangan skenario pengukuran QoS

Pada tahap ini dilakukan perancangan skenario untuk pengukuran QoS. Skenario pengujian ini terdiri dari skenario untuk pengukuran rata-rata delay, rata-rata throughput, persentase packet loss dan pengujian jaringan mesh. Dari skenario yang dirancang diharapkan dapat mengetahui tingkat kinerja dari JSN. Skenario pengukuran rata-rata delay, rata-rata throughput, packet loss dan pengujian jaringan mesh adalah sebagai berikut:

a. Skenario pengukuran rata-rata delay dan throughput dengan variasi pengaturan nilai baud rate adalah sebagai berikut :

1. Pengujian dilakukan dengan menggunakan jaringan star (point to point), menggunakan dua buah nodal yaitu nodal sensor sebagai pengirim dan nodal koordinator sebagai penerima.

2. Paket data yang dikirimkan dalam format text dengan ukuran paket data yang ditransmisikan yaitu mulai dari 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 sampai 80 bytes, dimana setiap ukuran paket data dikirimkan sebanyak 120 kali. 3. Jarak antara nodal sensor dengan nodal koordinator tetap yaitu 3 meter

pada kondisi LOS (Line of Sight) dan penempatan kedua nodal pada ketinggian 20 cm dari permukaan tanah.

4. Variasi pengaturan nilai baud rate adalah 9600, 19200, 38400, 57600 dan 115200.

31

b. Skenario pengukuran rata-rata delay dan throughput dengan variasi pengiriman paket data dan interval waktu pengiriman adalah sebagai berikut :

1. Pengujian dilakukan dengan menggunakan jaringan star (point to point), menggunakan dua buah nodal yaitu nodal sensor sebagai pengirim dan nodal koordinator sebagai penerima.

2. Paket data yang dikirimkan dalam format text dengan ukuran paket data yang ditransmisikan yaitu mulai dari 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 sampai 80 bytes, dimana setiap ukuran paket data dikirimkan sebanyak 120 kali. 3. Jarak antara nodal sensor dengan nodal koordinator tetap yaitu 3 meter

pada kondisi LOS (Line of Sight) dan penempatan kedua nodal pada ketinggian 20 cm dari permukaan tanah.

4. Interval waktu pengiriman yaitu 1, 2, 5, 10 dan 20 detik. 5. Pengaturan nilai baud rate yaitu 9600.

c. Skenario pengukuran rata-rata delay dan throughput dengan variasi pengiriman paket data dan jarak transmisi adalah sebagai berikut :

1. Pengujian dilakukan dengan menggunakan jaringan star (point to point), menggunakan dua buah nodal yaitu nodal sensor sebagai pengirim dan nodal koordinator sebagai penerima.

2. Paket data yang dikirimkan dalam format text dengan ukuran paket data yang ditransmisikan yaitu mulai dari 20, 40, 60 dan 80 bytes, dimana setiap ukuran paket data dikirimkan sebanyak 60 kali.

32

4. Jarak transmisi antara nodal sensor dengan nodal koordinator divariasikan mulai dari 20, 40, 60, 80, 100, 120 meter pada kondisi LOS dan penempatan kedua nodal pada ketinggian 20 cm di atas permukaan tanah. 5. Pengaturan nilai baud rate adalah 9600.

d. Skenario pengukuran packet loss

Skenario pengukuran packet loss dilakukan pada dua kondisi yaitu kondisi LOS dan kondisi N-LOS (Non – Line of Sight). Pengukuran packet loss untuk mengetahui persentase paket data yang hilang atau tidak sampai ke tujuan.

Skenario pengukuran packet loss untuk kondisi LOS adalah sebagai berikut : 1. Pengujian dilakukan dengan menggunakan jaringan star (point to point),

menggunakan dua buah nodal yaitu nodal sensor sebagai pengirim dan nodal koordinator sebagai penerima.

