Fakultas Ilmu Komputer
Universitas Brawijaya
7666
Implementasi Low Power Pada Sistem Pemantau Lahan Pertanian Berbasis
Komunikasi MRF24J40MA
Ahmad Ghufron Agustian1, Mochammad Hannats Hanafi Ichsan 2, Rakhmadhany Primananda3 Program Studi Teknik Komputer, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya
Email: 1ahmadghufronagustian@gmail.com, 2 hanas.hanafi@ub.ac.id, 3rakhmadhany@ub.ac.id Abstrak
Pertanian saat ini telah banyak bertransformasi menggunakan berbagai teknologi untuk meningkatkan hasil produksi. Pertanian tradisional berganti menjadi pertanian pintar yang memanfaatkan Internet of
things menggunakan Wireless Sensor Network (WSN) sebagai pengumpul informasi pemantauan dan
kontrol aplikasi. Sistem pemantau lahan pertanian berbasis protokol 802.15.4 memiliki kehandalan dalam melakukan pemantauan maupun pengiriman data, sistem ini berjalan dalam jangka waktu yang lama, maka diperlukan sebuah upaya untuk penghematan energi dalam sistem menggunakan metode
Low Power agar penggunaan sumber daya terkurangi. Dalam menerapkan metode Low Power
menggunakan fitur sleep mode powerdown yang akan secara paksa mematikan beberapa fungsi kerja dari ATmega328P. Dalam implementasi sistem ini digunakan 3 Node antara lain: 2 End Device yang melakukan pengambilan data dan pengiriman, serta 1 PAN Coordinator sebagai server atau penerima data. Hasil pengujian penggunaan metode Low Power mendapatkan penghematan sebesar ratar-rata 6 mA atau 12,7% yaitu nilai rata-rata arus ketika sistem wake adalah 47,7 mA dan ketika sleep adalah 42,3 mA. Selain itu berdasarkan pengujian packet loss pengiriman data didapatkan pengiriman optimal pada jarak 25 meter antara End Device dan PAN Coordinator.
Kata kunci: Wireless Sensor Network, Low Power, Sleep Mode Power Down Abstract
Agriculture has now been transformed using a variety of technologies to increase production. Traditional agriculture has shifted to smart farming that utilizes the Internet of things using Wireless Sensor Network (WSN) as an information gathering and monitoring control application. The 802.15.4 protocol based agricultural land monitoring system has reliability in monitoring and sending data, this system runs for a long time, so an effort is needed to save energy in the system using the Low Power method so that the use of resources is reduced. In applying the Low Power method use the sleep mode powerdown feature which will forcibly turn off some work functions from ATmega328P. In the implementation of this system 3 Nodes are used, among others: 2 End Devices that perform data retrieval and delivery, and 1 PAN Coordinator as a server or data receiver. The test results using the Low Power method get savings of an average of 6 mA or 12.7%, namely the average value of the current when the system wake is 47.7 mA and when sleep is 42.3 mA. In addition, based on packet loss testing, data transmission is obtained at the optimal distance of 25 meters between End Device and PAN Coordinator.
Keywords: Wireless Sensor Network, Low Power, Sleep Mode Power Down
1. PENDAHULUAN
Pertanian tradisional telah berubah menjadi pertanian pintar dengan menggunakan banyak teknologi agar produktifitas meningkat. Selain itu mengetahui kondisi lahan dan parameter lingkungan juga menjadi faktor penting untuk meningkatkan kualitas hasil pertanian. Internet
of things menggunakan Wireless Sensor Network
(WSN) sebagai pengumpul informasi pemantauan (Heble, et al., 2018)
Dalam tahap pengembangan tanaman perlu mengetahui pertumbuhan dan kinerja tanaman karena merupakan aspek penting yang memungkinkan petani dapat memperoleh hasil pertanian yang optimal dengan memastikan
intervensi tepat waktu di akhir musim (Eo4sd, 2019).
