PENGEMBANGAN STASIUN PENGAMATAN CUACA MENGGUNAKAN JARINGAN SENSOR NIRKABEL

(1)

PENGEMBANGAN STASIUN PENGAMATAN CUACA

MENGGUNAKAN JARINGAN SENSOR NIRKABEL

Indra Sakti 1), Iwan Muhammad Erwin 2) Pusat Penelitian Informatika - LIPI

Komplek LIPI Gd. 20 lantai 3

Jl. Cisitu No. 21/154D Bandung Telp. 022-2504711

E-mail : indra@informatika.lipi.go.id1)_,_{iwan@informatika.lipi.go.id}2) Abstract

Weather station is very important as a provider of weather information and data in one location. The data as input to arrange program or policy that connected to weather, for example in farming, agriculture, and fishing. Generally a weather station measure 7 weather parameters i.e. wind speed, wind direction, temperature, barometric pressure, humidity, solar radiation, and rain fall. In conventional weather monitoring station, still required the operator to record and collect data from each sensor is attached. Manual observations led to a long recording period. Manual observations are taken at least once daily. While the weather changes often occur within a short time. Therefore we need automatic weather observation. On the automatic weather station, the period of data collection can be arranged, at least once an hour and the result is stored in a memory. Better weather station using an electronic data logger connected to the main station. In this paper, the weather station which was built using wireless sensor networks. This wireless sensor networks consist of autonomous devices, that call sensor node. So that the damage or error on a device does not cause errors in other devices. This sensor nodes embedded inside some internal sensors, such as temperature and humidity sensors. Other external sensors can be added to the sensor board. The sensor board must be programmed to have the ability to read all sensors installed and send the results to master station. This research activity to design and develop a prototype of weather stations based WSN. This research is expected to make an impact on improving the economy, especially if implemented on a farm or agricultural. This weather data can be used as a reference for managing agriculture and plantation business. so that will improve the quality and quantity of the harvest.

Keywords : weather station, data logger, wireless, sensor node, microcontroller programming. Abstrak

Stasiun pengamat cuaca sangat penting sebagai penyedia data dan informasi cuaca di suatu lokasi. Data tersebut merupakan masukan untuk menentukan program atau kegiatan yang erat kaitannya dengan perubahan cuaca, misalnya pertanian dan perkebunan. Secara umum stasiun cuaca mencatat 7 parameter yaitu : kecepatan angin, arah angin, suhu udara, tekanan udara, kelembaban udara, radiasi matahari, dan curah hujan. Pada stasiun pemantau cuaca yang bersifat manual, masih diperlukan operator untuk mencatat dan mengumpulkan data hasil pengukuran dari tiap-tiap sensor terpasang. Dengan cara manual seperti ini berarti periode pengumpulan data menjadi lebih lama. Pengamatan cuaca secara manual diambil sekurangnya sekali dalam sehari. Sedangkan perubahan cuaca seringkali terjadi dalam rentang waktu yang tidak lama. Oleh karena itu diperlukan pengamatan cuaca secara otomatis. Pada stasiun cuaca otomatis, periode pengambilan data dapat diatur, sekurangnya satu jam sekali dan hasilnya disimpan dalam suatu memori. Stasiun cuaca yang lebih baik lagi menggunakan data logger elektronik yang tersambung ke stasiun utama. Disamping bersifat otomatis, stasiun pengamatan ini juga dapat tersambung ke stasiun utama secara online. Pada makalah ini stasiun pengamatan cuaca yang dibangun menggunakan jaringan sensor nirkabel. Jaringan sensor nirkabel ini tersusun atas divais-divais yang autonomus. Dengan demikian kerusakan atau kesalahan pada suatu divais tidak menyebabkan kesalahan pada divais lainnya. Metode yang digunakan dalam membangun stasiun cuaca ini adalah menggunakan node sensor nirkabel. Node sensor ini di dalamnya tertanam beberapa sensor internal yaitu suhu, dan humidity. Kemudian ditambahkan sensor sensor cuaca lainnya yang bersifat eksternal. Pembacaan sensor internal dan eksternal melalui pemrograman pada mikrokontroller sensor node. Nilai ilmiah dari riset ini adalah menghasilkan suatu contoh stasiun pengamatan cuaca

(2)

Prosiding Seminar Nasional Sains Atmosfer I 2010, 16 Juni 2010, Bandung

298

dengan menggunakan teknologi jaringan sensor nirkabel. Riset ini diharapkan juga dapat memberi dampak terhadap peningkatan perekonomian khususnya jika diimplementasikan pada suatu perkebunan atau pertanian (agro bisnis). Dari data cuaca ini dapat dijadikan acuan dalam mengelola usaha pertanian/perkebunan, sehingga akan meningkatkan kualitas dan kuantitas panen.

