Fakultas Ilmu Komputer
Universitas Brawijaya
3843
Rancang Bangun Low Power Pada Wireless Sensor Node Berbasis
NRF24L01+
Rachmat Eko Prasetyo1, Sabriansyah Rizqika Akbar2, Rizal Maulana3
Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya Email: 1prasetyo.rachmateko@gmail.com, 2sabrian@ub.ac.id, 3rizal_lana@ub.ac.id
Abstrak
Saat ini teknologi wireless banyak digunakan mengingat kemampuannya dalam mendistribusikan dan menyebarkan data secara nirkabel. Teknologi wireless ini biasanya diterapkan untuk memonitor lingkungan dengan pada jangka yang panjang serta memiliki kapasitas energi yang terbatas. Konsumsi energi pada teknologi wireless menjadi hal penting yang harus diperhatikan karena kelangkaan energi akan cepat terjadi bila tidak ada tindakan penghematan energi. Penelitian ini akan membuat sebuah manajemen state prosesor pada teknologi wireless sensor node yang diterapkan pada Arduino Pro Mini dan nRF24L01+ untuk mengurangi penggunaan energi, sehingga penggunaan energi lebih hemat dan mengurangi pergantian baterai secara berkala. Pembuatan wireless sensor node yang hemat energi ini menggunakan arsitektur standar pada sebuah wireless sensor node yaitu menggunakan Arduino Pro Mini sebagai prosesor untuk akuisisi data sensor, pengiriman data serta mengatur konsumsi energi pada wireless sensor node. Untuk modul transmit data menggunakan nRF24L01+ karena membutuhkan konsumsi energi yang rendah untuk transmit data. Pada penelitian ini hemat energi dilakukan dengan merubah state pada prosesor pada Arduino Pro Mini, nRF24L01+, dan keduanya sekaligus serta dengan penggunaan PA Level sehingga konsumsi energi pada wireless sensor node akan lebih rendah. Hasil pada pengujian penelitian ini menunjukkan bahwa efisiensi daya yang paling tinggi yaitu 87,66% dengan menggunakan kondisi PA LEVEL MIN dan low power terhadap Arduino Pro Mini dan nRF24L01+.
Kata kunci: NRF, Energy Saving, Low Power, PA Level.
Abstract
Currently, wireless technology is widely used given its ability in. Wireless technology is usually applied to monitor the environment with a long and has limited energy capacity. Consumption of energy in wireless technology becomes an important thing that must be considered because of the scarcity of energy will be higher if there is no action on energy savings. This research will create a management system on the wireless sensor node processor that is applied to Arduino Pro Mini and nRF24L01 + to reduce energy usage, so that energy usage is more efficient and reduces battery change periodically. The creation of this energy-efficient wireless node utilizes the standard architecture of a wireless sensor node by using the Arduino Pro Mini as a processor for data sensor acquisition, data transmission and energy regulation on wireless sensor nodes. For modules transmit data using nRF24L01 + because it requires low energy consumption to transmit data. In this study energy saving is done by changing the state of the processor on Arduino Pro Mini, nRF24L01 +, and both at once with the use of PA Level so that energy consumption in wireless sensor node will be lower. The results of this experiment showed the highest power of 87.66% using PA LEVEL and low power conditions against Arduino Pro Mini and nRF24L01 +.
