JARINGAN SENSOR NIRKABEL MENGGUNAKAN MODUL KOMUNIKASI nrf905 PADA PLATFORM ARDUINO

JARINGAN SENSOR NIRKABEL MENGGUNAKAN MODUL

KOMUNIKASI nRF905 PADA PLATFORM ARDUINO

Mohammad Fajar,

Medhavini Wijaya, Abdul Munir S, Agus Halid

Informatika, STMIK KHARISMA Makassar

Jl. Baji Ateka No. 20, Makassar 90134 Indonesia

email : medhaviniwijaya@gmail.com

ABSTRACT

This research aims to implement nRF905 communication module on the Arduino platform for the agricultural field monitoring system. The hardware platform of the proposed system in this study is an Arduino UNO/Nano, nRF905 module, Temperature and air humidity (DHT11) sensor, a Soil hygrometer sensor, and a battery. The software application is developed using Arduino Programming Language, nRF905 and DHT Library. Evaluation results show that the use of the nRF905 module and Arduino as an alternative platform for the agricultural monitoring system can be considered. The evaluation presents that for 25 meters with 297 packets sent, the performance of the proposed sensor node in terms of delay, throughput, and packet loss ratio is acceptable. The battery voltage discharge rate of the node using the nRF905 less than that the XBee communication module. In addition, the proposed sensor node is able to sense the temperature, air humidity, and soil humidity of the field.

Key words

nRF905, Arduino, WSN, Agricultural monitoring system

1. Pendahuluan

Pemanfaatan teknologi Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) sebagai sistem pemantau kondisi suatu lingkungan atau objek semakin luas. JSN telah diaplikasikan di berbagai bidang seperti kesehatan, militer, industri, lingkungan, dan pertanian [1]. Dalam bidang pertanian, banyak studi yang telah dilakukan terkait dengan pengembangan JSN, seperti sistem pemantau kondisi lahan persawahan padi secara real time [2], presisi holtikultura [3], dan sistem irigasi otomatis [4]. Data temperatur, kelembaban udara, kelembaban tanah, Ph dan kondisi air merupakan data yang sangat penting dijadikan rujukan oleh para pemangku kebijakan di bidang pertanian dalam merencanakan dan

melaksanakan tugas-tugas pertanian (penyiapan lahan, penanaman, pemupukan, pemanenan) sehingga terlaksana secara baik dengan menggunakan sumber daya yang optimal.

Jaringan sensor nirkabel melibatkan sejumlah perangkat yang disebut node sensor dan Sink. Node sensor ini terdiri dari papan mikrokontroler yang berfungsi sebagai alat pemroses, sensor sebagai alat pengindra, modul komunikasi berfungsi untuk pengiriman/penerimaan data dijaringan, dan sumber energi. Sejumlah produk JSN komersial telah banyak ditawarkan diantaranya Waspmote, iMote, MicaZ, dan WSN [5][6]. Selain itu, pemakaian platform yang lebih fleksibel berbasis Arduino dan XBee juga telah banyak dikaji oleh peneliti seperti pada studi [7] dan [8] yang menggunakan modul komunikasi berbasis XBee. Akan tetapi faktor biaya pengembangan seringkali menjadi kendala. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengimplementasikan modul komunikasi nRF905 dengan mikrokontroler Arduino sebagai platform alternatif dalam mengembangkan node sensor di bidang pertanian yang lebih fleksibel dan ekonomis. Penelitian dilakukan dengan mengembangkan prototip node sensor dan melakukan evaluasi kinerjanya.

2. JSN Menggunakan Modul nRF905

2.1 Arsitektur Sistem

Secara umum sistem yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari dua komponen utama, yaitu:

1. Node pengirim (node sensor) yang berfungsi melakukan pengindraan (sensing) kondisi lahan pertanian dan mengirim hasil pengindraannya ke jaringan. Node ini dilengkapi dengan prosesor/board utama, perangkat sensor, modul nRF905, dan sumber energi melalui baterai.

2. Node penerima (Sink) yang berfungsi menerima hasil pengindraan yang dikirim oleh node sensor dan meneruskan datanya ke layanan cloud di Internet. Node ini terdiri dari modul nRF905 dan board utama Arduino yang terhubung ke Laptop/PC. Laptop dilengkapi dengan modem GPRS untuk melakukan koneksi ke internet dan mengirim data pengindraan ke server cloud. Pada arsitektur sistem yang digunakan, node pengirim atau node sensor melakukan pengindraan lahan pertanian, kemudian mengirimnya ke jaringan nRF905, oleh penerima diteruskan melalui komunikasi serial ke PC/Laptop. Selanjutnya PC/Laptop mengirim data hasil pengindraan tersebut ke server Cloud di Internet. Arsitektur sistem dan alur informasi pengindraan disajikan pada Gambar 1.