2. Pengukuran packet loss pada variasi jarak transmisi 20, 40, 60, 80, 100 dan 120 meter.

3. Paket data yang dikirimkan dalam format text dengan ukuran paket data yang ditransmisikan pada masing-masing jarak adalah 20, 40, 60 dan 80 bytes.

33

Skenario pengukuran packet loss untuk kondisi N-LOS adalah sebagai berikut : 1. Pengujian pentransmisian pada kondisi N-LOS dilakukan di laboratorium Teknik Elektro lantai 2. Skema pengukuran dengan memposisikan nodal koordinator pada kondisi yang tetap dan nodal sensor sebagai pengirim pada kondisi bervariasi seperti pada Gambar 3.3 berikut ini.

Gambar.3.3. Skema penempatan nodal sensor untuk pengukuran packet loss

dengan kondisi transmisi N-LOS

2. Paket data yang dikirimkan dalam format text dengan ukuran paket data yang ditransmisikan untuk masing-masing skema adalah 20, 40, 60 dan 80 bytes.

34

e. Skenario pengujian jaringan mesh (2 hop)

Gambar.3.4. Skema pengujian jaringan mesh (2 hop)

35

3.3.3.Pengukuran rata-rata delay dan throughput

Gambar. 3.5.Diagram alir pengukuran rata-rata delay transmisi dan throughput.

36

Pengukuran rata-rata delay transmisi bertujuan untuk mengetahui pengaruh besarnya paket data yang ditransmisikan terhadap lamanya waktu untuk pentransmisian paket data tersebut. Nilai delay transmisi merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengirimkan paket dari sumber ke tujuan. Pengukuran rata-rata throughput bertujuan untuk mengetahui pengaruh besarnya paket data terhadap throughput dari pentransmisian paket data tersebut. Nilai rata-rata throughput diperhitungkan setiap detiknya. Pada pengukuran rata-rata delay dan throughput ini terdiri dari tiga jenis yaitu pengukuran dengan variasi pengaturan nilai baud rate, variasi paket data dengan interval waktu pengiriman dan variasi paket data dengan jarak transmisi.

37

variasi. Pengukuran pertama dengan memvariasikan pengaturan nilai baud rate. Pengukuran kedua dengan memvariasikan ukuran paket data dengan interval waktu pengiriman. Pengukuran ketiga dengan memvariasikan jarak transmisi dengan ukuran paket data yang ditransmisikan.

Diagram alir Gambar 3.5 menunjukan empat jenis nilai waktu yaitu Ttx, Trx, Ttx’dan Trx’. Ttx adalah nilai waktu pada saat pengiriman paket data dari transmitter (router). Trx’ adalah nilai waktu pada saat paket data diterima oleh receiver (coordinator). Ttx’ adalah nilai waktu pada saat paket data dikirimkan balik ke transmitter oleh receiver. Trx adalah nilai waktu pada saat paket data diterima kembali oleh transmitter. Dari keempat jenis waktu tersebut maka dapat dihitung tiga jenis delay yaitu delay RTT (Round Trip time), delay proses dann delay transmisi. Delay RTT yaitu delay pengiriman paket data dari transmitter ke receiver dan diterima kembali oleh transmitter (Trx – Ttx). Delay proses adalah waktu proses penerimaan hingga pengiriman kembali paket data di receiver(Ttx’ –Trx’). Delay transmisi adalah mulai pengiriman paket data di transmitter hingga

paket data diterima oleh receiver ((Delay RTT – Delay proses)/2). Nilai throughput dihitung dari banyaknya data (Bytes x 8 bit) per satuan waktu pengiriman (delay transmisi). Rata-rata delay transmisi dan throughput dihitung dari 120 kali pengiriman untuk pengukuran pertama dan 60 kali untuk pengukuran kedua dari setiap jenis pentransmisian paket data.

