SISTEM PEMANTAUAN LINGKUNGAN BERBASIS
WSN DENGAN LAJU SAMPLING YANG ADAPTIF
Marcho Senda Djisoko – 2206100158
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111
Abstrak – Jaringan sensor nirkabel (Wireless Sensor
Network) telah banyak diaplikasikan untuk sensing dan monitoring lingkungan. Jaringan sensor nirkabel yang saat ini
sedang dikembangkan kebanyakan laju samplingnya tidak bersifat adaptif sehingga energi yang digunakan terkesan dibuang percuma tanpa adanya data signifikan yang digunakan. Oleh karena itu diperlukan adanya efisiensi energi agar jaringan sensor nirkabel dapat bekerja lebih lama. Salah satunya adalah dengan model yang bersifat adaptif.
Pada tugas akhir ini, akan didesain dan diimplementasikan sistem pemantauan lingkungan berbasis jaringan sensor nirkabel yang bersifat adaptif. Sistem akan didesain mampu menerjemahkan perubahan kondisi lingkungan disekitarnya yang akan berpengaruh terhadap
sampling pengambilan data oleh jaringan sensor nirkabel.
Perubahan sampling dilakukan dengan cara menon-aktifkan secara bergantian 4 buah node yang telah dipasang sesuai dengan event yang diberikan. Dengan demikian performa dari sistem ini akan diukur dari tingkat penggunaan energinya dalam rangka melakukan aktifitas pemantauan lingkungan tersebut.
Dari hasil pengukuran dan analisa data menunjukkan bahwa sistem jaringan sensor nirkabel adaptif yang telah dibangun memiliki performansi yang cukup baik. Hal ini dapat dilihat dari perbandingan jumlah paket dan waktu kerja masing-masing node yang berbeda sesuai dengan event yang diberikan. Node 1 memiliki timer period 10 detik dengan waktu kerja 10695 detik dan jumlah paket yang dikirim 172 paket,
node 2 memiliki timer period 5 detik dengan waktu kerja 10765
detik dan jumlah paket yang dikirim 1579 paket, node 3 memiliki timer period 30 detik dengan waktu kerja 17818 detik dan jumlah paket yang dikirim 118 paket, node 4 memiliki
timer period 0.1 detik dengan waktu kerja 13335 detik dan
jumlah paket yang dikirim 5826 paket. Dan juga sistem ini memiliki efisiensi energi lebih baik daripada sistem yang tidak adaptif.
Kata kunci : jaringan sensor nirkabel, sistem adaptif, pemantauan lingkungan
I. PENDAHULUAN
Pemantauan aktifitas lingkungan merupakan hal yang sangat menarik untuk dikembangkan. Seperti yang kita ketahui, kehidupan manusia tentu berpengaruh terhadap lingkungan sekitarnya. Banyak sekali telah dilakukan penelitian terhadap lingkungan, salah satunya terhadap sifat-sifat hujan. Mulai dari bagaimana pembentukan hujan, sampai dengan musim saat hujan sering turun.
Pada pemantauan lingkungan ini, hal yang diamati adalah adanya sifat adaptif yang digunakan pada jaringan sensor nirkabel. Sifat adaptif ini diharapkan dapat
menghemat konsumsi arus yang digunakan oleh jaringan sensor nirkabel tersebut. Karena seperti yang diketahui bersama, salah satu isu yang ingin dikembangkan pada jaringan sensor nirkabel adalah penghematan energi saat melakukan sensing.
Khusus pada penelitian ini, sifat adaptif yang dikembangkan pada jaringan sensor nirkabel menggunakan bantuan dari micro controller avr atmega 16. Micro
controller adalah sebuah sistem microprosecor dimana di
dalamnya sudah terdapat CPU, ROM, RAM, I/O, Clock dan peralatan internal lainnya yang sudah saling terhubung dan terorganisasi (teralamati) dengan baik. Sehingga kita tinggal memprogram isi ROM sesuai aturan penggunaan pabrik yang membuatnya.