Keywords: NRF, Energy Saving, Low Power, PA Level
1. PENDAHULUAN
Teknologi nirkabel merupakan teknologi yang sangat popular di masa kini dikarenakan
kemampuannya dalam mendistribusikan dan menyebarkan data secara nirkabel atau tanpa menggunakan kabel. Banyak ketertarikan baik dalam produk komersiil maupun riset dalam dunia pendidikan karena keunggulannya yang
mudah dikembangkan, efisien, dan lebih murah dari teknologi dengan menggunakan kabel atau wired mengingat membutuhkan biaya yang sangat mahal untuk penyebaran dari infrastruktur kabel. Kumpulan dari beberapa wireless sensor jika masing-masing diletakkan secara special dan diatur konfigurasinya, dapat disebut dengan WSN (Wireless Sensor Network). WSN merupakan jaringan nirkabel yang menggunakan sensor untuk memonitor fisik atau kondisi lingkungan sekitar, seperti tekanan, gerakan, getaran, suara, suhu, gelombang elektromagnetik, dan lain-lain. Banyak bidang yang dapat diimplementasikan menggunakan teknologi nirkabel ini, beberapa contohnya adalah bidang kesehatan, social, kehutanan, keamanan, dan berbagai aktivitas sehari-hari. Teknologi nirkabel ini juga sangat bergantung dengan sumber daya listrik, namun semakin banyaknya penggunaan teknologi ini menyebabkkan pemborosan sumber daya listrik. Menurut keterangan yang disampaikan oleh Direktorat jendral Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi Kementerian Energi pada forum National Energi Efficiency Conference, Indeks elastisitas energi Indonesia hingga saat ini mencapai 1,63, lebih tinggi dibandingkan Thailand dan Singapura yang masing-masing mencapai 1,4 dan 1,1. Bahkan indeks elastisitas energi negara-negara maju berkisar antara 0,1 hingga 0,6. Indeks elastisitas adalah perbandingan laju pertumbuhan konsumsi energi dibanding laju pertumbuhan ekonomi. Untuk meningkatkan elastisitas energi selain mendorong pertumbuhan ekonomi, Indonesia juga harus mengurangi pertumbuhan konsumsi energi. (Tempo, 2012)
Berbeda dengan penyebaran infrastruktur jaringan kabel, umumnya peletakkan node WSN dilengkapi dengan radio transceiver atau alat komunikasi wireless lainnya, mikro-kontroler, dan sumber energi yang biasanya menggunakan baterai dan tersebar banyak pada lingkungan yang sulit dijangkau sehingga akan menghabiskan biaya banyak untuk mengganti sumber energinya. Aplikasi serta penggunaan WSN ada banyak dan bervariasi, umumnya adalah untuk memonitoring, tracking dan controlling. Sebagai contoh adalah untuk melakukan pemantauan terhadap suhu dan kelembapan secara teratur yang akan memerlukan energy yang semakin besar sehingga sumber daya atau baterai akan cepat habis. Salah satu yang mempengaruhi konsumsi daya adalah pemrosesan yang terlalu berlebih
sehingga daya akan cepat habis. Oleh karena itu penting untuk melakukan penghematan daya yang dapat dilakukan baik dalam desain hardware maupun software (Tiffen Rault, dkk. 2014). Ada beberapa studi yang meneliti berbagai teknik penghematan energi tetapi banyak memfokuskan penelitian secara satu teknik saja seperti menjadwalkan waktu kirim data atau jalur untuk mengirim data sedangkan pada penelitian ini adalah mengubah state pada prosesor, state dan power amplifier pada nRF24L01+ sehingga konsumsi arus akan lebih rendah.
Pada sebuah node WSN umumnya terdiri dari beberapa unit yaitu sensing unit, processing
unit, transceiver dan power unit. Unit tersebut
merupakan bagian inti dari sebuah node WSN dan dapat ditambahkan unit-unit lain seperti
Location finding system atau sebuah aktuator
yang dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 1. Bagian utama dari wireless sensor node terdiri dari sebuah sensing unit, processing unit,
transceiver dan power unit. Bagaimana
menggabungkan masing-masing unit tersebut adalah hal yang harus diperhatikan ketika kita melakukan perancangan sebuah wireless sensor
node. Pada processing unit merupakan bagian
sistem yang penting pada wireless sensor node karena dapat mempengaruhi performa ataupun konsumsi energi.
Gambar 1 Struktur standar wileress sensor
node
Sumber:(Waltenegus Dargie dan Christian Poellabauer,2011)
2. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI 2.1. Perancangan Sistem
Pada tahap perancangan akan menjelaskan perancangan sistem wireless sensor node dengan diagram blok yang di tunjukan pada Gambar 2.
Potensiometer
Arduino Pro Mini
NRF24L01+PA+LNA
NRF24L01+PA+LNA
Arduino Pro Mini
Serial Monitor
Nilai Potensiometer
Input Proses Output
Baterai
wireless
Gambar 2 Diagram Blok Sistem
Berdasarkan Gambar 2 perancangan sistem menjelaskan terdapat tiga bagian berupa input, proses, dan output. Pada input hanya berupa penggambilan data potensiometer. Pada proses terdapat dua node, tiap node terdiri dari dari kontoller Arduino pro mini dan wireless modul nRF24L01+. Node pertama berfungsi sebagai Transmitter yang di lengkapi dengan potensiometer, sedangkan node kedua berfungsi sebagai recevier yang di sambungkan pada PC / komputer. Kedua node tersebut akan mengirimkan data secara nirkabel. Pada bagian output berupa data nilai potensiometer yang ditampilkan dengan serial monitor.