Kata kunci : stasiun cuaca, data logger, nirkabel, node sensor, pemrograman, mikrokontroller.

1. PENDAHULUAN

Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi mengalami percepatan yang tinggi. Keadaan tersebut membuat banyak hal dapat dilakukan dengan mudah, cepat dan efisien. Seiring dengan hal tersebut kebutuhan akan informasi yang cepat dan akurat semakin tinggi. Berbagai media komunikasi sistem informasi telah banyak berkembang antara lain melalui saluran radio, televisi, telepon bahkan internet.

Dalam makalah ini dilakukan pengembangan penyedia data dan informasi cuaca dengan menggunakan teknologi jaringan sensor nirkabel (WSN/Wireless Sensor Network) yang merupakan sistem monitoring yang saat ini sedang dikembangkan di banyak negara. Jaringan sensor nirkabel ini menggunakan perangkat komunikasi ZigBee, dimana ZigBee ini adalah media nirkabel yang menggunakan radio frekuensi yang mencapai 2,4 GHz. ZigBee ini juga termasuk modul nirkabel dari jenis IEEE 802.15.4.

Stasiun pengamatan cuaca yang menggunakan teknologi jaringan sensor nirkabel ini secara umum mencatat 7 (tujuh) parameter, yaitu : kecepatan angin, arah angin, suhu udara, tekanan udara, kelembaban udara, radiasi matahari, dan curah hujan.

Data-data yang dihasilkan dari stasiun pengamatan cuaca dengan menggunakan teknologi jaringan sensor nirkabel pada makalah ini hanya baru sebatas menampilkan data yang terukur, belum sampai dengan penyimpanan data. Sistem penyimpanan data dan juga HMI (Human Machine Interface)-nya akan dikupas pada makalah yang akan datang.

2. TEORI, PROSEDUR DAN METODE 2.1. Jaringan Sensor Nirkabel

Jaringan Sensor Nirkabel (WSN/Wíreless Sensor Network) terdiri dari node yang bersifat individu yang dapat berinteraksi dengan lingkungannya dengan cara sensing, controlling dan comunication terhadap parameter-parameter fisiknya. Node juga sering disebut dengan intelligent/smart sensor. Node-node ini berkolaborasi untuk memenuhi tugasnya dan biasanya satu node mempunyai kemampuan untuk memenuhi tugasnya tersebut (multi agent). Node-node tersebut menggunakan komunikasi wireless untuk menjalankan kolaborasi antar node (Karl,2005).

Sistem komunikasi yang digunakan dalam kolaborasi ini menggunakan jarak yang pendek (sekitar 10 meter sampai 100 meter) dan memiliki kelebihan pada pengoperasiannya yang sangat mudah, bentuknya kecil, murah dan membutuhkan daya yang sangat rendah (low power consumption) (Dermawan, 2005).

Setiap node dalam WSN terdiri dari lima komponen yaitu : kontroller, memori, sensor/aktuator, perangkat komunikasi dan power supply. Umumnya catu daya yang digunakan adalah baterai. Komponen-komponen dari sebuah node ditunjukkan pada Gambar 2.1.