Dengan adanya micro controller ini jaringan sensor nirkabel dapat dimodifikasi menjadi bersifat adaptif yang artinya dapat merubah clocking pada jaringan sensor nirkabel. Perubahan clocking ini bergantung pada hasil
sensing pada micro controller. Sensor yang digunakan pada micro controller adalah sensor suhu menggunakan LM-35
dan sensor intensitas cahaya menggunakan LDR. Sehingga dengan adanya perubahan suhu dan intensitas cahaya dapat merubah clocking pada jaringan sensor nirkabel. Dengan adanya perubahan tersebut diharapkan penggunaan energi pada rangkaian jaringan sensor nirkabel atau Wireless Sensor
Network dapat lebih efisien penggunaannya.
II. TEORI PENUNJANG
2.1 Pengenalan Klimatologi dan Hujan
Klimatologi adalah ilmu yang mempelajari iklim, dan merupakan sebuah cabang dari ilmu atmosfer. Dikontraskan dengan meteorologi yang mempelajari cuaca jangka pendek yang berakhir sampai beberapa minggu, klimatologi mempelajari frekuensi di mana sistem cuaca ini terjadi.
Gambar 1 Grafik suhu udara harian bulan April 2010 untuk daerah Tanjung Perak
Dalam kehidupan sehari-hari, iklim akan mempengaruhi jenis tanaman yang sesuai untuk dibudidayakan pada suatu kawasan, dan teknik budidaya yang dilakukan petani. Dengan demikian pengetahuan iklim
sangat penting artinya dalam sektor pertanian. Klimatologi merupakan ilmu tentang atmosfer. Sama dengan
meteorologi, tapi berbeda dalam kajiannya, meteorologi lebih mengkaji proses di atmosfer sedangkan klimatologi pada hasil akhir dari proses-proses atmosfer. Klimatologi adalah ilmu yang mencari gambaran dan penjelasan sifat iklim, mengapa iklim di berbagai tempat di bumi berbeda dan bagaimana kaitan antara iklim dan dengan aktivitas manusia.
Sementara hujan adalah peristiwa turunnya air dari langit ke bumi. Awalnya air hujan berasal dari air dari bumi seperti air laut, air sungai, air danau, air waduk, air rumpon, air sawah, air comberan, air susu, air jamban, air kolam, air ludah, dan lain sebagainya. Selain air yang berbentuk fisik, air yang menguap ke udara juga bisa berasal dari tubuh manusia, binatang, tumbuh-tumbuhan, serta benda-benda lain yang mengandung air. Air yang menguap / menjadi uap melayang ke udara dan akhirnya terus bergerak menuju langit yang tinggi bersama uap-uap air yang lain. Di langit yang tinggi uap tersebut mengalami proses pemadatan atau kondensasi sehingga membentuk awan.
2.2 Jaringan Sensor Nirkabel
Jaringan Sensor Nirkabel terdiri atas sekumpulan sensor (alat pendeteksi) yang tersebar dan memiliki kemampuan untuk melingkupi area atau wilayah geografis tertentu yang disebut sebagai area sensor, dimana pada area sensor itu terdapat banyak sekali parameter – parameter yang dapat dideteksi. Sensor – sensor ini dirancang dengan sedemikian rupa sehingga berkemampuan untuk dapat merasakan (sensing), penghitungan dan elemen-elemen komunikasi yang memberikan kemampuan kepada administrator untuk mengukur, mengobservasi, dan memberikan reaksi kepada suatu event (kejadian) dan fenomena pada lingkungan tertentu, memproses data hasil dari pengumpulan informasi, serta dapat melakukan komunikasi baik secara horizontal (sesama sensor), maupun vertikal (dengan base station) tanpa menggunakan kabel untuk media transmisinya (wireless). Ilustrasi sederhana sebuah jaringan sensor dapat dilihat pada Gambar 1.
Beberapa versi komersial dari penerapan teknologi transmisi data nirkabel ditujukan untuk aplikasi dari jaringan sensor nirkabel. Dan kebanyakan dari sistem tersebut mengikuti spesifikasi standar dari IEEE 802.15.4 dan Zigbee untuk aplikasi pada lingkup jaringan area personal nirkabel (WPAN – Wireless Personal Area Network) [1]. Karakteristik umum dari WPAN adalah konsumsi power yang relatif rendah, indikasi kualitas dari jalur komunikasi, dengan kanal radio lebih dari 16 kanal berdasarkan lebar frekuensi, dan didukung dengan protokol yang sesuai sehingga meningkatkan keandalan (reliability) dari transmisi data dan sinkronisasi waktu.