Pemantauan lahan pertanian dilakukan oleh beberapa sensor untuk mengetahui parameter seperti, suhu, kelembapan udara, kelembapan tanah, dan curah hujan. WSN merancang aplikasi secara spesifik untuk tujuan tertentu, maka dari itu dibutuhkan satu set persyaratan yang berbeda terhadap aplikasi yang lain. Akibatnya perlu upaya lebih untuk mengatasi masalah energi dan keandalan (Rault, 2014).
WSN berupaya melakukan efisiensi energi, karena penggunaan baterai yang akan membuat boros biaya dan sulitnya penggantian baterai pada daerah yang penyebarannya sulit untuk diakses. Cara penghematan energi yang dilakukan diantaranya adalah dengan penghematan protokol MAC (Simarpreet Kaur, 2012).
Standar komunikasi menggunakan protokol 802.15.4 karena mempunyai kinerja lebih baik mampu berkomunikasi dengan kerangka dasar hingga 10 meter dengan maksimum transfer 250 kbps, dengan efisiensi daya yang tinggi dan memiliki biaya sangat rendah (Electronicsnotes, 2015)
Implementasi Wireless Sensor Node
digunakan untuk pemantauan lahan pertanian menggunakan modul protokol 802.15.4 mampu melakukan pengiriman terjauh 104 meter. Pemantauan menggunakan sensor suhu, kelembapan udara, hujan, dan kelembapan tanah. (Munir, 2018). Namun sistem terbebani penggunaan daya yang besar, sehingga diperlukan metode penghematan daya pada sistem.
Berdasarkan permasalahan yang telah disebutkan maka penulis melakukan penelitian berjudul “Implementasi Low Power Pada Sistem Pemantau Lahan Pertanian Berbasis MRF24J40MA”. Metode Low Power akan diimplementasikan untuk mengurangi konsumsi daya dengan teknik sleep mode powerdown menggunakan 3 Node yaitu 2 End Device dan 1 PAN Coordinator. Sistem akan melakukan mekanisme Low Power dengan pembagian jam kerja yaitu hanya 1 detik untuk kemudian masuk kedalam mode penghematan powerdown selama 10 detik..
2. PERANCANGAN SISTEM
Tahap perancangan sistem menjelaskan tentang gambaran umum sistem yang akan diimplementasikan dalam sistem, seperti pada
Gambar 1.
Gambar 1. Diagram blok sistem
Berdasarkan diagram blok sistem pada Gambar 1 terdapat beberapa Node diantaranya adalah 2 End Device dan 1 PAN Coordinator.
Pada End Device memiliki input yang digunakan oleh sistem diantaranya adalah sensor suhu, sensor kelembapan udara, sensor hujan, sensor kelembapan tanah, dan real time clock sebagai pewaktu untuk mengatur penjadwalan sistem.
Sensor suhu dan kelembapan udara digunakan sebagai input. Sensor yang digunakan adalah DHT11. Sensor ini akan dihubungkan dengan perangkat End Device menggunakan pin analog.
Sensor hujan digunakan sebagai input yaitu akan mengukur intensitas curah hujan berdasarkan output analog yang terhubung pada pin analog ke End Device.
Sensor kelembapan tanah menggunakan sensor YL-69 yang menggunakan probe akan melewatkan arus untuk dibaca kelembapannya oleh End Device. Ketika banyak kandungan air dalam tanah maka akan menghantarkan listrik lebih mudah, sehingga ketika tanah kering akan sulit menghantarkan listrik dan nilai kelembapan tanah rendah.
Real Time Clock (RTC) digunakan sebagai
penjadwalan sistem, untuk membangunkan sistem menggunakan alarm interupt setelah sistem melakukan sleep selama beberapa waktu tertentu. Modul RTC yang dipakai adalah RTC DS3231.
Arduino Nano sebagai pemroses nilai yang diberikan oleh beberapa sensor input¸
pemrosesan data dilakukan sebelum kemudian dikirim oleh End Device kepada PAN
Coordinator menggunakan modul komunikasi
MRF24J40MA.
menerima data dari End Device melalui modul komunikasi MRF24J40MA. Kemudian data ditampilkan melalui Serial Monitor.