(3)

Y diperlu melalu dengan Station akusis berbag wirela didistr 2.2. Pe K bersifa visuali lain ke U yang d yang kompo Gam Yang memb ukannya kom ui komunika n fisik lingk n Controller si data sehin gai macam and (Etherne ribusikan ter enentuan A Komponen-k at remote, y isasi data, d emudahan da Untuk meme diterapkan p menggamb onen. mbar 2.1. Kom bedakan WS munikasi sec asi lokal pee kungan. Set (BSC). Pad gga mengha jaringan dis et, WLAN rsebut dapat Arsitektur da komponen y yaitu: remo dan penyimp alam pengem enuhi komp ada stasiun p barkan seca mponen-kom SN dengan cara langsun er dalam ja telah itu, da da BSC, data asilkan infor stribusi info ataupun op diakses oleh an Cara Ke yang harus te terminal panan data. B mbangan sist onen dan kr pengamatan ara fungsi mponen Peny sistem kom ng dengan ba aringan node ata tersebut a-data dari se rmasi yang d ormasi baik ptik). Dan p h user kapan erja Sistem dipenuhi d unit, senso Beberapa kr tem, biaya o iteria tersebu cuaca. Gam komponen-yusun Node munikasi ya ase station, t e-nodenya s barulah dik etiap aplikas dapat dikirim melalui ja pada akhirn

saja dan dim dalam suatu or, master s riteria dapat operasional d ut di atas dip mbar 2.2 men -komponen dalam WSN ang lainnya tetapi hanya endiri dalam kirimkan ke si WSN men mkan kepada aringan wire nya informas mana saja. sistem mon station, kom juga ditamb dan perawata perlukan ars nunjukkan su dan keter N adalah tida a berhubunga m berinterak sebuah Ba ngalami pros a user melal eless maupu si yang tela nitoring yan munikasi dat bahkan anta an sistem. sitektur siste uatu arsitektu rikatan ant ak an ksi se es lui un ah ng ta, ara em ur tar

(4)

300

Dari Gambar 2.2 dapat dijelaskan bahwa sistem pengamatan ini dibangun dengan sebuah node sensor yang juga berfungsi sebagai gateway dan empat buah node sensor. Masing-masing node memonitor kondisi cuaca disekitarnya. Hasil monitoring ini dikirimkan ke base station controller melalui gateway. Apabila posisi node sensor cukup jauh dari gateway, maka node ini memerlukan bantuan node terdekatnya untuk meneruskan data yang akan dikirimkan ke gateway. Jadi node yang berada di tengah arsitektur ini dapat difungsikan juga sebagai repeater. Arsitektur ini memungkinkan tiap node diprogram sesuai dengan fungsinya dalam sistem keseluruhan.

Pengukuran dikerjakan oleh komponen pada aras terbawah, yaitu node sensor. Beberapa node dipasang secara menyebar dan membentuk suatu path (jalur). Setiap node sensor mempunyai kemampuan mengakusisi data, perhitungan dan komunikasi dalam jaringan. Node ini mengirimkan data melalui suatu path hingga mencapai gateway. Dalam hal ini gateway berfungsi seperti datalogger.

Komponen node sensor adalah sebuah piranti autonomous. Ia dapat bekerja sendiri dan dapat pula bekerja sama (berkoordinasi) dengan node-node di sekitarnya. Masing-masing node sensor ini mengumpulkan data dari area tempat dia terpasang.

Tiap node sensor harus diprogram sehingga ia mempunyai kemampuan fungsi komputasi, penyimpanan data dan komunikasi dua arah dengan node lainnya di dalam sistem. Berkemampuan melakukan antarmuka dengan sensor-sensor. Dibandingkan dengan sistem data logging konvensional, sistem berbasis WSN ini memiliki dua kelebihan, yaitu kemudahan dalam mengganti tugas (fungsi) dari node dan kemudahan komunikasi dalam sistem.

Node sensor berkomunikasi dan berkoordinasi dengan node lainnya. Kerjasama ini dapat ditempuh melalui beberapa bentuk. Beberapa node sensor dapat membentuk jaringan multihop dengan cara meneruskan data dari masing-masing node hingga mencapai node gateway. Jalur multihop ini dapat dibentuk melalui berbagai cara disesuaikan dengan kondisi yang terjadi di lapangan.

Dalam sistem Wireless Sensor Network (WSN) dibutuhkan suatu aplikasi komunikasi nirkabel dengan data rate yang kecil, sistem yang sederhana, daya baterai yang kecil sehingga dapat bertahan selama berbulan-bulan, dan bekerja pada frekuensi bebas lisensi secara internasional. Untuk memenuhi kebutuhan aplikasi nirkabel tersebut, IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) telah mengembangkan sebuah standar baru yaitu IEEE 802.15.4. Yang termasuk ke dalam standar tersebut adalah ZigBee. Salah satu kelebihan pada komunikasi Zigbee ini adalah pada pengoperasiannya yang sangat mudah, mempunyai bentuk yang kecil dan daya yang dibutuhkan sangat rendah. ZigBee merupakan jenis komunikasi Personal Area Network (PAN) dimana mempunyai data rate yang rendah dan jangkauan yang pendek.