Gambar 2 Arsitektur Jaringan Sensor Nirkabel
2.3 Sistem Operasi dan Bahasa Pemrograman
Setiap sensor node membutuhkan sistem operasi untuk mengatur hardware dari sensor agar dapat berinteraksi dengan software aplikasinya. Dan di setiap sistem operasi menggunakan bahasa pemrograman yang beragam. Pada penelitian ini, digunakan sistem operasi TinyOS dan bahasa pemrograman NesC.
TinyOS merupakan sistem operasi open-source yang didesain khusus untuk jaringan sensor nirkabel. TinyOS memiliki arsitektur berbasis komponen yang mendukung adanya inovasi dan implementasi jaringan sensor nirkabel, dengan cara meminimalisir ukuran kode yang dibutuhkan, karena komponen sensor memiliki memori yang sangat terbatas. TinyOS memiliki model pemrograman berbasis komponen yaitu NesC. Layaknya sistem operasi lainnya, TinyOS mengorganisir komponen perangkat lunaknya dalam beberapa lapisan. Lapisan paling bawah berkaitan dengan perangkat keras, dan lapisan paling tinggi adalah aplikasi yang digunakan. [2]
III. PERENCANAAN DAN IMPLEMENTASI
3.1 Perencanaan Topologi dan Konfigurasi Jaringan Pada tugas akhir ini topologi yang digunakan untuk membentuk suatu sistem pemantauan kondisi struktur bangunan adalah topologi Star, dimana setiap node akan langsung berkomunikasi dengan gateway/sink dan mengirim- kan data hasil pembacaannya pada gateway/sink tanpa harus berkomunikasi dengan node lainnya. Jenis komunikasi ini juga sering disebut komunikasi single hop.
Gambar 3 Blok Diagram
Sensor Suhu Sensor Cahaya Micro Control ler AVR AT MEGA 16 Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Base station
Sebagai gateway/sink, penelitian ini menggunakan MIB600 untuk melewatkan paket – paket data dari jaringan sensor menuju ke server dengan konektor ekspansi 51-pin untuk komunikasi jaringan sensor dan interface Ethernet
Programming Board (EPRB) untuk komunikasi server.
Sensor node yang digunakan adalah sensor dengan platform Micaz produksi Crossbow Technology yang bekerja pada frekuensi 2,4 Ghz dengan spesifikasi standar IEEE 802.15.4 dengan sumber energi dua buah baterai AA dengan kapasitas 1,5 Volt. Sensorboard yang digunakan untuk mendeteksi suhu dan intensitas cahaya adalah MTS420, produksi Crossbow Technology yang dipasang pada Node (mote) Micaz.
3.2 Persiapan Hardware
Gateway yang digunakan untuk melewatkan paket
dari jaringan sensor kepada server adalah tipe MIB 600 dengan konektor ekspansi 51-pin untuk komunikasi jaringan sensor dan interface Ethernet Programming Board (EPRB) untuk komunikasi server.
Sensor node yang digunakan adalah sensor dengan platform Micaz produksi Crossbow Technology yang bekerja pada frekuensi 2,4 Ghz dengan spesifikasi standar IEEE 802.15.4 dengan sumber energi dua buah baterai AA dengan masing-masing memiliki tegangan 1,5 Volt. Daya pancar maksimum yang dapat dihasilkan adalah 0 dBm atau 1 mW.
Sensorboard yang digunakan untuk mendeteksi getaran dan memantau aktifitas manusia adalah MTS420/420, produksi Crossbow Technology yang dipasang pada Node (mote) Micaz. Sensorboard ini dapat membaca adanya perubahan suhu dan intensitas cahaya.
3.3 Implementasi Sistem
START
Konfigurasi Program
Injeksi Program kedalam micro
Uji kinerja micro
1 Tidak Berhasil Berhasil 1 Injeksi Program kedalam mode Tahap implementasi Pengukuran Konsumsi
Arus Pengujian Sistem
Analisa Analisa
Kesimpulan
Gambar 4 Diagram Alir Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan pengukuran terhadap suhu dan intensitas cahaya dalam suatu ruangan yang dapat diatuur terlebih dahulu suhu di dalam ruangan tersebut. Namun sebelumnya telah dipersiapkan dari sisi konfigurasi jaringan maupun hardware dan softwarenya. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 4.