2.2. Perancangan sensor node transmitter
Perancangan perangkat keras pada node transmitter terdiri dari rangkaian Mikrokontroler Arduino Pro Mini, potensiometer, modul wireless nRF24L01+, dan rangkaian penurun tegangan dengan IC LM1117T. Dikarenakan nRF24L01+ membutuhkan tegangan yang stabil sebesar 3.3V, maka perlu ditambahkan rangkaian penurun tegangan agar sistem berjalan dengan normal dan nRF24L01+ tidak terbakar. Node menggunakan baterai berkapasitas 9V sebagai catu daya dimana daya tersebut nantinya akan diturunkan menjadi 3,3V agar sistem dapat berjalan dengan baik karena nRF24L01+ akan rusak atau terbakar jika daya yang masuk melebihi 3,6V. Rancangan pada transmitter ditunjukkan pada Gambar 3 berikut.
Gambar 3 Rangkaian Pada Transmitter Keterangan pin transmitter ditunjukkan pada Tabel 1 di bawah ini :
Tabel 1 Keterangan Pin Transmitter
Pada perancangan perangkat lunak pada Receiver yaitu pemrograman Bahasa C/C++ pada mikrokontroler menggunakan Arduino IDE. Penjelasan algoritma pada Receiver sesuai dengan diagram alir pada Gambar 4.
Pin Modul nRF24L01 + Pin Regulator LM117 Pin Kapasitor 10uF Poten siome ter Pin Arduino Pro Mini MOSI - - - 11 CSN - - - 7 CE - - - 8 SCK - - - 13 MISO - - - 12 - - - Vout A0 VCC - - Vin 5V GND GND GND GND GND - Vin - - VCC VCC Vout VCC - -
Mulai
Pengiriman Data Sensor Konfigurasi alamat node Konfigurasi channel node
Pembacaan nilai potensiometer Network.update()
Selesai Import library
Apakah nilai potensiometer >300
Low Power State Wake Up setelah 4 detik
Y
N
Gambar 4 Diagram Alir Algoritma pada Transmitter
2.3. Perancangan sensor node receiver
Gambar 5 Rangkaian pada Receiver
Pada Gambar 5 menjelaskan tentang
skematik diagram node receiver. Skematik diatas hampir sama dengan sensor node pengirim hanya saja terdapat perbedaan pada potensiometer yang tidak dimiliki node receiver.
Keterangan pin transmitter ditunjukkan pada Tabel 2 di bawah ini :
Tabel 2 Keterangan Pin Receiver Pin Modul nRF24L01+ Pin Regulator LM117 Pin Kapasitor 10uF Pin Arduino Pro Mini MOSI - - 11 CSN - - 7 CE - - 8 SCK - - 13 MISO - - 12 VCC - - 5V GND GND GND GND - Vin - VCC VCC Vout VCC -
Pada perancangan perangkat lunak pada
Receiver yaitu pemrograman Bahasa C/C++
pada mikrokontroler menggunakan Arduino IDE. Penjelasan algoritma pada Receiver sesuai
dengan diagram alir pada Error! Reference
source not found..
Mulai
Data diterima Menunggu data diterima Konfigurasi alamat node Konfigurasi channel node
Network.update()
Tampilkan data di serial monitor Apakah nilai potensio < 300
Sleep 4 detik
Selesai Import library
Y N
2.4. Implementasi pada node transmitter
Implementasi pada node transmitter ini di lakukan sesuai dengan perancangan yang sudah dilakukan sebselumnya. Sesuai dari hasil perancangan pada node Transmitter ini terdiri dari rangkaian sensor dengan mikrokontroler serta modul wireless dan potensiometer yang ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7 Implementasi perangkat keras Transmitter Untuk mengimplementasikan algoritma dari node Receiver perlu dilakukan implementasi perangkat lunak menggunakan arduino IDE dengan bahasa pemrograman C/C++.
2.5. Implementasi pada node receiver
Implementasi perangkat keras pada sensor node penerima disesuaikan dengan perancangan yang sebeunya sudah dibuat. Pada sensorn node penerima perangkatnya hanya menggunakan Arduino Pro Mini sebagai mikrokontroller NRF24L01 sebagai komunikasi wireless dan FTDI modul untuk menampilkan data ke laptop atau komputer melalui serial monitor. Perangkat keras pada sensor penerima lebih sedikit dari pada pengirim dikarenakan fungsinya hanya menerima dan menampilkan data saja. Implementasi perangkat keras pada sensor node penerima ditunjukan pada Gambar 8.
Gambar 8 Implementasi perangkat keras node Receiver
Untuk mengimplementasikan algoritma dari node Receiver perlu dilakukan implementasi perangkat lunak menggunakan arduino IDE dengan bahasa pemrograman C/C++.