2.1 Perancangan End Device
End Device merupakan perangkat yang
bertugas melakukan pemantauan dengan beberapa sensor, yaitu sensor DHT11, YL-69, dan sensor hujan, data tersebut akan diproses oleh Arduino Nano dan kemudian akan dikirimkan oleh modul komunikasi MRF24J40MA kepada PAN Coordinator.
Berdasarkan diagram alir pada Gambar 2, pertama-tama sistem akan melakukan inisialisasi perangkat, menetapkan modul sebagai End
Device, dan menetapkan alamat perangkat.
Setelah itu sistem akan melakukan sleep mode selama 10 detik pembacaan nilai sensor dan mengirimkannya kepada PAN Coordinator dengan penomoran pada pengiriman setiap paketnya menggunakan modul komunikasi MRF24J40MA. Kemudian sistem akan masuk pada Sleep Mode selama 10 detik. Ketika masih ada daya maka sistem akan memulai kembali lagi wake sistem.
Gambar 2. Diagram alir End Device
2.2 Perancangan PAN Coordinator
PAN Coordinator adalah perangkat yang berperan sebagai server atau gateway dari
Wireless Sensor Network. PAN Coordinator
merupakan perangkat Full Function Device (FFD) yaitu perangkat yang bisa melakukan
pelayanan sebagai personal area network (PAN). Topologi yang dipakai adalah topologi star yaitu seluruh Node berkomunikasi dengan satu kendali pusat yaitu PAN Coordinator.
Berdasarkan diagram alir pada Gambar 3 dapat dilihat bahwa PAN Coordinator
melakukan inisialisasi awal perangkat, menetapkan modul sebagai PAN Coordinator, dan menetapkan alamat perangkat. Kemudian sistem siap menerima data dari End Device dan menampilkannya pada serial monitor.
Gambar 3. Diagram alir PAN Coordinator
2.3 Perancangan Low Power
Low Power memakai library
<avr/sleep.h> menggunakan tipe Low Power
Sleep Mode Powerdown, dan melakukan
penghematan dengan mematikan BOD dan ADC sistem akan mematikan beberapa fungsional selama 10 detik. Kemudian sistem hidup kembali melalui interrupt yang dilakukan oleh RTC. Diagram alir Low Power ditunjukkan pada Gambar 4 berikut.
Gambar 4. Diagram alir Low Power
3. IMPLEMENTASI SISTEM
Setelah tahap perancangan maka selanjutnya dilakukan implementasi pada sistem, baik pada End Device maupun PAN
Coordinator.
3.1. Implementasi End Device
Gambar 5. Implementasi End Device
Pada Gambar 5 ditunjukkan implementasi
End Device. Seluruh komponen dirangkai pada
sistem dan dimasukkan dalam box agar lebih aman. Implementasi End Device menggunakan 2
Node yang memiliki fungsi sama. Yaitu
dilengkapi dengan sensor suhu dan kelembapan udara (DHT11), sensor kelembapan tanah (YL-69), serta sensor hujan. Selain itu, pada End
Device juga dilengkapi dengan modul pewaktuan RTC DS3231 yang digunakan untuk
melakukan alarm interupt ketika sistem memasuki sleep mode agar bisa kembali hidup. 3.2. Implementasi PAN Coordinator
Gambar 6. Implementasi End Device
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, bahwa PAN Coordinator terdiri dari 1 Node sebagai gateway pada sistem. Data dari End
Device diterima melalui modul komunikasi
MRF24J40MA kemudian data diproses oleh Arduino Nano dan ditampilkan pada serial
monitor.
4. PENGUJIAN DAN ANALISIS
Setelah dilakukan implementasi sistem berdasarkan perancangan, maka selanjutnya dilakukan tahap pengujian dan analisis.