Pada implementasi sensor ini berbeda pada implementasi jaringan sensor nirkabel pada umumnya. Jika pada implementasi umumnya satu node jaringan sensor nirkabel akan di-supply oleh dua baterai AA maka pada implementasi jaringan sensor nirkabel yang bersifat adaptif ini 4 buah node hanya akan di-supply dua baterai AA. Keempat node tersebut akan aktif bergantian sesuai dengan keadaan/event yang diberikan kepada micro. Event yang diberikan kepada micro adalah perubahan suhu dan perubahan intensitas cahaya.
#define TIMER_PERIOD 5000 // timer period in msec
Perbedaan tersebut dimaksudkan agar adanya perubahan penggantian time sampling saat event tertentu diberikan terhadap sistem. Perubahan time sampling yang terjadi lebih lama sekitar enam kali dari timer period . Hal ini terjadi karena ada beberapa bagian yang diaktifkan secara bersamaan yaitu, pengikatan untuk fungsi tegangan baterai, pengikatan untuk Taos sensor cahaya, pengikatan untuk accelerometer, pengikatan untuk sensor kelembaban dan suhu, pengikatan untuk sensor barometric. Alasan diaktifkannya semua sensor adalah untuk meningkatkan penggunaan energi sehingga nantinya dapat diamati perbedaan efisiensi masing-masing node. Sementara itu, diagram pembagian kerja node 1, 2, 3, dan 4 dapat dilihat sebagai berikut.
Gambar 5 Diagram Pembagian Event Node 1, 2, 3, dan 4
Intensitas Cahaya Suhu
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1.3 Analisa Data Suhu
Proses pengambilan data dilakukan di laboratorium b-304 jurusan teknik elektro, fakultas teknologi industri, institut teknologi sepuluh nopember. Pengambilan data ini dimulai tepat tengah malam pukul 00.00 WIB. Implementasi pengambilan data dapat dilihat sebagai berikut.
Sebelum pengambilan data dimulai terlebih dahulu direncanakan pemberian event sebagai berikut.
Dari grafik diatas maka dapat dilihat bahwa terjadi perubahan sampling yang signifikan ketika suhu dibawah 27° C dan intensitas cahaya berubah saat malam dini hari berganti menjadi pagi hari. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan timer period dari node 1, 2, 3, dan 4.
Tabel 1 Pemberian event/kejadian
4.1.4 Analisa Data Intensitas Cahaya
Pada analisa data intensitas cahaya ini data yang diambil tersebut bersamaan dengan pengambilan data suhu yang telah dijelaskan diatas.
PUKUL Event/Kejadian
00.00 WIB Pengambilan data dimulai, AC mati, lampu lab nyala
01.00 WIB AC nyala 20° C
04.00 WIB AC mati, lampu lab mati
12.00 WIB AC nyala 20° C
4.2 Perbandingan persentase jumlah waktu dan jumlah paket yang dikirimkan masing-masing node.
Grafik disamping menggambarkan bahwa sistem yang dirancang sudah berjalan sesuai dengan yang diharapkan. Hal ini dibuktikan dengan banyaknya jumlah paket yang dikirim berbeda-beda masing node walaupun waktu kerjanya hampir sama.
Gambar 8 Grafik perbandingan persentase jumlah waktu dan paket masing-masing node
4.3 Analisa Konsumsi Arus
Berdasarkan pengamatan terlihat terdapat dua sistem, yaitu sistem yang adaptif dan sistem yang tidak adaptif. Sistem adaptif terdiri atas 4 node yang aktif bergantian sesuai dengan event yang diberikan dengan sumber 2 baterai AA. Sementara sistem yang tidak adaptif hanya terdiri dari 1 node yang juga diberi sumber 2 baterai AA. Dari pengamatan tersebut berikut adalah tabel pengamatan untuk pengamatan pertama hingga pengamatan ke-12.