ZigBee adalah media nirkabel yang menggunakan radio frekuensi yang mencapai 2,4 GHz. Perangkat komunikasi ZigBee telah tersedia dalam mikrokontroler JN5139, sehingga tidak memerlukan perangkat komunikasi tambahan. Keuntungannya adalah akan

membutuhkan waktu yang lebih cepat dari pada menggunakan perangkat dari luar.

2.3. Node Sensor

Node sensor (board sensor) merupakan sebuah board yang bertugas sebagai node pada sistem WSN. Di dalam suatu board sensor terdapat lima komponen utama yaitu: kontroler, memori, sensor/aktuator, perangkat komunikasi dan catudaya.

Kontroler berfungsi memproses semua data yang relevan dan berkemampuan untuk mengeksekusi kode-kode program. Memori digunakan untuk menyimpan program dan

(5)

data intermediate yang nantinya akan dikirimkan ke controller board. Sensor dan aktuator merupakan antarmuka terhadap parameter-parameter fisik lingkungan. Perangkat komunikasi digunakan sebagai peralatan jaringan untuk mengirimkan dan menerima informasi melalui kanal nirkabel. Catudaya sebagai penyimpan energi untuk mengaktifkan semua komponen dalam board.

Pada mikrokontroler JN5139, sebagai antar-muka antara sensor dan CPU digunakan ADC 12-bit berjumlah empat buah. Rentang nilai masukan yang diijinkan pada mikrokontroler JN5130 adalah tegangan 0-2,3 volt sesuai dengan kemampuan ADC.

Gambar 2.3 memperlihatkan contoh modul node sensor dari Jennic. Controller board dibangun dari microcontroller JN5139, di dalamnya sudah terintegrasi tranceiver 2,4 GHz, 32- bir RISC processor, 192kB ROM, 96kB RAM, 4-input 12-bit ADC, 2 output 11-bit DAC, 2 comparator, 2 UART. Catudaya modul sensor ini dapat dipilih 2 buah baterai 1,5 volt tipe AAA atau menggunakan adaptor.

Gambar 2.3. Node Sensor (board sensor)

2.4. Gateway

Pada intinya node gateway (board coordinator) merupakan sebuah board sensor, tetapi sebagai tambahan dilengkapi dengan layar LCD 128x64 piksel untuk menampilkan data-data yang dianggap penting. Selain board ini memonitoring lingkungan sekitar melalui sensor-sensornya. Board ini juga berfungsi mengendalikan jaringan dan data yang masuk dari node sensor lainnya. Board ini mempunyai port UART untuk pemakaian komunikasi serial ke komputer (base station). Contoh node gateway seperti pada Gambar 2.4.

(6)

302

3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Perancangan Sistem

Stasiun pengamatan cuaca yang dirancang dapat di lihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Rancangan Stasiun Pengamatan Cuaca

Sensor-sensor yang digunakan pada rancangan stasiun pengamatan cuaca ini adalah sebagai berikut : kecepatan angin, arah angin, suhu udara, tekanan udara, kelembaban udara, radiasi matahari, dan curah hujan.

Untuk sensor kecepatan angin, arah angin, tekanan udara dan radiasi memiliki output 4-20 mA dan merupakan sensor eksternal yang dipasang pada node sensor. Sedangkan untuk sensor suhu dan kelembaban udara sudah terpasang di internal node sensor. Untuk curah hujan menggunakan rain bucket yang output–nya berupa pulsa.

Dari sensor-sensor yang mempunyai output 4-20 mA sebelum dihubungkan dengan node sensor, terlebih dahulu diubah dari arus menjadi tegangan 0-2,3 Volt dengan menggunakan signal conditioning (Gambar 3.2), karena pada node sensor hanya terdapat input ADC yang berjumlah 4 kanal.