2.2 Rancangan Perangkat Keras

Node pengirim dan penerima dikembangkan menggunakan board Arduino Uno/Nano, modul nRF905 dari Nordic yang bekerja pada frekuensi 433/868/915MHz ISM band [9]. Untuk proses pengindraan node pengirim dilengkapi dengan sensor temperatur dan kelembaban udara (DHT11), sensor kelembaban tanah (soil hygrometer), sejumlah resistor (10K dan 47K) untuk antarmuka modul nRF905 dan Arduino, serta baterai sebagai sumber energinya. Gambar 2 menyajikan skema rangkaian node sensor yang digunakan.

Modul komunikasi nRF905 dapat digunakan pada sejumlah versi Arduino dengan konsumsi power yang cukup rendah (voltase maupun arus) dan memungkinkan digunakan untuk beragam aplikasi jaringan sensor termasuk sistem pemantauan lahan pertanian. Tabel 1 menyajikan spesifikasi modul nRF905 yang digunakan.

Gambar 2 Skema rangkaian node pengirim nRF905

Tabel 1 Spesifikasi modul komunikasi nRF905 [8]

Parameter Nilai

Suplai voltase 1.9 - 3.6 Volt Max. transmit power 10 dBm

Laju data 50 kbps

Suplai arus (mode pengirim, -10dBm power) 9 mA Suplai arus mode penerima 12.5 mA Suplai arus (power down mode) 2.5 µA

Untuk node penerima, dalam studi ini, digunakan modul nRF905 dan Arduino sebagai board utamanya, dihubungkan melalui antarmuka serial ke Laptop/PC yang terkoneksi ke internet menggunakan modem GPRS. Gambar 3 memperlihatkan skema node penerima yang digunakan.

Gambar 3 Node penerima nRF905/PC Basestation

2.3 Rancangan Perangkat Lunak

Program disisi pengirim dan penerima dikembangkan menggunakan bahasa pemrograman Arduino [10] serta pustaka nRF905. Saat diaktifkan, node pengirim melakukan inisialisasi nRF905, selanjutnya melakukan pengindraan data temperatur, kelembaban udara dan tanah, mengisi data hasil pengindraan ke struktur data pesan (payload), dan mengirim payload tersebut ke Sink. Dalam rancangan, siklus aktifitas-aktifitas ini dilakukan setiap 30 detik sekali. Disisi penerima/Sink, data payload diterima, selanjutnya diteruskan ke port serial PC/Laptop untuk dibaca, disusun kembali sehingga dapat diproses atau dikirim ke server cloud di Internet. Gambar 4 menyajikan rancangan perangkat lunak yang dibuat (alur aktifitas node penerima, struktur payload yang digunakan serta implementasi kode program Arduino).

Gambar 4 Rancangan Perangkat Lunak

3. Evaluasi

Pengumpulan data dalam studi ini dilakukan melalui evaluasi atau pengujian kinerja prototip pada lahan persawahan secara terbatas. Evaluasi dilakukan dengan dua skema. Skema pertama bertujuan untuk mengukur kinerja jaringan seperti waktu tunda (Delay), kemampuan komunikasi data dalam waktu tertentu (Throughput), dan kehilangan paket pada proses pengiriman (Packet Loss), sementara skema kedua bertujuan untuk melihat karakteristik pemakaian energi, secara khusus penurunan voltase yang terjadi pada baterai setelah dilakukan pengiriman data oleh node sensor.

3.1 Evaluasi Pertama

Evaluasi pertama dilakukan dengan skenario pengujian Ping, yaitu dengan mengirim sejumlah byte data antara node sensor (pengirim) dan node penerima secara terus menerus selama lima menit, dan dalam tiga jarak yang berbeda yaitu 5 meter, 15 meter, dan 25 meter. Kedua node ditempatkan di area terbuka sekitar lahan persawahan. Node sensor melakukan inisialisasi awal, waktu TIMEOUT yaitu 1000ms dan mempersiapkan variabel yang berisi nilai counter paket. Untuk menentukan rentang waktu terima data, digunakan variabel sendStartTime yang berisi waktu dalam milidetik untuk menghitung waktu awal mulainya pengiriman. Selanjutnya data disimpan di memori/buffer lokal node, dilanjutkan dengan menginisialisasi data dan mengirimnya ke node penerima. Apabila waktu respon lebih besar dari 1000ms maka status pengiriman dalam kondisi “Ping TIMEOUT” dan paket dianggap gagal terkirim. Sebaliknya apabila waktu respon kurang dari 1000ms maka paket telah terkirim dan node penerima/Laptop akan menampilkan data tersebut di layar monitor. Tabel 2. menyajikan contoh potongan data hasil ping dari pengirim ke penerima sebanyak 297 paket data dalam jarak 25 meter.