Tabel 2 hasil pengamatan konsumsi arus
Pada sistem yang tidak adaptif turun sekitar 0.04 A pada setiap pengukurannya. Sementara sistem yang adaptif penurunannya berubah-ubah sesuai dengan node yang aktif saat itu. Dengan adanya penurunan arus yang berubah-ubah maka dapat ditarik kesimpulan sistem adaptif lebih efisien penggunaan energinya jika dibandingkan dengan sistem yang tidak adaptif. Sistem yang tidak adaptif memiliki waktu aktif 9 jam 15 menit dan sistem yang adaptif memiliki waktu aktif 17 jam sehingga dapat disimpulkan sistem adaptif lebih hemat energi lebih kurang 45 % dari sistem yang tidak adaptif.
Gambar 9 Grafik perbandingan persentase jumlah waktu dan paket masing-masing node
V. PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari hasil analisa yang telah dilakukan, beberapa hal yang dapat disimpulkan adalah:
1. Node 1 memiliki timer period 10 detik dengan waktu kerja 10695 detik dan jumlah paket yang dikirim 172 paket, node 2 memiliki timer period 5 detik dengan waktu kerja 10765 detik dan jumlah paket yang dikirim 1579 paket, node 3 memiliki timer period 30 detik dengan waktu kerja 17818 detik dan jumlah paket yang dikirim 118 paket, node 4 memiliki timer
period 0.1 detik dengan waktu kerja 13335 detik dan
jumlah paket yang dikirim 5826 paket.
2. Berdasarkan pengamatan konsumsi arus tahap pertama terlihat bahwa node 1dan node 3 menunjukkan penurunan yang hampir sama yaitu sekitar 0.025 A sedangkan untuk node 2 turun sekitar 0.03 A dan node 4 turun sekitar 0.04 A dalam rentang waktu 15 menit. 3. Berdasarkan pengamatan konsumsi arus tahap kedua
terlihat bahwa sistem yang adaptif lebih efisien lebih kurang 45 % penggunaan energinya dibandingkan dengan sistem yang tidak adaptif.
5.2 Saran
Sistem pemantauan lingkungan berbasis WSN yang adaptif ini tidak hanya digunakan pada pemantauan lingkungan saja melainkan juga dapat diterapkan pada sistem pemantauan yang lainnya. Dengan penggunaan sistem yang adaptif diharapkan dapat meningkatkan efisien energi lebih baik daripada sebelumnya.
DAFTAR PUSTAKA
[1] D. Culler. 2004. “Overview of Sensor Networks”, John Willey and Sons, Ltd.
[2] Crossbow Technology,“Tiny OS Overview”,
http://www.ce.rit.edu/~fxheec/cisco_urp/cd_seminar/Pr esentations/Day1-All/03_TinyOS_Overview.pdf
BIODATA PENULIS
Marcho Senda Djisoko, lahir di Palembang – Sumatera Selatan pada tanggal 28 Maret 1988. Pada tahun 2000, penulis menamatkan pendidikan Sekolah Dasar di SD Negeri Pucang IV Sidoarjo, kemudian melanjutkan pendidikan di SLTP Negeri III Sidoarjo dan selesai tepat pada tahun 2003. Penulis melanjutkan pendidikan Sekolah Menengah Umum di SMA Negeri I Sidoarjo hingga lulus pada tahun 2006. Dengan anugerah Allah, penulis dapat melanjutkan studi di PTN Institut Teknologi Sepuluh Nopember dengan mengambil Jurusan Teknik Elektro melalui jalur SPMB dan menamatkan studi S1 pada tahun 2010.
No jam ke-i Adaptif
Tidak Adaptif (0.1 detik) 1 0 jam 0 menit 2.23 2.4 2 0 jam 15 menit 2.20 2.26 3 0 jam 30 menit 2.17 2.22 4 0 jam 45 menit 2.15 2.15 5 1 jam 0 menit 2.13 2.11 6 1 jam 15 menit 2.15 2.07 7 1 jam 30 menit 2.12 2.03 8 1 jam 45 menit 2.09 1.98 9 2 jam 0 menit 2.08 1.93 10 2 jam 15 menit 2.07 1.9 11 2 jam 30 menit 2.01 1.86 12 2 jam 45 menit 1.97 1.84