Gambar 3.2. Skematik Rangkaian Signal Conditioning

Sedangkan curah hujan akan dihitung dari pulsa rain bucket yang masuk kedalam node sensor melalui rangkaian bouncing remover (rangkaian RC), seperti yang terlihat

(7)

pada Gambar 3.3. Ouput dari rangkaian ini akan masuk ke node sensor melalui kanal DIO (Data Digital Input/Output).

Gambar 3.3. Skematik Rangkaian Bouncing Remover

Rangkaian ini digunakan untuk mengantisipasi kesalahan pembacaan node sensor dari saklar yang ada pada rain bucket. Ini dikarenakan pada saat kontak saklar ditekan terjadi getaran yang mengakibatkan adanya momentum dan elastisitas beraksi bersamaan. Seperti yang terlihat pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Bouncing, (a) Sinyal seharusnya, (b) Sinyal bouncing, (c) Sinyal yang terbaca pada node sensor.

Pada saat saklar ditekan dari 1 ke 0 akan terjadi bouncing (Gambar 3.4 (b)) sehingga sinyal ini akan dianggap terjadi perubahan dari 1 ke 0 berkali-kali pada pembacaan node sensor (Gambar 3.4 (c)). Setelah menggunakan rangkaian bouncing remover, maka sinyal yang terbaca akan seperti yang seharusnya (Gambar 3.4 (a)).

3.2. Hasil Pengukuran pada Node Sensor

Pada saat sistem diaktifkan, hasil dari pendeteksian yang dilakukan sensor-sensor yang dikirim ke node sensor adalah seperti ditunjukkan dalam Gambar 3.5.

(8)

304

Hasil pengukuran pada node sensor dapat dilihat dengan menggunakan kabel USB pada port USB dengan menggunakan aplikasi Hyper Terminal pada Windows. Pembacaan pada node sensor dapat dijelaskan sebagai berikut. Pembacaan dimulai dengan kata "START", lalu diikuti berturut-turut dengan kode node: suhu: kelembaban udara: arah angin: kecepatan angin: tekanan udara, radiasi matahari: curah hujan, diakhiri dengan kata "STOP". Data-data ini selanjutnya akan dikirim ke node gateway melalui radio. Di node gateway data-data ini akan ditampilkan di LCD.

4. KESIMPULAN

Dari beberapa pembahasan di atas, maka dapat diambil beberapa kesimpulan bahwa pada sistem jaringan sensor nirkabel ini antara node sensor dan node gateway harus berhadapan langsung dan tidak terhalang. Jarak antara node sensor dan node gateway dekat (± 10 m), untuk jarak yang lebih jauh lagi perlu digunakan amplifier ataupun gain antenna. Penanganan bouncing pada rain bucket selain dengan menggunakan rangkaian RC, dapat juga dilakukan dengan menggunakan rangkaian IC7400 dan ini terbukti lebih stabil. Untuk kelanjutan kegiatan ini berupa penyedia data dan informasi, maka perlu dibuat kegiatan lain yaitu penyimpanan dan pengolahan data dan juga Human Machine Interface-nya.

DAFTAR RUJUKAN

Raghavendra C.S., Krisna M. Sivalingam, Taieb Znati, 2006, Wireless Sensor Network, Springer Science+Business Media LLC, New York.

Karl, Holger and Andreas Willig, 2005, Protocols and Arsitectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley and Sons Ltd, West Sussex.

Jennic, “Product Brief JN5139, IEEE802.15.4 and ZigBee Wireless Microcontrollers”, http://www.jennic.com/files/product_briefs/JN5139_PB_V1.23.2.pdf.

Iwan Muh. Erwin, Bambang Sugiarto, Indra Sakti, 2009, Perancangan Sistem Monitoring Kualitas Udara Menggunakan Teknologi Wireless Sensor Network, Prosiding seminar nasional Riset Teknologi Informasi 2009, STMIK AKAKOM, Yogyakarta.

Jennic, “Integrated Peripheral API, Reference Manual”,

http://www.jennic.com/support/support_files/jn-rm-2001_integrated_peripheralapi. Laila, Nurziha, 2007, Interfacing Instrumen Sistem Monitoring Klimatologi Menggunakan

Borland Delphi 6.0, Tugas Akhir, FMIPA, Universitas Diponegoro. Global Water, http://www.globalw.com.