4.1 Pengujian pengambilan data oleh sensor
Tabel 1. Pengujian pengambilan data oleh sensor
ID Nama
sensor
Kondisi
Lingkungan Nilai Sensor
1 YL-69 Basah 58,75% 2 YL-69 Basah 52,69% 1 Sensor hujan Terkena percikan air 488 2 Sensor hujan Terkena percikan air 441 1 Sensor hujan Terkena air seluruhnya 388 2 Sensor hujan Terkena air seluruhnya 260 1 DHT11 - 72% & 23.00C 2 DHT11 - 93% & 23.00C
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 sistem berhasil melakukan pengambilan data sensor, pengujian dilakukan oleh 2 End Device pada lingkungan pertanian. Pengujian sensor kelembapan tanah (YL-69) berhasil mendapatkan nilai 58,75% pada Node 1 dan 52,69% pada Node 2. Kemudian sensor hujan dilakukan dengan dua kondisi pengujian yaitu ketika terkena percikan air sebagian dan terkena
air seluruhnya. Pada pengujian sensor hujan terkena percikan air pada Node 1 mendapat nilai 448 dan Node 2 mendapat nilai 441. Sedangkan saat terkena air seluruhnya, Node 1 mendapatkan nilai 388, dan Node 2 mendapatkan nilai 260. Semakin rendah nilai, maka semakin banyak intensitas air pada penampang sensor.
Sensor suhu dan kelembapan udara (DHT11) mendapatkan nilai kelembapan udara 72% dan suhu 23 derajat celcius pada Node 1, sedangkan pada Node 2 berhasil mendapatkan nilai kelembapan udara 93% dan suhu 23 derajat
celcius.
4.2 Pengujian komunikasi antar Node Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, pengujian komunikasi antar Node berhasil dilakukan dengan pengiriman data dari End
Device kepada PAN Coordinator. Node 1
memiliki alamat 0x6 mengirimkan paket dengan urutan ke-7. Node 2 memiliki alamat 0x7 mengirimkan paket dengan urutan ke-7.
Gambar 7. Pengujian komunikasi antar Node
Pada Tabel 2 ditunjukkan pengiriman data dari End Device ke PAN Coordinator. Node 1 dan Node 2 mengirimkan nilai suhu 29 derajat
celcius dan kelembapan udara 61%. Node 1
mengirimkan nilai dari sensor hujan 1022 dan kelembapan tanah 0.00%, serta Node 2 mengirimkan nilai dari sensor hujan 1023 dan kelembapan tanah 0.098%.
Tabel 2. Pengujian komunikasi antar Node ID Nama sensor Berhasil
Terdeteksi Nilai sensor
1 DHT11 Ya 29.0C&61% 2 DHT11 Ya 29.0C&61% 1 Sensor hujan Ya 1022 2 Sensor hujan Ya 1023 1 YL-69 Ya 0.00% 2 YL-69 Ya 0.098%
4.3 Pengujian besaran arus ketika mode
sleep dan wake
Gambar 8. Pengujian besaran arus ketika mode sleep dan wake
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, pengujian arus dilakukan pada End Device menggunakan sumber daya baterai 9V. Catu daya negatif (ground ) pada baterai dihubungkan dengan probe negatif multimeter, dan probe positif multimeter dihubungkan dengan kaki
ground pada Arduino Nano.
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3 bahwa ketika sistem berada pada mode Wake maka sistem memiliki nilai besaran arus yang lebih besar ketimbang saat sistem memasuki mode sleep. Waktu yang diperlukan saat sistem
wake adalah 1 detik, sedangkan waktu ketika
mode sleep adalah 10 detik.
Tabel 3. Pengujian besaran arus ketika mode sleep dan wake Pengujian Ke- Sleep Mode (mA) Wake Mode (mA) Selisih nilai Arus (mA) 1 42,3 48,0 5,7 2 42.3 47,9 5,6 3 42,2 47,9 5,7 4 42,1 47,9 5,8 5 42,3 48,0 5,7 6 42,1 47,9 5,8 7 42,2 48,0 5,8 8 42,1 48,0 5,9 9 42,0 48,0 6,0 10 41,9 48,0 6,1 11 41,8 47,9 6,1 12 41,7 47,7 6,0 13 41,6 47,7 6,1 14 41,6 47,6 6,0 15 41,5 47,5 6,0 17 41,4 47,2 5,8 18 41,3 47,1 5,8 19 41,1 47,0 5,9 20 41,1 47,0 5,9 Rata-Rata 42,3 47,7 6,0
Setelah dilakukan 20 kali pengujian, maka didapatkan nilai besaran arus ketika mode
wake memiliki rata-rata 47,7 mA, sedangkan
ketika mode sleep memiliki nilai rata-rata arus 42,3 mA. Jika dihitung rata-rata selisihnya maka didapatkan penghematan sebesar 6 mA atau 12,7%.