38

transmisi dan grafik besarnya paket data dengan rata-rata throughput. Dari pengukuran kedua akan diperoleh dua grafik untuk setiap interval waktu pengiriman, yaitu grafik hubungan antara besarnya paket data dengan rata-rata delay transmisi dan grafik besarnya paket data dengan rata-rata throughput. Dan dari pengukuran ketiga akan diperoleh dua grafik untuk setiap jenis pengiriman paket data, yaitu grafik hubungan jarak transmisi dengan rata-rata delay transmisi dan grafik hubungan jarak transmisi dengan rata-rata throughput.

3.3.4.Pengukuran packet loss

Packet loss merupakan nilai yang menyatakan banyaknya paket yang gagal selama proses pentransmisian. Pengukuran packet loss dilakukan dengan membandingkan jumlah paket data yang diterima dengan jumlah paket data yang dikirimkan. Untuk mengetahui banyaknya paket yang dikirimkan dengan banyaknya paket yang diterima digunakan software Docklight. Hasil pengukuran packet loss dinyatakan dalam persentase jumlah paket data yang mengalami kegagalan selama proses pentransmisian.

3.3.5.Pengujian jaringan mesh

39

sensor seperti pada Gambar 3.4. Proses transmisi mesh ini terdiri dari dua lompatan pengiriman data (2 hop) , yaitu dari nodal sensor ke koordinator melewati sebuah router.

3.3.6.Analisa data hasil pengukuran

pada tahap ini dilakukan proses analisa dari data yang dihasilkan pada proses pengukuran QoS JSN berdasarkan skenario pengukuran yang telah dibuat yaitu rata-rat delay, rata-rata throughput, persentase packet loss dan pengujian jaringan mesh. Dari pengukuran yang dilakukan akan diketahui hubungan variabel-variabel pentransmisian seperti, ukuran paket data, jarak transmisi, interval waktu pengiriman, serta kondisi LOS (Line of Sight) maupun N-LOS (Non- Line of Sight).

3.4.5.Penulisan laporan

40

3.5. Spesifikasi Teknis Perangkat Jaringan

Perancangan skenario JSN yang akan dibangun berdasarkan spesifikasi perangkat sebagai berikut :

a. XBee S2 [8]

i. RF data rate : 250 Kbps

ii. Indoor/urban range : 40 meter iii. Outdoor/RF LOS range : 120 meter

iv. Transmit power : 1,25mW(+1 dBm)/2mW(+ 3 dBm)

v. Receiver sensitivity (1% PER) : - 96 dBm

vi. Frequency band : 2,4 GHz

vii. Interference immunity : DSSS

viii.Antena : Wire

ix. Supply voltage : 2,1 – 3,6 VDC

x. Transmit current : 35mA/45mA boost mode@3,3VDC xi. Receive current : 38mA/40mA boost mode@3,3VDC

b. Mikrokontroller Arduino Uno R3[14]

i. Mikrokontroller : ATMega 328 ii. Operating voltage : 5V

iii. Input voltage (recommended) : 7 – 12V iv. Input voltage (limits) : 6 – 20V

41

vii. DC current per I/O pins : 40 mA viii.DC current for 3,3 V pins : 50 mA

ix. Flash memory : 32 KB (0.5 KB used by bootloader)

x. SRAM : 2 KB

xi. EEPROM : 1 KB

xii. Clock speed : 16 MHz

c. I/O expansion Xbee Shield [13]

i. Interface shield ganda interfaces kompatibel dengan board Arduino ii. 3 indikator led XBee yaitu ON/SLEEP, RSSI dan ASS

iii. Menyediakan arus maksimal 500 mA pada tegangan 3,3 Volt iv. 2,54 mm break out untuk XBee

V. SIMPULAN DAN SARAN

5.1. Simpulan

Berdasarkan pengujian Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) dengan menggunakan beberapa skenario untuk mengukur nilai rata-rata delay, rata-rata throughput dan packet loss serta pengujian jaringan mesh dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

1. Nilai rata-rata delay transmisi cenderung mengalami penurunan seiring dengan meningkatnya pangaturan nilai baud rate modul XBee untuk setiap jenis ukuran paket data yang dikirimkan. Nilai rata-rata delay terkecil yaitu 20,258 ms dengan pengaturan nilai baud rate 115200.