Tabel 2 Hasil Pengujian modul nRF905 pada jarak 25 meter

No

Data From

Server Ping Time (ms)

1 test 240 15 2 test 241 14

.. …. …..

6 test 245 15 7 Ping Time Out - 8 test 247 15 .. …. ….. 13 test 252 14 .. …. ….. 18 test 1 16 .. …. …..

48 Ping Time Out -

.. …. …..

Dalam pengujian ini, proses perhitungan parameter delay, throughput dan packet loss untuk jarak 25 dilakukan sebagai berikut:

a. Delay

Parameter delay dihitung menggunakan formula berikut:

paket jumlah delay jumlah delay rata Rata− =

Total delay dari 297 paket data yang dikirim yaitu 4328 ms, maka rata-rata delay sebesar 14.57 ms

b. Throughput

Untuk parameter throughput dihitung menggunakan formula berikut: total waktu paket jumlah throughput rata Rata− =

Waktu Total pengujian yaitu 5 menit atau 300 detik, sehingga rata-rata Throughput sebesar 0,99 bps

c. Packet Loss

Rasio kehilangan paket dihitung menggunakan formula berikut: % 100 . . . x dikirim paket jum diterima paket jum dikirim paket jum loss Packet = −

Pada ujicoba terdapat dua data yang tidak diterima atau hilang, sehingga jumlah paket diterima sebanyak 295 data. Maka rasio kehilangan paket sebesar 0,6%. Tabel 3 menyajikan ringkasan pengujian yang dilakukan dengan jarak antara node sensor dan Sink yang berbeda.

Tabel 3 Hasil Pengujian modul nRF905 dengan jarak yang berbeda Jarak (Meter) Rata-Rata Delay(ms) Throughpu t (bps) Packet Loss ratio (%) 5 14,64 0,98 0 15 14,66 0,98 0 25 14,69 0,99 0,6

Dari tiga parameter komunikasi data yang dievaluasi pada skenario pertama yaitu waktu delay, throughput, dan packet loss ratio menunjukkan kinerja modul komunikasi nRF905 hingga jarak komunikasi 25 meter yang digunakan dapat diterima.

3.2 Evaluasi Kedua

Evaluasi kedua dilakukan dengan mengukur penurunan voltase baterai (battery discharge) yang terjadi pada saat node sensor telah selesai mengirim data ke Sink. Penurunan voltase sangat penting diukur, mengingat mikrokontroler Arduino tidak dapat bekerja apabila suplai voltase dari sumber energy dibawah dari 5 volt atau 3.3 volt. Pada skenario kedua ini, jumlah data yang diambil yaitu sebanyak 30 data dan setiap lima data yang diterima dilakukan pengukuran voltase secara langsung menggunakan AVO Meter. Jarak antara node sensor dan node sink dalam evaluasi yaitu 25 meter. Dari pengujian diketahui bahwa rata-rata penurunan voltase baterai yang terjadi yaitu sebesar 0,053 Volt. Penurunan voltase terbesar yaitu 1.29 Volt dengan komsumsi energi sebesar 0.13 Watt yang terjadi pada saat node pertama kali diaktifkan dan melakukan pengiriman data. Hal ini disebabkan inisialisasi jaringan diawal aktifitas membutuhkan energi yang besar. Selanjutnya penurunan voltase cenderung kecil atau stabil. Gambar 5 menyajikan grafik karakteristik penurunan voltase selama node sensor bekerja dalam pengujian ini.

10.16

8.87

8.82

_8.74

_8.68

_8.63

0 5 10 15 20 25 Vo ltas e B ater ai (V ol t)

Karakteristik Penurunan Voltase

Gambar 5 Karakteristik Penurunan Voltase Baterai Node Sensor Hasil pengujian ini juga memberikan gambaran bahwa rata-rata penurunan voltase pengiriman data menggunakan nRF905 lebih kecil dibandingkan modul XBee yaitu sebesar 0,0234V [11]. Meskipun spesifikasi keduanya berbeda, akan tetapi konsumsi energi menjadi salah satu faktor penting yang perlu dipertimbangkan, khususnya node sensor yang menggunakan baterai sebagai sumber energinya. Dalam evaluasi ini juga diketahui bahwa node sensor (pengirim) dapat melakukan pengindraan data lahan persawahan berupa data temperatur, kelembaban udara, dan kelembaban tanah. Gambar 6 menyajikan contoh data kelembaban tanah yang berhasil diterima.