4.4 Pengujian kinerja pengiriman data
Gambar 9. Pengujian kinerja pengiriman data
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 pengujian kinerja pengiriman data dilakukan dengan menguji packet loss pada pengiriman dengan jarak 1, 5, 10, 15, 20, 25, dan 30 meter pada lingkungan lahan pertanian. End Device diletakkan berdasarkan jarak yang telah ditentukan menggunakan sumber daya baterai 9V. Sedangkan PAN Coordinator dihubungkan dengan laptop untuk kemudian datanya akan ditampilkan pada serial monitor.
Tabel 4. Pengujian kinerja pengiriman data
Hasil pengujian kinerja pengiriman data pada Tabel 4, dilakukan dengan 20 kali pengiriman data dari End Device ke PAN
Coordinator. Pada jarak 2 meter terjadi 1 packet loss oleh Node 1, lalu pada jarak pengiriman 5,
15, 20, dan 25 meter tidak mengalami packet
loss. Namun pada jarak 10 meter terjadi 4 kali packet loss oleh Node 2 dan pengiriman pada
jarak 30 meter terjadi 1 kali packet loss oleh
Node 1 dan 2 kali packet loss oleh Node 2.
Sehingga dapat dilihat dan disimpulkan bahwa jarak optimal kinerja pengiriman data oleh End
Device ke PAN Coordinator adalah 25 meter.
5. KESIMPULAN
Untuk merancang sistem pemantau lahan pertanian berbasis komunikasi MRF24J40MA diperlukan 3 buah Node yaitu 2 End Device dan 1 PAN Coordinator. Pada
End Device memiliki input berupa sensor
suhu, kelembapan udara, kelembapan tanah, hujan, dan pewaktuan RTC DS3231.
End Device berhasil mengambil nilai dari
masing-masing sensor dan mengirimkannya kepada PAN Coordinator dengan jarak pengiriman optimal 25 meter setelah dilakukan dengan pengujian packet loss.
Metode sleep mode powerdown berhasil dilakukan dalam mengimplementasikan Low
Power menggunakan library <avr/sleep.h>
dengan mendapat nilai rata-rata penghematan 6 mA atau 12,7% .
6. DAFTAR PUSTAKA
Electronicsnotes, 2015. Electronicsnotes. [Online] Tersedia di:
<https://www.electronics- notes.com/articles/connectivity/ieee- 802-15-4-wireless/basics-tutorial-primer.php> [Diakses July 2019]. Eo4sd, 2019. Eo4sd. [Online] Tersedia di:
<https://www.eo4idi.eu/eo4sd- knowledge-portal/4-potential-uses- remote-sensing-smallholder-context/42-monitoring-crop-growth> [Diakses May 2019].
Munir, M. M., 2018. Implementasi Wireless Sensor Node Untuk Pemantauan Lahan Pertanian Berbasis Protokol 802.15.4.
Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer.
Pangestu, A. P., 2018. Implementasi Hardware Redundancy Pada Sistem Akuisisi Data Sensor Dengan Menggunakan Metode Hot Standby Sparing. Jurnal
Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer, Volume 2.
Rault, T. B. A. C. Y., 2014. Dalam: Energy
efficiency in Wireless Sensor Networks: Jarak pengiriman
(meter)
Jumlah Packet Loss
Node 1 Node 2 1 1 0 5 0 0 10 0 4 15 0 0 20 0 0 25 0 0 30 1 2 30m
A top-down survey..
s.l.:Comput.Networks, pp. 104-122. Simarpreet Kaur, a. L. M., 2012. Power Saving
MAC Protocols for WSNs.
International Journal of Engineering Business Management.
Soumil Heble, A. K. K. D. P. S. S. P. U. B. D., 2018. A Low Power IoT network for smart agriculture. Department of