3. PENGUJIAN
3.1. Pengujian pengiriman data dengan dan tanpa low power pada node Transmitter pada Arduino Pro Mini, nRF24L01+, serta Arduino Pro Mini dan nRF24L01+ 3.1.1 Tujuan
Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui besaran arus yang dibutuhkan oleh node Transmitter untuk mengirimkan data tanpa menggunakan Low Power dan dengan pengkondisian PA Level menggunakan Low Power terhadap Arduino Pro Mini saja, nRF24L01+ saja, serta keduanya yaitu Arduino Pro Mini + nRF24L01+.
3.1.2 Peralatan
1. Node Transmitter 2. Node Receiver 3. Kaber USB FTDI 4. Laptop
5. Arduino IDE 6. Multimeter
3.1.3 Langkah Pengujian
1. Menghubungkan kabel usb FTDI dengan node receiver dan transmitter
2. Membuka arduino IDE
3. Upload program pada menu upload ke node receiver dan transmitter
Gambar 9 Upload Program
4. Menunggu data selesai di upload yang ditandai dengan “done uploading”.’ 5. Menggamati data yang ada pada serial
monitor.
3.1.4 Hasil
Hasil dari pengujian besaran arus yang dibutuhkan oleh node Transmitter tanpa Low
Power dengan PA LEVEL dapat dilihat pada
Tabel 3 dibawah ini.
Tabel 3 Hasil pengujian node Transmitter tanpa low power PA LEVEL Arus MIN 166,2mA LOW 167,8mA HIGH 168,5mA MAX 169,3mA
Hasil dari pengujian besaran arus yang dibutuhkan oleh node Transmitter dengan Low
Power, besarnya arus akan sama meskipun PA LEVEL diatur berbeda dikarenakan modul
NRF24L01+ berada dalam kondisi mati atau
down.yang dapat dilihat pada Error! Reference source not found. dibawah ini.
Tabel 4 Hasil pengujian node Transmitter menggunakan low power
Low Power Terhadap Arus
Arduino Pro Mini 157mA
nRf24L01+ 35,2mA
Arduino Pro Mini dan nRF24L01+
20,9mA
3.1.5 Analisis
Program telah berhasil di-upload pada Arduino Pro Mini sehingga program tersenut dapat dijalankan. Dari hasil pengujian besaran arus, didapatkan perbedaan arus yang signifikan dimana pada saat Transmitter tanpa menggunakan low power dan dengan pengkondisian PA Level serta dengan menggunakan low power.
3.2. Pengujian performa pengiriman data dan efisiensi daya
3.2.1 Tujuan
Untuk mengetahui performa data dan range pengiriman data.
3.2.2 Peralatan
1. Transmitter 2. Receiver
3. Kaber USB FTDI 4. Multimeter 5. Laptop 6. Arduino IDE
3.2.3 Langkah Pengujian
1. Menghubungkan kabel usb FTDI dengan node receiver dan transmitter
2. Membuka arduino IDE
3. Upload program pada menu upload ke node receiver dan transmitter
Gambar 10 Upload Program
4. Menunggu data selesai di upload yang ditandai dengan “done uploading”. 5. Melakukan percobaan dengan melakukan
pengiriman data dan menghitung besarnya efisiensi daya.
3.2.4 Hasil
Berikut adalah hasil pengujian performa waktu data dengan jarak. Hasil pengujian selengkapnya ditunjukan pada Tabel 5.
Tabel 5 Hasil Pengamatan Pengiriman Data Percobaan Pengiriman Data Jarak (Meter) Data Dikirim Data Diterima Prosentase Keberhasilan Percobaan 1 5 20 20 100% Percobaan 2 10 20 20 100% Percobaan 3 15 20 20 100% Percobaan 4 20 20 20 100% Percobaan 5 25 20 4 5%
Hasil pengujian efisiensi daya saat menggunakan low power mode pada Arduino Pro Mini. Hasil pengujian selengkapnya ditunjukan pada Tabel 6.
Tabel 6 Efisiensi Daya Pada Arduino Pro Mini
PA LEVEL Efisiensi
MIN 5,5%
LOW 6,44%
HIGH 6,83%
MAX 7,27%
Hasil pengujian efisiensi daya saat menggunakan low power mode pada nRF24L01+. Hasil pengujian selengkapnya ditunjukan pada Tabel 7.