2. Nilai rata-rata throughput cenderung mengalami kenaikan seiring dengan semakin besar pangaturan nilai baud rate pada modul XBee untuk setiap jenis ukuran paket data yang dikirimkan. Nilai rata-rata throughput terbesar yaitu 19,191 kbps dengan pengaturan nilai baud rate 115200.

3. Nilai rata-rata delay transmisi dan throughput terus mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya ukuran paket data yang ditransmisikan.

71

5. Variasi jarak pentransmisi antara nodal penerima dengan nodal pengirim dari 20, 40, 60, 80, 100 hingga 120 meter cenderung tidak mempengaruhi nilai rata-rata delay transmisi dan throughput untuk setiap pengiriman paket data 20, 40, 60 dan 80 bytes.

6. Pada pengujian transmisi Line of Sight (LOS), nilai persentase packet loss adalah 0% untuk pentransmisian paket data 20, 40, 60 dan 80 bytes dengan jarak transmisi 20, 40, 60, 80, 100 dan 120 meter.

7. Pada pengujian transmisi NonLine of Sight (NLOS) nilai persentase packet loss terbesar pada pentransmisian paket data 80 bytes pada posisi nodal ke-4 yaitu 95,31%.

8. Nilai rata-rata delay transmisi pada pengujian jaringan mesh (2 hop) cenderung lebih besar dibandingkan dengan pengujian jaringan point to point (1 hop).

9. Nilai rata-rata throughput pada pengujian jaringan mesh (2 hop) cenderung lebih kecil dibandingkan dengan pengujian jaringan point to point (1 hop).

5.2. Saran

Berdasarkan hasil penelitian dan kesimpulan yang telah diperoleh maka disarankan,

72

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Karl, Holger., Willig, Andreas. Protocol and Architectures for Wireless Sensor Networks. John Wiley and Sons. 2005.

[2]. Faludi, Robert. Building Wireless Sensor Networks. O’Reilly Media Inc. 2011.

[3]. Hamdani, Fadil. Pemodelan dan Simulasi Jaringan Sensor Nirkabel Micaz Mote Berdasarkan Standar IEEE 802.15.4. Universitas Lampung. 2010.

[4]. Piyare, Rajeev., Lee, Seong-ro. Performance Analysis of XBee ZB Module Based Wireless Sensor Networks. Mokpo National University. 2013.

[5]. ZigBee Alliance. ZigBee Specification. 2012. http://www.zigbee.org. Access Date: June, 10th 2014.

[6]. Digi International Inc. An Introduction To ZigBee. 2008. http://www.digi.com. Access Date: June, 10th 2014.

[7]. Coleri Ergen, Sinem. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary. Electrical Engineering and Computer Science. University of California. Berkeley. 2004.

[8]. Digi International Inc. XBee/XBee-Pro ZB RF Modules Product Manual. 2014. http://www.digi.com. Access Date: May, 26th 2014.

[9]. Hebel, Martin., Bricker, George. Getting Started With XBee RF Modules. Paraliax Inc. 2010.

[10]. Stallings, William. Wireless Communication and Networks 2nd Edition. Pearson Prentice Hall Upper. 2005.

[12]. Margolis, Michael. Arduino Cookbook. O’Reilly Media Inc. 2012.

[13]. XBee Shield V1.1 Overview. http://www.iteadstudio.com. Access Date: July, 20th 2014.

[14]. Arduino Uno Overview. http://www.arduino.cc. Access Date: July, 14th 2014.

[15]. X-CTU Software. http://www.digi.com.

[16]. Docklight Software. http://www.docklight.de.