Gambar 6 Data Kelembaban Tanah yang Dikirim oleh Node Sensor Selain itu, penulis juga melakukan pengujian terhadap validitas data yang dikirim dan yang diterima untuk melihat apakah terdapat gangguan (noise) pada proses pengiriman data. Dari 30 data temperatur, kelembaban udara, dan kelembaban tanah diketahui bahwa data yang diterima oleh Sink sesuai dengan data yang dikirim oleh node sensor. Hasil pengujian ini menujukkan tidak adanya gangguan yang menyebabkan perubahan/kerusakan data yang dikirim.

4. Kesimpulan

Dari studi ini disimpulkan bahwa pemakaian modul komunikasi nRF905 dan Arduino sebagai platform alternatif pada sistem monitoring lahan pertanian dapat dipertimbangkan untuk digunakan. Salah satu hasil evaluasi kinerja nRF905 menunjukkan untuk jarak 25 meter dengan jumlah pengiriman data sebanyak 297 paket diketahui parameter delay, throughput, dan packet loss yang dapat diterima. Rata-rata penurunan voltase baterai node sensor yang menggunakan nRF905 untuk satu kali pengiriman paket data diketahui lebih kecil dibandingkan modul komunikasi XBee. Selain itu, node sensor yang dirancang berhasil melakukan pengindraan data lahan persawahan berupa temperatur, kelembaban udara, dan kelembaban tanah.

Ucapan Terima Kasih

Penulis mengucapkan terima kasih kepada DRPM KEMENRISTEKDIKTI yang telah membiaya penelitian ini melalui skema hibah Penelitian Produk Terapan Tahun 2017.

REFERENSI

[1] Akyildiz, Ian F., Vuran, Mehmet Can., 2010, “Wireless Sensor Networks”, Willey & Sons.

[2] Fajar, Mohammad., Halid, Agus., Arfandy, Hamdan., Munir, Abdul., 2016, “Development of a Low Cost Wireless Sensor Network for a Real Time Paddy Field Monitoring System”, International Journal of u-and e-Service, Science, and Technology (IJUNESST), Vol. 9, No.12, 397-408.

[3] Riquelme, Lopez. J.A., Soto, F., Suardiaz, J., Sanchez, P., Iborra, A., Vera, J.A., 2009, “Wireless Sensor Networks for Precision Horticulture in Southern Spain”, Journal of Computers and Electronics in Agriculture, Volume 68, Issue 1, 25-35.

[4] Gutiérrez, J., Villa-Medina, J.F., Nieto-Garibay, A., Ángel Porta-Gándara, M., 2014, “Automated irrigation system using a wireless sensor network and GPRS module”, IEEE Trans. Instrum. Meas. 63 (1), 166–176.

[5] Bischoff, R.einhard., Meyer, Jonas., Feltrin, Glauco., 2009, “Wireless Sensor Network Platforms”, Encyclopedia of Structural Health Monitoring, DOI: 10.1002/9780470061626.shm085.

[6] Karani, Manish., Kale, Ajinkya.,Kopekar, Animesh.,2011, “Wireless Sensor Network Hardware Platforms and Multichannel Communication Protocols: A Survey”, Proceedings of International Journal of Computer Applications (IJCA), 20-23.

[7] Ghargan, K. Sadik., Rosdiadee, Nordin., Ismail, Mahamod., 2014, “Energy-Efficient ZigBee-Based Wireless Sensor Network for Track Bicycle Performance Monitoring”, Sensors, 14(8), 15573-15592; doi:10.3390/s140815573 [8] Romeo Lazaro Pascual , Don Michael R. Sanchez , Diego

Lloyd E. Naces , Warren A. Nuñez, 2015, “A Wireless Sensor Network Using XBee for Precision Agriculture of Sweet Potatoes (Ipomoea batatas)”, Proseding 8th IEEE International Conference Humanoid, Nanotechnology, Information Technology Communication and Control, Environment and Management (HNICEM).

[9] Nordic Semiconductor, 2008, “nRF905 Single chip 433/868/915MHz Transceiver”, Tersedia di http://www.nordicsemi.com/eng/content/download/2452/29 528/file/Product_Specification_nRF905_v1.5.pdfq

[10] Banzi, Mazzimo., 2011,“Getting Started with Arduino”, O'Reilly.

[11] Fajar, Mohammad., Halid, Agus., Rahman, Syaiful., 2017, “Desain dan Evaluasi Prototipe Jaringan Sensor Nirkabel untuk Monitoring Lahan Persawahan di Kabupaten Gowa”, Jurnal Sisfo, Vol. 06, No. 03, 319-330.