Tabel 7 Efisiensi Daya pada nRF24L01+
PA LEVEL Efisiensi
MIN 78,82%
LOW 79,03%
HIGH 79,11%
MAX 79,21%
Hasil pengujian efisiensi daya saat menggunakan low power mode pada Arduino Pro Mini dan nRF24L01+ sekaligus. Hasil pengujian selengkapnya ditunjukan pada Tabel 8. Tabel 8 Efisiensi Daya pada Arduino Pro Mini dan
nRF24L01+ PA LEVEL Efisiensi MIN 87,42% LOW 87,55% HIGH 87,6% MAX 87,66% 3.2.4 Analisis
Dari hasil pengujian pengiriman data pada jarak tertentu keberhasilan pengirimannya data adalah sebesar 81% dan efisiensi daya paling rendah mencapai 87,66 saat menerapkan low power mode pada Arduino Pro Mini dan nRF24L01+ sekaligus dengan PA Level MAX.
4. KESIMPULAN 4.1. Kesimpulan
Berdasarkan hasil dari perancangan sitem, implementasi sistem, pengujian sistem, dan juga analisis sistem ini, dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain sebagai berikut :
1. Pada penelitian ini telah dibuat desain manajemen state prosessor yang diaplikasikan pada studi kasus implementasi wireless sensor node sehingga dapat mengurangi penggunaan energi pada wireless sensor node.
2. Pada penelitian ini perubahan state prossesor bisa dilakukan secara software dengan pemrograman Arduino IDE dengan menggunakan library powerDown sehingga merubah state prossesor
powerDown dan menggunakan library low power untuk merubah state prosesor Arduino Pro Mini
sehingga memungkinkan
nRF24L01+ maupun Arduino Pro Mini mengkonsumsi energi serendah mungkin untuk bekerja. 3. Perubahan state prossesor bisa
dilakukan secara sekaligus dengan menggabungkan Arduino Pro Mini dalam kondisi low power dan nRF24L01+ dalam kondisi power down sehingga memungkinkan node transmitter mengkonsumsi energi serendah mungkin untuk bekerja. 4. Dari pengujian pengiriman data,
didapatkan hasil yang sangat baik pada percobaan pengiriman data. Dengan jarak mencapai 25 meter sebesar 81% data dapat diterima oleh node Receiver serta efisiensi daya yang paling rendah yaitu 87,66% dengan menggunakan kondisi PA LEVEL MIN dan low power terhadap Arduino Pro Mini dan nRF24L01+.
5. DAFTAR PUSTAKA
Arduino, 2015. Arduino Pro Mini. Tersedia di : <http://
arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardPro Mini> [Diakses 23 Oktober 2017]. ASA, Nordic Semiconductor, nRF24L01
Product Specification V2.0. <http://www.nordicsemi.com/eng/nordi c/download_resource/8041/1/62435711 > [diakses tanggal 28 Oktober 2017]. Deny Syafril.2013. Penghematan Daya Pada
Sensor Node Menggunakan Metode Pengaturan Waktu Kirim Data. Tersedia di : https://journal.pcr.ac.id/ paper/PenghematanDayaPadaSensorNo deMenggunakanMetodePengaturanWa
ktuKirimData.pdf [Diakses 5 Oktober 2017].
Firdaus, 2014, "wireless Sensor Network",
graha llmu,
source:http://grahailmu.co.ld/previewpd f/978-602-262-189-8-1246.pdf
Qinhua Wang, dkk. 2011. “Wlreless Sensor Networks – An Introductlon”, http://www.intechopen.com/download/ get/type/pdfs/id/1 2464
Sandra Sendra dkk.2011. Power saving and energy optimization techniques for Wireless Sensor Networks. Tersedia di : www.jocm.us/uploadfile /2013/0412/20130412025841137.pdf [Diakses 6 Oktober 2017] Sparkfun, 2015. nRF24L01+Slngle Chlp 2.4GHz Trancelver, https://www.sparkfun.com/datasheets/C omponents/SMD/nRF24L01Pluss _Prellmlnary_Product_Speclflcatlon_v 1_0.pdf dlakses pada tanggal 6 September 2017
Texas Instruments, 2016. LM1117 800-mA Low-Dropout Linear Regulator.
Tersedia di :
www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1117.pdf [Diakses Oktober 2017].
Tempo, Indonesia masih boros energi. Tersedia
di :
https://bisnis.tempo.co/read/news/2012/ 06/11/092409853/indonesia-masih-boros-energi [Diakses 17 Desember 2017]
Vana Jeliˇci´c. 2011. Power Management in Wireless Sensor Networks With High-Consuming Sensors. Tersedia di : https://www.fer.unizg.hr/
_download/repository/VJelicic,KDI.pdf [Diakses Desember 2017].
Waltenegus Dargle dan Chrlstlan Poellabauer.2011. Fundamentals Of Wlreless Sensor Networks, hal.207-224.
